Биосфера и естественные факторы её формирования

                                                   Контрольная работа №_____

по "ТЕОРЕТИЧЕСКИМ  ОСНОВАМ  ЗАЩИТЫ

ОКРУЖАЮЩЕЙ  СРЕДЫ

                                             за __4____курс 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Эволюция  взаимоотношений в системе "человек  – природа": биосфера и естественные  факторы её формирования, появление  человека и рост его влияния  на биосферу, понятие антропогенного  воздействия и его виды, биосоциальная природа человека. 

  Биосфера представляет собой организованную, определенную оболочку земной коры, сопряженную с жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Биосфера - не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она - организованная оболочка. Биосфера - не только геологическая, но и космическая сила. Быть живым - значит быть организованным, отмечал В.И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.

    Существует два основных определения  понятия «биосфера», одно из которых  и дало начало применению данного  термина. Это понимание биосферы  как совокупности всех живых  организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых  и неживых систем, переосмыслил  понятие биосферы. Он понимал  биосферу как сферу единства  живого и неживого.

    Такое толкование определило  взгляд В.И. Вернадского на  проблему происхождения жизни.  Из нескольких вариантов: жизнь  возникла до образования Земли  и была занесена на нее; жизнь  зародилась после образования  Земли; жизнь возникла вместе  с формированием Земли -- В.И. Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Земле всегда. 

    Различают три этапа эволюции биосферы. Первый этап - возникновение биотического круговорота, означавшего формирование биосферы. Второй этап - усложнение жизни на планете, обусловленное появлением многоклеточных организмов. Третий этап - формирование человеческого общества, оказывающего своей хозяйственно-экономической деятельностью все большее влияние на эволюцию биосферы.

   Натуралисты прошлого века были чрезвычайно заинтригованы своими наблюдениями взаимосвязей и взаимосоответствий в царстве живой природы — многочисленностью и разнообразием повсюду распространившихся видов

  Знаменитый  пример Дарвина с кошками и  клевером — классическая иллюстрация  этой взаимозависимости. Он обнаружил,  как он говорит, что шмели  просто необходимы для опыления  анютиных глазок, так как другие  пчелы не посещают этот цветок. То же самое происходит и  с некоторыми видами клевера.  Только шмели садятся на красный  клевер; другие пчелы не могут  добраться до его нектара. Вывод  заключается в том, что если  шмели станут редки или вообще  исчезнут в Англии, редкими станут  или же вовсе исчезнут и  анютины глазки и красный клевер. Однако, численность шмелей в каждом отдельном районе в боль шой степени зависит от численности полевых мышей, которые разоряют их норы и гнезда. Подсчитано, что более двух третей из них таким образом уже разрушено по всей Англии. Гнезд шмелей гораздо больше возле деревень и малых городов, чем в других местах, и это благодаря кошкам, которые уничтожают мышей**. Таким образом, будущий урожай красного клевера в некоторых частях Англии зависит от численности шмелей в этих районах; численность шмелей зависит от количества полевых мышей, численность мышей — от числа и проворности кошек, а количество кошек, как кто-то добавил, — от числа старых дев, проживающих в окрестных деревнях, которые и держат кошек.

      Действующим принципом упорядочивания и регулирования жизни в царстве живой природы является, по Дарвину, «борьба за существование». С ее помощью регулируется жизнь многих организмов, контролируется их распределение и поддерживается равновесие в природе. Наконец, при помощи этой изначальной формы конкуренции существующие виды, те, кто выжил в этой борьбе, находят свои ниши в физической окружающей среде и в существующей взаимозависимости, или разделении труда между различными видами. Дж. Артур Томпсон приводит впечатляющее подтверждение тому в своей «Системе живой природы»:  

«Множества  живых организмов — ...не изолированные  создания, ибо каждая жизнь переплетена  с другими в сложной ткани... Цветы и насекомые пригнаны друг к другу, как рука к перчатке. Кошки  так же имеют отношение к чуме в Индии, как и к урожаю клевера  здесь... Так же, как взаимосвязаны  органы тела, взаимосвязаны и организмы  в мире жизни. Когда мы что-нибудь узнаем о подспудном обмене, спросе и предложении, действии и реакции  между растениями и животными, цветами  и насекомыми, травоядными и плотоядными, между другими конфликтующими, но взаимосвязанными интересами, мы начинаем проникать в обширную саморегулирующуюся организацию». 

   В  пределах этой системы индивидуальные  единицы популяции вовлечены  в процесс соревновательной кооперации, которая придает их взаимосвязям  характер естественной экономии. Такого рода среду и ее обитателей  — растения ли, животных или  человека — экологи называют  «сообществом». 

  Эти  симбиотические сообщества —  не просто неорганизованные собрания  растений и животных, которые  по случайности сосуществуют  в одной среде. Напротив, они  взаимосвязаны самым замысловатым  образом. У каждого сообщества  есть что-то от органического  образования. Оно обладает более  или менее определенной структурой  и «историей жизни, в которой  прослеживаются периоды юности, зрелости и старости»**. Если это  организм, то он — один из  органов, какими являются и  другие организмы. Это, выражаясь  словами Спенсера, — суперорганизм. 

   Равновесие  в природе, как его понимают  экологи животных и растений, во многом является вопросом  численности. Когда давление популяции  на природные ресурсы среды  обитания достигает определенной  степени интенсивности, неизбежно  что-то должно произойти. В  одном случае популяция может  схлынуть и ослабить давление, мигрируя в другое место. В  другом случае, когда нарушение  равновесия между популяцией  и природными ресурсами является  результатом некоторого внезапного  или постепенного изменения в  условиях жизни, существовавшие до него отношения между видами могут быть полностью нарушены. 

  Причиной  изменения может быть голод,  эпидемия, вторжение в среду обитания  чуждых видов, а со временем  всё большей причиной является  деятельность человека. Результатом такого вторжения может быть резкое увеличение численности вторгшейся популяции и внезапное уменьшение численности изначально обитавшей в этой среде популяции, если не полное ее исчезновение 

   В обычных условиях эти малозначительные отклонения от биотического баланса опосредуются и поглощаются, не нарушая существующего равновесия и обыденности жизни. Но когда происходят внезапные и катастрофические изменения — война ли, голод или мор, варварская хозяйственная деятельность людей— тогда нарушается биотический баланс, вдребезги разбиваются все традиции, и высвобождаются силы, доселе подконтрольные. Тогда могут последовать многие внезапные и даже губительные изменения, которые глубоко преобразуют существующую организацию коммунальной жизни и зададут другое направление развитию дальнейших событий. 

    В пионерской работе Л. Колдуэлла по биополитике (Caldwell, 1964) особо выделялись проблемы среды обитания человека, которая страдает в результате преднамеренных или неосторожных действий человека. Причем, Колдуэлл в 1964 году (за 22 года до Чернобыльской аварии) указывал на опасность радиоактивного заражения среды обитания, а также на биологические эффекты соединений фтора (которые до сих пор применяют в США для обеззараживания воды) и пестицидов, опасность применения которых была полностью осознана лишь в 80е—90 е годы. Тема воздействия человечества на живую природу подробно рассматривается также в последующих работах Л. Колдуэлла. Он обозначает свою позицию как «экологический пессимизм» , в противовес «гуманистическому оптимизму», ориентирующемуся только на прогресс человеческой цивилизации и оставляющему в стороне интересы всех остальных форм живого. Критикуемая Колдуэллом позиция – не что иное как антропоцентрическая установка, а сам он отстаивает вариант биоцентрической парадигмы, направленной на сохранение многообразия живого, называя ее «биократическая» или «биосферная» философия (Caldwell, 1983, 1986). Если в начале ХХ века И. Уэкскюлль утверждал, что любой организм преобразует среду в характерный для него «умвельт» , то Колдуэлл полагает, что также и цивилизация создает новые, «искусственные» среды обитания. Это свойственно большим городам с их технически усовершенствованным бытом и оторванностью от природы. В результате страдает не только вся живая природа, но и не в меньшей мере сам человек: в его генофонде накапливаются вредные мутации; он начинает вести себя неадекватно и социально опасно (в том числе и в силу влияния загрязнителей среды обитания на нервную систему, о чем уже шла речь в разделе 6). Колдузлл считал необходимой заботу о биосфере, входящих в ее состав экосистемах и каждом биологическом виде и ратовал уже в начале 80-х годов за создание законодательства по экологической проблематике, которое стало широко обсуждаться уже в 90-е годы (хотя до окончательной реализации еще далеко и в начале ХХI века). Что касается потребностей человека, то следует стремиться к тому, чтобы удовлетворять их посредством работы в союзе с природой, а не вопреки ей. Однако Колдуэлл не уверен, что все экологические меры смогут переломить существующие опасные тенденции разрушения биосферы, чреватого глобальным кризисом, и этим объясняется «пессимизм», проявленный и в его докладе на заседании Ассоциации политики и биологических наук в Бостоне в 1998 г. под названием «Направлено ли человечество на саморазрушение?». 
 
 

     2.Характеристика  адсорбции как метода очистки  сточных вод: механизм и особенности  адсорбции из растворов, изотермы  адсорбции, кинетика процесса. 

    Объем потребляемой в мире воды достигает 4 трлн. м3 в год, а преобразованию со стороны человека подвергается практически вся гидросфера. Химическая и нефтехимическая отрасли промышленности способствуют проникновению в водную среду веществ, обычно отсутствующих в ней, или превышению естественного уровня их концентрации, ухудшающей качество водной среды.  

    За время существования человечества в природную среду было введено огромное количество органических веществ. Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей. Многие органические примеси не извлекаются из воды механически, не нейтрализуются при биологической очистке, не удаляются такими традиционными методами водоочистки, как отстаивание, коагуляция и флотация. Это обуславливает введение в комплексную технологическую схему водоподготовки стадии адсорбционной доочистки. Как правило, эта стадия является заключительным этапом в технологическом процессе очистки воды. Адсорбционный метод является хорошо управляемым процессом. Он позволяет удалять загрязнения различного характера практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости. При этом отсутствуют вторичные загрязнения. Отсюда перспективной является тенденция развития фильтрующе-сорбирующих устройств, предназначенных для локальной доочистки питьевой воды, и этот вопрос является весьма актуальным.

      Адсорбция - процесс концентрирования растворенного вещества (адсорбата) или растворителя (адсорбтива) из объема фаз на поверхности раздела между ними (на поверхности твердого тела (адсорбента) или жидкости).

   В  зависимости от характера сорбционного  взаимодействия адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию, активированную адсорбцию и хемосорбцию.

    Физическая адсорбция обусловлена  силами межмолекулярного взаимодействия  Ван-дер-Ваальса, не избирательна, полностью необратима, протекает  с высокой скоростью и имеет  сравнительно низкую теплоту  адсорбции - от нескольких килоджоулей  до нескольких десятков килоджоулей  на моль адсорбата. Адсорбция протекает молекулярно, т.е. преимущественно адсорбируются соединения в недиссоциированном состоянии. Физическая адсорбция характерна для веществ, адсорбируемых из парогазовой фазы, а при адсорбции из растворов осложнена физико-химическим взаимодействием адсорбата, адсорбтива и адсорбента.  

    Активированная адсорбция обусловлена  взаимодействием адсорбата и адсорбента с образованием поверхностного соединения особого рода, характерного тем, что молекулы адсорбента, вступившие во взаимодействие с молекулами адсорбата (адсорбтива), остаются в кристаллической решетке адсорбента. Активированная адсорбция избирательна, как правило, протекает медленно (с повышение температуры скорость адсорбции заметно возрастает), необратима и характеризуется высокой теплотой адсорбции - до нескольких сотен килоджоулей на моль адсорбата.

   Хемосорбция - обычная химическая реакция, протекающая на поверхности адсорбента и сопровождающаяся выделением теплоты, эквивалентной теплоте химической реакции.

   Использование комбинации нескольких адсорбентов разного типа позволяет осуществлять комплексную корректировку состава воды по всем необходимым в каждом конкретном случае показателям. Использование смесей адсорбентов определенного состава для подготовки питьевой воды не только высокоэффективно, но и чрезвычайно экономически выгодно.

  Материал, на поверхности пор которого  происходит концентрирование поглощаемого  вещества, называют адсорбентом,  а само вещество -- адсорбатом. Адсорбционные явления основаны на физическом и химическом взаимодействии адсорбата и адсорбента.

