Основы экологии

Основы экологии (контрольная)

1. Экологическая система

Основной (элементарной) функциональной единицей биосферы есть экосистема. Экосистема — естественный единый комплекс, образованный за длинный период живыми организмами и средой, в которой они существуют, и где все компоненты тесно связаны обменом веществ и энергии. Но, в соответствии с представлением Ю. Одума, не всякая комбинация жизнь-среда — может быть экосистемой. Ею может стать лишь среда, где имеет место стабильность и четко функционирует внутренний кругооборот веществ. Выделяют микроэкосистемы (пенек с грибами, небольшое болото), мезоэкосистемы (участок леса, озеро, водохранилище) и макроэкосистемы (континент, океан). Глобальной экосистемой есть биосфера нашей планеты. Часто экосистему отождествляют с биогеоценозом. И. Дедю считает, что категории экосистема и биогеоценоз совпадают на уровне растительной общности и принципиально различаются лишь выше и ниже этого уровня. «Экосистема» — понятие более общее. Компоненты биогеоценоза — биотоп и биоценоз. Биотоп — однородное за абиотическими факторами среды пространство, занятое биоценозом (то есть место жизни вида, организма), а биоценоз — сообщество организмов (продуцентов, консументов и редуцентов), которые живут в границах одного биотопа.

Понятие «биоценоз» — условное, поскольку вне среды существования организмы жить не могут, но ним удобно пользоваться в процессе изучения экологических связей между организмами.

В зависимости от местности, отношение к человеческой деятельности, степени насыщения, полноценности и т. п. различают биоценозы суши, воды, естественные и антропогенные, насыщенные и ненасыщенные, полночленные и неполночленные.

Во время изучения экосистем характеризуют: 1) их видовой или популяционный состав и количественное соотношение видовых популяций; 2) пространственное распределение отдельных элементов; 3) совокупность всех связей, в первую очередь — цепей питания.

Различаются экологические макросистемы и микросистемы.

Существует

общепланетарная естественная экологическая система, охватывающая всю планету Земля;

межконтинентальные естественные экологические системы;

национальные;

естественные экологические системы территорий государств;

региональные;

местные;

микроэкосистемы.

Они различаются не только по территориям, но и набором природных компонентов:

растительность;

животный мир, в том числе микроорганизмы;

биоценоз;

биомасса.

Между ними происходит взаимообмен и взаимосвязь органических и неорганических веществ, компонентов на основе естественного природного Закона равновесия в природе, окружающей среде. Любые крупные нарушения взаимообмена и равновесия в природе, изъятия из нее одних природных компонентов в ущерб другим наносят большой экологический ущерб.

Биогеоценоз — это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. В это сообщество поступают энергия Солнца, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода, а выделяются из него теплота, кислород, диоксид углерода, продукты жизнедеятельности организмов.

Основные функции биогеоценоза — аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ. Биогеоценоз — целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Он включает следующие обязательные компоненты: неорганические (угле род, азот, диоксид углерода, вода, минеральные соли) и органические вещества (белки, углеводы, липиды и др.); автотрофные организмы — продуценты органических веществ; гетеротрофные организмы — потребители готовых органических веществ растительного — консументы (потребители первого порядка) и животного (потребители второго и следующих порядков) происхождения. К гетеротрофным организмам относятся разрушители — редуценты, или деструкторы, которые разлагают остатки мертвых растений и животных, превращая их в простые минеральные соединения. Говоря о биоценозах, рассматривают только взаимосвязанные живые организмы, обитающие в данной местности. Биоценозы характеризуются видовым разнообразием, т. е. числом видов живых организмов, образующих его; плотностью популяций, т. е. числом особей данного вида, отнесенного к единице площади или к единице объема (для водных и почвенных организмов); биомассой — общим количеством животного органического вещества, выраженного в единицах массы.

Биомасса образуется в результате связывания солнечной энергии. Эффективность, с которой растения ассимилируют солнечную энергию, в разных биоценозах неодинакова. Суммарная продукция фотосинтеза называется первичной продукцией. Растительная биомасса используется потребителями первого порядка — растительноядными животными — в качестве источника энергии и материала для создания биомассы; причем используется чрезвычайно избирательно, что понижает интенсивность межвидовой борьбы за существование и способствует сохранению природных ресурсов. Растительноядные животные в свою очередь служат источником энергии и материала для потребителей второго порядка — хищников и т. д. Наибольшее количество биомассы образуется в тропиках и в умеренной зоне, очень мало — в тундре и океане. Организмы, входящие в состав биогеоценозов, испытывают влияние неживой природы — абиотических факторов, а также со стороны живой природы — биотических воздействий.

Биоценозы представляют собой — целостные, саморегулирующиеся биологические системы, в состав которых входят живые организмы, обитающие на одной территории. Энергия солнечного света ассимилируется растениями, которые впоследствии используются животными в качестве пищи.

Пример:

Полуперепревший подстилочный навоз благодаря большому содержанию органического вещества оказывает положительное влияние на физические, физико-химические и биологические свойства почвы При систематическом его внесении увеличивается содержание гумуса и общего азота в почве, снижается обменная и гидролитическая кислотность, уменьшается со держание в почве подвижных форм алюминия и марганца, повышается степень насыщенное основаниями. Песчаные и супесчаные почвы становятся более связными, повышается их поглотительная способность и буферносгь, что способствует сохранению в них влаги и питательных веществ. Глинистые почвы под действием навоза становятся более рыхлыми, легче поддаются обработке, делаются более проницаемыми для воды и воздуха

При систематическом внесении навоза не только снижается кислотность почвы (при норме навоза 30—40 т на 1 га вносится 0,3—0,5 т кальция и магния в пересчете на карбонаты), но и улучшается питание растений кальцием, магнием, серой и микроэлементами Важное значение имеет также выделяющаяся при разложении навоза углекислота. При разложении 30—40 т навоза ежедневно выделяется от 35 до 65 кг СО2., что улучшает углеродное питание растении

С навозом в почву вносится громадное количество микроорганизмов. Органическое вещество навоза — хорошо доступный источник пищи и энергетический материал для жизнедеятельности почвенной микрофлоры. Поэтому при внесении навоза усиливаются микробиологическая деятельность почвы и мобилизация содержащихся в ней запасов питательных веществ

В навозе содержатся все элементы питания, необходимые растениям Доступность отдельных питательных веществ навоза различна и зависит от его качества, а также от почвенно-климатических условии В 1 т полуперепревшего навоза содержится 4—5 кг азота, 2—2,5 кг фосфора и 5—7 кг калия.

Коэффициент использования азота из полуперепревшего навоза первой культурой зависит от содержания в нем аммиачного азота и составляет в среднем 20—30% общего количества азота. В первый год растения усваивают главным образом аммиачный азот. В твердых выделениях животных и в подстилке азот находится в форме органических соединений, которые медленно минерализуются в почве и в первый год слабо используются растениями. В жидких выделениях азот находится преимущественно в форме растворимых соединений, легко превращающихся в аммиак. Поэтому чем больше жидких выделений поглощается подстилкой, тем богаче навоз аммонийным азотом и тем выше действие такого навоза в первый год после внесения. Навоз на торфяной подстилке обычно содержит больше аммонийного азота, поэтому и эффективность его в первый год выше, чем навоза на соломенной подстилке.

Коэффициент использования первой культурой фосфора и особенно калия из навоза выше, чем азога. Усвоение растениями фосфора в первый год составляет 30—40%, а калия 60—70% общего содержания их в навозе. Из навоза в первый год лучше всего используется калий. Общее содержание калия в навозе также выше, чем азота и особенно фосфора. По сравнению с минеральными удобрениями азот навоза усваивается в первый год хуже, фосфор — лучше (почти в 2 раза, чем фосфор суперфосфата при разбросном внесении), а калий — в близкой степени.

При внесении навоза прежде всего обеспечивается калийное питание растений. Удобрительное же действие навоза главным образом определяется содержанием в нем общего и аммонийного азота, так как в большинстве почв, особенно Нечерноземной зоны, для нормального питания растений в первую очередь не хватает азота Навоз обладает значительным последействием. Использование азота, фосфора и калия из навоза второй культурой составляет обычно соответственно 15—20; 10—15 и 10−15%, третьей— 10—15; 5—10 и 0—10% Использование питательных веществ навоза за р01ацию севооборота (с учетом последействия) составляет: азота 50—60%. фосфора 50—60 и калия 80—90%, что близко к использованию соответствующих питательных веществ из минеральных удобрений Результаты многолетних полевых опытов показывают, что при внесении навоза и минеральных удобрений в эквивалентных количествах по валовому содержанию питательных веществ суммарные прибавки урожаев всех культур за ряд лет (за одну и более ротаций севооборота) оказываются довольно близкими

Однако урожай одних культур (клевер, пшеница, свекла) может быть выше по навозу, а других (рожь, овес, картофель) — по минеральным удобрениям Преимущество навоза или минеральных удобрений для той или иной культуры зависит как от биологических особенностей растений, так и от свойств почвы На кислых почвах, особенно при систематическом внесении физиологически кислых минеральных удобрений, преимущество на стороне навоза, а на некислых почвах — на стороне минеральных удобрений или они равноценны с навозом.

вода загрязнение биоценоз лесной

2. Охрана природы

Основные способы очистки сточных вод от загрязнения:

В настоящее время разработано много способов очистки сточных вод, различающихся как природой процессов, которые положены в их основу, так и технологическими параметрами.

Механическая очистка Методы очистки стоков следует разделить на механические, физико-химические и биологические К механическим относятся осаждение, флотация и фильтрование.

Осаждение предназначено для удаления из воды крупнодисперсных примесей (песка и взвесей) и может быть организовано двумя способами: под действием силы тяжести (отстойники) или центробежной силы. Подобные установки способны удалять песок с размером частиц не менее 0,15−0,20 мм.

Флотация также является способом очистки от грубодисперсных примесей. Сущность данного метода заключается в переносе загрязняющих веществ на поверхность воды с помощью пузырьков воздуха. Затем всплывшие в виде пенных образований примеси удаляются специальными скребками Наиболее распространенным методом очистки воды от грубодисперсных примесей является фильтрование через слой пористого материала или сетки с подходящим размером отверстий. Очистка фильтрованием особенно актуальна в технологических процессах, использующих оборотную воду.

Физико-химические методы Физико-химические методы применяются для очистки сточных вод от мелкодисперсных (0,1−10 мкм) и коллоидных (0,001−0,1 мкм) примесей, а также кислот, оснований и некоторых ионов.

Одним из методов физико-химической очистки является нейтрализация процесс, основанный на реакции между кислотой и основанием. Как правило, нейтрализации подлежат кислые стоки. В качестве нейтрализующих агентов в данном случае применяют соду, аммиак, известь, мраморную крошку, щелочную золу, шлаки и другие щелочные реагенты.

Схожими между собой способами очистки сточных вод являются коагуляция и флокуляция. Сущность их заключается во взаимодействии загрязняющих веществ (коллоидных и мелкодисперсных частиц) либо с минеральными соединениями (коагуляция), либо с высокомолекулярными веществами (флокуляция).

Для глубокой очистки загрязненных сточных вод используется метод обратного осмоса (гиперфильтрации), основанный на разделении растворов под давлением (от 3 до 8 МПа) на полупроницаемой мембране, пропускающей воду и задерживающей молекулы или ионы загрязняющих веществ (ЗВ). Эффективность данного процесса определяется как селективностью мембраны по отношению к ЗВ, так и ее проницаемостью. Подобным методом можно выделять из сточных вод и утилизировать низкомолекулярные растворенные вещества (сахара, соли, кислоты). Использование мембранных методов для очистки сточных вод целесообразно после проведения предварительной (более грубой) очистки.

Сущность ионообменного метода очистки заключается в фильтрации очищаемых сточных вод через ионообменные смолы (иониты). Среди ионитов различают сильнои слабокислотные катиониты и сильнои слабоосновные аниониты, а также аниониты, содержащие специфические комплексообразующие группы. Проходя через ионит, ЗВ, включающее катионную группу, вступает в реакцию обмена с катионитом и оседает на нем. И наоборот, ЗВ, в составе которого есть специфические анионные группы, связывается с анионитами. Преимущество метода состоит в том, что он позволяет целенаправленно выделить определенные вещества из раствора и провести регенерацию ионообменных смол.

В случаях, когда загрязняющее вещество невозможно извлечь из сточных вод или другие способы неприменимы, используют деструктивные методы очистки, сущность которых сводится к разложению ЗВ до компонентов, безвредных для окружающей среды. Различают термоокислительные и электрохимические способы деструкции, а также методы с применением сильных окислителей.

Биологическая очистка Вышеперечисленные методы не могут обеспечить эффективной очистки воды от широкого спектра простых и сложных органических веществ, поэтому в настоящее время практически все типы сточных вод перед сбросом в водоемы проходят стадию биологической очистки, сущность которой сводится к тому, что в определенных условиях микроорганизмы (МО) могут расщеплять органические вещества до конечных продуктов — воды, углекислого газа, нитрит-, сульфат-ионов и т. д.

По типу МО, участвующих в разложении органических веществ, все биологические методы могут быть разделены на аэробные (для их жизнедеятельности необходим кислород) и анаэробные (живут в отсутствии кислорода). Кроме того, существуют отдельные штаммы МО, для жизнедеятельности которых необходимо наличие в питательной среде азота. Аэробный процесс усвоения азотистых веществ называется нитрификацией, а анаэробный — денитрификацией.

Все аэробные биологические методы очистки могут быть разделены по типу резервуара, в котором происходит окисление ЗВ («резервуарами» в данном случае могут являться поля фильтрации, биологические пруды, аэротенки и биофильтры). При этом сущность самого метода очистки (минерализация органических веществ) остается неизменной. В естественных условиях биологическая очистка происходит на полях фильтрации (орошения) и в биологических прудах.

Аэробное окисление в биологических прудах представляет собой процесс минерализации органических веществ под действием МО, обитающих в воде. Биологические пруды представляют собой водоемы, в которых создаются наиболее благоприятные для жизнедеятельности МО условия (небольшая глубина, отсутствие течений, большое количество микроводорослей, насыщающих воду кислородом, обилие простейших, питающихся бактериями и т. п.). Строительство биологических прудов целесообразно как для доочистки сточных вод, так и для очистки воды рек, впадающих в водохранилища.

Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации. Здесь обитают колонии МО (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил «отдыхает» (регенерируется).

В случае высокой концентрации в сточных водах органических веществ (БПК более 1000 мг/л), а также при очистке бытовых стоков (БПК от 30 до 50 мг/л) как один из наиболее перспективных может рассматриваться анаэробный метод очистки.

Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, нестандартного оборудования. Этот факт также является немаловажным при эксплуатации сооружений подобного типа. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.

Существуют и так называемые некондиционные стоки — сточные воды, которые не могут быть очищены при помощи современных технологий, или их очистка представляется нецелесообразной. Они подвергаются утилизации закачке в естественные подземные резервуары. Ими могут стать, например, области с пониженным пластовым давлением, образующиеся в результате промышленной откачки углеводородов. Однако утилизация сточных вод подобным образом возможна лишь в том случае, когда принимающий подземный горизонт полностью изолирован от горизонтов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, бальнеологических и промышленных целей.

3. Характеристика лесных ресурсов России

Леса обеспечивают разнообразные потребности людей. Они не только служат сырьевой базой лесной и лесоперерабатывающей промышленности, но и являются одним из основных элементов рекреационного потенциала, средой обитания человека, регулируют и очищают водные стоки, эффективно предотвращают эрозию, сохраняют и повышают плодородие почв, наиболее полно сберегают генетическое разнообразие биосферы, обогащают атмосферу кислородом и предохраняют воздушный бассейн от загрязнения, в значительной степени формируют климат. Растительный мир лесов — уникальный поставщик дикорастущих плодов и ягод, орехов и грибов, ценных видов лекарственных трав и специфического технического сырья для различных отраслей промышленности.

На пороге возникновения земледелия, по существующим оценкам, лесами было покрыто 62 млн. км 2, или более двух пятых поверхности суши нашей планеты, а с учетом других типов лесной растительности эта площадь составляла 75 млн. км 2.

Россия является крупнейшей лесной державой.

Лесные ресурсы имеют многоцелевое назначение. С одной стороны, это ценное промышленное сырье, с другой — топливо. Велика роль леса в сохранении определенного климата, поддержании водного режима, очистке воздушного бассейна. Один гектар леса ежегодно поглощает 4,5−6 т углекислого газа, 30−50т пыли и выделяет 3−5т кислорода. Лес улавливает окислы, цементную пыль, свинец, фтор, серный ангидрид и т. д.

Лесные ресурсы. В соответствии с особенностями природных условий России и ходом ее исторического развития леса занимают наибольшую площадь в структуре ее земельного фонда (около 800 млн. га) или почти 45% всей территории. Лесные богатства нашей страны сосредоточены главным образом в восточных ее районах — в Сибири и на Дальнем Востоке. Но более интенсивно используются леса европейской части России, особенно леса Европейского Севера.

Россия обладает крупнейшими запасами древесины в мире (более 20% мировых запасов) и самыми большими массивами лесов. Наиболее распространенные породы деревьев в России — это хвойные (лиственница, сосна, ель, кедровая сосна). Всего, а нашей стране произрастает 1500 видов деревьев и кустарников.

Российские леса, а также болота и переувлажненные земли (в которых содержится в связанном виде атмосферный кислород — т. е. «хранилище» запасов кислорода) являются крупнейшими на планете массивами «дикой» природы. Они имеют глобальное значение для природы и человека, т.к. в них происходит компенсация глобальных загрязнений и нарушений природы.

В нашей стране сохранились огромные площади разнообразных ненарушенных ландшафтов — самые большие в умеренных широтах. С ними связано существование богатого и разнообразного животного мира. По запасам охотничьих животных и промысловых рыб Россия занимает одно из первых мест в мире.

Леса России богаты ягодами, грибами, ценными дикорастущими растениями.

Для рационального использования лесных ресурсов необходимо производить вырубки леса в объеме, не превышающем их прирост, комплексно перерабатывать древесину, восстанавливать вырубленные леса.

1. Журнал «Аква-терм» № 5 (15) сентябрь 2003

2. Хотунцев Ю. Л. «Экология и экологическая безопасность», Академия, 2004

3. Коробкин В. И, Передельский Л. В. «Экология, учебник для ВУЗов», 2005