Экологические факторы, их классификация и влияние на живые организмы

СОДЕРЖАНИЕ

8. Экологические факторы, их классификация и влияние  на живые организмы.  Закон  эквивалентности(толерантности) экологических  факторов

Окружающая организм среда - это природные тела и явления, с которыми она находится в прямых или косвенных отношениях. Условия среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются экологическими факторами. Существует несколько классификаций экологических факторов среды. Наиболее простой и ставшей классической является классификация, по которой экологические факторы среды делятся на две категории: абиотические факторы (факторы неживой природы) и биотические факторы (факторы живой природы).

К абиотическим факторам относятся климатические - свет, температура, влага, движение воздуха, давление; эдафогенные (почвенные) - механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность; орографические - рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона; химические - газовый состав воздуха, солевой состав среды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов.

К биотическим факторам относятся фитогенные (растительные организмы), зоогенные (животные), микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии) и антропогенные (деятельность человека).

Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А.С. Мончадский (1962), исходя из того, что приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды определяются степенью постоянства этих факторов. Это:

- первичные периодические факторы (температура, свет), зависящие от периодичности вращения Земли и смены времен года;

- вторичные периодические факторы (влажность, осадки, динамика растительной  пищи, содержание растворенных газов  в воде, внутривидовые взаимодействия) как следствие первичных периодических;

- непериодические факторы (эдафические  факторы, взаимодействие между разными  видами, антропогенные воздействия, почвенно-грунтовые факторы), не  имеющие правильной периодичности.

Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы выражается в существовании некоторых верхних и нижних границ амплитуды допустимых колебаний отдельных факторов (температура, соленость, рН, газовый состав и др.), то есть определенный режим существования. Чем шире пределы какого-либо фактора, тем выше устойчивость, или, как ее называют, толерантность, данного организма.

Лимитирующим фактором развития растений является элемент, концентрация которого лежит в минимуме. Это определяется законом, называемым законом минимума Ю.Либиха (1840). Либих, химик-органик, один из основоположников агрохимии, выдвинул теорию минерального питания растений. Урожай культур часто лимитируется элементами питания, присутствующими не в избытке, такими как СО2 и Н2О, а теми, которые требуются в ничтожных количествах. Например: бор - необходимый элемент питания растений, но его мало содержится в почве. Когда его запасы исчерпываются в результате возделывания одной культуры, то рост растений прекращается, если даже другие элементы находятся в изобилии. Закон Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния. Необходимо учитывать и взаимодействие факторов. Так, высокая концентрация или доступность одного вещества или действие другого (не минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в минимальном количестве. Иногда организм способен заменять (частично) дефицитный элемент другим, более доступным и химически близким ему. Так, некоторым растениям нужно меньше цинка, если они растут на свету, а моллюски, обитающие в местах, где есть много стронция, заменяют им частично кальций при построении раковины.

Экологические факторы среды могут оказывать на живые организмы воздействия разного рода:

1) раздражители, вызывающие приспособительные  изменения физиологических и биохимических функций (например, повышение температуры воздуха ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и к охлаждению тела);

2) ограничители, обусловливающие невозможность  существования в данных условиях (например, недостаток влаги в  засушливых районах препятствует проникновению туда многих организмов);

3) модификаторы, вызывающие анатомические  и морфологические изменения  организмов (например, запыленность  окружающей среды в индустриальных  районах некоторых стран привела  к образованию черных бабочек березовых пядениц, сохранивших свою светлую окраску в сельских местностях);

4) сигналы, свидетельствующие об  изменении других факторов среды.

В характере воздействия экологических факторов на организм выявлен ряд общих закономерностей.

Закон оптимума - положительное или отрицательное влияние фактора на организмы - зависит от силы его воздействия. Недостаточное или избыточное действие фактора одинаково отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия экологического фактора называется зоной оптимума. Одни виды выносят колебания в широких пределах, другие - в узких. Широкая пластичность к какому-либо фактору обозначается прибавлением частицы «эври», узкая - «стено» (эвритермные, стенотермные - по отношению к температуре, эвриотопные и стенотопные - по отношению к местам обитания).

Неоднозначность действия фактора на разные функции. Каждый фактор неоднозначно влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может быть неблагоприятным для других. Например, температура воздуха более 40°С у холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, что приводит к тепловому оцепенению.

Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо из факторов среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Так, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную погоду. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Дефицит тепла в полярных областях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью в летнее время. Для каждого вида животных необходим свой набор экологических факторов.

Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы. Абиотические факторы создают условия обитания растительных и животных организмов и оказывают прямое или косвенное влияние на жизнедеятельность последних. К абиотическим факторам относят элементы неорганической природы: материнская порода почвы, химический состав и влажность последней, солнечный свет, теплота, вода и ее химический состав, воздух, его состав и влажность, барометрическое и водное давление, естественный радиационный фон и др. Химическими компонентами абиотических факторов являются питательные вещества, следы элементов, концентрация углекислого газа и кислорода, ядовитые вещества, кислотность (рН) среды.

Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен веществ у них функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотности-щелочности. Концентрация водородных ионов во многом зависит от карбонатной системы, которая является важной для всей гидросферы и описывается сложной системой равновесий, устанавливающихся при растворении в природных пресных водах свободного СО2, по реакции:

СО2 + Н2О + Н2СО3+ Н+ + НС .

Именно эта реакция является причиной того, что рН пресных природных вод редко бывает теоретически нейтральной, то есть равной 7. Чаще всего рН чистой воды колеблется от 6,9 до 5,6. В природе приведенное выше равновесие в чистом виде не существует, так как на природные воды оказывает действие многочисленные факторы: температура, давление, содержание в атмосфере кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород по которым протекает река или расположено озеро. рН сравнительно легко измерить, поэтому его изучили во многих водных местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению (от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна. Так как изменение рН пропорционально изменению количества СО2, рН может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза и дыхания). В воде с низким рН содержится мало биогенных элементов, в связи с чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределении водных организмов. Растения растут в воде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7 до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукрылых из рода Chaoborus. Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН > 10 вода гибельна для всех рыб. Максимальная продуктивность вод приходится на рН между 6,5 и 8,5.

Задание 42

Определить эффективность работы очистных сооружений по всем видам указанных загрязняющих веществ, если известно, что сброс сточных вод осуществляется в водоем для санитарно-бытового водопользования.

Исходные данные: коэффициент смешения γ = 0,51, средний расход воды Q = 2,7, концентрации загрязняющих веществ С: никель 60,4, свинец 50,8, хром 70,4, толуол 13,2, взвешенные вещества 142,4, расход сточных вод q = 0,08

Фоновые концентрации загрязняющих веществ С: никель 0,0002, свинец 0, хром 0, толуол 0, взвешенные вещества 42,3.

Решение. Распределяем загрязняющие вещества стоков по группам лимитирующего показателя вредности для рыбохозяйственного водопользования.

Токсикологический: никель, свинец

Санитарно-токсикологический: хром

Органолептический: толуол

Рыбохозяйственный: взвешенные вещества

Определить ПДК каждого из этих веществ в речной воде:

ПДК: никель 0,01, свинец 0,1, хром 0,001, толуол 0,5, взвешенные вещества 0,75

По формуле (1) рассчитаем С, мг/л загрязняющих веществ в стоке без учета их влияния в водоеме.

Никель: С = 0,51*2,7/0,08 (0,01 – 0,002)+0,01 = 0,14

Свинец: С = 0,51*2,7/0,08 (0,1 – 0)+0,1 = 1,82

Хром: С = 0,51*2,7/0,08 (0,001 – 0)+0,001=0,01

Толуол: С = 0,51*2,7/0,08 (0,5-0)+0,5=9,1

Взвешенные вещества: С = 0,51*2,7/0,08 (42,3-0,75)+42,3 = 672,8

Учитывая, что в токсикологическую группу веществ входят по нескольку ингредиентов, рассчитываем ожидаемую концентрацию каждого из загрязняющих веществ в створе реки по формуле (2)

Никель: С=0,08*0,14+0,51*2,7*0/0,08+0,51*2,7 = 0,007

Свинец: 0,08*1,82+0,51*2,7*0/0,08+0,51*2,7 = 0,09

Провести проверку по данной группе веществ на соответствие нормам по формуле (4):

0,007/0,01+0,09/0,1=1,8

Так как суммарная величина больше 1, снижаем С каждого компонента

0,0007/0,001+0,009/0,01 = 0,9

По формуле (5) определяем допустимую концентрацию мг/л загрязняющих веществ в стоках после очистки с учетом совместного влияния веществ в каждой группе лимитирующего показателя вредности

С = 0,007*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 0,12

С = 0,09*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 =1,63

С=0,01*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 0,18

С= 0.91*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 1,657

С = 0,6728*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*42,3= 0,62

Определяем эффективность работы очистного оборудования по формуле (6):

Э = 60,4-0,12/60,4=0,99=99%

Э = 50,8-1,63/50,8=0,96=96%

Э=70,4-0,18/70,4=0,99=99%

Э=13,2-1,657/13,2=0,87=87%

Э=142,4-0,62/142,4 = 0,99=99%

Задание 60

Рассчитать предотвращенный экономический ущерб в результате работы биоочистных сооружений предприятия (юг Хабаровского края) при условии, что биоочистные системы (поля орошения) работают при температуре окружающей среды +10˚С

Вид, начальные и конечные концентрации загрязнителей стоков представлены в таблице 1.

Таблица 1

Рассчитаем фактическую массу для каждого загрязнителя:

Нитрит ион: m = 5-0,1= 4,9мг

Нефтепродукты: m = 22 – 0,1 = 21,9 мг

Сульфаты: m = 250 – 120 = 130 мг

Свинец: m = 3,4-0,2 = 3,2 мг

Взвешенные вещества: m = 150-30 =120 мг

Определим степень токсичности каждого загрязнителя в стоках:

Нитрит ион: А=1/0,08=12,5 г/м3

Нефтепродукты: А = 1/0,05 = 20 г/м3

Сульфаты: А = 1/100 = 0,01 г/м3

Свинец: А = 1/0,1 = 10 г/м3

Взвешенные вещества: А = 1/25 = 0,04 г/м3

Определим приведенную массу годового сброса загрязнителей, г/м3

ΣАm = 4,9*12,5+21,9*20+130*0,01+3,2*10+120*0,04=537,35

Рассчитаем Э, при условии, что р=0,15

Э =1440*0,15*200 – 537,35=42662,65р/год

Задание 92

Рассчитать ПДВ конкретных загрязняющих компонентов от нагретого источника, определить их фактический выброс, необходимость установки улавливающего оборудования, плату за выброс.

Исходные данные: Котельная вагонного депо работает на мазуте, расход топлива 6 000 л/год, время работы 8500 ч/год,  температура газовоздушной смеси 205˚С, наружного воздуха 0˚С, высота трубы котельной 19м, диаметр 0,8м, максимальная концентрация SO2 60,4мг/м3, ацетальдегида 24,2мг/м3, фоновая концентрация SO2 0,01мг/м3, ацетальдегида 0 мг/м3.

Решение: Рассчитаем ПДВ SO2 по формуле (9)

V = 6*10*1000/8500=9,2

W = 4*84,64/3,14*0,64=168

ΔТ = 205, А = 200

F = 1

f = 1000 *28224*0,8/361*205=30

m = 1/0,67 +0,1*5,4+0,34*5,4=0,32

V = 1,3*168*0,8/19=9,1

n = 1

Фактический выброс SO2 определим по формуле (15)

m = 60,4*9,2/1000=0,55

Так как фактический выброс SO2 больше допустимого, необходимо установить улавливающее оборудование.

ПДВ=(0,5-0,01)*361*43/200*1*0,32*1*1000=0,11

Плату за годовой выброс рассчитаем по формулам (16, 18)

П1 = 26,4*0,55*8500/106 = 0,12

П2=5*105,6(0,55-0,11)*8500/106 = 1,9

П=1,9-0,12=1,78

Рассчитаем ПДВ ацетальдегида по формуле (9)

V = 6*10*1000/8500=9,2

W = 4*84,64/3,14*0,64=168

ΔТ = 205, А = 200

F = 1

f = 1000 *28224*0,8/361*205=30

m = 1/0,67 +0,1*5,4+0,34*5,4=0,32

V = 1,3*168*0,8/19=9,1

n = 1

Фактический выброс ацетальдегида определим по формуле (15)

m =0,01*9,2/1000 = 0,000092

Фактический выброс ацетальдегида не превышает нормы.

ПДВ = (0,01-0) )*361*43/200*1*0,32*1*1000= 0,002

Плату за годовой выброс рассчитаем по формулам (16, 18)

П1 = 132*(0,000092*8500)/106 = 0,0000924

П2=5*528*(0,002-0,000092)*8500/106 = 0,44

П= 0,44-0,0000924=0,4399076

Задание 117

Рассчитать:

1) максимальное значение приземной  концентрации загрязняющего вещества  при выбросе из одиночного  горячего источника

2) Х – расстояние от источника  выброса м, где при неблагоприятных  условиях достигается С этого  вещества

3) U – опасную скорость ветра, при которой достигается С  на уровне 10м от земли

4) С – значение приземных  концентраций рассматриваемого  вещества на различных расстояниях от источника выброса

5) определить размер СЗЗ предприятия, допуская, что источник выброса  единственный

Исходные данные: Котельная работает на твердом топливе, место нахождения – Тульская область (А=140).  V = 9,2, W= 168, ΔТ = 205, высота трубы котельной 19м, диаметр 0,8м, m = 0,000092. Значение рассчитанных и принятых безразмерных коэффициентов: F = 1, f = 30, V =  9,1, n = 1

Преобладающее направление ветра – Ю.

Рассчитаем максимальное значение приземной концентрации ацетальдегида С, мг/м3,  по формуле (21):

С = 140*0,000092*1*0,32*1/361*185=0,006

Х - расстояние от источника выброса м, где при неблагоприятных условиях достигается С  - найдем по формуле (22):

Исходя из данных задания, найдем безразмерный коэффициент d по формуле (25), т.к. V =9,2

d = 7*3*(1+0,28*5,4)=52,7

Х = 5-1/4*52,7*19=1001,3

Опасную скорость ветра U находим по формуле (28):

U = 9,1(1+0,12*5,4)=15м/с

Для расчета С, мг/м3 по формуле (29) на расстоянии 10,50,100,200,300,500м при U = 15м/с найдем безразмерный коэффициент S формулы (30)-(33) при расстоянии:

10: S =Х/Х1 = 100,13

50: S =Х/Х1 = 20

100: S =Х/Х1 = 10,013

200: S =Х/Х1 = 5

300: S =Х/Х1 = 3,3

500: S =Х/Х1 = 2

10: S = 100,13/3,58*10026,016+35,2*100,13+120=0,002

50: S = 20/3,58*400+35,2*20+120 = 0,008

100: S = 10,013/3,58*100,26016+35,2*10,013+120=0,01

200: S =1,13/0,13*25+1 = 0,26

300: S = 1,13/0,13*10,89+1= 0,46

500: S = 1,13/0,13*4+1=0,74

10: С = 0,006*0,002 = 0,000012

50: С = 0,006*0,008 = 0,000048

100: С = 0,006*0,01 = 0,0006

200: С = 0,006*0,26 = 0,00156

300: С = 0,006*0,46 = 0,00276

500: С=0,006*0,74 = 0,00444

Для определения границ СЗЗ находим ПДК=0,01 мг/м3. Из предыдущих расчетов мы видим, что на расстоянии 100 м С = 0,0006. Следовательно, L=100м. С учетом среднегодовой розы ветров по формуле (36) находим L, м

L = 100*5/12,5 = 40м

Задание 142

Оценить экологический ущерб от загрязнения атмосферы выбросами конкретного источника, сравнить его величину с фактической платой за выброс, который осуществляет предприятие.

Исходные данные:

высота трубы – 19м

фактический выброс SO2 и ацетальдегида – 0,55усл т/год

среднегодовой модуль скорости ветра - 15м/с

общая зона загрязнения 22 км2, из них территория предприятия – 50%, населенный пункт – 25%, лес – 25%.

Частицы газа оседают со скоростью ≤1

Решение. Экологическую оценку ущерба, причиняемую выбросами SO2 и ацетальдегида в атмосферу определяем по формуле (38):

γ = 192 усл.т.в год

σ = 50*4+25*8+25*8/22 = 27

φ = 1+205/75 = 2,7

f = 100/100 – 2,7*19 +4/1+15 = 2,3

А = 1/0,01 = 100

А = 1/0,05 = 20

М = 0,55*100 = 55

М = 0,000092*20 = 0,00184

У = 192*27*2,3*55=655776р/год

У = 192*27*2,3*0,00184= 21,9р/год

Таким образом, экологический ущерб значительно выше.

Задание 159

Оценить экологический ущерб У поверхностным водам от деятельности предприятия при условии, что сброс сточных вод после очистных сооружений осуществлялся в открытый водоем.

Исходные данные:

расход сточных вод: 0,006м3/с, 

в сточных продуктах после очищения присутствуют взвешенные вещества, фенолы и свинец.

С = 128,72

С = 0,002

С = 0,15

Решение. Рассчитаем фактическую массу каждого из веществ, сбрасываемого в водоем, т/год, по формуле (49)

Взвешенные вещества: m = 128,72*3600*24*320/106 = 0,35

Фенолы: m = 0,002*3600*24*320/106 = 0,05

Свинец: m =0,15*3600*24*320/106 = 4,1

По таблице 3 определяем ПДК:

Свинец 0,1

Фенолы 0,001

Взвешенные вещества 0,75

Рассчитаем М:

М = 0,75*128,72 = 96,54

М = 0,05*0,001 = 0,00005

М = 4,1*0,1=0,41

По таблице 17 определим удельный вес от сброса каждого вещества:

У = 236

У = 2800

У = 177400

По формуле (46) рассчитаем У (экологический ущерб от загрязнения поверхностных вод):

У = 1,02*(236+2800+177400)*(0,75*0,05*4,1) = 28296

Таким образом, экологический ущерб от загрязнения поверхностных вод составляет примерно 29 тыс. р. в год.

Список литературы

1. Акимова Т.А. Экология. М., ЮНИТИ, 2008 – 455с.

2. Беспамятнов Г.П. Предельно допустимые  концентрации химических веществ  в окружающей среде. Л., Химия, 1985 – 528с.

3. Кормилицын В.И. Основы экологии. Учебное пособие. М., Интерстиль, 2007 – 365с.

4. Кондратьева Л.М. Введение в  экологию. Учебное пособие. Хабаровск, ДВГУПС, 2001 – 140с.

5. Цветкова Л.И. Экология. Учебник  для технических вузов. М., Химиздат, 1999 – 401с.