   Силы  молекулярного взаимодействия, в  основном, дисперсионные, обуславливающие  физическую адсорбцию, возникают  при сближении молекул материала  адсорбента и адсорбируемого  вещества и проявляются в упорядочении  движения частиц вследствие взаимного  притяжения. Дисперсионные взаимодействия  неспецифичны, присущи всем веществам  и различаются в конкретных  случаях лишь количественно.

    Способность к сорбции возрастает  с ростом молекулярной массы  органических веществ, особенно  выше 30 000. Аналогична и зависимость  при росте мицеллярной массы коллоидов. Присутствие в воде неорганических солей, способствующих укрупнению ассоциатов молекул красителей и гуматов, приводит к их более полному сорбционному выделению.

  Влияние температуры на сорбцию из водных растворов далеко не однозначно. Дело в том, что при сорбции на микропористых сорбентах веществ, размеры молекул которых близки к эффективным размерам пор, проникновение этих молекул в поры зависит от их кинетической энергии. При достаточной энергии (температуре) молекулы сорбата проникают в окна пор и сорбируются; в противном случае происходит лишь незначительно поглощение на поверхности мезо- и макропор. Иными словами, сорбционная емкость повышается с ростом температуры; это явление получило название «активированной адсорбции». В то же время физическая сорбция, как любой экзотермический процесс, в целом ухудшается с ростом температуры. Поэтому суммарное внешне фиксируемое проявление этих двух явлений (активированной и физической адсорбции) может иметь экстремум при определенной температуре

   При сорбции из водных растворов, а в особенности из таких многокомпонентных систем, как сточные воды, этот пик размыт. Например, при доочистке сточных вод максимальные значения сорбционной емкости достигались при 35 - 60єС. Емкость угля при 0 - 10 и выше 75 - 80єС была в 1,5 - 2 раза ниже. В других случаях оптимальная температура может быть иной. Есть данные о том, что с повышением температуры значительно улучшается кинетика адсорбции при доочистке высококонцентрированных вод, что связано с перестройкой молекул в растворах, разрушением ассоциатов воды и сорбируемого вещества, снижением вязкости раствора. Изменение сорбируемости различных веществ на АУ при нагревании неодинаково.

   Многокомпонентность состава природных и сточных вод приводит к тому, что показатели сорбции малого (до 5%) или очень большого (более 95%) количества загрязнений от общего отличаются от средних. Обычно это выражается в завышенных показателях сорбции небольшой части хорошо сорбируемых примесей и, наоборот, в низких показателях при высокой степени очистки от плохо сорбируемых веществ. Последнее приводит к тому, что при сорбции в статических условиях при необходимости повысить эффект очистки воды до 92 - 95% дозу АУ следует резко увеличить.

   Менее других сорбируются структурно простые вещества в ионной форме, лучше - в молекулярной. Сорбируемость органических веществ возрастает в ряду: 

гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения.

   Вода, сорбируясь на участках окисленной поверхности АУ, препятствует сорбции на них неполярных алифатических соединений. Сорбируемость органических веществ возрастает с увеличением длины углеродной цепи (если она не ограничена размером пор сорбента), причем для гомологов, согласно правилу Траубе, на величину, кратную изменению длины углеродной цепи.

   Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы органических веществ, особенно выше 30 000. Аналогична и зависимость при росте мицеллярной массы коллоидов. Присутствие в воде неорганических солей, способствующих укрупнению ассоциатов молекул красителей и гуматов, приводит к их более полному сорбционному выделению. 

                                Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

  Теория мономолекулярной адсорбции, которую разработал американский химик И. Ленгмюр, основывается на следующих положениях. 

1)  Адсорбция  является  локализованной и вызывается  силами, близкими к химическим. 

2)  Адсорбция  происходит не на всей поверхности  адсорбента, а на  активных центрах,  которыми являются выступы либо  впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н.  свободных валентностей. Активные  центры считаются независимыми (т.е.  один активный центр не влияет  на адсорбционную способность  других), и тождественными. 

3)  Каждый  активный центр способен взаимодействовать  только  с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул. 

4)  Процесс  адсорбции является  обратимым  и равновесным – адсорбированная  молекула удерживается активным  центром некоторое время, после  чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.

Рис. 4.5  Изотерма мономолекулярной адсорбции

В состоянии  равновесия скорость адсорбции равна  скорости десорбции. Скорость десорбции  прямо пропорциональна доле занятых  активных центров (х), а скорость адсорбции прямо пропорциональна произведению концентрации адсорбата на долю свободных активных центров (1 – х):  

                              (IV.7) 

                    (IV.8)  

                  (IV.9) 

Отсюда находим  х: 

                        (IV.10) 

Разделив  числитель и знаменатель правой части уравнения (IV.10) на kA, получим: 

                    (IV.11) 

Максимально возможная величина адсорбции Го достигается при условии, что  все активные центры заняты молекулами адсорбата, т.е. х = 1. Отсюда следует, что х = Г / Го. Подставив это в уравнение (IV.11), получаем: 

                               (IV.12) 

                           (IV.13) 

Уравнение (IV.13) есть  изотерма мономолекулярной адсорбции, связывающая величину адсорбции  Г с концентрацией адсорбата С. Здесь b – некоторая постоянная для данной пары адсорбент-адсорбат величина (отношение констант скоростей десорбции и адсорбции), численно равная концентрации адсорбата, при которой занята половина активных центров. График  изотермы адсорбции Ленгмюра приведен на рис. 4.5. Константу b можно определить графически, проведя касательную к изотерме адсорбции в точке С = 0. 

                                   Теория полимолекулярной адсорбции Поляни 

   На практике часто (особенно при адсорбции паров) встречаются т.н. S-образные изотермы адсорбции (рис. 4.6), форма которых свидетельствует о возможном, начиная с некоторой величины давления, взаимодействии адсорбированных молекул с адсорбатом.

 Рис. 4.6  Изотерма полимолекулярной адсорбции

     Для описания таких изотерм адсорбции  М. Поляни предложил теорию полимолекулярной адсорбции, основанную на следующих основных положениях: 

1. Адсорбция  вызвана чисто физическими силами. 

2. Поверхность  адсорбента  однородна, т.е. на  ней нет активных центров; адсорбционные  силы образуют непрерывное силовое  поле вблизи поверхности адсорбента. 

3. Адсорбционные  силы действуют на расстоянии, большем размера молекулы адсорбата. Иначе говоря, у поверхности адсорбента существует некоторый адсорбционный объём, который при адсорбции заполняется молекулами адсорбата. 

4. Притяжение  молекулы адсорбата поверхностью адсорбента не зависит от наличия в адсорбционном объеме других молекул, вследствие чего возможна  полимолекулярная адсорбция. 

5. Адсорбционные  силы  не зависят от температуры  и, следовательно, с изменением  температуры адсорбционный объем  не меняется. 

                                             Уравнение  Фрейндлиха 

    Теоретические представления, развитые Ленгмюром и Поляни, в значительной степени идеализируют и упрощают истинную картину адсорбции. На самом деле поверхность адсорбента неоднородна, между адсорбированными частицами имеет место взаимодействие, активные центры не являются полностью независимыми друг от друга и т.д. Все это усложняет вид уравнения изотермы.  Г. Фрейндлих показал, что при постоянной температуре число молей адсорбированного газа или растворенного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента (т.н. удельная адсорбция x/m), пропорционально равновесному давлению (для газа) или равновесной концентрации (для веществ, адсорбируемых из раствора) адсорбента, возведенным в некоторую степень, которая всегда меньше единицы: 

                                                   (IV.15) 

                                                  (IV.16)

                               (а)                                                                                         (б) 

         Рис. 4.7  Изотерма адсорбции Фрейндлиха в обычных (а) и логарифмических (б)

                          координатах

Показатель  степени n и коэффициент пропорциональности а в уравнении Фрейндлиха определяются экспериментально. Логарифмируя уравнения (IV.15 - IV.16), получаем: 

                           (IV.17) 

                           (IV.18) 

    Т.о., зависимость логарифма удельной адсорбции от логарифма концентрации (давления) графически выражается прямой линией, отсекающей на оси ординат отрезок, равный lga, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен по величине показателю степени при давлении или концентрации (рис. 4.7): 

                                             (IV.19)

3.Аэробные  методы очистки сточных вод:  поля фильтрации и орошения, биологические  пруды, аэротенки, биофильтры. 

    Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей жизнедеятельности.

     Основной процесс, протекающий при биологической очистке сточных вод, – это биологическое окисление. Данный процесс осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей, грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

      Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям.