Техносферная и экологическая безопасность О

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ФГБОУ ВПО ПГУПС)

-----------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра «Техносферная и экологическая безопасность»

О.И. КОПЫТЕНКОВА, А.В. ЛЕВАНЧУК

Е.А. ШИЛОВА,  Л.М. ЮФЕРЕВА

ЭКОЛОГИЯ

(Теоретическая часть)

Учебное пособие

Санкт-Петербург 2011

УДК 502.3

ББК 20.1

Экология (Теоретическая часть): учебное пособие. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011. – 60 с.

Учебное пособие по дисциплине «Экология (Теоретическая часть)» состоит из трех разделов: «Основы экологии», «Биосфера и человек», «Экологизация антропогенной деятельности»

Материал, представленный в учебном пособии дает представление об экологии как о науке, синтетически объединяющей достижения различных отраслей естествознания, определяющей подход к комплексному исследованию закономерностей развития биосферы, о видах антропогенного воздействия и экологических проблемах современности; обоснование проведения контрольно-нормативных мероприятий, используемых при оценке воздействия объектов различного назначения на окружающую среду

Преподавание экологических дисциплин для инженерно-технических специалистов должно отвечать современным требованиям и основываться на  принципах развития науки и техники, обеспечивающих максимальную гармонизацию двух сред жизни и деятельности человека – биосферы и техносферы, а также учитывать особенности преподавания экологических дисциплин в высшем техническом учебном заведении, научный подход и склад мышления инженеров.

Учебное пособие предполагает его использование в комплексе с учебным пособием «Экология (Практическая часть)», где изложены материалы по актуальным вопросам реализации  системы обеспечения экологической безопасности в Российской Федерации, а также контрольные вопросы, темы рефератов, методические указания по выполнению практического задания по дисциплине «Экология».

Учебное пособие предназначено для студентов всех специальностей преимущественно дистанционной, очно-заочной и вечерней форм обучения.

УДК 502.3

ББК 20.1

©Копытенкова О.И., Леванчук А.В., Шилова Е.А., Юферева Л.М., 2011

© Петербургский государственный

университет путей сообщения, 2011

ВВЕДЕНИЕ

Современные требования, предъявляемые к подготовке специалистов технических направлений высшей школы, предполагают необходимость глубокого понимания законов природы, лежащего в основе их будущей профессиональной деятельности. Независимо от специфики работы инженера, от места приложения знаний, полученных в учебных заведениях, решения производственных задач должны согласовываться с основным принципом развития современной науки и техники — максимальной гармонизации взаимоотношений двух сред жизни и деятельности всего сущего на земле - биосферы и техносферы.

Однако, знания, получаемые студентами технических вузов в области экологических дисциплин, чаще всего строятся на расчлененном изучении сложных систем окружающего мира, на искусственном выделении событий из единого целого. Между тем, весь окружающий мир представляет единое, неделимое целое, связанное материально, энергетически и информационно. Развитие человечества вносит в природные процессы свой поток веществ, энергии, информации, создавая или усиливая современные экологические проблемы: загрязнение окружающей среды, истощения природных ресурсов планеты и связанные с этими нарушениями последствия.

Поэтому экологическому образованию в высшей технической школе должно уделяться особое внимание, как на возможность влияния через деятельность выпускаемых специалистов на ход дальнейшего развития технического и научного прогресса.

Преподавание экологических дисциплин в технических вузах должно иметь особенности, учитывающие учебный процесс, наличие в программе дисциплин, характерных для технических специальностей, научный подход и склад мышления инженеров. В этом плане представляется весьма уместным наиболее близкий и понятный им физико-философский подход к экологии в отличие от более традиционной биологической направленности.

Важно отметить, что системный подход к пониманию устройства окружающего мира, к роли человека в этом мире, к перспективам дальнейшего существования жизни на планете необходим для будущих инженеров, деятельность которых связана с преобразованием этого мира. Без этого понимания невозможно понять причины противостояния человеческой цивилизации на современном этапе и природной среды, то есть определить причины экологического кризиса. Только комплексный, системный анализ явлений природы и антропогенного воздействия на окружающую среду  может приблизить человечество к решению этих проблем, выработке и массовому распространению в общественном сознании новой экологической идеологии экоцентризма, правильной организации экологического образования и практической деятельности в области природопользования.

Широкий взгляд на экологию, как на междисциплинарную область знаний, изучающую всеми доступными методами, как теоретические вопросы, так, и решающую прикладные задачи, должен способствовать формированию представления современного человека о глобальной экосистеме планеты - биосфере, частью которого он является и с которой он неразрывно связан единой судьбой.

Предлагаемый к изучению теоретический материал предполагает наличие базисных знаний по экологии, полученных учащимися в рамках программы средней образовательной школы.

Основы экологии

1.  Современная система экологических знаний.

Экология, как направление биологии, возникла в середине Х столетия, а как самостоятельная наука – на стыке ХIХ и ХХ столетий. Термин «экология» ввел известный немецкий биолог и философ Э. Геккель в 1866 году в своих трудах «Всеобщая морфология организмов» и «Естественная история миротворения», который определял экологию как «познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды». Слово «экология» происходит от греческого «oikos», что означает «жилище», «местопребывание», «убежище».  

1. 1 Становление  экологических знаний человечества.

Экология, как область человеческого знания имеет свою историю развития, начавшуюся на заре развития самого человечества. Можно выделить и охарактеризовать следующие периоды ее развития (Табл.1):

Табл.1

Периоды развития экологических знаний человечества.

Период	Источники знаний	Вклад в развитие экологических знаний
1 Период отражает примитивные знания, накапливаемые людьми, в т.ч. первобытными, в процессе тесного общения с природой и ведения натурального хозяйства (VI— IV века до н.э.)	Эпос и научные трактаты Египта, Индии,  Китая Вавилона.	Первые сведения о флоре и фауне, о способах обработки земли, о  мелиорации и влиянии окружающей среды на здоровье человека.
2 Период накопления фактического материала учеными античности, средневековый застой. (I-IV век до н.э. – IVвек н.э.)	Эмпедокл из Акраганта  (Древняя Греция) «О природе»	Зачатки идеи «естественного отбора».
	Аристотель (Древняя Греция) «История животных», «О цветах»	Классификация животных, связанная с условиями жизни.
	Теофраст (Феофраст) (Древняя Греция) «Исследования о растениях»	Описание растений и их  сообществ.
	Плиний старший (Древний Рим) «Естественная история»	Обобщение данных по зоологии, ботанике, лесному хозяйству
3 Период сбора и первых попыток систематизация фактического материала, накопленного с началом великих географических открытий и колонизацией новых стран – в эпоху Возрождения ( IVвек - XVIII век включительно)	К Линней (Швеция) «Экономика природы»	Описание типологии местообитаний, классификация живых организмов
	Ж. Бюффон (Франция) «Естественная история»	Идеи об изменчивости видов
	Т. Мальтус (Англия) «Опыты о законе народонаселения»	Развитие идей о развитии популяций
	Ж.Б. Ламарк (Франция) «Философия зоологии»	Описание роли внешних факторов в формировании строения животных,  идеи об эволюции жизни
	Ж. Турнефорр (Франция) «Элементы ботаники»	Идеи о зависимости развития растений от условий среды и мест произрастания
	Альфонс де Кандоль (Франция) «Ботаническая географии»
	Р. Бойль (Англия) «Новые физико-механические эксперименты…»	Первый экологический эксперимент по влиянию низкого атмосферного давления на развитие животных
	Антони ван Левенгук (Нидерланды) «Письма в Лондонское королевское общество»	Описание и попытки систематизации микроорганизмов
	П.С. Паллас (Россия) «Зоогеография»	Идеи исторического развития органического мира.
	М.В. Ломоносов (Россия) «О слоях земных»	Развитие идей влияние среды на организм, круговорота веществ.
	А.Т. Болотов (Россия) «Записки»	Классификация местообитаний растений
4 Период начала становления экологии как науки, возникновение  эволюционной экологии. Связан с крупными ботанико-географическими открытиями, способствовавшими дальнейшему развитию экологического мышления; предпосылки экологических идей; выделены экология растений и экология животных (конец XVIII века – середина XIX века).	А. Гумбольдт (Германия) «Идея географии растений»	Введение понятия «сферв жизни», создание направления - биогеография.
	Ч. Дарвин (Англия) «Происхождение видов путем естественного отбора… », «Происхождение человека и половой отбор»	Теория происхождения, изменчивости видов, эволюционные идеи, идеи происхождения человека в результате эволюции обезьяноподобных предков.
	Ю. Либих (Германия) «Органическая химия и ее приложение к земледелию и физиологии»	Постулирование закономерности о  лимитирующих факторах, ограничивающих развитие и распространение организма
	И. М. Сеченов (Россия) «Элементы мысли», « Предметная мысль и действительность»	Развитие эволюционных идей происхождения организмов, их  зависимости от состояния внешней среды
	К.Ф. Рулье (Россия) «О влиянии наружных условий на жизнь животных»	Создание российской научной школы биологов –эволюционистов, развитие учения об адаптациях.
5 Период аутэкологического направления изучение естественной совокупности видов, непрерывно перестраивающихся применительно к изменению факторов среды, т.е. факториальной экологии. Определение понятия «экология» (вторая половина (1866 г.) XIX века  - середина (1936 г.) XX века.)	Э. Геккель (Германия) «О развитии организмов»	Введение понятие «экология», формулировка биогенетического закона.
	Г. Спенсер (Англия) «Изучение социологии»	Основание научного направления -  экология человека.
	Э. Зюсс (Австрия) «Лик Земли»	Обобщения накопленных знаний о строении земной коры, введение термина «биосфера».
	К. Мебиус (Германия) «Устрицы и устричное хозяйство»	Развитие направления экологии сообществ,  переход к системным исследованиям в экологии, введение термина «биоценоз».
	В.В. Докучаев (Россия) «К учению о зонах природы»,  «О нормальной оценке почв».	Создание учения о природных зонах и учения о почве
	Ч. Элтон (Англия) «Принципы экологии»	Формулировка закономерностей экологических пирамид, введение терминов «экологическая ниша», «пищевая (трофическая) цепь»
	Г. Ф. Морозов (Россия) «Учение о лесе»	Развитие концепции природных комплексов.
	Г. Н. Высоцкий (Россия) «Покрововедение»	Развитие идей связи эволюции растительности с деятельностью человека, введения термина «экотоп»
	X. Берроуз (США) «География как экология человека»	Развитие идей социальной экологии
	Северцов А.Н.. (Россия/СССР)  «Этюды по теории эволюции: индивидуальное развитие и эволюция»	Развитие эволюционных идей развития организмов – создание научного направления эволюционной морфологии.
	В. И. Вернадский (Россия/СССР) «Биосфера»	Создание научного направления - биогеоэкологии,  теории биосферы
	Э. Леруа (Франция) «Происхождение человека и эволюция интеллекта»	Развитие глобальной экологии, введение термина «ноосфера»
	Д. Н. Кашкаров (СССР) «Среда и сообщества», «Основы экологии животных»	Создание первых отечественных учебников по экологии
6 Период синэкологического направления, характеризует переход к системному подходу в исследованиях экологических систем, процессов материально-энергетического обмена. Начало развития количественных методов и математического моделирования. (40-70 годы ХХ века)	А. Тенсли (США) «Правильное и неправильное использование ботанических терминов»	Введение термина «экосистема»
	Г. Ф. Гаузе Россия) «Борьба за существование»	Развитие экспериментальной экологии, подтверждение принципа конкурентного исключения.
	В. Шелфорд (США) «Принципы и проблемы экологии»	Изучение взаимодействия организмов в наземных сообществах, формулировка «закона толерантности», введение термина «биоэкология».
	В. Н. Сукачев (Россия) «Биогеоценология и фитоценология»	Развитие современной биогеоценологии, введение термина «биогеоценоз»
	Р. Линдеман (США) «Трофико-динамический аспект экологии»	Определение основных принципов расчета энергетического баланса экологических систем.
	Ю. Одум (США) «Основы экологии» и «Экология»	Создание классических трудов по теоретической экологии.
	Виноградский С.Н. (Россия) «Микробиология почвы. Проблемы и методы»	Основание направлений - экология микроорганизмов и микробиология почвы
7 Период «экологизации» науки, становление комплексных, междисциплинарных направлений, учитывающих антропогенную деятельность,  социальный и политический аспект развития цивилизации. (70-е годы ХХ века – настоящее время).	В. Б. Сочава (СССР) «Введение в учение о геосистемах»	Создание учения о геосистемах, введение термина «геосистема».
	Д. Медоуз (США) «Пределы роста»	Развитие идей глобальной экологии в работах «Римского клуба»
	Б. Коммонер (США) «Замыкающийся круг»	Формулировка постулатов  «четыре закона экологии» - о взаимоотношении  человечества и природы.
	Н. Ф. Реймерс (Россия) « Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы»	Систематизация понятий современной «большой экологии».
	Н.Н. Моисеев (Россия) «Человек и биосфера»	Развитие идеи коэволюции человечества и биосферы, развитие математической экологии, создание теории управления природопользования.
	К.Л. Бертанафи (США) «Общая теория систем»	Создание обобщенной системной концепции.

На современном этапе превалирует комплексный подход к решению экологических вопросов. В целом, настоящий период развития экологии характеризуется созданием на базе межправительственных международных организаций программ и договоренностей, касающихся ограничения антропогенного воздействия на окружающую среду; осознанием первостепенной важности выработки концепции гармоничного развития человечества и природы.

Экология из узконаправленной биологической дисциплины, изучающей взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой преобразовалась в научное направление, которое в настоящее время претендует на лидирующее положение в современной науке и способствует синтезу фундаментальных знаний о природе и обществе.

1.2 Структура и методы современной экологии

В настоящее время выделяют такие разделы  экологии как: общая (теоретическая) экология, биоэкология, геоэкология, экология человека и социальная экология, прикладная экология. Каждый раздел имеет свои подразделы и связи с частями экологии и смежными науками (Табл.2).

Табл.2

Связь разделов современной экологии (макроэкологии) с другими дисциплинами

История Антропологи Социология Медицина Демография

Теоретическая биология Общая теория систем Математика Кибернетика Синергетика

Общая экология Биоэкология Геоэкология Глобалистика

Экология человека  Социальная экология  Экология поселений (урбоэкология)  Экологическая демография  Экология чел.популяций

Общая экология  Теоретическая экология  Математическая экология  Экспериментальная экология

Экосферология  Глобальная экология  Учение о биосфере и ее взаимодействие с техносферой

ЭКОЛОГИЯ

Прикладная экология  Инженерная экология/          промышленная экология  Сельскохозяйственная экология  Биоресурсная экология  Промысловая экология  Коммунальная экология  Медицинская экология

Биоэкология  Аутэкология  Синэкология  Демэкология  Биогеоценология  Эволюционная экология  Экология таксономических групп (экология растений, экология животных, экология микроорганизмов и т.п.)

Геоэкология  Экология сред обитания (наземная экология, почвенная экология,  экология озер и т.п.)  Экология природно-климатических зон (экология тундры, экология степей, экология тропиков и т.п.)  Экология ландшафтов (экология болот, экология островов и т.п)

Естественнонаучные и технические  дисциплины Экономика Медицина и т.д.

Общая биология Зоологи Ботаника Микробиология и т.д.

География Геология Геофизика Климатология Геохимия

Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования (Табл.3).

Табл.3

Методы современной экологии

Методы регистрации и оценки состояния среды	Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности	Методы исследования влияния жизнедеятельности организмов на окружающую среду
Методы исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов	Методы математического моделирования, кибернетические исследования	Методы прикладной экологии

Таким образом, экологию в целом можно рассматривать как синтетическую науку, которая активно интегрирует во все области знания, экологизации подвергаются многие научные дисциплины и сферы практической деятельности. Формирование фундаментальных теоретических основ находится на начальном этапе. Рассмотренная структура объектов макроэкологии показывает, что для ее дальнейшего развития необходима консолидированная научная система, основанная на всестороннем глубоком анализе и системном подходе к осмыслению явлений окружающего мира во всем их многообразии.

1.  Организм и окружающая среда

Как уже было отмечено, экология как наука формировалась изначально, как область биологических знаний, изучающая взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой. Позже это направление получило наименование биоэкология. Методически биоэкология была структурирована на следующие разделы:

•  Аутэкология (факториальная экология) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой на уровне особи, вида.
•  Демэкология (экология популяций) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой на уровне популяций.
•  Синэкология (экология сообществ организмов) – раздел экологии, изучающий взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой на уровне многовидовых сообществ организмов.

Таким образом, рассматривая закономерности взаимоотношения организмов и окружающей среды, необходимо прежде всего определиться с основными понятиями биоэкологи – организм и окружающая среда.

2.1 Организм

Организм — это основная единица жизни, реальный носитель её свойств. При этом жизнь рассматривается как активная форма существования материи, в некотором смысле, высшая, по сравнению с её физической и химической формами существования. Основным атрибутом живой материи  является генетическая информация, являющаяся основой для воспроизводства всех организмов. Имеется большое число определений понятия «жизнь», отражающих различные подходы. Многочисленные определения сущности жизни можно свести к трем основным. Согласно первому подходу, жизнь определяется носителем её свойств (например, белком); согласно второму подходу, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов. И, наконец, третий подход определяет минимально возможный набор обязательных свойств, без которых никакая жизнь не возможна. Жизнь можно определить, как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самовоспроизведение специфической структуры.

На Земле жизнь существует в виде разнообразных живых организмов разной степени изученности. Так, например млекопитающие животные определены и изучены практически на 99%, а ныне известные виды бактерий и грибов составляют не более 5 % от всех теоретически предполагаемых видов.

В настоящее время все известные формы жизни систематизированы, классифицированы и определены в таксономические группы. Однако эта классификация постоянно пересматривается по мере накопления новых знаний.

Рис. 1 представляет упрощенную схему основных таксономических групп живых организмов.

Рис.1

Упрощенная схема основных таксономических групп.

Важной эколого-функциональной характеристикой клеточных живых организмов является способ синтеза собственных органических веществ, упрощенно - способ питания (Табл.4). Все организмы по способу питания делятся на две основные группы:

Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических. При этом автотрофы используют солнечную энергию  - фототрофы, и/или энергии, освобождающейся при химических реакциях  - хемотрофы.

Гетеротрофы – используют для синтеза собственных органических веществ органические вещества других организмов. При этом гетеротрофы могут быть определены, как биотрофы - питающиеся живыми организмами, либо, как сапротрофы - питающиеся органическими веществами мертвых тел или органическим отходами живых организмов.

Табл. 4

Способы питания живых организмов

(по А.Л.Тахтджяну 1976, с изм. С.И. Колесникова, 2003).

Над царства	Царства	Под царства	Автотрофы	Гетеротрофы
			фото-трофы	хемо-трофы	био-трофы	сапро-трофы
Прокариоты	Дробянки	Бактерии	+	+	+	+
		Архео- бактерии	+	+	+	+
		Циано- Бактерии	+	+	-	-
Эукариоты	Растения	Багрянки	+	-	-	-
		Настоящ. водоросли	+	-	-	-
		Высшие растения	+	-	редко	-
	Грибы	Низшие	-	-	редко	+
		Высшие	-	-	редко	+
	Животные	Одно- клеточные	-	-	+	редко
		Много- клеточные	-	-	+	редко

2.2 Окружающая среда.

В Законе «Об охране окружающей среды» (№7-ФЗ от 10.01.2002г.), дано следующее определение понятия «окружающая среда»:

Окружающая среда - совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов.

Кроме того, факториальная экология оперирует также такими понятиями как природная среда и среда обитания.

Природная среда – это совокупность абиотических и биотических факторов окружающей среды, как естественных, так и измененных

Среда обитания –  та часть природной среды,  которая окружает живой организм, с которой он непосредственно взаимодействует, и, которая обеспечивает его полноценное функционирование.

На  Земле существует четыре среды обитания живых организмов:

•  водная,
•  наземно-воздушная,
•  подземно-почвенная,
•  организменная.

Водная среда обитания считается самой древней для живых организмов. Фактически, именно в ней зародилась существующая белковая форма жизни планеты. Наземно-воздушная среда – это среда поверхности суши. Условно объединенная подземно-почвенная среда обеспечивает существование весьма разных по жизненным потребностям организмов, включая сапротрофные и хемоавтотрофные, занимающие экологические ниши, недоступные другим организмам, например, археи. Организменная среда обитания благоприятна  как для представителей нормальной микрофлоры, так и для паразитирующих видов микроорганизмов, простейших, гельминтов. В настоящее время обнаружены внутренние паразиты всех клеточных организмов – как прокариотов, так и эукариотов.

Для человека – окружающая среда – это среда обитания и производственной деятельности, включающая абиотические, биотические факторы природной среды, а также социально-экономические факторы.

Отдельные свойства или элементы среды, прямо или косвенно воздействующие на организм определяются как экологические факторы. Собственно говоря, окружающую среду можно представить как совокупность экологических факторов.

Принято разделять экологические факторы следующим образом:

- абиотические факторы

К ним относятся такие элементы окружающей среды как температура, свет, радиация, давление, влажность, рН, ветер, течения, рельеф местности и т.п.

- биотические факторы

К ним относятся факторы, связанные с воздействием живых организмов друг на друга.

- антропогенные факторы

К ним относятся факторы, связанные с деятельностью человека, изменяющую природу как среду обитания.

Экологические факторы меняются с течением времени. Эти изменения могут быть: регулярно-периодическими (суточные, сезонные изменения, а также приливы и отливы океанических вод и т.п.); нерегулярные (катастрофические катаклизмы – цунами, ураганы, землетрясения); направленные (происходящие на протяжении продолжительного промежутка времени – ледниковые периоды, периоды потепления).

Живые организмы приспосабливаются к изменениям экологических факторов. Такие приспособительные реакции называются адаптациями. Адаптации бывают морфологическими, физиологическими и поведенческими. Морфологические адаптации предполагают структурные изменения организма, физиологические адаптации приводят к функциональным изменениям, а поведенческие адаптации изменяют реакции организма и чаще всего возможны при наличии высшей нервной деятельности.

Адаптации реализуются активным путем (например, поддержание температуры тела у теплокровных животных), пассивным путем (экономия энергии  при анабиозе у рептилий и земноводных). Особо можно отметить адаптационное избежание неблагоприятных факторов – миграцию.

2.3 Основные закономерности действия экологических факторов на организм.

Несмотря но то, что часто эти закономерности называются «законами», они не являются абсолютно истинными во всех случаях. Их действие носит скорее вероятностный характер.

Общий характер действия экологических факторов на организм отражает закон толерантности (закон Шелфорда), который гласит:

Процветание организма ограничено зонами максимума и минимума определенных экологических факторов. За пределами этих зон находится зона гибели. Оптимальное значение экологического фактора характеризуется наивысшим уровнем благоприятного воздействия этого фактора на организм. Каждый вид характеризуется своей толерантностью – способностью переносить отклонения экологических факторов от оптимальных значений.

Если эти отклонения находятся в широких пределах по многим экологическим факторам, организмы называются эврибионтами, если в узких пределах – стенобионтами.

Один и тот же экологический фактор может по-разному действовать на разные организмы. Например, если действие ураганного ветра на крупных животных достаточно выражено, на жизнедеятельности мелких животных оно может практически не отражаться, а изменение  солевого состава почвы более значимо для растений, чем для животных.

Кроме того, характер воздействия любого фактора на организм зависит от степени интенсивности этого фактора. То есть, нет абсолютно полезных или абсолютно вредных факторов. В качестве примера можно привести действие фтора на организм человека. Определенное количество фтора – необходимо, но колебание этого количества в ту и другую сторону  может неблагоприятно отражаться на здоровье человека. Так, его недостаток может быть одной из причин кариеса, а избыток – приводить к флюорозу, тяжелому системному заболеванию.

Определяя воздействие того или иного экологического фактора на живой организм, необходимо учитывать то, что всегда имеет место совокупное воздействие очень многих экологических факторов окружающей среды одновременно. Это подчеркивает закон относительности действия экологического фактора.

Направление и интенсивность действия экологического фактора на организм зависит от того, насколько он выражен и в сочетании с какими факторами он действует.

Например, действие повышенной для данного вида температуры может быть смягчено пониженной влажностью. Человек может перенести более высокую температуру в сауне при пониженной влажности, чем в турецкой бане при 100% влажности.

Для нормальной жизнедеятельности живого организма необходимо наличие в окружающей среде определенных условий обусловленных различной степенью выраженности очень многих факторов. Их сочетанное воздействие на организм отражает закон относительной заменяемости и абсолютной незаменимости экологических факторов.

Абсолютное отсутствие какого-либо из обязательных условий жизни заменить другими экологическими факторами невозможно, но недостаток или избыток одних экологических факторов может быть возмещен действием других.

Например, недостаточную освещенность при росте зеленых растений, в некоторой степени может компенсировать избыток углекислого газа.

Зачастую, на развитие организма оказывают решающее значение те факторы, значения которых более всего отклоняется от оптимального значения – лимитирующие факторы.  Эта закономерности отражена в законе ограничивающего фактора или законе минимума Либиха, одном из фундаментальных законов в экологии.

Лимитирующие факторы, находящиеся в недостатке или избытке для организма, отрицательно влияют на его развитие и, кроме того, ограничивают возможность проявления силы действия других факторов, в том числе, находящихся в оптимальном для организма значении.

Например, если в почве находятся все необходимые вещества  кроме одного из необходимых для данного вида, то рост и развитие растения будет определяться тем, который находится в недостатке.

Лимитирующий фактор определяет границы распространения видов и популяций, их ареал. Необходимо выявлять такие факторы, чтобы регулировать их действие на живые организмы (например, при использовании удобрений в сельском хозяйстве).

1.  Экологические сообщества: экосистема, биогеоценоз.

В современной экологии существуют два подхода к понимаю явлений: популяционный и экосистемный. При этом экосистемный подход тяготеет к целостному описанию природы, а популяционный – к аналитическому, дифференцированному, множественному.

3.1 Понятие «популяция» в современной экологии

Популяционный подход концентрирует внимание на популяциях живых организмов, рассматривая их как основную элементарную единицу, изучаемую традиционной экологией. Популяция – это группа особей одного вида, большее число поколений которого населяет определенное пространство в ограниченных пределах. Раздел биоэкологи, изучающий популяционные закономерности называется демэкология.

Популяция – совокупность особей одного вида, способных к самовоспроизводству, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Контакт между особями внутри популяции происходит чаще, чем между особями разных популяций. Популяция – структурная единица вида и единица эволюции.

Популяция имеет качественные, количественные и экологические характеристики. Качественные характеристики – это ареал (область распространения), размер территории, способ воспроизводства и размножения популяции. Количественные характеристики – это численность, плотность, половой состав, рождаемость, смертность и скорость роста популяции. Экологическая характеристика определяется экологической стратегией выживания, - комплексом свойств популяции, направленных на повышение вероятности выживания и оставление потомства (например, продолжительность жизни особей, особенности контактов особей между собой и т.п.).

Обычно, в естественных условиях виды взаимодействуют между собой на популяционном уровне. Поэтому предметом изучения демэкологии являются не только экологические характеристики отдельных видов, но и взаимоотношения между популяциями разных видов, что отражено в таблице (Табл. 5).

Табл. 5

Взаимодействие между популяциями разных видов

(по Одуму 1986, с изм.)

№	Тип взаимодействия	1ая /2 ая популяции	Пример
1.	Нейтрализм	0  /  0	соловей – олень
2.	Конкуренция	-  /  -	грибы – бактерии
3.	Аменсализм	-  /  0	ель – береза
4.	Паразитизм (особь-паразит меньше особи добычи)	+  /  -	аскарида – человек
5.	Хищничество (особь хищника больше особи добычи)	+  /  -	волк – заяц
6.	Комменсализм	+  /  0	водоросли – мидии
7.	Протокооперация (необлигатное сосуществование)	+  /  +	рак-отшельник – мидия
8.	Мутуализм (облигатное сосуществование)	+  /  +	человек – некоторые кишечные бактерии

«0» - не выявлено существенного воздействия;

«-»  - выявлено отрицательное воздействие;

«+» - выявлено положительное воздействие.

3.2 Экосистема и биогеоценоз

 

Экосистемный подход базируется на понятии экосистема. Термин «экосистема» (экологическая система) является одним из важнейших фундаментальных понятий современной экологии. Автором этого термина является А. Тенсли (1935), который рассматривал экосистему  как систему живых организмов и окружающих их неорганических тел, связанных между собой потоком энергии и круговоротом веществ.

В дальнейшем это понятие было дополнено, переосмыслено, сформулировано по-иному многими учеными. Одним из таких определений является трактовка Ю.Одума (1986),  где экосистема -  это любая устойчивая совокупность взаимодействующих живых организмов и условий среды, в которой может осуществляться круговорот веществ, противостояние внешним факторам, производство биологической продукции и некоторые другие функции саморегуляции. Таким образом экосистемами являются участок леса, река, море, аквариум, кабина космического корабля или даже вся биосфера Земли.

Интересна новаторская для своего времени трактовка понятия «экосистема», данная Р. Линдеманом (1942): экосистема - совокупность физико-химико-биологических процессов, протекающих в любых масштабах пространства – времени. Данное определение предполагает целостное рассмотрение экосистем как сложных систем.

Учитывая тот факт, что экосистемы могут иметь весьма разнообразные пространственно-временные характеристики, их можно разделить по рангам:

1.  Микроэкосистемы (Пример: лужа, гниющий пень и т.п)
2.  Мезоэкосистема (Пример: лес, озеро, река, и т.п)
3.  Макроэкосистема (Пример: море, океан, континент)
4.  Глобальная экосистема (Пример: биосфера)

Нельзя не отметить, что одним из определений экологического сообщества помимо  термина «экосистема»,  является понятие «биогеоценоз», сформулированное российским экологом В.Н. Сукачевым (1942), зачастую используемый как синоним понятия «экосистема». Однако, строго говоря, это не тождественные понятия.

Биогеоценоз – совокупность биоценоза (популяции различных видов на определенной территории) и  биотопа (пространство и климатические условия). Можно считать, что биогеоценоз – это экосистема в границах фитоценоза (растительной части, характеризующей пространственное распространение биогеоценоза). По сути каждый биогеоценоз – это частный случай крупной экосистемы охватывающий как правило значительную территорию, предполагающее обязательное наличие фитоценоза, который обеспечивает постоянное поступление энергии и вещества.

Рис. 3. Биогеоценоз (по Сукачеву В.Н.)

3.3 Структура и свойства экосистемы

Рассматривая любую экосистему с позиции системного подхода, можно выявить те же характерные свойства, которые обнаруживаются в сложной системе.

Структура любой экосистемы включает в себя абиотическую и биотическую части, которые взаимосвязаны и взаимозависимы. Количество элементов той и другой части различно и зависит от размеров самой экосистемы.

Абиотическая часть экосистемы – это комплекс  факторов неживой природы, определяющий физико-химические параметры внутренней среды экосистемы.

Живые организмы, составляющие биотическую часть экосистемы, можно отнести к трем эколого-функциональным группам: продуценты, консументы, редуценты (Рис. 2).

Рис. 2

Эколого-функциональные группы биоты экосистемы

Биота экосистемы

Продуценты живые существа, способные из неорганических веществв синтезировать органические вещества. Их роль в экосистеме заключается в образовании первичной биологической продукции. Первичная биологическая продукция — это фактически результат аккумуляции в органическом веществе продуцентами получаемой энергии Солнца либо энергии химических преобразований без использования солнечной энергии.  Это: зеленые растения, микроорганизмы.

Консументы живые организмы – потребители,преобразователи органической продукции.   Организмы, питающиеся только растениями называют консументами первого порядка  Организмы, питающиеся другими животными организмами, называются консументы второго, третьего порядка. К консументам относятся в основном животные, микроорганизмы

Редуценты живые организмы, разлагающие органические остатки до неорганических (вода, минеральные вещества,). Экологическая роль редуцентов заключается в  образовании неорганических веществ, которые включаются в кпуговорот веществ, а также в утилизации остатков и отходов жизнедеятельности всех экологических групп. К редуцентам относятся микроорганизмы, грибы, животные.

Биотические компоненты экосистемы связаны между собой, что способствуют удержанию видов и объединению их в сообщества. Эти связи отличаются друг от друга по механизму возникновения и по значению. Так, трофические связи, при которых один вид питается другим, имеют первостепенное значение. Топические связи обусловливают изменение условий обитание одного вида, вследствие жизнедеятельности другого. При форических связях один вид участвует в распространении другого. Фабрические связи предполагают использование продуктов жизнедеятельности одного вида другим.

В экосистемах наблюдаются как прямые, так и обратные связи. Обратные связи,  являясь показателем интерактивности системы,  могут быть как положительными, так и отрицательными.

Пример положительной обратной связи: увеличение числа особей в популяции при отсутствии сдерживающих факторов. Пример отрицательной (стабилизирующей) обратной связи – взаимодействие между хищником и жертвой. Количественное увеличение популяции жертвы, способствует росту численности хищников. Но чрезмерное количество хищников, сокращает поголовье жертв, после чего численность хищников снижается.

Объединенные биотические компоненты образуют цепи питания или трофические цепи. Цепи питания – последовательность организмов, по которой передается энергия, заключенная в пище от ее первоначального источника. Каждое звено в трофической цепи – это трофический уровень.

Каждый вид в экосистеме имеет определенную пространственную и функциональную характеристику, которая отражена в понятии экологическая ниша.

Экологическая ниша – определяет роль, которую играет вид в сообществе. Образно говоря, местообитание вида – это адрес вида, экологическая ниша – образ жизни. Наиболее важные процессы, протекающие в экологических нишах, определяется следующими закономерностями:

•  Экологические ниши у совместно проживающих видов перекрываются частично. Это значит, что в пределах одной экологической ниши не может существовать два различных вида с абсолютно одинаковыми потребностями, трофическими цепями и связями с другими организмами. Это касается представителей флоры и фауны, а также микромира. Например, относящиеся к группе хищников умеренного пояса – волки и лисы, несмотря не пересекающиеся трофические звенья пищевых цепей, имеют различия по способу охоты, по образу жизни.
•  При возникновении пустующей ниши, она заполняется естественным путем. Данное положение можно проиллюстрировать следующим примером распространения инфекционных заболеваний. Существует гипотеза, что активное распространение ВИЧ-инфекции на африканском континенте обусловлено отчасти тем, что некоторые вирусные инфекции, в частности черная оспа, исчезли.

3.4 Круговорот веществ и поток энергии в экосистемах

Известный российский эколог Н.Ф. Реймерс отмечает что, жизнь может существовать только в процессе движения через организм потока веществ, энергии и информации.

Следует отметить, что, несмотря на единое генеральное направление этого процесса, его специфичность определяется особенностями экосистем.

В качестве примера можно привести скорость обновления такого важного элемента любой экосистемы как вода. Например, время обновления воды в биологическом организме   измеряется часами, в атмосфере –  днями, в озерах – годами, в подземных водах – сотнями лет, а в океанах – тысячелетиями.

Экосистема может обеспечить круговорот веществ, если включает:

1 – запас биогенных элементов;

2 – продуценты;

3 – консументы;

4 – редуценты.

Круговорот обеспечивается постоянным притоком солнечной энергии.

Поток веществ осуществляется в следующем направлении: продуценты – консументы – редуценты. Хотя в ряде случае роль консументов бывает столь незначительна, что поток веществ протекает, минуя их: продуценты - редуценты. В качестве примера можно привести субтропические и тропические леса. В этих экосистемах первичная биологическая продукция (растительная масса) лишь частично используется консументами (животными и насекомыми) и в большей степени подвергается деструкции редуцентами (микроорганизмами, грибами, простейшими).

Поток энергии проходит по трофическим уровням. В отличие от потока веществ, которые постоянно циркулируют по блокам экологических систем и могут входить вновь в круговорот, энергия может быть использована один раз.

Причем, на каждом этапе передачи энергии посредством преобразования органического вещества, только 10% переходит на очередной уровень. (Эта закономерность в литературе называется закон или принцип Линдемана или правило 10%).

При этом, чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу накопленной в органическом веществе энергии. Это объясняет ограниченное количество (5-6) звеньев в пищевой цепи независимо от сложности и многообразия видового состава экосистем.

Прирост биомассы, созданный за единицу времени характеризует биологическую продуктивность экосистемы. Биомасса, образуемая продуцентами, определяется как первичная биомасса данной экосистемы.

В распределении живых организмов населяющих Землю по видовому составу наблюдается следующая закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных  96% видов – беспозвоночные и только 4% - позвоночные. Из позвоночных животных млекопитающие составляют  всего 10%.

В любых экосистемах, независимо от их размеров и сложности видового состава происходят изменения. Циклические изменения способствуют возвращению биоценозов экосистем в исходное состояние. Примерами таких изменений могут быть суточные, сезонные изменения, видовая многолетняя цикличность. Поступательные изменения (сукцессии) предполагают смену одного сообщества другим. Примером таких изменений может быть изменения состояния природного водоема по типу: озеро – болото-луг.

Экосистемы, находящиеся в данный момент в равновесном состоянии с окружающей средой называются климаксовыми.

Способность экосистемы поддерживать динамическое равновесие, сохраняя постоянство внутреннего состояния одновременно преодолевая сопротивление внешней среды называется гомеостазом.

3.5 Искусственные экосистемы

Помимо естественных, природных экосистем, в результате антропогенной деятельности могут возникать искусственные экосистемы. В частности, к ним относятся агроценозы и урбосистемы. Общей характеристикой искусственных экосистем является их неустойчивость, сверх-открытость и выраженный экологический дисбаланс.

Сельскохозяйственные системы – агроценозы – неустойчивые системы, которые могут существовать только при поддержке человека.

В отличие от естественных природных экосистем агроценозы характеризует: незначительное видовое разнообразие, причем небольшое количество видов, имеет чрезвычайно высокую численность;  короткие цепи питания; неполный круговорот веществ, при котором часть питательных элементов выносится с урожаем; внесение дополнительной энергии  посредством мелиорации, использования удобрений и т.п.; искусственный отбор; отсутствие саморегуляции.

Урбосистемы – искусственные системы, возникшие в результате развития городов, характеризующиеся как неравновесные системы с ярко выраженным экологическим дисбалансом. Отсутствие естественного экологического баланса, ведущее к привлечению огромного количества вещества и энергии извне, вызывает необходимость для покрытия запросов таких систем дополнительной территории, превышающей собственно площадь городов в десятки и сотни раз.

Городские экосистемы являются постоянным источником прямого и косвенного постоянно растущего загрязнения окружающей среды.

Важнейшим отличием естественных природных и искусственных экосистем является количество образующихся отходов, которые не утилизируются естественным путем преобразования веществ в природе. Если в природных экосистемах величина не утилизируемых естественным путем отходов не превышает 1-2% от всей совокупности образующихся отходов, то в искусственных экосистемах (например, в урбоэкосистемах) количество таких отходов может составлять до 80 - 90% от всех образующихся отходов.

3.6 Закономерности   развития экосистем

Экология на современном этапе развития имеет в своем арсенале достаточно обширную аксиоматику, которую можно применять при изучении закономерностей развития экосистем любого уровня. Некоторые, наиболее обобщающие  постулаты, теории, правила и принципы заимствованы из других дисциплин и опираются на фундаментальные основы естествознания. Среди них есть законы и правила, важные для понимания строения, поведения экологических систем, закономерности их развития, взаимоотношения и взаимосвязей абиотических и биотических составляющих. Ниже приведен далеко не полный перечень основных экологических закономерностей, характеризующих процессы строения и функционирования сложных систем вообще и экосистем в частности (Табл.6).

Табл.6

Закономерности строения и функционирования экосистем

Закономерности строения экосистем
Закон увеличения степени идеальности (Г. В. Лейбница)	Гармоничность отношений между частями системы историко-эволюционно возрастает.
Закон необходимого разнообразия	Система не может формироваться из абсолютно идентичных элементов
Закон избыточности системных элементов при минимуме числа вариантов организации:	Многие динамические системы стремятся к относительной избыточности основных своих составляющих при минимуме вариантов организации. Избыточность числа элементов нередко служит непременным условием существования системы, её качественно-количественной саморегуляции и стабилизации надежности, обеспечивает её квазиравновесное состояние.
Принцип перехода избыточности в самоограничение	Избыточность системных элементов может быть заменена повышением качества этих составляющих (индивидуальной надежности) или их агрегации, в том числе в функциональные надсистемы.
Правила конструктивной эмерджентности	Надежная система может быть сложена из ненадежных элементов или из подсистем, не способных к индивидуальному существованию. Иерархическое строение природных систем результат действия этой закономерности.
Закон экологической корреляции	В экосистеме, как и в любом другом целостном природно-системном образовании с участием живого, все входящие в неё виды живого и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу.
Закономерности функционирования экосистем
Правило эквивалентности в развитии биосистем (Л. фон Берталамфи)	Биосистемы способны достигнуть конечного (финального) состояния (фазы) развития вне зависимости от степени нарушения начальных условий своего развития. Это происходит лишь при сохранении минимума внешних и внутренних условий существования биосистемы.
Закон больших чисел	Совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер.Мириады бактерий в почве создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, во многом определяющую функциональные качества почвы.
Принцип Ле Шателье - Брауна	При, внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Экосистемы обладают способностью к саморегуляции.
Закон физико-химического единства живого вещества.           Закон развития системы за счет окружающей ее среды.                  Закон постоянства количества живого вещества	Любая система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов. Эта закономерность распространяется и на число видов организмов.
Закон цепных реакций	Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.
Закон оптимальности	Любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.
Правило максимального «давления жизни».	Организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов.
Закона усложнения системной организации (организмов) К.Ф. Рулье	Историческое развитие природных систем приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и подсистем, выполняющих эти функции.
Закон вектора развития	Развитие однонаправлено. Нельзя прожить жизнь наоборот - от смерти к рождению, невозможно в том же направлении развернуть эволюцию планеты, жизни на ней.
Системогенетический закон	Природные системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко в закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь развития своей системной структуры. Каждая подсистема следует за своей системой, вернее, развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем.
Закон синхронизации и гармонизации системных составляющих	В системе как самоорганизующемся единстве индивидуальные характеристики подсистем согласованы между собой. Одно из важнейших следствий этого закона в том, что выпадение одного из звеньев системы меняет структуру и функции других, сопряженных с этим законом, или полностью изменяет целое.
Закон эколого-системной направленности эволюции	Любые эволюционные изменения в конечном итоге направлены экологическими факторами и системными особенностями развития эволюционизирующей совокупности, т. е. прогресс направляется как внешними, так и внутренними факторами.
Закон толерантности В. Шелфорда:	Лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.
Закон минимума Ю.Либиха	Выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т. е. жизненные возможности лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведёт к гибели организма или деструкции экосистемы.
Закон пирамиды энергий или закон (правило) 10% Р. Линдемана	С одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий её уровень (по "лестнице": продуцент - консумент - редуцент) в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии.
Правило экосистемной надежности	Надежность экосистемы зависит от её энергетической эффективности в данных условиях среды и возможностей структурно-функциональной перестройки в ответ на изменение внешних воздействий

Существуют и другие более частные системные обобщения в экологии, касающиеся специфики пространственно-временной динамики экосистем, кризисных и катастрофических изменений, потенциальных возможностей восстановления, преобразования и прочих процессов их существования.

Биосфера и человек

1.  Глобальная экосистема планеты – биосфера.

Понятие «биосфера» было введено двумя учеными – Ж.Б. Ламарком в биологии и Э.Зюссом в геологии. Однако использование ими этого термина несколько отличалось от того значения, которое мы в него вкладываем в настоящее время. Ламарк, занимавшийся вопросами систематизации растений и животных больше тяготел к обозначению этим термином совокупности живых существ, менее уделяя при этом внимания факторам окружающей среды. Э Зюсс более представлял биосферу как геологическое понятие, обозначавшее населенную живыми существами оболочку, в которой средообразующая роль живого вещества рассматривалась довольно схематично. Можно сказать, что наиболее близкое определение «биосферы» к современному мы находим в трудах английского океанографа, геолога Дж. Меррея, что звучит следующим образом: « Где только существует вода или, вернее, вода, воздух и земля соприкасаются и смешиваются, обыкновенно можно найти жизнь в той или иной из ее многих форм. Можно даже всю планету рассматривать как одетую покровом живого вещества».

В настоящее время под биосферой понимают глобальную экосистему как совокупность живых организмов и среды их обитания, объединяющую верхние слои планеты, включая толщи осадочных пород литосферы и всю гидросферу, вплоть до озонового слоя атмосферы.

Характеризую глобальную экосистему планеты, необходимо рассматривать ее комплексно, как единое целое, как сложную систему. С позиции системного подхода, можно отметить следующие системные характеристики глобальной экосистемы планеты:

1. Биосфера – это централизованная система. Центральным ее звеном выступают все живые организмы (живое вещество), в том числе и человек.

2. Биосфера – это открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне, прежде всего от Солнца. Однако разного рода космические излучения также вероятно поставляют на Землю какие-то энергии, о влиянии которых можно пока лишь догадываться.

3. Биосфера – это саморегулирующаяся система, поддерживающая состояние гомеостаза (динамического равновесия).

4. Биосфера – это система, характеризующаяся большим разнообразием. Это повышает ее устойчивость, так как дает возможность дублирования отдельных функций отдельных подсистем. В настоящее время описано около 2 млн. видов живых организмов. Полагают, что их на Земле в 2-3 раза больше.

5. Биосфера – это система, имеющая механизмы,   обеспечивающие круговорот веществ, что гарантирует неисчерпаемость отдельных химических соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан весь углерод. Только благодаря круговоротам обеспечивается непрерывность «бесконечность» процессов. Круговорот веществ обеспечивает определенную неисчерпаемость с одной стороны, а с другой – обуславливает практически постоянное количества вещества так или иначе обеспечивающее развитие жизни на планете. Также с понятием «круговорота» неразрывно связано понятие «смерть», то есть переход из живого состояния в  неживое. Если бы не было смерти с последующим возвращением вещества в круговорот, жизнь не смогла бы существовать, тем более постоянно наращивать сложность форм.

1.  Теория биосферы В.И. Вернадского.

Наибольшее развитие понятие «биосферы» получило в трудах нашего соотечественника академика В.И.Вернадского, которого считают основоположником современного учения о биосфере, изложенного им в частности в его книге «Биосфера» (1926). Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть, где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности и которое обладает антиэнтропийными свойствами.

Кратко характеризуют теорию биосферы В.И. Вернадского следующие положения:

1) жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса;

2) возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно;

3) наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;

4) количество живого вещества на Земле является постоянной величиной;

5) жизнь является главной геологической силой на планете;

6) человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на которого возложена определенная роль в жизни планеты;

7) в настоящее время человек превращается в главную геологическую силу на планете;

8) однажды развитие биосферы и общества сделается неразрывным и биосфера перейдет в новое состояние - ноосферу (сфера разума).

Понятие «ноосфера» было введено под влиянием идей В.И. Вернадского Э. Леруа (1922), французским математиком, палеонтологом и антропологом, и П.Т. де Шарденом, бывшим одновременно католическим философом, геологом и антропологом. Оба слушали в Сорбонне курс лекций российского ученого по геохимии и хорошо были знакомы с его идеями. Взгляд на это понятие несколько разнился у В.И. Вернадского и П.Т. де Шардена. В.И. Вернадский понимал его как состояние взаимоотношений человека и природы, в котором развитие планеты будет подчинено управляющей силе Разума Человека в интересах Человека. Пьер Тейяр де Шарден предложил термин «ноосфера» для обозначения особого этапа эволюции планеты, на котором человеческий разум, слившийся с биосферой в единое целое, породит особое качество – «сверхразум планеты».

Характеризуя природу и происхождения веществв биосферы, В.И. Вернадский выделял следующие основные группы:

Живое вещество. Под живым веществом Вернадский понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав. Живое вещество составляет порядка 0.01 - 0.02 % от массы всей биосферы.

Косное вещество. Так Вернадский называл вещества, образуемые без участия живых организмов. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п.

Биокосное вещество. Вещество отнесенную в промежуточную группу, свойства которой так или иначе обусловлены воздействием жизни. По сути, это функционально неделимая совокупность живого и косного веществ. Это, например, почва.

Биогенное вещество. Это вещество, образованное в результате жизнедеятельности живых организмов, в том числе и находящееся в ископаемом состоянии. Углеводороды недр, руды металлов, и весь осадочный слой в целом можно отнести к биогенным веществам.

В настоящее время данную классификацию необходимо дополнить еще и веществом, образующимся в процессе деятельности человечества – так называемыми антропогенными веществами. И хотя некоторые из них могут включаться в естественный круговорот веществ, значительное количество антропогенных веществ не утилизируются живым веществом, представляя серьезную опасность для биосферы.

Значение живого вещества в глобальной экосистеме планеты детерминировано его свойствами, которые, в свою очередь, определяют его  функции в биосфере (Табл.7).

Табл.7

Свойства живого вещества

Свойство	Пояснение и примеры
Высокая химическая активность благодаря биологическим катализаторам (ферментам)	В живых организмах протекают реакции между веществами, воспроизведение которых в лабораторных условиях требует создания экстремальных условий. Например, фиксация азота в промышленных условиях протекает при 500 0С и 300-500 атм, в то время как азотофиксирующие бактерии осуществляют этот процесс при естественных температурах и давлении.
Высокая скорость протекания реакций	Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе; например, некоторые гусеницы потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела; весь углекислый газ проходит через живые организмы в процессе фотосинтеза за 6-7 лет
Высокая скорость обновления живого вещества	В среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши - 14 лет, а для океана - 33 дня (здесь преобладают организмы с коротким периодом жизни). За всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 10 раз превышает массу Земли.
Способность быстро занимать все свободное пространство	Вернадский назвал это "всюдностью жизни". По словам Вернадского, “живое вещество - совокупность организмов, - подобно массе газа, растекается по земной поверхности и оказывает определенное давление в окружающей среде, обходит препятствия, мешающие его движению, или ими овладевает, их покрывает. Это движение достигается путем размножения организмов”. Именно это свойство позволило сделать вывод о постоянстве количества живого вещества во все эпохи. Кроме того, жизнь обладает способностью увеличивать поверхность своего тела. Например, площадь листьев растений на 1 га, составляет 8-10 га и более.
Активность движения вопреки принципу роста энтропии	Вся история биосферы есть свидетельство борьбы с энтропией, то есть с силами разрушения. Жизнь сопротивляется естественному ходу событий, направленному на установление равновесия в природе. Наиболее показательными в этом плане являются такие примеры, как движение рыб против течения реки, движение птиц против силы тяжести и воздушных потоков и т.п.
Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти	В любом живом организме, в том числе и в биосфере, жизнь и смерть не могут обходиться друг без друга. Организм живет, потому что в нем беспрерывно что-то умирает и заменяется новым, а нарождающееся через развитие приходит к своей гибели. Любая подсистема организма после смерти должна вернуть вещество в круговорот жизни. Это обеспечивает бесконечность жизненного процесса.
Высокая приспособительная способность (адаптация)	Организмы реагируют на воздействия окружающей среды адаптивными изменениями (морфологическими, функциональными, поведенческими), закрепляя эти изменения, передавая их потомству.

Если живое вещество распределить на поверхности Земли ровным слоем, его толщина составит всего 2 см. При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет весьма быстрого размножения, то есть весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением. В природных условиях различают большой (геологический) и малый (биологический) круговороты веществ (Табл. 8).  

Табл. 8

Круговорот веществ в природе

Круговорот	Геологический (большой)	Биологический (малый)
Сферы осуществления	В пределах всех оболочек	В пределах биосферы
Энергетика	Энергия Солнца (экзогенные процессы). Энергия внутренних слоем литосферы (экзогенные процессы)	Энергия Солнца
Характер круговорота веществ	Перераспределение веществ между биосферой и глубокими слоями Земли	Перераспределение и преобразование веществ по трофическим цепям

В отличие от замкнутых геологических и биологических кругооборотов вещества, антропогенный обмен веществ не замкнут.

Незамкнутость антропогенного обмена веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды – именно это и является причиной большинства экологических проблем.

1.  Антропогенное воздействие на биосферу.

Очевидно, что воздействие на окружающую среду возникло с появлением на планете самого человека, который, как биологический вид является частью биосферы. Будучи подсистемой глобальной экосистемы, человеческая цивилизации находится в тесной связи с прочими составляющими биосферы. Однако по сравнению с другими живыми организмами, человек оказывает все более выраженное дестабилизирующее воздействие на окружающий его мир, что выражается в возникновении кризисных ситуаций в развитии биосферы.

3.1 Развитие взаимоотношений человека и природы

История взаимоотношений человечества и природы отражена в так называемой «таблице кризисов», составленной известным российским экологом Н.Ф. Реймерсом (Табл.9).

Табл.9

Экологические кризисы в развитии биосферы и цивилизации (Реймерс Н.Ф., 1992).

№	Название кризиса	Время насту-пления	Причины	Пути выхода
1.	Пред-антропогенный	3 млн лет  назад	Наступление засушливого периода (арридизация климата)	Возникновение прямоходящего антропоида
2.	Обеднение ресурсов собирательства	50 тыс лет назад	Недостаточность доступных первобытному человеку ресурсов	Простейшие биотехнические мероприятия (огонь, оружие)
3.	Кризис консументов	10-50 тыс. лет назад	Уничтожение крупных животных	Переход к примитивному земледелию, скотоводству
4.	Кризис примитивного поливного земледелия	1,5 – 2 тыс лет назад	Примитивная мелиорация	Переход к неполивному земледелию
5.	Недостаток растительных ресурсов (кризис продуцентов)	150-250 лет назад	Истощающее землепользование, отсталые технологии	Промышленная революция, новые технологии в сельском хозяйстве
6.	Глобальное загрязнение окружающей среды (кризис редуцентов)	30-50 лет назад	Истощающее природопользование, многоотходные технологии	Рациональное природопользование
7.	Глобальный термодинамический (тепловой) кризис	Настоящее время	Выделение большого количества тепла, локальный энергетический дисбаланс	Рациональное природопользование
8.	Глобальная исчерпаемость надежности экосистемы биосферы	Настоящее время	Начало нарушения экологического равновесия	Рациональное природопользование

3.2 Антропогенная деятельность и экологические проблемы

Наличие разума выделило человека из всех живых существ: человеческое общество стало развиваться по своим социальным и экономическим законам. Но человек остался и частицей природы,  сохранил зависимость от окружающей среды, от экологических условий.

Одна из особенностей развития жизни на нашей планете состоит в том, что грандиозные события, знаменующие основные вехи ее истории, протекают с все возрастающей скоростью. Если условно принять время существования нашей планеты (около 5 млрд) за 12 месяцев, то продолжительность антропогена (одно из названий четвертичного периода, в начале которого появился человек – 2 млн) составляет лишь несколько часов. В предлагаемом календаре 1 день будет равен 12, 6 млн лет, а 1 час – 525 тыс лет. Вот как бы выглядела история нашей планеты:

1 января – образование земли,

28 марта – появление бактерий,

12 декабря – время расцвета динозавров,

26 декабря – исчезновение динозавров,

31 декабря 1 час появление общего предка обезьян и человека,

31 декабря 17 ч. 30 мин. – появление австралопитека,

23ч 54 мин – появление неандертальца,

23 ч 59 мин 46 сек – начало новой эры, полночь – человек на Луне.

В настоящее время практически любому человеку понятно, что невозможно создать такую социально-политическую систему, при которой человечество будет, не ограничивая своей численности поступательно улучшать свой жизненный уровень, увеличивать жизненные блага и сохранять окружающую среду.

Понятие «глобальные экологические проблемы» обычно связывают с влиянием на природную среду деятельности человека, то есть с антропогенными факторами. Однако более широкое понимание этого термина, предполагает охват всех воздействий на глобальную экосистему планеты, которые в той или иной степени влияет на ее поддержание ею состояния динамического равновесия. Понятно, что природные явления, происходящие  внутри системы, также как и привносимые извне, могут являться причинами дестабилизации внутренней среды системы. К таким явлениям можно отнести направленное изменение климата (глобальное похолодание и потепление), изменение магнитного поля планеты, космические воздействия и т.п.

Человеческая цивилизация, на современном этапе своего развития, нуждается в постоянном увеличении вещества и энергии для удовлетворения своих потребностей. При этом постоянно усиливаются два главных отрицательных эффекта влияния на природную среду – загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов. Фактически именно эти эффекты и являются первопричиной экологического неблагополучия, связанного с деятельностью человека. Проявления этого неблагополучия весьма разнообразны  в пространственно-временном отношении. Экосистема планеты пока справляется с антропогенной нагрузкой. Однако «степень прочности и надежности» системы не безгранична.

Основными экологическими проблемами, связанными с антропогенной деятельностью являются загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов.

Тут надо отметить, что понятие «экологическая проблема» тождественно понятию «глобальная проблема человечества». То есть, прежде всего, особую опасность экологические проблемы представляют для существования не в целом жизни на планете, но именно для человеческой цивилизации, для ее прогрессивного развития.

В этом аспекте основные экологические проблемы, прямо, косвенно или частично, связанные с антропогенной деятельностью выглядят следующим образом:

воздействие на атмосферу и ее загрязнение;

воздействие на гидросферу и ее загрязнение;

воздействие на почву и верхние слои литосферы и их загрязнение;

демографические проблемы.

Все мировое хозяйство можно рассматривать как техносферу – глобальную совокупность орудий, объектов и продуктов антропогенной деятельности. Ее можно определить как видовую реализованную экологическую нишу человечества, как пространство планеты, находящееся под воздействием производственной деятельности и занятое антропогенным веществом.

Наиболее существенным отличием техногенного преобразования веществ от биотического круговорота является то, что техносферный круговорот веществ существенно разомкнут и в количественном, и в качественном отношении. Поскольку техногенный поток веществ составляет заметную часть глобального круговорота веществ, своей разомкнутостью он нарушает необходимую высокую степень замкнутости биотического круговорота, которая выработана в процессе длительной эволюции и является важнейшим условием стационарного состояния биосферы. Это приводит к нарушению биосферного равновесия, что  непосредственно отражается на экологической безопасности.

Следует отметить, характер воздействия  на окружающую среду определяется составом и интенсивностью техногенных факторов. Их влияние может быть локальным от единичного фактора или комплексным – от группы различных факторов, характеризующихся коэффициентами экологической опасности.

Понятно, что для «мирного» сосуществования человечества с окружающей средой, для гармонизации техносферы и биосферы необходимы не только и не столько технические, экономические, законодательные решения, а в первую очередь мировоззренческие изменения отношения человека к природе.

3.3 Глобальные экологические проблемы человечества

Как уже было отмечено выше, глобальные проблемы человечества, прежде всего, представляют опасность непосредственно для существования самого человека. Чаще всего, как научной, так и в популярной литературе, рассматриваются следующие экологические проблемы, связанные с антропогенной деятельностью:

•  «Парниковый» эффект
•  Разрушение озонового слоя
•  Кислотные осадки
•  Загрязнение Мирового океана
•  Истощение плодородия почв
•  Энергетический кризис
•  Демографический кризис
•  Наведенная сейсмическая активность

«Парниковый эффект». Под образным выражением – парниковый эффект подразумевается следующее геофизическое явление. Солнечная радиация, падающая на Землю, трансформируется. 30%  ее отражается в космическое пространство, остальные 70% поглощаются поверхностью суши и океана. Поглощенная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучается обратно в космос в виде инфракрасных лучей. При этом чистая атмосфера прозрачна для инфракрасных лучей, а атмосфера, содержащая пары воды, углекислый газ и некоторые другие газы, поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему воздух нагревается. Таким образом создается определенный температурный режим приземных слоев атмосферы и верхних слоев литосферы.

«Парниковый эффект» - это естественное природное явление, существование которого не связано с антропогенной деятельностью и существующее на планете благодаря наличию атмосферы. Более того, это явление является необходимым условием существования белковой формы жизни. «Парниковые» газы имеют природное происхождение. К ним относятся: водяной пар, оксиды углерода, серы, азота, некоторые другие неорганические и органические соединения (сероводород, аммиак, метан, и т.д.).

Однако деятельность человека приводит к увеличению выбросов этих газов, что в свою очередь может вызвать увеличение «парникового эффекта» и вследствие этого – изменение климата.

В природной биосфере содержание углекислого газа в воздухе регулируется так, что его поступление равняется удалению. В настоящее время люди нарушают это равновесие. В результате сжигания топлива в атмосферу поступают дополнительные порции углекислого газа и других «парниковых» газов. Именно этот процесс рассматривается как тенденция, которая может привести к глобальному потеплению климата. В результате чего, возможно, будет происходить таяние полярных льдов, подъем уровня океана и возможные затопления.

Изменения разницы температур на полюсах и экваторе, возможно, вызовет  и изменения циркуляции атмосферы. Более сильное потепление на полюсах приведет к ее ослаблению. Это изменит всю картину циркуляции и связанный с ней перенос теплоты и влаги, что повлечет за собой глобальное изменения климата. В большинстве районов, характеризующихся сейчас жарким и сухим климатом, количество атмосферных осадков увеличится, в умеренном поясе станет суше.

В тоже время существуют гипотезы и о том, что накопление в атмосфере твердых частиц, которые попадают туда при разнообразных выбросах, может вызвать и противоположный эффект - глобальное похолодание. Поскольку достаточно большое количество солнечных лучей может быть задержано и не попадет на землю, постепенно поверхность Земли будет охлаждаться.

В последнее время экологические концепции изменения климата и причин его вызывающих, существенно различаются между собой.

Не без основания существует концепция природного направленного изменения климата, основанная на периодических сменах климата на планете по типу похолодания-потепления. Причем эти изменения мало зависят от антропогенного вклада, а целиком связаны с космическими изменениями, с активностью солнца и общим циклом развития планеты.

Возможно, на современном этапе антропогенный вклад в усиление или уменьшение парникового эффекта не столь значителен в глобальном масштабе, но постоянное увеличение выбросов «парниковых газов» рано или поздно может привести к выраженным климатическим изменениям, которые станут роковыми для существования человечества.

Разрушение озонового слоя. Наряду с видимым светом, для Солнца также характерно ультрафиолетовое излучение. Особую опасность для белковых организмов представляет  коротковолновая часть – жесткое ультрафиолетовое излучение. Свыше 99% его поглощается слоем озона в стратосфере. Озоновый слой - слой атмосферы (стратосферы) с повышенным содержанием озона (О3), расположенный на высоте 20-45 км. Содержание озона в нем примерно в 10 раз выше, чем в атмосфере у поверхности Земли.
Озон образуется при поглощении ультрафиолетового излучения молекулами кислорода. Атомы кислорода отщепляются от этих молекул и, сталкиваясь с молекулами кислорода, соединяются с ними. Это же излучение разрушает молекулы озона. Образованию озона способствуют электрические разряды и присутствие в атмосфере оксидов азота и углеводородов. В процессе образования и разрушения озона происходит поглощение ультрафиолетового излучения.

Описаны три основных механизма разрушения озона атмосферы – водородный цикл, азотный цикл и хлорный цикл.

Основными веществами антропогенного происхождения, разрушающими озон, являются соединения типа фторхлоруглеводородов (фреоны) и оксиды азота. Оксиды азота могут иметь также и природное происхождение. Водородный же цикл является исключительно природным механизмом разрушения озонового слоя.

Механизм водородного разложения озона был открыт ещё в 1965 году и к настоящему времени хорошо изучен. Ключевая роль в них принадлежит группе гидроксила ОН-, образующейся при взаимодействии молекул водорода, метана и воды с атомарным кислородом. Эти ионы довольно активно разрушают молекулы озона, выступая в качестве катализатора водородного цикла разложения озона, который может быть представлен следующими реакциями:

OH + O3 = HO2 + O2, 
HO2 + O3 = OH + 2 O2, 
Итог: 2 O3 = 3 O2. 

Всего цикл насчитывает более сорока реакций и всегда прерывается образованием воды по схеме

OH + HO2 = H2O + O2, 
OH + OH = H2O + O.

Легкие газы водород и метан, выделившиеся из недр на земную поверхность, быстро поднимаются до стратосферных высот, где активно реагируют с озоном. Вода, получившаяся в результате такой реакции, на стратосферных высотах замерзает с образованием стратосферных облаков. Наличие потоков водорода, метана, а также многих других газов, идущих из-под земли, давно уже подтверждено многократными инструментальными измерениями. В 80-е годы прошлого века  А.А. Маракушевым была сформулирована гипотеза, что основным хранилищем планетарного запаса водорода является жидкое ядро Земли. Процесс кристаллизации твердого внутреннего ядра ведет к отгонке водорода во внешнюю наружную зону жидкого ядра, на границу с мантией. 

Те же самые инструментальные измерения позволили обнаружить и важную особенность глубинной дегазации. Истечение газов неравномерно во времени и происходит в основном (в сотни раз больше, чем в других областях планет) в рифтовых зонах, расположенных на гребнях срединно-океанских хребтов. Очевидное совпадение главных озоновых аномалий и рифтовых зон служит веским аргументом в пользу водородной концепции. 

Энергетический кризис. Современное энергопотребление человечества составляет около 1013 Вт/год и основано на невозобновляемых запасах ископаемого топлива – каменного  угля, нефти, газа. Оно примерно на порядок превышает доступную для использования человеком мощность возобновляемых источников энергии – солнечную, геотермальную, ветровую, приливную, гидромощность рек, и др.

Надвигающийся энергетический кризис связан не столько с тем фактом, что исчерпаемые источники энергии рано или поздно закончатся, а тем, что растущий антропогенный вклад в энергетику биосферы грозит ее устойчивости.

В естественных экосистемах, которые характеризуются состоянием стойкого гомеостаза, первичная продукция в основном перерабатывается гетеротрофными организмами, что обеспечивает замыкание биотического круговорота – необходимое условие устойчивого функционирования биосферы. В экосистемах суши около 90% продукции растительности потребляется редуцентами – бактериями и грибами-сапрофагами; около 10%  продукции растительности потребляется червями, моллюсками и членистоногими и позвоночными. Все позвоночные, включая человека, потребляют не более 1 % продукции растительности, при таком соотношении экосистемы устойчивы.

В современной биосфере в антропогенный канал, образуемый людьми и домашними животными, по некоторым расчетам поступает около 25% всей первичной продукции растений. Естественно, что 25-кратное увеличение потребляемой продукции происходит уже не благодаря энергии Солнца, но в основном за счет дополнительных источников энергии.

Чтобы обеспечить замкнутость биотического круговорота в природно-хозяйственных системах, для поддержания современного антропогенного потребления людям необходимо сконструировать аналог естественных экосистем с мощностью порядка 1015 Вт. Дополнительное энергопотребление в таких масштабах даже при наличии неограниченных запасов источников энергии может разрушить стабильность климата Земли.

Энергетический кризис тесно связан  и с истощением кислородного запаса планеты. Ряд возрастания агрессивности топлива в отношении кислорода выглядит следующим образом:   уголь,   нефть,   газ,   водород.

При сгорании 1 части природного газа уничтожается 4 части кислорода (для нефти – 3,4, для угля – 2,7). Правда после этого кислород может частично возвращаться через углекислоту и фотосинтез. При водородном источники энергии – исчезает 8 кг кислорода на 1 кг водорода причем безвозвратно, так как образуется вода. Кроме того утечки водорода ведут к уничтожению озонового слоя.

Поэтому перспективны в этом отношении - возобновляемые источники энергии и топливо, не связывающее кислород в воду. 

Демографический взрыв. Начало демографического взрыва относят к середине двадцатого века. Ежедневно население увеличивается на 250 тыс человека, 1 млн 750 тыс еженедельно 7,5 млн в месяц, 90 млн в год. При этом традиционно наблюдается наибольшая плотность населения в Европе, Китае и  Индии, отдельные регионах Юго-Восточной Азии, Южной и Северной Америках, с преобладанием городского населения в данных областях. Быстрый рост населения в развивающихся странах резко обостряет экологические и социальные проблемы. Число жителей развивающихся стран составляет три четверти населения планеты, а потребляет всего одну треть общемировой продукции.

Чтобы продемонстрировать общую характеристику населения Земли приведем расчеты одного социологического исследования. Если бы все население Земли «сжать» до размеров деревушки с населением 100 человек, а все существующие соотношения современного человечества остались бы прежними, то получилось бы следующее:  в ней проживали бы – 57 азиатов, 21 европеец, 14 представителей Сев, Центральн, и Южной Америки, 8 африканцев; 70 из 10 были бы не белыми; 50% всех богатств оказались бы в руках 6 человек и все они были бы гражданами США;  70 человек не умели бы читать; 50 страдали бы от недоедания; 80 человек жили бы в жилищах неприспособленных для проживания; только 1 человек бы имел высшее образование.

Хотя сам по себе факт уменьшения рождаемости в развитых странах в глобальном масштабе положительный, однако, в будущем он будет иметь негативное действие на общество. Все больше должна будет возрастать роль социальных институтов стареющего общества. Кроме того, в политическом плане более старое, более консервативное общество будет испытывать проблемы с нововведениями, что в конечном итоге вызовет проигрыш этого общества молодым, более мобильным системам развивающихся стран.

Истощение плодородия почв. Одним из следствий демографического взрыва является проблема голода. Общая площадь пахотных земель в мире – 1 млрд. 356 млн. га Общая площадь возможных пахотных земель – 5 млрд. га. Поскольку половина пахотных земель сейчас при нынешней технологии сельского хозяйства используется на истощение, происходит постепенно абсолютное сокращение пахотных земель. За исторический период человечество уже потеряло по своей вине – 2 млрд. качественных земель. И наиболее остро стоит проблема опустынивания, под угрозой которого находится 19% суши.

Поверхность суши, доступная человеку постоянно подвергается техногенному воздействию. Изменяются природные ландшафты, вырубаются леса, освоение новых территорий не учитывает необходимость поддержания динамического равновесия природных систем. Большой вред наносит неадекватная мелиорация, приводящая к засолению и заболачиваю почв, а также использование токсичных химических веществ, для повышения урожайности  и для борьбы с «вредителями» сельскохозяйственных культур.

Кислотные осадки. Кислотными называют любые атмосферные осадки: дожди, туманы, снег,  значение водородного показателя которых (рН) меньше 5,6.

Химический анализ показывает, что зачастую образование кислотных осадков связано с поступлениям  в атмосферу оксидов  углерода, азота, серы, фосфора,  которые при при взаимодействии с парами воды, образуются кислоты. Эти вещества имеют как природное, так и антропогенное происхождение. Антропогенные выбросы происходят в результате сжигания топлива при работе угольных ТЭЦ, промышленных предприятий, автомобильного транспорта и т.д.

Значение рН важно с экологической точки зрения, так как от него зависит деятельность практических всех ферментов, гормонов в организме, регулирующих обмен веществ, рост и развитие. Особенно чувствительны к изменениям рН гидробионты (водные живые организмы).

Но в то же время ущерб не ограничивается гибелью водных организмов. Многие пищевые цепи, охватывающие практически всех диких животных, начинаются в водоемах.

Кислотные осадки вызывают деградацию лесов. Нарушая защитный восковой покров, они делают листья и хвою растений более уязвимыми для насекомых, микоорганизмов и других патогенных организмов.

Воздействуя на почву, кислотные осадки нарушают почвенные экосистемы. При низких значениях рН уменьшается активность редуцентов и азотфиксаторов, что еще сильнее обостряет  дефицит питательных веществ: почвы теряют плодородие. Кроме того, в кислой среде соединения алюминия и других металлов становятся растворимыми и оказывают сильное токсическое действие на почвенную биоту, растения, животных.

В борьбе против закисления почв огромное значение имеет буферная емкость почвы. В качестве буфера многие природные системы содержат карбонат кальция. В сельском хозяйстве издавна используется известкование почвы – как агротехнический прием, направленный на нейтрализацию кислых почв.

Загрязнение Мирового океана. Возрастающая эксплуатация ресурсов Мирового Океана уже сама по себе оказывает все более сильное воздействие на его экосистему. Однако имеются и мощные внешние источники загрязнения – атмосферные потоки и материковый сток. В результате на сегодняшний день можно констатировать наличие загрязняющих не только в зонах, прилегающих к материкам, и в районах интенсивного судоходства, но и в открытых частях океанов, включая высокие широты Арктики и Антарктики.

В Мировой океан ежегодно сбрасывается более 30 тыс. различных химических соединений, общей массой – несколько млрд. тонн. Самыми опасными являются загрязнители отравляющего, мутагенного или канцерогенного действия на морские организмы – углеводороды, токсичные металлы, радиоактивные вещества. Помимо их возрастает роль и биологического загрязнения.

В последнее время особую опасность для загрязнения Мирового океана представляют техногенные аварии, например, авария в Мексиканском заливе и поступление радиоактивных веществ при аварии на атомной станции Фукусима.

Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское захоронение различных материалов и веществ, в частности грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлака, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10% от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан. Основанием для дампинга в море служит возможность морской среды к переработке большого количества органических и неорганических веществ без особого ущерба воды. Однако эта способность не беспредельна. Поэтому дампинг рассматривается как вынужденная мера, временная дань общества несовершенству технологии.

Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и некоторыми промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры воды в водоемах. Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену поверхностным и донным слоем. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом температуры усиливается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество.

Загрязняющие вещества изменяют физико-химические свойства вод, определяющие газообмен, потоки солнечной радиации и теплоты через его поверхность. Все это у целом может представлять серьезную угрозу устойчивости экосистемы Мирового океана и все биосферы в целом.

Наведенная сейсмическая активность.  Наведенные землетрясении, возникающие в результате антропогенной деятельности часто связаны как с прямым разрушением целостности в результате взрывов, так и с косвенным воздействием, например, при строительстве гидротехнических сооружений.

Проводя подземные ядерные взрывы, закачивая в недра или извлекая оттуда большое количество воды, нефти или газа, создавая крупные водохранилища, которые своим весом давят на земные недра, человек, сам того не желая, может вызвать подземные удары. Повышение гидростатического давления и наведенная сейсмичность вызываются закачкой флюидов в глубокие горизонты земной коры.

Слабые и даже более сильные “наведенные” землетрясения могут вызывать крупные водохранилища. Накопление огромной массы воды приводит к изменению гидростатического давления в породах, снижению сил трения на контактах земных блоков. Вероятность проявления наведенной сейсмичности возрастает с увеличением высоты плотины.
Увеличение активности слабых землетрясений наблюдалось в момент заполнения водохранилищ Нурекской, Токтогульской, Червакской гидроэлектростанций.

В Индии, в 1967 году в районе плотина Койна, возникло землетрясение с магнитудой 6.4, от которого погибло 177 человек. Оно было вызвано заполнением водохранилища. Рядом расположенному городку Койна-Нагар был причинен большой ущерб. Случаи возникновения сильных наведенных землетрясений с магнитудами около шести известны при строительстве Ассуанской плотины в Египте, плотины Койна в Индии, Кариба в Родезии, Лейк Мид в США.

При неблагоприятном сочетании техногенных факторов, и особенностей природного деформационного процесса возрастает вероятность возникновения техногенных землетрясений, а также значительных смещений земной поверхности, способных привести к аварийным катастрофическим ситуациям.

Экологизация антропогенной деятельности

Понятие «экологизация» все шире внедряется во все сферы деятельности человека. В широком смысле, экологизация – это подход, характеризующий такое развитие техносферы при котором основным критерием выбора направления является максимальная гармонизация антропогенной деятельности и окружающей природной среды. И главенствующая роль формировании таких отношений человечества и природы принадлежит воспитанию экологического сознания человека.

1. Экологическое сознание человека

В настоящее время существуют два подхода, характеризующих отношения человека к природе. Причем принципиальное значение имеет включается ли человеческая цивилизация в глобальную экосистему планеты, как одна из подсистем, либо не включается.

Если не включается, то  предполагается, что законы, управляющие жизнью сообществ живых организмов в природе, не распространяются на человека, или, по крайней мере, играют подчиненную роль по отношению к законам жизни людей. Окружающая среда и человеческое общество рассматриваются как две разные системы, внутренние связи в каждой из которых сильнее, существеннее, чем связи между ними. С позиций системного подхода можно рассмотреть все возможные варианты воздействия этих систем друг на друга, но в любом случае конфликт этих систем просматривается определенно.

Этот подход называется антропоцентрическим подходом. Согласно этому подходу, взаимоотношения человека и природы строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Овладевая законами природы, подчиняя их своим интересам, опираясь на свой разум, социальную организацию и технологическую мощь, человек считает себя вне тех законов, которые действуют в живой природе. Возникшие проблемы окружающей среды представляются исключительно следствием неправильного ведения хозяйства, его высокой ресурсоемкости и отходности и выглядят принципиально устранимыми путем технологической реорганизации и модернизации производства. Считается, что законы природы не могут и не должны мешать экономическому росту, научно-техническому и социальному прогрессу человечества. Такой технократическое мировоззрение характерно для многих политиков, экономистов, хозяйственников и представляется естественным для большинства инженеров.

В настоящее время получает все большее распространение другая точка зрения - экоцентрический подход к проблеме взаимоотношений человека и природы. Он основан на представлении, что человечество является подсистемой глобальной экосистемы и его развитие  рассматривается как часть эволюции природы, где действуют экологические закономерности. Возникновение проблем окружающей человека среды обусловлено нарушением природного равновесия. Причем антропогенные, то есть порожденные  деятельностью человека  нарушения динамического равновесия биосферы не могут быть восстановлены или изменены только технологическим путем. Прогресс человечества должен определяться экологическим императивом - безусловной зависимостью человека от состояния живой природы, требованием подчинения ее законам. Экоцентрический подход ставит эту зависимость в центр экологических проблем. Этя позиция характерена для относительно небольшого круга профессиональных экологов и системных аналитиков, воспринявших экологическую ориентацию глобальных проблем, а также для стихийного экоцентризма части людей (Табл.10).

Табл.10

Типы общественного экологического сознания

Антропоцентризм	Экоцентризм
1. Человек и его благополучие – высшая ценность. Лишь он самоценен, все остальное в природе ценно лишь постольку, поскольку оно может быть полезно человеку. Природа - собственность человечества.	1.Гармоническое развитие человека и природы – высшая ценность. Интересы человека и природы взаимосвязаны и взаимозависимы. Человек — не собственник природы, а один из членов природного сообщества.
2. Антропоцентрическая иерархичность мира. На вершине пирамиды стоит человек, несколько ниже — вещи, созданные человеком и для человека, еще ниже располагаются различные объекты природы	2.Отказ от антропоцентрической  иерархичности мира. Человечество – подсистема общей глобальной экосистемы.
3. Целью взаимодействия с природой является удовлетворение тех или иных прагматических потребностей, т. е. получение определенного «полезного продукта». Сущность его выражается словом «использование».	3. Целью взаимодействия с природой является  удовлетворение как потребностей человека, с учетом потребностей всего природного сообщества. Приоритет охраны природы над ее использованием.
4.«Прагматический императив» природопользования: правильно и разрешено то, что полезно человеку и человечеству.	4.«Экологический императив» природопользования: правильно и разрешено только то,  что не нарушает динамическое равновесие (гомеостаз) природных систем.
5. Этические нормы и правила действуют только в мире людей и не распространяются на взаимодействие с миром природы.	5. Этические нормы и правила равным образом распространяются как на взаимодействие между людьми, так и на взаимодействие с миром природы.
6. Развитие природы должен быть подчинено процессу развития человека.	6. Развитие природы и человека – взаимосвязанный и взаимозависимый процесс, управляемый едиными системными закономерностями.

Выбор между этими двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию дальнейшего развития человеческого общества. Большинство людей пока еще склоняется к первой, антропоцентрической точке зрения, так как она выглядит проще, оптимистичнее и отталкивается от предыдущего практического опыта человечества. Однако в настоящее время уже существуют очень веские аргументы в пользу экоцентризма, пренебрегать которыми нельзя.

2. Принципы рационального природопользования

Американский эколог и биолог Б. Коммонер в 70-х года ХХ века сформулировал так называемые «законы экологии», которые рассматривают с позиции системного подхода рациональные условия взаимоотношения человека и природы, обязательные при любой деятельности человека в природе  (Табл.11).

Табл. 11

Экологические законы Б. Коммонера

Everything is Connected to Everything Else There is one ecosphere for all living organisms and what affects one, affects all.	Все связано со всем Любое изменение, совершаемые человеком в природе, вызывает цепь последствий, как правило неблагоприятных.
Everything Must Go Somewhere There is no "waste" in nature and there is no “away” to which things can be thrown.	Все должно куда-то деваться Любое загрязнение природы возвращается к человеку в виде "экологического бумеранга".
Nature Knows Best Humankind has fashioned technology to improve upon nature, but such change in a natural system is “likely to be detrimental to that system.”	Природа знает лучше Действия человека должны быть направлены не на покорение природы и преобразование ее в своих интересах, а на адаптацию к ней.
There Is No Such Thing as a Free Lunch Everything comes from something. There's no such thing as spontaneous existence.	Ничего не дается даром Если мы не хотим вкладывать средства в охрану природы, то придется платить здоровьем, как своим, так и потомков.

Практические принципы рационального природопользования, на которых должна основываться деятельность человека в освоении природы можно сформулировать следующим образом:

•  Прогнозирование возможностей использования природных ресурсов.
•  Повышение полноты использования природных ресурсов, уменьшение потерь при добыче, транспортировке, обогащении.
•  Комплексное использование природных ресурсов разными отраслями.
•  Учет региональных особенностей.
•  Учет взаимосвязи между отдельными участками природной среды.
•  Единство использования и охраны природы при сохранении приоритета охраны природы над ее использованием.

2.1 Основные направления экологизации антропогенной деятельности

Экологизация производства. Мероприятия в этом направлении предполагают приспособление различных технологий к сложившимся природным условиям. Исходя из ограниченных возможностей сложившихся биосферных явлений, экологизация требует планомерного производства и воспроизводства компонентов в условиях природной среды.

Экологизация общественного производства должна осуществляться во всех областях антропогенной деятельности: промышленность, сельское и городское хозяйство, транспорт, энергетика и т.д.

Организация малоотходных и ресурсосберегающих производств. Следует отметить, что создание безотходных производств относится к весьма сложному и длительному процессу. Причем абсолютно безотходное производство просто невозможно.  Поэтому в настоящее время задача состоит в реальном внедрении во все области производства промежуточного этапа – малоотходных технологий.

По действующему законодательству РФ практически каждое предприятия должны быть малоотходными. То есть результаты их воздействия на окружающую среду должны не превышать допустимые санитарно-гигиенические нормативы. Однако до сих пор нет универсального показателя малоотходности, посредством которого можно было бы оценивать технологии и технологические процессы. Но в отдельных областях такие критерии имеются.

Так, например, в цветной металлургии существует коэффициент комплексности, определяющий долю полезных веществ, извлекаемых из перерабатываемого сырья. В угольной промышленности введен аналогичный коэффициент безотходности производства.

Общим принципом создания безотходного производства является – рационализация его организации. Конечной целью в данном случае следует считать оптимизацию производства одновременно по энерготехнологическим, экономическим и экологическим параметрам.

Решение проблемы сбора и утилизации отходов. Переработка и вторичное использование отходов производства, сельского и городского хозяйства позволяет экономить энергию, сырье, способствует охране окружающей среды.

Внедрение научных достижений в практическую деятельность. Прослеживаются следующие основные тенденции в данном направлении: повышение мощности при снижении массы в создании машин оборудования, сооружений; микроминиатюризация в технических областях, и особенно – в электронике; автоматизация добычи сырья и совершенствование его переработки; освоение новых источников энергии: геотермальной, солнечной, ветровой, гидротермальной, приливов, энергия биомассы т.д.

Не сбалансированное взаимодействие общества и природы, то есть не рациональное природопользование, приводит к экологическим кризисам и даже к экологическим катастрофам.

3. Пути снижения антропогенного воздействия на окружающую среду

3.1 Снижение антропогенного воздействия на атмосферу.

Состав и значение атмосферы

Атмосфера – газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Жизнь на Земле возможна, пока существует атмосфера. Все живые организмы используют воздух атмосферы для дыхания, атмосфера защищает от вредного воздействия космических лучей и губительной для живых организмов температуры.

Атмосферный воздух – смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли. Воздух не имеет запаха, прозрачен, его плотность 1,2928 г/л., растворимость в воде 29,18 куб. см/л., в жидком состоянии приобретает голубоватую окраску. Без воздуха человек может прожить 4-5 минут.

Основными составными частями атмосферы являются: азот, кислород, аргон и углекислый газ. В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды (3-4%) и твёрдые частицы (пыль).

Через атмосферу осуществляется обмен веществ между Землёй и Космосом, при этом Земля получает космическую пыль и метеориты и теряет самые лёгкие газы – водород и гелий. Атмосфера пронизана мощной солнечной радиацией, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Физические свойства и состояния атмосферы меняются во времени и в пространстве и зависимости от высоты над уровнем моря, широты местности, удалённости от океана.

Атмосфера, общая масса которой составляет 51.000.000.000 тонн, простилается вверх от поверхности Земли примерно до 3 тыс. км. Атмосфера подразделяется на тропосферу(10-12 км), стратосферу (до 50 км), мезосфера (до 80 км), ионосферу (до 100 км) и экзосферу (до 3000 км).

Между атмосферой, Земной поверхностью и другими сферами Земли происходит постоянный обмен теплом, влагой и газами, которые вместе с циркуляцией воздушных масс в атмосфере влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера защищает живые организмы от мощного потока космического излучения. Если бы всё излучение достигало земную поверхность, то в течение нескольких мгновений уничтожило бы всё живое на Земле.  Важнейшее защитное значение имеет озоновый экран.

Атмосфера защищает Землю от многочисленных метеоритов. Ежесекундно в атмосферу попадает до 200 млн. метеоритов, но они сгорают в атмосфере. Атмосфера является теплоизоляционным фильтром. Без атмосферы перепад температур на Земле в сутки достигался бы 200ºC (от 100ºC днём до -100ºС ночью).

 

Загрязнение атмосферы

Загрязнения атмосферы условно можно классифицировать на химическое, физическое и биологическое.

Химическое и пылевое загрязнение

Загрязнителями могут быть до 500 000 химических соединений, при этом 40 000 из них - вредные и 12 000 – токсичные.

Данный вид загрязнения Земли может быть природного и антропогенного происхождения. Причем, пока доля природного загрязнения выше чем доля антропогенного. Однако количество антропогенных выбросов постоянно растет (табл.12).

Табл. 12

Выбросы в атмосферу ( млн т)

Вещество	Естественные	Антропогенные	Доля антропогенных выбросов, %
Пыль	3700	1000	27
СО	5000	304	5,7
Углеводороды	2600	88	3,3
NO, NO2	770	53	6,5
SO2	650	100	6,5
СО2	485000	18300	3,6

Наибольшее влияние на загрязнение атмосферы оказывают: теплоэнергетика, предприятия чёрной металлургии, цветной металлургии, нефтехимической промышленности, строительной индустрии, химической промышленности, транспорт.

Химическое загрязнение воздуха оказывает огромное влияние на организм человека, животных и растительность, наносит ущерб народному хозяйству, вызывает глубокие изменения в биосфере. Влияние загрязненного воздуха на человека может быть как прямым, там и косвенным.

Прямое влияние выражается в том, что загрязнители в виде газов и пыли попадают вместе с вдыхаемым воздухом в организм и оказывают на него непосредственное действие вызывают отравления и различного рода заболевания. Например, увеличение концентрации диоксида серы в окружающем воздухе повышает вероятность сердечно-сосудистых и лёгочных заболеваний (бронхиальная астма, сердечная недостаточность, бронхиты и др.). Угарный газ, соединяясь с гемоглобином крови, вызывает отравление организма, малая его концентрации способствуют отложению липидов на стенках кровеносных сосудов ухудшая их проводимость. Оксиды азота отрицательно влияют на эпителий органов дыхания, вызывают отёки. При длительном воздействии этих загрязнителей на человеческий организм нарушается функционирование центральной нервной системы. Соединения свинца, попадая через кожу и накапливаясь в крови, снижают активность ферментов, участвующих в насыщении крови кислородом, что, в свою очередь, нарушает ход обменных процессов в организме.

К прямому воздействию на организм человека следует отнести воздействие воздуха, насыщенного пылью разнообразного происхождения – частицами горных пород, почвы, сажи, залы. Особую опасность представляют аэрозоли с мелкодисперсными (меньше 0,25 мкм) кислотосодержащими частицами. При длительном вдыхании запылённого воздуха у людей и домашних животных возникает болезнь, получившая название пыльная пневмония.

Многие из химических соединений, попадающих в атмосферу, обладают канцерогенным действием. К ним относятся и промышленная пыль, диоксиды азота и серы, бенз(а)пирен, диоксины*.

*Диоксины - (полихлорированные полициклические соединения – ПХПС). Существует более 200 веществ ПХПС, относящимся в основном к двум большим классам соединений – дибензодиоксины и дибензофураны. Основной элемент ПХПС – хлор (в редких случаях - бром), кислород, водород (если кислород отсутствует, то соединение относится к группе бефинилов и легко преобразуется в диоксины), Примеры диксинов: тетрахлордибензопарадиоксин 2,3,7,8 ТХДД, тетрахлордибензофуран 2,3,7,8 ТХДФ.

Диоксины – ксенобиотики, то есть они разрушают гормоны, лекарства и т.д., активизируют канцерогены, нейротоксины, химические превращения подавление иммунной системы, терратогенное и эмбриотоксическое действие Аварии при производстве лекарств, ядохимикатов, боеприпасов выявили и продолжают выявлять характер действия диксинов на организм человека. Диоксины появляются везде, где хлор вступает в контакт с органическими соединениями:

- при сжигании полимеров, пластмасс, древесины, пропитанной органическими соединениями, резины;

- при горении и при пожарах трансформаторов, вагонов, мусора, листьев;

- при работе двигателей на этилированном бензине со специальными добавками;

- в целлюлозобумажном производстве;

- при избыточном хлорировании.

Основными источниками химического и пылевого загрязнения являются предприятия металлургии, нефтехимии, асфальтобетонные заводы, ТЭЦ, транспорт, мусоросжигание.

Отдельные  вещества характеризуются суммацией действия. К ним относятся вещества, близкие по физическому строению и характеру влияния на организм человека. Например, диоксид серы и сероводород, диоксид серы и диоксид азота, диоксид серы и фенол; диоксид серы и аммиак, оксиды азота, фтористые и хлористые соединения, аэрозоли серной и азотной кислот и др.

Косвенное влияние загрязнения атмосферы приводит к тому, что с увеличением запылённости над крупными городами снижается солнечная радиация, что приводит к уменьшению поступлению ультрафиолетовых лучей, поэтому в воздухе увеличивается количество болезнетворных бактерий. Особенно большой вред запылённость атмосферы приносит растениям. Промышленные газы воздействуют на ассимилирующий аппарат зелёных растений. Они разрушают цитоплазмы и хлоропласты в клетках деревьев, разрушают корневую систему. Особенно подвержены вредному воздействию загрязнителей атмосферы хвойные деревья. Они первыми погибают от загрязнения атмосферы вблизи крупных промышленных районов. Загрязнения воздуха сопровождаются образованием устойчивых аномалий загрязнителей в воде, почвах, растениях.

Наряду с локальными загрязнениями атмосферы над городами в последнее время всё большую тревогу вызывает проблема её глобального загрязнения. Распространяясь воздушными течениями, загрязнению могут вызвать нарушения глобального характера и оказывать влияние на жизнь всей планеты.

Физическое загрязнение атмосферы

Радиоактивное загрязнение приземного слоя атмосферы

По данным ВОЗ в ежегодной дозе облучения, получаемой человеком, доля продуктов ядерных испытаний составляет – 0,7%, от прочих техногенных источников – 0,3%, от медицинских обследований и лечения – 34%. Но главная опасность исходит от природных источников: на естественный фон приходится 22% суммарной дозы, а на продукты распада радона – 43%.

Радон образуется при распаде урана-238, тория -232 и радия-226, содержащихся в почве и многих минералах. Инертный радиоактивный газ без цвета и запаха, радон через трещины и поры земной поверхности непрерывно и повсеместно поступает в атмосферу. Земля, на которой стоят дома, материалы, из которых они сделаны, могут быть источниками радона. В результате часто возникают довольно высокие уровни радиации. Опасен не столько радон, сколько его дочерни продукты – естественные радиоактивные аэрозоли, которые являются канцерогенами.

Антропогенные шум, вибрация и электромагнитные воздействия

Акустический шум оказывает вредное влияние на организм, вызывая шумовую болезнь.

Нормальный уровень шума до 40 дБ. Но уровень общего шума в ряде производств 60-70 дБ. Допустимый уровень – до80 дБ, предельнодопустимый – до 110дБ. Шум от городского транспорта – до 70-90, от взрывов – 110-130 дБ. По данным ВОЗ реакция на шум начинается при уровне 40 дБ, при 34 – нарушения сна, при 70 дБ возникают глубокие нарушения со стороны ЦНС и других органов.

Электромагнитные поля – новый антропогенный фактор, выраженный особенно вблизи ЛЭП, радио теле станций, роадиолокация, радиосвязи, энергетических установок, городского транспорта.

С одной стороны ЭМФ достигает высоких уровней, с другой – может меняться много раз в течение дня. Например, в электропоездах уровень ЭМП превышает естественный фон в сотни тысяч раз. Такие изменения поля, безусловно, могут служить пусковым механизмом для патологических процессов.

Причем опасны как высокочастотные, так и низкочастотные поля. И если для защиты от электрических полей, то от низкочастотной магнитной составляющей защиты не существует.

Биологическое загрязнение атмосферы

К биологическим факторам загрязнения относятся: микроорганизмы, продукты биогенного происхождения и выбросы от промышленных предприятий пищевого, витаминно- лекарственной и сельскохозяйственной отраслей народного хозяйства, а также коммунальные выбросы.

Биологические агенты могут быть причиной различных заболеваний человека, животных и растений, а также нарушать биологическое равновесие экосистем.

 Оценка загрязнения атмосферного  воздуха

на человека и окружающую среду. ПДК.

Качество атмосферного воздуха – это совокупность свойств атмосферы, определяющая степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на конструкции и окружающую среду в целом.

Основой оценки качества воздуха является гигиеническое регламентирование концентраций загрязняющих атмосферу веществ. Основные показатели качества атмосферного воздуха считаются предельно допустимые концентрации и предельно допустимые уровни (ПДК и ПДУ) вредных веществ и воздействий в атмосферном воздухе. В случае отсутствия ПДК для вещества используют расчётную величину ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ).

Под ПДК понимается максимальная концентрация вредных веществ в атмосфере, отнесённая к определённому времени усреднения (20 мин – максимально разовая - ПДКмр.;  на протяжении всей жизни человека – среденесуточная – ПДКсс.) и которая не оказывает на него вредного воздействия. Кроме этого в системе охраны труда на производстве используется ПДК рабочей зоны (ПДКрз).

Загрязняющие атмосферный воздух вредные вещества по классу опасности подразделяются так: класс 1 – чрезвычайно опасные; класс 2 – высоко опасные; класс 3 – умеренно опасные; класс 4 – малоопасные (Табл. 13).

По агрегатному состоянию загрязняющие вещества классифицируются на пары, газы, аэрозоли, смеси паров и аэрозолей. Дополнительными показателями качества воздуха являются подвижность, температура, влажность, давление, величина излучений.

Табл.13

ПДК распространенных загрязнителей, их класс опасности

Вещество	ПДК м.р. мг/м3	ПДК с.с. мг/м3	Класс опасности
Пыль	0,5	0,15	3
Серн. ангидрид	0,5	0,05	3
Сероводород	0.008	-	2
Свинец	0,0003	-	1
Бенз(а)пирен	-	10-6	1
Диоксины	-	10-9	1

Качество атмосферного воздуха подвергается периодическому контролю. Под контролем понимается проверка соответствия показателей атмосферного воздуха, требованиям нормативно-технической документации. Контролируются качество воздуха, качество и количество выбросов, другие параметры атмосферы.

Для оценки используются единичные и комплексные показатели загрязнения атмосферы. Единичный показатель характеризует загрязнение атмосферы одним вредным веществом, комплексный – несколькими. Кроме названых показателей, используются средний уровень загрязнения атмосферы, концентрация примесей в атмосфере, приземная концентрация примесей, разовая и среднесуточная концентрация примесей, среднемесячная концентрация примесей в атмосфере и т.д.

Разовая концентрация примесей в атмосфере определяется в пробе отобранной за 20-30 минутный интервал времени. Средняя суточная концентрация примесей – по среднесуточной пробе, отбираемой равномерно в течении 24 часов. Среднемесячная концентрация – по данным разовых концентраций, измеренных по полной программе, не менее чем 20 раз в месяц. Среднегодовая концентрация по среднесуточным или разовым концентрациям, измеренным по полной программе не менее 200 раз в год.

Выбросы вредных веществ в атмосферу

Под выбросами понимается кратковременное или за определенное время (с, сутки, год) поступление в окружающую среду загрязняющих веществ и физических излучений. Величина выбросов нормируется. В качестве нормируемых показателей приняты предельно допустимый выброс (ПДВ), временно согласованный с организациями охраны природы выброс (ВСВ).

Предельно допустимый выброс – это норматив, устанавливаемый для каждого конкретного источника исходя из условия, что от источника и всей совокупности окружающих его источников в городском или промышленном комплексе, приземная концентрация вредных веществ с учётом их рассеивания и фона не превышает нормативов качества воздуха. Кроме нормируемых выбросов, имеют место аварийные и валовые выбросы

Выбросы характеризуются количеством загрязняющих веществ, их химическим составом, концентрацией, агрегатным состоянием. Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Под неорганизованными промышленными выбросами понимаются выбросы, поступающие в атмосферу в виде ненаправленных потоков в результате нарушения герметизации, невыполнения требований охраны атмосферы при погрузке и выгрузке грузов, нарушения технологии производства или неисправности оборудования.

По агрегатному состоянию выбросы подразделяются на четыре класса: I – газообразные и парообразные; II – жидкие; III – твёрдые, IV – смешанные.

Газообразные выбросы – сернистый ангидрид, диоксид углерода, оксид и диоксид азота, фтористые соединения, сероуглерод, сероводород, хлор, синильная кислота, аммиак, фенол и др.

Жидкие выбросы – кислоты, щелочи, растворы солей, растры жидких металлов, органические соединения, синтетические материалы.

Твёрдые выбросы – канцерогенные вещества, соединения свинца, органическая пыль, неорганическая пыль, сажа, смолы, синтетические и другие вещества.

Выбросы подлежат периодической инвентаризации, под которой понимается систематизация сведений о распределении источников выбросов по территории объекта, их количество и состав.

Целями инвентаризации являются: определение видов вредных веществ, поступающих в атмосферу от объектов; оценка влияния выбросов на окружающую среду; установление ПДВ или ВСВ; выработка рекомендаций по организации контроля выбросов; оценка состояния очистного оборудования и экологичности технологий и производственного оборудования; планирование очерёдности воздухоохранных мероприятий.

Методы и технологии очистки выбросов в атмосферу

Условно методы и технологии очистки можно разделить на две большие группы: улавливание аэрозольных (корпускулярных) частиц и  улавливание газообразных веществ.

Улавливание аэрозольных частиц

Очистка выбросов от твердых частиц пыли, сажи осуществляется в сухих и мокрых пылеуловителях, с помощью фильтрации, электрофильтрации.

Пылеосадительные камеры - гравитационные пылеосадительные камеры - работают на принципе снижения скорости движения газов до уровня, когда пыль и частицы жидкости осаждаются под действием сил тяжести. Гравитационные пылеосадительные камеры пригодны для осаждения частиц пыли диаметром 50 мкм. Гидравлическое сопротивление гравитационных камер колеблется в пределах 50-150 Па, скорость газа 0,2-1,5 м/с. Камеры обеспечивают степень очистки не более 50%, поэтому их используют в качестве предварительной ступени пылеулавливания.

Инерционные сепараторы работают на принципе резкого изменения направления потока газов. В местах изменения направления происходит осаждение твёрдых частиц загрязнений. Сепараторы позволяют осаждать частицы диаметром 25-30 мкм.

Циклоны - циклонные сепараторы  - работают на принципе использования центробежного эффекта. Их часто называют циклонами. Отделение твёрдых частиц в них происходит под действием центробежных сил.  Практически применяются следующие типы циклонных сепараторов:

•  горизонтальные пылеуловители, работающие на принципе придания газом круглого вихреобразного движения с помощью верхушки с системой не отклоняемых лопастей;
•  вертикальные сепараторы с максимально расположенной входной частью, работающей по принципу подаче газа сверху через горизонтально установленную кольцевую клетчатку, которая приводит газ в вихревое движение. Твёрдые загрязнения в них осаждаются на дно, а очищенный газ отводится через центральную трубу;
•  вертикальные сепараторы с тангенциально расположенной входной частью. В этом сепараторе задержанный газ поступает сбоку или  снизу и приводится в тангенциально направленное движение, выносящее твёрдые частицы загрязнений к стенкам, затем в пылесборники;
•  ротационные струйные пылеуловители являются разновидностью центробежного циклонного сепаратора, в котором вихреобразность движения газа усилена тангенциальным воздушным потоком. В них пыль скапливается в середине воздушной среды и под действием гравитационных сил падает на дно пылесборника.

Скрубберы – работают на принципе осаждения пыли на поверхности капель, пленки или пены. По механизмам осаждения они могут быть гравитационными, центробежными и инерционными.

Фильтрация осуществляется в аппаратах, различающихся по материалам фильтра (песчаные, тканевые, зернистые, стеклянные, керамические, синтетические), а также по видам конструкции.

Электрофильтрация является современным эффективным методом очистки выбросов от пыли. Принцип работы электрофильтрационных установок заключается в осаждении ионизированных частиц пыли на специальных электродах с последующим их удалением.

Улавливание газообразных вредных веществ

В настоящее время разработаны и широко используются эффективные способы очистки выбросов от газообразных веществ.

Абсорбция – это способ очистки посредством поглощения вредных веществ жидкостями (водой, кислотами, щелочами).

При хемосорбции поглощение паров и газов осуществляется химическими веществами с образованием мало летучих и слаборастворимых солей в хемосорбционных установок.

В установках для адсорбции вредные газообразные вещества из выбросов задерживаются и извлекаются твердыми пористыми веществами.

В автомобилестроении, с целью очистки выхлопов используются такие способы очистки как  дожигание и каталитическая нейтрализация вредных веществ.

К высокоэкологичным методам очистки относится биохимическая очистка – современный перспективный способ, позволяющий удалять вредные вещества с минимальными побочными эффектами.

Общей проблемой, характерной практически для всех названных способов очистки является дальнейшая судьба задержанных из выбросов вредных веществ. Вопросы их накопления, транспортировки, утилизации и возможного использования являются насущными экологическими задачами настоящего времени.

1.  Снижение антропогенного воздействия на гидросферу.

Распределение воды на Земле, круговорот воды

Водные запасы на Земле огромны, они образуют гидросферу – одну из мощных сфер нашей планеты. Гидросфера, литосфера, атмосфера и биосфера взаимосвязаны, проникает одна в другую и находятся в постоянном, тесном взаимодействии. Все сферы в своём составе имеют воду. Водные ресурсы слагаются из статических (вековых) запасов и возобновляемые ресурсов. Гидросфера объединяет Мировой океан, моря, реки и озёра, болота, пруды, водохранилища, полярные и горные ледники, подземные воды, почвенную влагу и пары в атмосфере.

Вода – наиболее распространенное на Земле вещество. Она находится в трёх фазах: газообразной, жидкой и твёрдой.

В атмосфере вода встречается в парообразном состоянии в воздушной оболочке, окружающей Землю, в капельножидком состоянии – в облаках, туманах и в виде дождя, твёрдом – в виде снега, града и кристалликах льда высоких облаков.

В жидком состоянии вода находится в гидросфере. В твёрдом состоянии вода в виде льда и снега находится у полюсов планеты, на горных вершинах, зимой покрывает водоёмы на значительных площадях.

Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза больше площади суши, а объём воды на Земле составляет примерно 1 500 000 тыс. куб. км. При этом 93 % воды находится в Мировом океане, 4 % воды находится в подземных водах, 1,6 % в ледниках, 0,01 % в болотах и озёрах, 0,005 % в почве, 0,001, и 0,0001 % в реках (Табл. 14).

Табл.14

Распределение воды в биосфере

Мировой океан	1370323 тыс куб м
Подземные воды	60000 тыс куб м
Ледники	24000 тыс куб м
Озера	280 тыс куб м
Почва	85 тыс куб м
Пары атмосферы	14 тыс куб м
Реки	1,2 тыс куб м

Вода постоянно находится в движении – циркуляции. Её перемещение происходит в результате механического движения – потоки воды в реках, течение в толще океана; в результате изменения фазового состава – вода испаряется и попадает в атмосферу посредством диффузионного и конвективного потоков. В северных районах наблюдается очень редкий способ перемещения воды способом возгонки. Снег, испаряясь, сразу превращается в пар и попадает в атмосферу. Для передвижения воды затрачивается много энергии, в основном солнечной. 22 % всей достигающей Земли поверхности энергии расходуется на испарение воды.

Приобретая такую огромную энергию, вода повышает свою энтропию. Находясь в неустойчивом равновесии, она стремится вернуться в исходное состояние. Таким образом, происходит непрерывный замкнутый процесс циркуляции воды на земле, именуемый Круговоротом, или влагооборотом. Различают малый, большой и входящий в него внутренний материковый круговорот. Ежегодно в круговороте на поверхности Земли участвует более 1 млн. куб. км воды.

Интересен тот факт, что вода, являясь столь необходимым, жизненно важным веществом биосферы обладает уникальными свойствами, отличающими ее от остальных жидких веществ планеты.

Аномальные свойства воды

1.  Точка замерзания и точка кипения. Если провести аналогию по группе кислорода, то учитывая свойства таких соединений как H2S H2Se H2Te, температуры должны быть -90 и +70 соответственно.
2.  При замерзании объем воды увеличивается.
3.  Лед плавает в воде, то есть плотность льда меньше плотности воды. Максимальная плотность воды при +4. Замерзание водоемов начинается с поверхности.
4.  Высокая теплоемкость. 1 г воды нагревается на 1 градус с затратой 1 калл, 4,184 Дж, а 1 г железа – 0,1 калл.
5.  Аномально высокое значение силы поверхностного натяжения и связанное с ним движение по капиллярам.

Состав природных вод характеризуется следующими факторами:  физическими (температура, содержание взвешенных частиц, цветность, запах, привкус); химическими (ионный состав, жесткость, щелочность, окисляемость, рН, сухой остаток, содержанием солей, кислорода, сероводорода и т.д.) свойствами  и концентрацией вредных веществ , которая сопоставляется с санитарно-гигиеническими показателями (ПДК вредных веществ).

ПДК вредных веществ в водоеме – концентрация, которая не оказывает вредного воздействия на организм человека.

Предельно допустимые сбросы (ПДС) веществ в водные объекты характеризуются максимально допустимой массой веществ, которые могут быть сброшены в установленном режиме в данном пункте в единицу времени. ПДС устанавливается с учетом ПДК вредных веществ в местах водопользования и водоотведения, ассимилирующей способностью водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ между водопользователями.

Источники загрязнения воды

Наряду с физическими и химическими загрязнителями, имеет место тепловое и микробное загрязнение вод.

Ежегодный объём сточных вод в России составляет около 75,5 млн. куб. км., в том числе сброс в поверхностные водоёмы порядка - 73 . куб. км., в накопителе и на поля фильтрации – 2,5млн. куб. км. Около 63 куб. км. стоков сбрасываются без очистки и 17 куб. км. не достаточно очищены. Следует отметить, что 1 куб. м. стоков загрязняет около 60 куб. м. чистой воды.

Наиболее интенсивному антропогенному загрязнению подвергаются пресноводные водоемы, особенно речные воды.

Около трети всей  массы загрязняющих веществ вносится в водоисточники  с поверхностными и ливневыми стоками. Наиболее распространенные загрязняющие вещества – нефтепродукты, фенолы, легоокисляемые органические вещества, соединения металлов. Стоки предприятий сельского и коммунального хозяйства загрязняют воды пестицидами, биологическими вредными компонентами – органикой и микроорганизмами. Кроме того воды загрязняются почвой, смываемой в результате водной эрозии.

Подземные воды также испытывают загрязняющее действие хозяйственной деятельности человека. Поскольку обновление воды в данном случае протекает очень медленно по сравнению с поверхностными водами, загрязнения сохраняются долго и  ухудшение качества этих вод происходит на десятки и сотни лет. Положение усугубляется еще и тем фактом, что перечень веществ, контролируемых в подземных водах, не регламентирован, поэтому нельзя составить точное представление о загрязнении подземных вод.

Организационные мероприятия по предупреждению загрязнения водоемов

Предупреждение загрязнения водных объектов сточными водами может обеспечиваться организационными и техническими мероприятиями.

Организационные мероприятия сводятся к предупреждению сброса сточных вод в водоёмы без их очистки.

Технические мероприятия включают в себя очистку сточных вод различными методами, повторное использование сточных вод для технических нужд и полива, создание оборотных и замкнутых систем водопользования, совершенствование технологических процессов на предприятиях в направлении сокращения поступления загрязнений в стоки, переход на безводные технологии, сокращение загрязнения территорий нефтепродуктами.

Снизить загрязнённость водных бассейнов можно путём создания маловодной и безотходной технологии с замкнутыми водооборотными циклами, с промежуточной очисткой и охлаждением воды, а также утилизацией загрязнений.

Кроме того, необходимо отметить что сокращение расхода воды для нужд как производства, так и для нужд отдельных граждан также является средством уменьшения водопотребления и способом охраны природных вод.

Например, за сутки расход на среднестатистического городского жителя в России составляет от 500 до 800 л питьевой воды. Причем только 5-10% используется на бытовые нужды. А аналогичный расход на жителя Лондона составляет – 170л, Парижа – 160 л, Брюсселя – 85 л. Чем можно объяснить такую разницу?

Во-первых, это использование счетчиков расхода и оплата по факту использования в сочетании с высокими тарифами. Во-вторых – это техническое совершенствование технических устройств, препятствующее утечкам и повышение культуры водопользования. В-третьих – снижение водоемкости производств (на производство 1 т джинсовой ткани используется – 800  куб м воды., а на производство 1 т угля – 1-2- куб м.). В четвертых – модернизация оросительной сети и аппаратов («сухой полив» и т.д). В-пятых – повторное использование вод, прошедших канализацию.

 Способы очистки сточных вод

Способы очистки загрязненных промышленных вод можно объединить в следующие группы: механические, физические, химические, физико-химические, биологические (биохимические), комплексные.

Механические методы

Механические способы очистки применяются для очистки стоков от твёрдых, нефтяных, масляных загрязнений. Механическая очистка производится одним из следующих способов:

•  дробление крупных загрязнений в более мелкие различными устройствами механического воздействия на загрязнения;
•  отстаивание загрязнений истоков с помощью нефтеловок, песколовок и других типов отстойников, конструкции которых приводятся в специальное литературе;
•  разделение загрязнений и воды с помощью различных центрифуг и гидроциклонов;
•  устреднение стоков чистой водой с целью снижения концентрации вредных веществ и примесей до уровня, при котором стоки можно сбрасывать в водоёмы или канализацию;
•  извлечение механических примесей и стоков с помощью различных элеваторов, решёток, скребков и других устройств;
•  фильтрование стоков через сетки, сита, специальные фильтры, а чаще всего по средствам пропускания стоков через песок;
•  осветление воды путём пропускания её через песок или специальные устройства, наполненные композициями или минералами, способными поглощать взвешенные частицы.

Выбор схемы очистки воды от взвешенных частиц и нефтепродуктов зависит от вида и количества загрязнений, требуемой степени очистки, устройств для очистки стоков. Стоимость сооружений механической очистки сточных вод очистных комплексов предприятия составляет 20-30 % капитальных вложений и 15-20 % эксплутационных расходов очистных устройств. Эффективность работы механических очистных устройств особенно ощутима в замкнутых системах водопользования предприятий. Их применение позволяет сокращать количество потребляемой воды в 1,5-2,5 раза.

Физико-химические методы

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц загрязнений к поверхности раздела двух фаз(вода-воздух, вода-твёрдое вещество). Процесс очистки сточных вод от СПАВ, нефтепродуктов, волокнистых материалов флотации заключается в образовании системы «частицы загрязнений – пузырьки воздуха», которых всплывает и поверхность и утилизируется

Обратный осмос (гиперфлотация) – процесс фильтрования сточных вод через полупронецаемые мембраны под давлением.

Ультрафильтрация – мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Применяется для очистки сточных вод от высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц и коллоидов.

Электродиализ – процесс сепарации солей в мембранном аппарате, осуществляемый под действием постоянного электрического тока. Электродиализ применяется для деминерализации сточных вод.

Коагуляция – процесс соединения мелких частиц загрязнения в более крупные с помощью коагулянтов. В качестве коагулянтов используют известковое молоко, соли алюминия, железа, магния, цинка, сернокислый кальций, углекислый газ и др.;

Флокуляция – процесс агрегации мелких частиц загрязнений в воде за счёт образования мостиков между ними и молекулами флокулянтов. В качестве флокулянтов используют активную кремниваю кислоту, эфиры, крахмал, целлюлозу, синтетические органические полимеры;

Электрокоагуляция- процесс укрупнения частиц загрязнения под действием постоянного электрического тока;

Сорбция – процесс поглощения загрязнений твёрдыми и жидкими сорбентами (активированным углём, залой, мелким коксом, торфом, силикагелем).

При очистки сточных вод могут извлекаться с помощью экстрагентов ценные вещества. Этот процесс называется экстракция.

Химические методы очистки

Химическая очистка применяется как самостоятельный метод или как предварительный перед физико-химической и биологической очисткой. Его применяют для снижения коррозионной активности сточных вод, удаления из них тяжёлых металлов, очистки стоков от гальванических участков, для окисления сероводорода и органических веществ, для дезинфекции воды, её обесцвечивания и других случаев.

К химическим методам относятся хлорирование, озонирование, обработка соединениями серебра.

Физические методы

Физические методы применяются для обеззараживния воды от биологических агентов.

К ним относятся нагревание (пастеризация, кипячение, стерилизация), обработка ультрафиолетовым излучением.

Биологические (биохимические) методы

Биологическая (биохимическая очистка) основана на естественный природных механизмах утилизации и снижения загрязняющих веществ посредством биологических объектов – гидробионтов (растений, животных, микроорганизмов). Биологическая очистка проводится на биофильтрах, аэротенках (с помощью активного ила), в окислительных каналах. Активный ил -  ил, образующийся при очистке сточных вод в аэрационном бассейне — аэротанке и очищающий сточные воды. Активный ил создаётся из взвешенных в сточной жидкости частиц, не задержанных первичным отстойником, и адсорбируемых коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами (бактериями, простейшими, водорослями и др.). Активный ил значительно ускоряет процессы окисления и очистки сточных вод в результате поглощения его частицами органических веществ и бактерий. Микробы сточной жидкости, в том числе и болезнетворные, адсорбируются активным илом, погибают или становятся активными агентами ила.

Биологическая очистка может осуществляться и в естественных условиях на полях орошения, полях фильтрации, биологических прудах.

Чаще всего применяются комплексные методы очистки, включающие различные сочетания механических, химических, физико-химических, биологических способов.

1.  Снижение антропогенного воздействия на почву и верхние слои литосферы.

Состав и строение почвы

Почва – биокосное вещество биосферы, поверхностный слой земной коры, который образуется и развивается в результате взаимодействия растительности, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельным природным образованием. Важнейшим свойством почвы является плодородие - способность обеспечивать рост и развитие растений.

Почва является гигантской экологической системой, оказывающей, наряду с Мировым океаном, решающее влияние на всю биосферу. Она активно участвует в круговороте веществ и энергии в природе, поддерживает газовый состав атмосферы Земли. Посредством почвы - важнейшего компонента биоценозов - осуществляются экологические связи живых организмов с литосферой, гидросферой и атмосферой.

Основателем научного почвоведения является выдающийся русский ученый В.В. Докучаев, который раскрыл сущность почвообразовательного процесса. К факторам почвообразования относятся материнские (почвообразующие) породы, растительные и животные организмы, климат, рельеф, время, вода (почвенная и грунтовая) и хозяйственная деятельность человека. Развитие почвы неразрывно связано с материнской породой (гранит, известняк, песок, лёссовидные суглинки и др.). Образование рыхлой почвенной массы связано как с процессами химического выветривания, так и с биологическими - образованием специфических органических веществ (гумуса или перегноя) под воздействием растений.

В состав почвы входят четыре важных структурных компонента: минеральная основа (обычно 50 - 60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15 - 25%) и вода (25 - 35%). Структура почвы определяется относительным содержанием в ней песка, ила и глины. Химизм почв частично определяется минеральным скелетом, частично - органическим веществом. Большая часть минеральных компонентов представлена в почве кристаллическими структурами. Преобладающими почвенными минералами являются силикаты.

Большую роль в удержании воды и питательных веществ играет особенно многочисленная и важная группа глинистых минералов, большинство из которых образуют в воде коллоидную суспензию. Каждый кристалл глинистого минерала содержит слои силиката, объединенные со слоями гидроксида алюминия, обладающими постоянным отрицательным зарядом, который нейтрализуется катионами, адсорбированными из почвенного раствора.

Благодаря этому катионы не выщелачиваются из почвы и могут обмениваться на другие катионы из почвенного раствора и растительных тканей. Эта катионообменная способность служит одним из важных индикаторов плодородия почвы.

Органическое вещество почвы образуется при разложении мертвых организмов, их частей, экскретов и фекалий. Конечным продуктом разложения является гумус, находящийся в коллоидном состоянии, подобно глине, и обладающий большой поверхностью частиц с высокой катионообменной способностью. Одновременно с образованием гумуса жизненно важные элементы переходят из органических соединений в неорганические, например азот в ионы аммония, фосфор в ортофосфат-ионы, сера в сульфат-ионы. Этот процесс называется минерализацией.

Почва является средой обитания редуцентов, средой жизнеобеспечения продуцентов сухопутных экосистем. Жизненно важно для существования человечества является ее сельскохозяйственное значение.

Антропогенное воздействие на почву и верхние слои литосферы

На огромных площадях поверхности земли и в ее недрах происходит активизация различных неблагоприятных процессов и явлений (оползней, селей, подтопления и заболачивания территорий, засоления почв и т.п.), которые были вызваны человеком, его неразумной хозяйственной деятельностью. Эта деятельность в пределах верхней части литосферного пространства, называемой географической средой, вносит дисбаланс в равновесие земной биосферы.

Широко бытует ошибочное мнение, что в отличии от растений и животных, атмосферы и гидросферы, которые более или менее чутко реагируют на техногенные воздействия, сама « земля», а точнее – верхние горизонты литосферы может «выдержать», что угодно; и сброс загрязнений, и подземные ядерные взрывы, и захоронение всевозможных токсичных, или просто ненужных отходов, и растущую эксплуатацию недр и т.д.

Добыча полезных ископаемых

При добыче полезных ископаемых и строительстве количество извлекаемого материала превышает 100 млрд. тонн в год, что примерно в четыре раза больше массы материала, сносимого водами рек в океаны в результате денудации, размыва суши.

Освоение литосферы идет не только вширь, но и в глубь. Полезные ископаемые добываются со все большей глубины. Образующиеся подземные пространства сами по себе могут представлять опасность для природных ландшафтов, но и, кроме того, они становятся местами захоронения жидких и твердых отходов. Следует отметить, что эти отходы, обладая, токсичными агрессивными свойствами увеличивают объемы подземных пространств и представляют год от года растущую угрозу.

Взрывы, испытания оружия

До последнего времени некоторые страны проводили и проводят испытания ядерного оружия в литосфере. Опасность таких мероприятий не вызывает сомнения. Причинами сейсмических колебаний земной коры, соизмеримых с крупными землетрясениями, могут быть подземные ядерные взрыва. Существует мнение, что они могут быть причиной активизации сейсмичности в соседних регионах.

Однако и «мирные» взрывы, которые необходимы при строительных, горно-добывающих работах приносят дополнительную техногенную нагрузку на литосферу. Понятно, что в настоящее время от подобного вида техногенного воздействия человечество не сможет отказаться, но разумное ограничение, а также совершенствование строительных технологий, позволит уменьшить антропогенное влияние.

Строительство

Если к 1985 году суммарная площадь суши, покрываемая всеми видами инженерных сооружений (здания, дороги, водохранилища, каналы и т.п.) составляла около 8 %, то к 1990 году она привысила 10%, а к 2000 году возросла до 15%.

На урбанизированных территориях практически невозможно найти неизменные участки литосферы или девственные, неизмененные участки рельефа. Искусственные или техногенные грунты на этих территориях достигают десятков метров в глубину. Среди них наиболее экологически опасны те, которые формируются из различных отходов.

Значительно воздействие на почву оказывает дорожное строительство. Протяженность железных дорог Земли составляет более 1400 тыс. км, то есть 3,5 раза больше, чем расстояние от Земли до Луны. И на всем этом протяжении нарушается почвенный покров, меняются геологическое условия прилегающих к дороге территорий, возникают новые геологические процессы. Протяженность автомобильных дорог в мире еще больше. Подсчитано, что при прокладке 1 км дороги нарушается около 2 га растительного и почвенного покрова.

Суммарная длина берегов искусственных водохранилищ бывшего СССР равняется длине экватора, а протяженности магистральных оросительных и судоходных каналов еще больше – ¾  расстояния от Земли до Луны. И на всем их протяжении развиваются различные геологические процессы – активизация склоновых процессов, переработка берегов, подтопление и т.д.  Кроме того, со строительством крупных и глубинных водохранилищ связано такое явление, как «наведенная сейсмичность».  

Загрязнение почвы. Отходы производства и потребления

Основными источниками антропогенного загрязнения земли являются: твердые и жидкие отходы добывающей, перерабатывающей и химической промышленности, теплоэнергетики и транспорта; отходы потребления, в первую очередь твердые бытовые отходы; сельскохозяйственные отходы и применяемые в агротехнике ядохимикаты; атмосферные осадки, содержащие токсичные вещества; аварийные выбросы и сбросы загрязняющих веществ.

Масса отходов непосредственно связана с объемами потребления сырья и производства продукции. Поэтому главными поставщиками отходов и загрязнителей земли являются развитые промышленные страны. Но это не означает, что все отходы образуются и накапливаются именно на их территориях. В США, странах ЕЭС и Японии существует отчетливая тенденция вытеснения наиболее «грязных» сырьедобывающих производств и многоотходных технологий в другие, преимущественно в развивающиеся страны. К тому же осуществляемый развитыми странами масштабный экспорт потребительских товаров способствует распространению бытового мусора.

В РФ ежегодно образуется около 7 млрд т отходов производства и потребления. На территории страны в отвалах, свалках, полигонах, хранилищах накоплено порядка 80 млрд т твердых отходов, в том числе более 1,1 млрд т токсичных промышленных отходов. Их количество ежегодно возрастает примерно на 120 млн т. Согласно данным инвентаризации, общая площадь занятых отходами земель превышает 200 тыс. га. Отсутствие соответствующих технологий переработки, необходимых мощностей и специального оборудования приводит к тому, что в качестве вторичных ресурсов используется только 22%, а полностью обезвреживается лишь 3,5% промышленных отходов.

Одна из серьезных экологических проблем - твердые бытовые отходы (ТБО). В городах и крупных поселках РФ каждый год образуется 140 млн м3 ТБО, т.е. почти по кубометру на каждого жителя. В целом по стране промышленным методом (на мусоросжигательных заводах) перерабатывается только до 5% ТБО, остальное идет в захоронения. Причем более 70% отходов вывозится на несанкционированные свалки, занимающие порядка 250 тыс. га земли.

Процессы, влияющие на состояние почвы и ее плодородие

Для современной сельскохозяйственной деятельности человека в большей степени характерен экстенсивный путь освоения земель. Этот путь рано или поздно приводит к истощению земельных угодий. Таким образом, человечество за свою историю потеряло уже 2 млрд. га плодородных земель. Основные процессы, влияющие на плодородие почвы:

•  аридизация суши – комплекс процессов уменьшения влажности обширных территорий (опустынивание земель);
•  эрозия почв – разрушение почв под действием ветра, воды, техники и ирригации;
•  загрязнение почв химическими веществами (пестициды, удобрения),  отходами и выбросами промышленных предприятий, радиационными отходами, продуктами и отходами переработки нефти, ТЭЦ
•  засоление почв в результате избыточного полива, неадекватной мелиорации;
•  заболачивание почв в результате переувлажнения;
•  прямое уничтожение почв – использование почв не по прямому назначению (нарушение при добыче полезных ископаемых, лесоразработках, использование под промышленное или жилищное строительство, свалки, захоронение отходов).

Охрана и защита почв, недр, верхнего слоя литосферы

В настоящее время существует обширная правовая законодательная база, регламентирующая использование недр и почвенных ресурсов. Разработаны и осуществляются мероприятия, способствующие их сохранению и грамотному освоению.

К таким мероприятиям относятся:

- противоэрозийная организация территорий в сочетании с правильным размещением севооборотов, защитных лесонасаждений, гидротехнических сооружений, укрепление  оврагов, регуляция выпаса, защита дорог;

•  агротехнические мероприятия, рекультивация земель;
•  лесомелиоративные мероприятия;
•  создание малоотходных производств, утилизация отходов;
•  более полное использование извлеченных полезных ископаемых;
•  сохранение заповедных участков суши;
•  разработка и освоение новых технологий добычи полезных ископаемых, инженерного строительства и т.д.;
•  мониторинг земельных ресурсов и соблюдение правовых норм рационального землепользования.

Несмотря на вышеперечисленные мероприятия и возможности их осуществления, пока нерешенных проблем в области освоения земных недр очень много. И среди них,  одна из центральных – выявление предельно допустимых уровней техногенных воздействий на геологическую среду и ее отдельные компоненты – почвы, горные породы, подземные воды, рельеф территорий и развитые на ней геологические процессы, изменение которых влияет на различные экосистемы. Основная задача заключается в том,  чтобы научиться правильно прогнозировать экологические последствия тех или иных техногенных воздействий на литосферу, а следовательно научиться предотвращать негативные экологические процессы и тем самым влиять на возникающие в результате антропогенной деятельности глобальные и региональные экологические проблемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость пересмотра существующего подхода к взаимоотношению человека и природы, при котором человек продолжает чувствовать себя собственником, хозяином природы, а саму природную среду – бездонным и безответным источником удовлетворения своих растущих потребностей, назрела уже давно. Все этапы развития человечества связаны с возникновением разного рода кризисных ситуаций, которые по последнего времени не нарушали динамическое равновесие природных систем. Однако, опасность того, что механизмы самоуправления и саморегуляции  природных систем могут быть основательно разрушены антропогенными факторами, существует и усиливается с каждым витком научно-технического прогресса. Человечество должно придти к пониманию, того факта, что он же и будет главной жертвой глобальных экологических катаклизмов, которые могут быть вызваны его варварским отношением к природе. Исчезновение человечества как биологического вида не означает полное исчезновение жизни на Земле. Круговорот веществ, поток энергии и информации через живые организмы не прервется. По своему месту как биологический вид, человек – это один из консументов. Оставшиеся в том или ином виде живые организмы суши и воды – продуценты, консументы, редуценты продолжат свое существования без человека, так же как они существовали до его  появления на планете. Время существования белковой формы жизни на Земле (к которой относится и человек) значительно продолжительнее, чем период существования человека. То есть, прежде всего, человек, заботясь о сохранении окружающей природной среды, заботится о продлении своего существования в этом мире. Поэтому осознание большинством людей планеты себя как части глобальной экосистемы, неразрывно связанной со всеми остальными подсистемами и элементами, понимание того, что любое нарушение порядка и баланса в этой системе отразится на  судьбе конкретного человека и человечества в целом  - это основное условие максимально продолжительного существования  и гармоничного развития человеческой цивилизации.

Контрольные вопросы.

1.  Современная система экологических знаний: история формирования, основные направления, связь с другими научными дисциплинами.
   1.  Структура и методы современной экологии. Роль экологии как науки в формировании мировоззрения инженерно-технического специалиста.
   2.  Взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой на разных уровнях. Основы биоэкологи.
   3.  Основные закономерности действия экологических факторов на организм.
   4.  Понятие  « популяции» в современной экологии. Взаимодействие организмов в экосистемах на популяционном уровне.
   5.  Закономерности существования экологических сообществ – экосистем и биогеоценозов.
   6.  Состав и строение экосистем. Связь абиотической и биотической составляющей экосистем.
   7.  Поток вещества и энергии в экосистемах. Большой и малый круговорот веществ.
   8.  Искусственные экосистемы. Характерологические особенности и закономерности существования.
   9.  Глобальная экосистема планеты – биосферы: структура, границы, закономерности развития.
   10.  Теория биосферы В.И. Вернадского и ее развитие на современном этапе.
   11.  Антропогенные воздействие на биосферу и его последствия.
   12.  Глобальные экологические проблемы человечества.
   13.  Пути экологизации антропогенной деятельности.
   14.  Экологическое сознание человека.
   15.  Принципы и основные направления рационального природопользования.
   16.  Снижение антропогенного воздействия на атмосферу.
   17.  Снижение антропогенного воздействия на гидросферу.
   18.  Снижение антропогенного воздействия на почву и верхние слои литосферы.
   19.  Инженерные способы и средства предотвращения и преодоления негативного воздействия антропогенной деятельности на окружающую среду.

Библиография.

Основная литература:

1.  Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ, 1998. – 320 с.
2.  Гарин В.М. и др «Экология для технических вузов». - Р на-Дону: Феникс, 2001. – 224 с.
3.   Колесников С.И. «Основы экологии для инженеров». - Р на-Дону: Феникс, 2003. – 245 с.
4.  Денисов В.В. и др. «Экология». -  М.:, МАрТ 2002. – 356 с.
5.   Хотунцев Ю.Л. «Экология и экологическая безопасность». -М.: Академия, 2005. – 448 с.
6.  Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России».- М., Финисы и статистика, 2001. - 449 с.
7.  Иванов А.В. и др. «Концепция развития наук о земле и глобальная экология». Саратов: Научная книга, 2004. - 85 с.
8.  Прохоров Б.Б. «Экология человека». М.: Академия ИЦ, 2004. - 267 с.
9.  Шилова Е.А., Юферева Л.М. Экология. Системный подход.  – СПб: ПГУПС, 2010. – 48 с.

Дополнительная литература:

1.   Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа - Человек - Техника: Учебник для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 343 с.
2.  Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек – Экономика – Биота – Среда: Учеб. для вузов - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 566с.
3.  Шилов И.А. Экология. М.: Высшая школа, 2003. 512 с.
4.  Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. В 2-х томах
5.  Сукачев В.Н., Зонн С.В. Методические указания к изучению типов леса. М.: Изд-во АН СССР, 1961. С.1-104.
6.  Миркин Б. М. Основы общей экологии: Учеб. пособие / Б. М. Миркин, Л. Г. Наумова. - М.: Университетская книга, 2005. – 240 с.
7.  Зинченко В.Г., Зусман В.Г., Кирнозе З.И. Межкультурная коммуникация. От системного подхода к синергетической парадигме. – М.:Изд. Флинта, 2008. 472 с.
8.  Тихонов А.И. Проблемы экологии с позиций холизма. Курс лекций. - Иваново: ИГЭУ, 2002. - 184с.  
9.  Одум Ю. Экология: В 2-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.- 376 с.
10.  Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы) - М.: Россия Молодая, 1994. - 367 с.
11.  Вернадский В.И. Научная мысль, как планетарное явление. - М.: Наука, 1991. - 271 с.
12.  Тейяр де Шарден П. Феномен человека. Пер. с франц.- М.: Гл. ред. изд. для заруб. стран изд-ва Наука, 1987. - 240 с.
13.    Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. - М.: Мол.гвардия, 1990. - 351 с.

Содержание.

Введение	3
Основы экологии	4
1. Современная система экологических знаний	4
2. Организм и окружающая среда	10
3.Экологические сообщества: экосистема и биогеоценоз	14
Биосфера и человек	24
1 Глобальная экосистема планеты – биосфера	24
2. Теория биосферы В.И. Вернадского	25
3 Антропогенное воздействие на биосферу	27
Экологизация антропогенной деятельности	36
1 Экологическое сознание человека	36
2 Принципы рационального природопользования	38
3 Пути снижения антропогенного воздействия на окружающую среду	40
Заключение	55
Контрольные вопросы	56
Библиографический список	57

Учебное пособие

О.И. КОПЫТЕНКОВА,  А.В. ЛЕВАНЧУК

Е.А. ШИЛОВА,  Л.М. ЮФЕРЕВА

ЭКОЛОГИЯ

(Теоретическая часть)

План 2011 г.

Авторская редакция

Подписано в печать с оригинал-макета 15.09.11

Формат 60х84 1/16. Бумага для множ. апп. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд л.4,0.  Тираж 500 экз.

Заказ            Цена

Петербургский государственный университет путей сообщения

190031, СПб, Московский пр., 9.Типография ПГУПС.

190031, СПб, Московский пр., 9.

Формы жизни

неклеточная

клеточная

прокариоты

эукариоты

вирусы прионы

дробянки

бактерии, археобактери

растения

животные

грибы

одноклеточные многоклеточные

высшие растения

водоросли

высшие низшие

БИОТОП

Климат

очва

Растения

Микро-организмы

Животные

БИОЦЕНОЗ

1. Организационно-экономическая характеристика ОАО Гостиница Полярные зор
2. Издательство Высшая школа 2001 Оригиналмакет данного издания является собственностью издательства Вы
3. Вариант 11 Выполнил Студент группы СТЭ09Волженин А
4. Аудит в ринковій економічній системі
5. этот конденсатор имеет форму банки то есть цилиндра с более или менее широким горлом или же просто цилиндра.html
6. Организация рекламной деятельности1
7. Контрольная работа- Организация управления государственной собственностью в Российской Федерации
8. Государственное регулирование внешнеэкономической деятельности
9. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня доктора медичних
10. Телецкое Легенды Золотого озера По легенде в стародавние годы мирно жил по берегам озера народ
11. ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт менеджмента и бизнеса
12. і Для того щоб випередити конкурента а це потребує якнайшвидшого прийняття оптимальних управлінських рішен
13. Семь дней творения Марк ЛевиСемь дней творения Budvv Семь Дней Творения- Махао
14. тематизувати склад основних ресурсів витрат й результатів підприємства; розглянути сутність послуги та
15. Нептун8 21 Общая характеристика предприятия8 2
16. В чем разница между процессом и выполнением программы Укажите какие уровни организации базы д
17. ЭКОНОМИКА ОТРАСЛИ Основные фонды в дорожном строительстве
18. Рынок IBM PC
19. формирование резервного страхового фонда предприятия
20. А ПОДВЯЗКА ЛОКОМОТИВОВ На оптимальное число вагонов в составах разборочных грузовых поездов значите

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе