Модуль 1. Задание 1.1
Теоретическая экология
Введение
Экология как наука, изучающая отношения между организмами и их взаимосвязи с окружающей средой. Предмет и задачи экологии. Организм и надорганизменные системы: популяции, сообщества, экосистемы как объекты экологии. Биоэкология и ее основные разделы (аутэкология, демэкология, синэкология). Ландшафтная экология. Экология человека и социальная экология.
Повышение роли экологии на современном этапе развития человечества. Основные нарушения в биосфере, вызываемые деятельностью человека. Угроза глобальных экологических катастроф. Экология как научная основа выхода из глобальных кризисов.
Экологические знания – основа природопользования. Экологические принципы заповедного дела и рационального использования природных ресурсов. Красные книги.
Экологическая ситуация в Украине (3)
С введением в Западной Европе более жестких экологических норм, в Украине наблюдается тенденция к увеличению объемов вредных производств из-за переноса таких предприятий на территорию страны.
Ряд ограничений на выпуск продукции, которая включает опасные и вредные компоненты, приводит к тому, что вредные производства из приграничных регионов Западной Европы вытесняются и постепенно переносятся на территории близлежащих государств, в том числе стран СНГ. В настоящее время экологи выражают опасение, что количество источников загрязнений диоксинами со временем увеличится.
Присутствие в воздухе, которым мы дышим, примесей азота, серы и большого количества углекислого газа усугубляется добавлением к этому перечню более опасных токсинов. Промышленные выбросы наиболее крупных предприятий Украины, таких как Добротворская ТЭС, металлургические комбинаты, до сих пор можно было подвергнуть анализу и учету. Но подсчет уровня токсичных веществ на новых предприятиях достаточно проблематичен.
В частности во Львове запланирован запуск медеплавильного цеха по переплавке отходов меди и прокату катанки. В Николаеве уже в стадии реализации идея сжигания автомобильных шин. Реалии итальянского опыта, где закрыли свыше десяти производств сыра вблизи мусоросжигательных заводов, говорят о том, что расположение животноводческих ферм и объектов пищевой промышленности недопустимо в районах с повышенным содержанием токсинов.
В Украине, к сожалению, экологическая ситуация трудно контролируема, так как система контроля за опасными веществами требует наличия специального дорогостоящего оборудования. Только тест на содержание опасного диоксина стоит около 1 тыс.долларов.
Причина ухудшения экологической обстановки на Украине кроется не только в недостатках законодательства, но и в процветании коррупции. Под видом гуманитарной поддержки ввозятся вредные вещества, просроченные медицинские препараты.
Основные экологические понятия и термины (4)
1. Экология - это наука, изучающая закономерности взаимоотношений организмов между собой и с окружающей средой, структуру и функционирование надорганизменных биологических систем.
2. Экологические факторы - это отдельные элементы среды, взаимодействующие с организмами, на которые живое реагирует приспособительными реакциями.
3. Экологическая ниша - это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе.
11. Анабиоз - это временное состояние организма, при котором жизненные процессы замедлены до минимума и все видимые признаки жизни отсутствуют.
13. Биоритмы - это периодически повторяющиеся колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений, дающие возможность приспосабливаться к изменениям среды.
14. Биоценоз, или сообщество - это взаимосвязанная совокупность популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих однородный участок суши или водоема.
16. Экосистема - это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная самоподдерживающаяся и саморегулирующаяся биологическая система, состоящая из организмов и абиотической среды, объединенных обменом веществ и энергии.
26. Экологические пирамиды – это графическое изображение соотношения между основными функциональными группами организмов в экосистеме, выражаемое в единицах массы, числе особей или количестве энергии.
27. Биомасса - это выраженное в единицах массы или энергии количество живого вещества тех или иных организмов, приходящееся на единицу площади или объема экосистемы.
28. Продуктивность, или продукция - это прирост живого вещества, производимый популяцией или сообществом за единицу времени на единицу площади или объема.
31. Климакс - это заключительное, относительно устойчивое состояние сменяющих друг друга экосистем, в значительной мере соответствующее экологическим условиям данной местности.
37. Ноосфера - это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества.
38. Мониторинг - это комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биосферы или ее отдельных элементов, возникающих под влиянием антропогенных воздействий.
Кругооборот веществ и энергии в биосфере (6) Круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора, серы в биосфере. Влияние антропогенных факторов на кругооборот веществ и энергии в биосфере. (8)
Все живые организмы находятся во взаимосвязи с неживой природой и включаются в непрерывный круговорот веществ и энергии. В результате происходит биогенная миграция атомов. Необходимы для жизни химические элементы переходят из внешней среды в организм. При расписании органических веществ эти элементы опять возвращаются в окружающую среду. благодаря сбалансированному круговороту газов состав атмосферы всегда находится на постоянном уровне.
В результате круговорота веществ происходит непрерывное перемещение химических элементов из живых организмов в неживую природу и наоборот. Круговорот веществ состоит из двух противоположных процессов, связанных с аккумуляцией элементов в живых организмах и минерализацией в результате их расписания. Образование живого вещества преобладает на поверхности Земли, а минерализация — в почве и морских глубинах.
Следовательно, биосфера являет собой большую систему, которая состоит из разнородных компонентов, связанных между собой процессами превращения энергии и вещества. Миграция веществ замкнута в циклы, компонентами которых являются тела живой и неживой природы. Цикличность процессов обеспечивает непрерывное существование биосферы.
Рис. 1. Схема круговорота воды. Содержание воды дано в кг/см2 в год на поверхности Земли. Испарение и выпадение осадков дано в г/см2 в год на поверхность океана или континента соответственно.
Рис. 2. Схема круговорота углерода. Содержание углерода дано в г/см2 поверхности Земли. Обмен углерода дан в g (1·10-6 г) на 1 см2 поверхности Земли в год.
Рис. 3. Схема круговорота азота.
Рис. 4. Схема круговорота фосфора.
Рис. 5. Схема малого круговорота веществ на Земле.
Роль В.И. Вернадского в изучении биосферы и ноосферы. Общие свойства биосферы (10)
Век научно-технической революции означает переход биосферы в новую фазу, которую акад. В.И. Вернадский назвал сферой ведущего значения человеческого разума. «Биосфера XX столетия,— писал он еще в 1944 г.,—превращается в ноосферу, создаваемую прежде всего ростом науки, научного понимания и основанного на ней социального труда человека» (В.И. Вернадский, 1967, с. 356).
Широко бытует представление о том, что ноосфера характеризуется в первую очередь разумным ведением хозяйственной деятельности. Видимо, из этого исходил и В.И. Вернадский. Однако принципиальным нужно считать то обстоятельство, что сила человеческого разума через достижения науки и техники становится ведущим фактором перестройки природных систем и их дальнейшей эволюции. «Разумный» образ сочетания различных форм деятельности — одна из составляющих научно-технического прогресса; как показывает опыт, это качество формируется позднее, чем реальная возможность эффективного влияния на природу, и стимулируется негативными результатами стихийного развития хозяйства. В основе отрицательных форм влияния человека на биосферу Лежит именно расхождение технологических возможностей такого влияния и осознания отдаленных экологических последствий вмешательства в биосферные процессы.
Живое вещество, его роль в формировании биосферы. Функции животного вещества: энергетическая, деструктивная, концентрационная, средообразующая (11)
Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Понятие «живое вещество» обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения включает нижнюю часть воздушной оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В. И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией. Живое вещество играет наиболее важную роль по сравнению с другими веществами биосферы, и выполняет рад важнейших функций.
Функции живого вещества в биосфере разнообразны:
– Энергетическая – аккумуляция солнечной энергии в ходе фотосинтеза; за счет солнечной энергии протекают все жизненные явления на Земле.
– Газовая – состав современной атмосферы (в частности, содержание кислорода и углекислого газа) сложился, в значительной мере, под воздействием жизнедеятельности организмов.
– Концентрационная – в результате жизнедеятельности организмов сложились все виды ископаемого топлива, многих руд, органическое вещество почвы и т.д.
– Окислительно-восстановительная – в ходе жизнедеятельности живых организмов постоянно протекают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивающие круговорот и постоянные превращения углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов.
– Деструкционная – в результате разрушения погибших организмов и продуктов их жизнедеятельности происходит превращение живого вещества в косное, биогенное и биокосное.
– Средообразующая – организмы различным образом преобразуют физико-химические факторы среды.
– Транспортная – перенос вещества против силы тяжести и в горизонтальном направлении.
Экологическое значение атмосферы, гидросферы, литосферы (13)
Границы биосферы
Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10—11 км. определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.
Атмосфера (от. греч. ατμός — «пар» и σφαῖρα — «сфера») — газовая оболочка небесного тела, удерживаемая около него гравитацией. Поскольку не существует резкой границы между атмосферой и межпланетным пространством, то обычно атмосферой принято считать область вокруг небесного тела, в которой газовая среда вращается вместе с ним как единое целое. Глубина атмосферы некоторых планет, состоящих в основном из газов (газовые планеты), может быть очень большой.
Атмосфера Земли содержит кислород, используемый большинством живых организмов для дыхания, и диоксид углерода потребляемый растениями, водорослями и цианобактериями в процессе фотосинтеза. Атмосфера также является защитным слоем планеты, защищая её обитателей от солнечного ультрафиолетового излучения.
Литосфе́ра (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли. Состоит из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород. В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.
Блоки литосферы — литосферные плиты — двигаются по относительно пластичной астеносфере. Изучению и описанию этих движений посвящен раздел геологии о тектонике плит.
Гидросфе́ра (от др.-греч. Yδωρ — вода и σφαῖρα — шар) — это водная оболочка Земли.
Цепи питания и экологические пирамиды. Трофические цепи, экологическая ниша. Особенности агробиоценозов (14)
Пищева́я (трофи́ческая) цепь — ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища — потребитель.
Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80—90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4—5.
Экологи́ческая ни́ша — место, занимаемое видом в биоценозе, включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. Термин введен в 1914 году Дж. Гриннеллом и в 1927 году Чарльзом Элтоном[1].
Экологическая ниша представляет собой сумму факторов существования данного вида, основным из которых является его место в пищевой цепочке.
Агробиоценоз — совокупность организмов, обитающих на землях сельскохозяйственного пользования. Поля, огороды, сады, лесные насаждения, пастбища — созданные и контролируемые человеком экосистемы, называемые агроценозами.
Пример агроценоза — поле пшеницы. Его растительный покров состоит из растений пшеницы с примесью сорняков. Животных меньше, чем в естественной среде обитания, но они есть.
В агроценозе, как и в любой природной экосистеме, существует те же самые группы организмов — продуценты, консументы и редуценты.
Для агроценозов характерны такие же пищевые цепи, как и для природной экосистемы.
Главные причины развития глобального экологического кризиса (15)
Уже сегодня ученые говорят о глобальном экологическом кризисе и если человечество не сделает ничего для того, чтобы исправить сложившуюся ситуацию, этот кризис может обернуться катастрофой для всей планеты.
У современного экологического кризиса есть несколько причин:
• безудержный и очень быстрый рост населения Земли
• несовершенные сельскохозяйственные и промышленные технологии
• легкомысленность человечества и пренебрежение законами развития биосферы
Основные экологические законы (19)
Закон биогенной миграции атомов (или закон Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под превосходящим влиянием живого вещества, организмов. Так происходило и в геологическом прошлом, миллионы лет назад, так происходит и в современных условиях.
Закон внутреннего динамического равновесия — один из главнейших в природопользовании.
Закон генетического разнообразия: все живое генетическое разное и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности.
Закон исторической необратимости: развитие биосферы и человечества как целого не может происходить от более поздний фаз к начальным, общий процесс развития однонаправленный.
Закон константности (сформулированный В. Вернадским): количество живого вещества биосферы (за определенное геологическое время) есть величина постоянная. Этот закон тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия.
Закон корреляции (сформулированный Ж. Кювье): в организме как целостной системе все его части отвечают одна другой как за строением, так и за функциями. Изменение одной части неминуемо вызовет изменения в других.
Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского—Бауэра): любая биологическая и «бионесовершенная» система с биотой, которая находится в состоянии «стойкого неравновесия» (динамично подвижного равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.
Закон минимума (сформулированный Ю. Либихом): стойкость организма определяется самым слабым звеном в цепи ее экологических потребностей.
Закон ограниченности естественных ресурсов: все естественные ресурсы в условиях Земли исчерпаемые.
Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго, третьего и других порядков, а потом редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне в результате процессов, которые сопровождают дыхание.
Закон оптимальности: никакая система не может суживаться или расширяться к бесконечности.
Закон пирамиды энергий (сформулированный Р. Линдеманом): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другого переходит в среднем не более 10 % энергии.
Закон равнозначности условий жизни: все естественные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначные роли.
Закон развития окружающей среды: любая естественная система развивается лишь за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно — это вывод из законов термодинамики.
Закон уменьшения энергоотдачи в природопользовании: в процессе получения из естественных систем полезной продукции с течением времени (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем расходуется все больше энергии (возрастают энергетические затраты на одного человека).
Закон совокупного действия естественных факторов (закон Митчерлиха—Тинемана—Бауле): объем урожая зависит не от отдельного, пусть даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно. Частицу каждого фактора в совокупном действии ныне можно подсчитать.
Закон толерантности (закон Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум, так и максимум экологического влияния, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору.
Закон грунтоистощения (уменьшение плодородия): постепенное снижение естественного плодородия почв происходит из-за продолжительного их использования и нарушения естественных процессов почвообразования, а также вследствие продолжительного выращивания монокультур (
Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В. Вернадским): все живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу. Из этого явствует, что вредное для одной части живого вещества вредит и другой его части, только, конечно, разной мерой. Разность состоит лишь в стойкости видов к действию того ли другого агента. Кроме того, через наличие в любой популяции более или менее стойких к физико-химическому влиянию видов скорость отбора за выносливостью популяций к вредному агенту прямо пропорциональная скорости размножения организмов и дежурство поколений. Через это продолжительное употребление пестицидов экологически недопустимое, так как вредители, которые размножаются значительно более быстро, более быстро приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится все более увеличивать.
Четыре основные экологические закона, сформулированные Б. Коммонером (20)
Ба́рри Ко́ммонер (род. 28 мая 1917) — американский биолог и эколог.
Наследие Коммонера включает четыре закона экологии, сформулированных в виде афоризмов:
1. Всё связано со всем - в законе отражён экологический принцип холизма (целостности), он основан на законе больших чисел.
2. Всё должно куда-то деваться - закон говорит о необходимости замкнутого круговорота веществ и обеспечения стабильного существования биосферы.
3. Природа знает лучше — закон имеет двойной смысл — одновременно призыв сблизиться с природой и призыв крайне осторожно обращаться с природными системами.
4. Ничто не даётся даром - закон говорит о том, что каждое новое достижение неизбежно сопровождается утратой чего-то прежнего
Модуль 1. Задание 1.2
Глобальные проблемы связанные с загрязнением окружающей среды
Состав, строение и защитные функции атмосферы. Особенности атмосферы, способствующие развитию негативных экологических процессов (1)
Состав, строение и функции гидросферы (2)
Альтернативные источники энергии. Энергосбережение. Перспективы и примеры развития энергосберегающих технологий (7)
Урбанизация и ее отрицательные последствия (9)
Проблемы утилизации отходов (10)
Загрязнение воды. Состояние водных бассейнов Украины. Главная причина ухудшенияэкосистем Черного и Азовского морей (14)
Генетический фонд. Демографический взрыв и его последствия. Демографические проблемы в Украине (15)
Тепловое загрязнение атмосферы и его последствия (17)
Воздействие электромагнитных полей на живой организм. Экологическое влияние линий электропередач (18)
Выводы: Экология – наука о жизни природы – переживает свою вторую молодость. Возникшая более 100 лет тому назад как учение о взаимосвязи организма и среды, экология на наших глазах трансформировалась в науку о структуре природы, науку о том, как работает живой покров Земли в его целостности. А так как работа живого все в большей степени определяется деятельностью человека, то наиболее прогрессивно мыслящие экологи видят будущее экологии в теории создания изменённого мира. Экология на наших глазах становится теоретической основой поведения человека индустриального общества в природе.
Модуль 2.
Введение: Украина входит в число крупнейших европейских стран по территории, числу населения, площади, ресурсному потенциалу и является одной из наиболее загрязненных на континенте. Это обусловлено высоким уровнем концентрации промышленной катастрофой – аварией на Чернобыльской АЭС. Решение проблемы улучшения экологического состояния территории Украины в первую очередь следует начинать с введения системы природоохранных мер в регионах, имеющих наибольшее социально-экономическое значение для страны и напряжённую экологическую ситуацию. Такими регионами правительство, с подачи специалистов, признало Донецко-Приднепровский, Полесский, Карпатский и Азово-Черноморский с рекой Днепр.
Задание 2.1. Охрана окружающей среды
Методы защиты атмосферы. Нормирование примесей атмосферы. Определение ПДК, ПДВ, ВСВ (1)
На XIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН в июне 1997 года было принято одно из основных направлений природоохранной деятельности национальных правительств в рамках программы. Это направление заключается в поддержании чистоты атмосферного воздуха планеты. Для защиты атмосферы необходимы административные и технические меры, направленные на уменьшение возрастающего загрязнения атмосферы. Защита атмосферы не может быть успешной при односторонних и половинчатых мерах, направленных против конкретных источников загрязнения. Необходимо определить причины загрязнения, проанализировать вклад отдельных источников в общее загрязнение и выявить возможности ограничить эти выбросы.
Так в целях защиты окружающей среды в декабре 1997 года был принят Киотский протокол, направленный на регулирование выбросов в атмосферу парниковых газов. В РФ на сохранение и улучшение качества атмосферного воздуха направлен закон «Об охране атмосферного воздуха». Этот закон должен регулировать отношения в области охраны атмосферного воздуха, чтобы улучшить состояние атмосферного воздуха и обеспечить благоприятную среду для обитания человека, предотвратить химическое и т. п. воздействие на атмосферный воздух и обеспечить рациональное использование воздуха в промышленности.
В настоящее время существует большое количество различных методов очистки воздуха от различных вредных загрязнений[1]. К основным способам относятся:
- Абсорбционный метод.
- Адсорбционный метод.
- Термическое дожигание.
- Термокаталитические методы.
- Озонные методы.
- Плазмохимические методы.
- Плазмокаталитический метод.
- Фотокаталитический метод.
Нормирование качества воды в водоемах. Требования к качеству воды (5)
В гидрохимической практике используется и метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения.
В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концен-траций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКвр — Кi и повторяемости случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл — Bi:
| Ki = Ci /ПДК i; |
| Hi=N ПДК i / Ni; |
| Bi=Ki·Hi, |
где Сi — концентрация в воде i -го ингредиента;
ПДК i — предельно допустимая концентрация i -го ингредиента для водоемов
рыбохозяйственного назначения [11;5];
N ПДК i — число случаев превышения ПДК по i -му ингредиенту;
Ni — общее число измерений i -го ингредиента.
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды [5].
Также оценка качества воды и сравнение современного состояния водного объекта с установленными в прошлые годы характеристиками проводятся на основании индекса загрязнения воды по гидрохимическим показателям (ИЗВ). Этот индекс представляет собой формальную характеристику и рассчитывается усреднением как минимум пяти индивидуальных показателей качества воды. Обязательны для учета следующие показатели: концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН и биологическое потребление кислорода БПК5
Современное состояние грунтов в Украине (6)
Проблема эрозии грунтов является одной из наиболее актуальных проблем совре-менности. Интенсификация эрозионных процессов и их распространение на огромные территории приводят к существенной деградации грунтов, становятся причиной больших убытков в сельском хозяйстве и в целом ставят под угрозу безопасное развитие человечества. В мире наибольший вес среди процессов деградации имеют процессы водной и ветровой эрозии: 56% и 28% соответственно. Это означает, что охрана Грунтов от эрозии - важнейшая проблема, без решения которой достижение устойчивого землепользования невозможно.
В Украине ежегодно от эрозии теряется от 300-400 до 500-600 млн. т грунта. С продуктами эрозии выносится до 10-15 млн. т гумуса, 0,3-0,9 млн. т азота, 700-900 тыс. т фосфора, 6-12 млн. т калия, что значительно больше, чем вносится с удобрениями.
Рекультивация нарушенных земель (7)
Рекультивация (лат. re — приставка, обозначающая возобновление или повторность действия; cultivo — обрабатываю, возделываю) — комплекс работ по экологическому и экономическому восстановлению земель и водоёмов, плодородие которых в результате человеческой деятельности существенно снизилось. Целью проведения рекультивации является улучшение условий окружающей среды, восстановление продуктивности нарушенных земель и водоёмов.
