КНИТУ-КАИ
Кафедра Общей химии и экологии
КУРС ЛЕКЦИЙ
ЭКОЛОГИЯ
Казань 2011
Лекция 1
Понятие экологии
Экологией сейчас часто называют охрану окружающей человека среды, а иногда и просто охрану природы. Это неправильно. Охранять природу означает регламентировать, ограничивать или запрещать изъятие природных ресурсов, нарушения природных систем. Охрана окружающей среды заключается в ограничении появления в среде обитания людей вредных загрязняющих веществ.
Слово «экология» образовано от греческого «ойкос», что означает дом, и «логос» - наука. Таким образом, изучение нашего «природного дома» охватывает изучение всех живущих в нем организмов и всех функциональных процессов, делающих этот «дом» пригодным для жизни.
Как признанная самостоятельная научная дисциплина экология возникла около 1900 года, но ее название «экология» вошло в общий лексикон лишь в последнее десятилетие. Первоначально значение экологии, как науки, да и само понятие, не было воспринято современниками Э. Геккеля. Даже такой крупный ученый К.А. Тимирязев оспаривал законность этого термина и в своих работах, вместо «экологии», использовал сочетание «экономика растений и животных». Соотношение экологии и экономики не случайно. Во-первых, чисто формально, эти термины базируются на одном корне «oikos» – дом. Экономика означает искусство ведения домашнего хозяйства. Следовательно, экология и экономика должны идти рядом, рассматривая биосферу со всеми ее элементами и связями, с точки зрения рационального функционирования, оптимального поддержания устойчивого равновесия и тщательно продуманного гармоничного вписывания в нее хозяйственной деятельности человека.
Кратком экономическом словаре (1987) она представлена как «наука об общих закономерностях взаимодействия природы и общества; специальная сфера деятельности общества, направленная на охрану окружающей среды и целесообразное использование природных ресурсов». Здесь экология фигурирует уже не только как научная дисциплина, но и как практика. Известный американский эколог Ю. Одум трактуется экологию уже как — междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи.
Разделы экологии
Общая экология посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. Ее ядром является теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем. Общие задачи теоретической экологии:
- диагностика состояния природы, определение порога выносливости биосферы по отношению к антропогенной нагрузке;
- прогнозирование изменений состояния экосистем и биосферы в целом при различных техногенных, экономических и социальных воздействиях человеческого общества;
- формирование экологического мировоззрения и внедрение биоцентрического подхода, направленного на экологизацию экономики, производства, техники, политики, образования.
Многие природные экологические процессы происходят очень медленно и обусловлены множеством факторов. Для изучения их механизмов недостаточно одних натурных наблюдений, нужен эксперимент.
Прикладная экология быстро развивается. Ее важными средствами становятся:
- создание геоинформационных систем (ГИС-технологий) и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, агросистемам, промышленным центрам, городам;
- комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;
- методы инженерно-экологических изысканий, необходимых для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов;
- методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов, основанные на принципах и расчетах экологического соответствия;
- технологические методы снижения отходности, побочных эмиссий и коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий;
- методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградации окружающей среды на здоровье людей и состояние природных систем;
- методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности: экологический мониторинг; экологическая аттестация и паспортизация хозяйственных объектов, территориальных природно-производственных комплексов; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.
Выделяются следующие прикладные разделы экологии:
Инженерная экология — изучение и разработка экологических инженерных норм и средств. Основные из них:
•контроль и регламентация материально-энергетических потоков производства и техногенных эмиссий (т.е. испускания, выброса побочных продуктов) от различных инженерных обьектов;
•экологическая безопасность производственной и внепроизводственной среды, производственных процессов, сооружений, машин и изделий;
•контроль состояния производственной среды и окружающей человека среды в зонах воздействия хозяйственных объектов;
•оптимизация отраслевой структуры промышленных комплексов и размещения мощностей строительства и эксплуатации гражданских и хозяйственных объектов.
Экология поселений, коммунальная экология — разделы прикладной экологии, посвященные особенностям и влияниям различных факторов искусственно преобразованной среды обитания людей в жилищах, населенных пунктах, в городах (урбоэкология).
Медицинская экология — область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней, в том числе острых и хронических заболеваний, обусловленных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями среды.
Методы экологии
Методы регистрации и оценки состояния средыявляются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические… Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и… Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов…
Nbsp; Рис. 2 Структура и функционирование экосистемы
Лекция № 2
Энергия в экосистемах, жизнь как термодинамический процесс
Энергиюопределяют, как способность производить работу. Свойства энергии описываются законами термодинамики.
Первый Закон (начало) термодинамики или закон сохранения энергииутверждает,… Второй закон (начало) термодинамики или закон энтропииутверждает, что в замкнутой системе энтропия может только…
Лекция № 3
Законы воздействия экологических факторов на живые организамы
Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это… В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма… Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем…
Экологические абиотические и биотические факторы
По природе происхождения выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы. Абиотические факторы - это свойства неживой природы, которые… Биотические факторы. Роль видов в экосистеме
Ареалы распространения и численность организмов каждого вида ограничиваются не только условиями внешней неживой среды,…
Абиотические факторы среды обитания
Вода физиологически необходима для любой протоплазмы. С экологической точки зрения она служит лимитирующим фактором, как в наземных местообитаниях,… Количество осадков и влажность - основные величины, измеряемые при изучении… Влажность - параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютной влажностью называют количество…
Лекция № 6
Круговороты элементов в биосфере
Круговорот углерода.
Главным участником биотического круговорота является углерод как основа… По второму пути миграция углерода, осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где СО2…
Круговорот азота
Важнейшую роль среди азотфиксирующих организмов играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Это хороший… Когда в процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот… Таким образом, все естественные экосистемы зависят от азотфиксирующих организмов, поэтому крайне важна роль…
Круговорот серы
В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов. пирита FeS2, халькопирита FeCuS2 и др.
В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде… Малые круговороты имеют одну важную особенность. Применительно к ним понятие круговорота достаточно условно, поскольку…
Лекция № 7
Функционирование биосферы
Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое… Биосфера — глобальная экосистема. Она не образует сплошного слоя с четкими… Биосфера — это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами,…
Учение о биосфере В.И. Вернадского
Согласно В.В. Вернадскому вещество биосферы состоит из:
•живого вещества — биомассы современных живых организмов;
•биогенном вещества — всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;
Главные проблемы и задачи экологии
Объем антропогенного воздействия на природу и окружающую человека среду в ХХ веке стал слишком велик и приблизился к пределу устойчивости биосферы,… - деградация естественных экосистем уменьшает биологическое разнообразие и… - потребление возобновимых (пресная вода, почвенный гумус, продукция растений) природных ресурсов превысило темпы их…
Характеристика источников загрязнения, показатели качества объектов окружающей среды
Природными источниками загрязнения постоянного действия являются выветривание и выщелачивание горных пород, выделение газов, вод и углеводородов из… Антропогенными источниками загрязнения постоянного действия являются добыча… Загрязнение атмосферы
Лекция № 9
Методы и средства защиты атмосферы от вредных выбросов.
Очистка воздуха от пыли
Очистка воздуха от пыли может производиться как при подаче наружного воздуха в… Кф= ,
Пыльный Обеспыленный Пыльный Обеспыленный
Воздух воздух воздух воздух
Пыль
План План
Методы и средства защиты гидросферы от вредных сбросов
Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки промышленных выбросов. В отличие от рассеивания выбросов… Защита гидросферы от вредных сбросов осуществляется применением следующих… · рациональным размещением источников сбросов и организацией водозабора и водоотвода;
Факторы антропогенного загрязнения литосферы и переработка твердых и жидких отходов
Уже сегодня воздействие человека на литосферу приближается к предельно возможному. К настоящему времени из нее (данные на начало 90-хх гг.)… Экологическая функция литосферы выражается в том, что она является “базовой… Деградация почвы – это постепенное ухудшение ее свойств, которое сопровождается уменьшением содержания гумуса и…
Переработка твердых отходов на компост
Рис.26 Схема непрерывного процесса компостирования с аэробным окислением… 1—грейфер с двухчелюстным ковшом; 2 — контейнерный мусоровоз; 3 — приемный бункер; 4 — дозирующий бункер; 5 —…
Лекция № 12
Оценка ушербов объектам окружающей среды
Оценка ущерба от загрязнения атмосферы.
Для отдельного источника оценить ущерб, причиняемый годовыми выбросами загрязнений в воздух можно по следующему соотношению:
где У – оценка ущерба, руб/год;
Оценка ущерба от загрязнения водоемов.
Ущерб от сброса загрязняющих примесей в водоем некоторым источником (предприятием, населенным пунктом) можно оценить по формуле:
;
где У – это оценка ущерба, руб./год;
Экономический механизм охраны окружающей природной среды
И рационального природопользования
Экономический механизм природопользования представляет собой экономические правовые, административные, общественные и другие формы и методы,… Основными источниками капитальных затрат в природоохранной сфере остаются… Экономический ущерб- включение экологических факторов в число экономических категорий предполагает и их экономическую…
Расчет платы за размещение (складирование) отходов
Величина платежей за складирование отходов в не отведенных для этого местах определяется по формуле:
;
Лекция № 14
Экология человека
Благодаря большой численности и огромному надбиологическому потреблению природных ресурсов стал по существу главной причиной нарушения равновесия в природе. Вместе с тем, сохраняя множество генетических связей с природой, человечество оказалось в ситуации острого противоречия между своим биологическим происхождением, биологической сущностью и антибиологическим поведением по отношению к окружающей природе, а через нее - и к самому себе. Человек как биологический вид
По сложившимся представлениям современный человек произошел от африканской ветви прогрессивного неандертальца как подвид вида Ното sарiеns. Установлено, что все современное человечество имеет единую генотипичсскую принадлежность, происходящую условно от генотипов одной женщины и одного мужчины.
Эволюция человека имела ряд особенностей, важных для понимания биологии и экологии человека.
1. У обезьяноподобных предков человека не было далеко зашедшей морфологической, физиологической и экологической специализации. Малая специализация означала повышенную адаптивность в эволюционном плане, потенциальную способность к разветвленной эволюции, гибкому приспособительному поведению и занятию различных экологических ниш.
2. Эволюция человека не только подтверждает правило ускорения эволюции, но и беспрецедентна по скорости для крупных млекопитающих, особенно на последних этапах антропогенеза. Человек - один из самых молодых видов крупных животных на Земле. Эволюционная молодость человека сочетается с чертами инфантности, «детскости» - незавершенности тщательной селективной подгонки биологии вида к условиям существования.
3. Заключительные этапы антропогенеза знаменуются возникновением культуры - совокупности средств создания материальных ценностей, речевой и знаковой передачи информации и обучения на основе подражания и сигнальной памяти. При этом культура ослабляет значение естественного отбора. Таким образом происходит наследование приобретенных признаков.
4. Усвоение культурной информации происходит неизмеримо быстрее, чем передача по наследству генетической информации, что замедляет естественную эволюцию.
5. Высокая адаптивность, отсутствие завершенного набора консервативных инстинктов и разнообразная инструментальная деятельность обусловили у предков человека необычайное развитие высших форм поведения, его надинстинктивной сферы и интеллекта.
Рассмотрим отдельно вопрос адаптаций человека, т. к. именно эти способности позволили человеку совершить эволюционный рывок.
Адаптации человека.
Наиболее древние видовые (генотипические) адаптации человека связаны с приспособлением к географически контрастным природным условиям и образованием рас
· европеоидной,
· монголоидной
· австрало-негроидной
· малых рас (надэтносов) внутри этих больших рас.
Для современного человечества характерен процесс заметной метисации — смешения рас. Расовые различия касаются небольшого числа второстепенных морфологических признаков — цвета кожи, волос и глаз, формы носа, губ, разреза глаз, роста и пропорций тела, а также особенностей групп крови и активности некоторых ферментов. В подавляющем большинстве случаев это связано с факторами географического распространения, генетической изоляции, климата и особенностей питания.
Потенциал природной популяции можно оценить по критериям ее численности и размеру территории обитания. Оба этих критерия объединены в понятии экологической ниши.
Как и любой другой биологический вид, человек имеет свою экологическую нишу. Но в отличие от экологических ниш животных экологические ниши человека постоянно изменялись, увеличиваясь с нарастающей скоростью вместе с этапами исторического развития человечества.
Базовая реализованная экологическая ниша первобытного человека была нишей собирателей пастбищной пищевой цепи с относительно малой долей животной пищи. Начало использования огня и увеличение потребления животной пищи расширило экологическое пространство человека до ниши первобытных охотников и рыболовов. Переход к земледелию значительно уменьшил необходимую индивидуальную кормовую площадь и довел потребление пищи почти до уровня чистой первичной продукции возделываемых растений примитивных агроценозов. Распространение земледелия сопровождалось развитием скотоводства и пастбищного хозяйства, а также развитием кочевого скотоводства. Тогда же определились и территориальные границы экологической ниши (субтропики и умеренный пояс). Применение машин и ископаемого топлива позволило существенно расширить экологическую нишу территориально. Сегодня географическое пространство экологической ниши человека занимает несколько более 3/4 площади суши (без Антарктиды) — около 105 млн.км2 и во много раз больше любого другого видового ареала наземных животных.
В природных экосистемах рост популяции ограничивается факторами среды, которые приводят к гибели молоди. В человеческой же популяции на сегодняшний день достижения в медицине, биологии, технике и др. привели к резкому снижению младенческой и детской смертности. Т. о., произошло смещение смертности от перерепродуктивной к пострепродуктивной, т.е. люди начали умирать не до, а после рождения детей. При сохранении прежнего уровня рождаемости это привело к демографическому взрыву. Численность человечества в настоящее время близка к 6 млрд. человек. В природе для относительно крупных млекопитающих (к которым может быть отнесен человек) такая численность беспрецедентна. В природных условиях ,как правило, виды мелких животных имеют большую численность по сравнению с видами крупных животных. Вероятно, нормальная биологически обусловленная численность вида, к которому мы принадлежим, близка к 500 тысячам особей. В настоящее время она превышена на четыре порядка — в 10 тысяч раз!
Базовые потребности и качество жизни.
Изменение человеком среды обитания явилось следствием удовлетворения потребностей человека. Рассмотрим базовые потребности человека.
Биологические. К ним относятся:
вещественно-энергетические (потребности в кислороде, воде, важнейших питательных веществах). Для удовлетворения чисто биологических нужд человека достаточно 2500-3000 ккал энергии в сутки. В настоящее время жизнедеятельность человека связана с использованием в среднем 80-100 тыс. ккал. в сутки.
тепловой комфорт в соответствии с необходимой для терморегуляции теплоотдачей, равной 40-75 Вт/м2 Эти условия обеспечиваются разными сочетаниями температуры и скорости движения воздуха, величины теплового облучения, испарения влаги и теплоизолирующих свойств одежды. Таким условиям соответствуют Египет, Междуречье, Палестина, долина Инда и Ганга, Южный Китай, центрально-американские страны.Именно в этом поясе возникли все древние цивилизации. Распространение к северу от него потребовало создания капитального жилища, отопительного очага, теплой одежды и потребления более калорийной пищи. У немногих людей, оставшихся к югу от него, в тропиках, задержка развития цивилизации была обусловлена достаточностью природных источников питания и отсутствием давления дискомфортных условий среды.
пространственный комфорт. Для удовлетворения первичных потребностей человека необходим определенный пространственный минимум 7000 м2, но эта врожденная потребность у современного человека несколько ослаблена из-за необходимости жизни в городах. Потребность в пространственном комфорте предполагает защищенность от инфекций, стрессовых ситуаций, вызванных большой плотностью и анонимными контактами.
потребность в деятельности. Человек по сути своей существо активное. Дефицит подвижности и физических нагрузок приводит к заболеваниям чаще, чем их избыток. В настоящее время недостаток двигательной активности постепенно заменяется потребностью в информации о перемещении в пространстве.
Социально-психологические потребности связаны с потребностью в принадлежности к биосоциально родственной группе. Это порождает потребности в семье, общении, самореализпции, социальном статусе и т. д.
Экономические потребности заключаются в материальном обеспечении биологических и социально-психологических потребностях.
Качество жизничеловека характеризуется удовлетворением его основных потребностей. Однако при этом необходимо обеспечение и определенного качества самого человека, которое оценивается по критериям здоровья, одаренности и воспитанности.
Здоровье
Число выявленных форм наследственных болезней увеличивается с каждым годом; в настоящее время их описано более 4000. Установлена наследственная… За свою историю человечество приобрело иммунитет к огромному количеству… Экологические аспекты патологии многообразны. Они могут быть подразделены на аутогенные, т.е. на последствия…
Специфика антропогенного влияния на биосферу
1) нерегулярность действия, и в связи с этим непредсказуемость для организмов, а также высокая интенсивность изменений, несоизмеримая с… 2) практически неограниченные возможности действия на организмы, вплоть до… 3) являясь результатом деятельности живых организмов (человека), антропогенные факторы действуют не как биотические…
Лекция № 15
Правовые основы охраны окружающей среды. Международное сотрудничество
- приоритет охраны жизни и здоровья человека при любой деятельности, оказывающей воздействие на природу;
- право граждан на здоровую и благоприятную окружающую природную среду;
- обеспечение планирования, управления, нормирования и госконтроля качества среды, возмещения ущерба, нанесенного…
Лекция № 16,17
Комплексное использование энергетических ресурсов, снижение потерь энергии, утилизация тепла, энергосберегающие технологии
Промышленная энергетика до недавнего времени рассматривалась как совокупность промышленной теплоэнергетики и промышленной электроэнергетики.
В условиях активного проведения политики энергосбережения в промышленности,… Главная цель организации энергетического хозяйства – устойчивое сбалансированное и качественное обеспечение…
Создание замкнутых систем промышленного водоснабжения
Эффективным методом охраны вод от загрязнения и истощения и значительного уменьшения потребления свежей воды является внедрение замкнутых бессточных… Уже первые опыты по разработке, проектированию, наладке и эксплуатации… 1) изменять основную технологию с целью оптимального использования сырьевых ресурсов и внедрения маловодных и…