Семестровая работа по «Экология»

Министерство  образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждения высшего профессионального  образования 

Волгоградский государственный технический университет

(ВолгГТУ)

 

 

 

 

 

Семестровая работа

по дисциплине «Экология»

Вариант 8

 

 

 

 

 

Выполнил: ст-т гр. АУ-421

Карпов О.Д.

Проверил: доцент, к.х.н.

Хохлова Т.В.

 

 

 

 

 

 

Волгоград

2013

Содержание

 
1. В чём заключается биологический цикл миграции веществ?

2. Сущность ПДК, ее разновидности

3. Какую реальную опасность для окружающей среды представляет хозяйственная деятельность человека?

 

Используемая литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. В чём заключается биологический цикл миграции веществ?

Биогенная миграция - одна из наиболее сложных  форм миграции, обусловленная совокупной жизнедеятельностью живых организмов.

Роль  живых организмов в процессах  биосферы хорошо характеризует закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского (по А.И. Перельману): «Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в течение геологической истории».

Живое вещество активно влияет на геохимическую  среду, дифференциацию, отток и задержание химических элементов через пищевые  цепи, метаболиты, постмортальные остатки. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химических элементов, тем лучше они защищены от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Поэтому элементы с высокой степенью биогенности (C, Ca, K, S, P, N) обладают меньшей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе живого вещества (Cl, Mg).  Химические элементы малой биогенности легко отбрасываются или мало захватываются, выносятся далеко за пределы ареала своего образования, участвуют в процессах соленакопления (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты и хлориды натрия и магния).

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах: 

а) химической (биохимической) – I род геологической  деятельности;

б) механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Ф. Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Сейчас  появилась возможность вычислить  скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек далеко не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Ч. Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, однако, большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов. Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров.

Биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских  экосистемах, и здесь ее роль, может  быть, еще более значительна. И  на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды – роют норы, достигающие глубины нескольких метров.

В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке  сверлильщики осуществляют механическую работу по перемещению химических элементов, источая скальные породы.

К биогенной  миграции II рода можно отнести и  перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку абиогенного вещества.

Одним из главных процессов – миграции атомов при участии живого вещества является биотический круговорот вещества и/или биогеохимические циклы отдельных химических элементов. Термин «биогеохимические циклы» был впервые введен В.И. Вернадским  в начале 20 века.

Биогеохимический цикл – круговорот химических элементов (или веществ) из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций.

В биогеохимический круговорот вовлечены все вещества и все химические элементы на планете.

Выдвигают два  основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе и растворенные в воде вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют осадки, морские напластования. Крупные медленные геотектонические изменения, опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что накопленные на дне морей и океанов вещества снова возвращаются на сушу (литосферу). Он происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет.

В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Малый круговорот, являясь частью большого, состоит в том, что питательные вещества аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тканей растений, входят в состав органических веществ, обеспечивают жизнедеятельность самих растений, а также организмов-консументов. Продукты распада веществ (после гибели растений, животных, продукты их жизнедеятельности) попадают в распоряжение почвенной и водной микрофлоры и вновь вовлекаются в поток вещества (и энергии).

Биотический круговорот (БИК) характеризуется емкостью и скоростью круговорота.

Емкость БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта, находящихся в составе живого вещества (его общая масса).

Скорость  БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта в составе живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.

Обязательными параметрами для изучения биогеохимических циклов в природе являются следующие показатели:

1. Биомасса  и ее фактический прирост (фито-, зоо-, микробная масса отдельно).

2. Органический  опад (количество, состав).

3. Органическое  вещество почвы (гумус, неразложившиеся органические остатки).

4. Элементный  вещественный состав почв, вод,  воздуха, осадков, фракций биомассы.

5. Наземные  и подземные запасы биогенной  энергии.

6. Прижизненные  метаболиты.

7. Число видов,  численность, состав.

8. Продолжительность  жизни видов, динамика и ритмика жизни популяций и почв.

9. Эколого-метеорологическая  обстановка среды: фон и оценка  вмешательства человека.

10. Охват  точками наблюдений водораздела,  склонов, террас, долин рек, озер.

11. Количество  загрязнителей, их химические, физические, биологические свойства (особенно СО, СО2, SO2, Р, NO3, NH3, Hg, Pb, Cd, H2S, углеводороды).

 

Полный цикл биологического круговорота (по Л. Родину и Н. Базилевич, 1965):

  1. Поглощение поверхностью растений из атмосферы углерода, а корневой системой из почвы – азот, воду, минеральные вещества, закрепление их в телах растений, освобождение и поступление в почву с отмершими растениями, разложением опада.
  2. Отчуждение частей растений растительноядными животными, превращение в их телах в органические соединения, закрепление части орг. соединений в их телах, поступление в почву с экскрементами, трупами, разложение.
  3. Газообмен между поверхностью растений и атмосферой, между корневой системой и почвенным воздухом.
  4. Прижизненные выделения надземными органами растений и в особенности корневыми системами части элементов в почву.

2. Индекс биогеохимического круговорота:

Индекс БГХК =

где Sб – сумма элементов (или количество одного элемента) в годовом приросте биомассы;

Sx - сумма этих же элементов (или одного элемента), выносимых водами рек данного бассейна (или части бассейна).

3. Интенсивность  (индекс интенсивности кругооборота) (Н. И. Базилевич, Л. Е. Родин,1964) - характеризует разложение опада и длительность сохранения подстилки в условиях данного биогеоценоза:

4. Средняя продолжительность общего цикла синтеза (В. А. Ковда, 1966) - отношение учтенной фитобиомассы к годичному фотосинтетическому приросту фитомассы.

5. Коэффициент биологического поглощения (КБП):

Круговорот углерода

Общая характеристика

Углерод (лат. Carboneum), символ – С - химический элемент IV группы, атомный номер – 6, атомная масса 12С = 12,0000 (по определению), атомная масса смеси природных изотопов – 12,011.

Основная  масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных  отложениях дна океана (известняки и кораллы): 1,3*1016 т, кристаллических породах - 1,0* 1016 т, каменном угле и нефти - 3,4*1015 т. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается количеством углерода, содержащегося в растительных (5*1011 т) и животных (5*109 т) тканях.

История

По распространению  в Космосе углерод уступает только Н, Не и О. Он присутствует в звездах  и межзвездном веществе, в кометах, в атмосфере планет, в метеоритах. Вероятно, при формировании состава протокоры Земли большую роль играли углистые метеориты, содержащие значительное количество углерода. При разогревании вещества протокоры Земли углерод взаимодействовал с водой или водородом в результате чего образовались метан и оксиды углерода. Последние, достигая поверхности Земли, формировали состав ранней атмосферы. Значительно позднее, с появлением свободного кислорода в атмосфере, метан с помощью метанокисляющих микроорганизмов стал превращаться в СО2. В настоящее время практически единственной формой углерода в атмосфере стал СО2.

Менее реакционноспособный  углерод (типа вещества каменных метеоритов, из которых, вероятно, образовалась мантия Земли) не принимал участия в газообразных соединениях, а поступал на поверхность в составе изверженных пород. Только при выветривании горных пород в окислительных условиях этот углерод также превращается в СО2.

Оценить запасы углерода в биоте (биомассе живых  организмов), атмосфере, гидросфере, почве и других подсистемах (своеобразных «резервуарах» углерода) биосферы можно лишь весьма приближенно. Две основные причины не позволяют сделать такую оценку принципиально более точной:

1)   недостаток  знаний и наблюдательных данных;

2)   нарастающее  антропогенное влияние на все  элементы баланса углерода в биосфере от прямых выбросов СО2 в атмосферу, до влияния загрязнителей на биохимические процессы субклеточного уровня.

Процессы и механизмы круговорота  углерода

СО2 поступает в атмосферу в результате клеточного дыхания и процессов сгорания.

СО2 в атмосфере (23,5*1011 т) или в растворенном состоянии в воде, служит сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество (углеводы). Эти вещества служат углеводным питанием животным и наземным растениям.

При дыхании  организмов СО2 возвращается в атмосферу. Когда наступает смерть, то бактерии разлагают и минерализуют трупы, в результате «почвенного дыхания» углерод остатков окисляется до углекислого газа и поступает в атмосферу. Микроорганизмы, обитающие в почве, превращают накопившиеся в ней остатки в органический материал гумус. Естественными источниками СО2 также являются извержения вулканов и лесные пожары. Из-за недостатка воздуха или высокой кислотности часть углерода покидает цикл, переходит в ископаемое состояние в виде торфа, залежей каменного угля, нефти (каустобиолиты).

Каустобиолиты (от греч. кaustos - горючий, bios - жизнь, lithos - камень) – твердые горючие ископаемые органического происхождения, представляющие собой продукты преобразования остатков растительных и животных организмов под воздействием физико-химических, биологических и геологических факторов. Термин «каустобиолиты» предложен Г. Потонье в 1888 г.

Поглощение  СО2 происходит Мировым океаном, откуда часть СО2 покидает цикл в виде отложений известняка. Благодаря этому океан способен к дальнейшему поглощению СО2. При повышении температуры СО2 вновь способен выделяться из океана в атмосферу.

Однако  в настоящее время человек  интенсивно замыкает на себя круговорот веществ, в том числе и углерода:

1. Суммарная  биомасса всех домашних животных  уже превышает биомассу всех диких наземных животных.

2. Площади культурных растений приближаются к площади естественных биогеоценозов, многие культурные растения экосистемы по своей продуктивности значительно превосходят природные.

3. Поступление  диоксида углерода в атмосферу  в результате сжигания энергоносителей ведет к глобальному нарушению теплового баланса, «парниковому эффекту». За последнее столетие содержание СО2 увеличилось на 10%, за 33 года содержание СО2 возросло на 25% от первоначальной величины. По прогнозам, к середине XXI века содержание СО2 в атмосфере удвоится.

Круговорот азота

Для круговорота  азота в элементарной наземной экосистеме характерны три основные «экологические проблемы»:

1) огромные  запасы атмосферного азота (N2) непосредственно не могут использоваться высшими растениями - высшие растения усваивают азот в нитратной (NО ) или аммонийной (NH ) форме;

2) неорганические  соединения азота обладают высокой  растворимостью, слабо удерживаются почвой и легко вымываются за пределы почвенного профиля;

3) материнские  (почвообразующие) породы практически  не содержат азота.

Процессы  и механизмы круговорота азота

Основу круговорота  азота в экосистеме составляют четыре типа процессов: азотфиксация, аммонификация, нитрификация и денитрификация.

  1. Сущность ПДК, ее разновидности

Предельно допустимая концентрация (далее ПДК) – утверждённый в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив. Под ПДК понимается нормативы, которые установлены в соответствии с показателями предельно допустимого содержания химических веществ, в том числе радиоактивных, иных веществ и микроорганизмов в окружающей среде и несоблюдение которых может привести к загрязнению окружающей среды, деградации естественных экологических систем. Это максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека и его потомство, а также на компоненты экосистемы и природное сообщество в целом.

Нормативы предельно допустимых вредных  воздействий, а также методы их определения, носят временный характер и могут  совершенствоваться по мере развития науки и техники с учетом международных  стандартов.

Основные экологические нормативы  качества окружающей среды и воздействия  на нее следующие:

1. предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ;

2. предельно допустимый уровень  (ПДУ) вредных физических воздействий:  радиации, шума, вибрации, магнитных  полей и др.

Величина  ПДК устанавливается законодательно. Поэтому ПДК можно считать  понятием более юридическим, чем  естественнонаучным (хотя величины ПДК  определяются на основе научных рекомендаций). И поэтому же в различных странах  принимаются свои нормативы предельно  допустимых концентраций, которые могут  отличаться друг от друга в разы и даже на порядки. Это всегда следует  иметь в виду при сопоставлении  результатов экологических исследований, выполняющихся в различных странах, в том числе сопредельных (например, когда специалисты двух соседних государств оценивают, независимо друг от друга, последствия одной техногенной  аварии, случившейся в пограничном  районе). При этом есть общие нормативы, рекомендованные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), и рекомендуется, чтобы национальные нормативы были не менее жёсткими. А вот ужесточение национальных норм по сравнению с международными вполне допускается и даже поощряется.

Величины  токсичности и ПДК связаны  в целом обратной пропорцией. Чем  токсичнее вещество, тем ниже величина ПДК. Значения ПДК устанавливаются  не только для каждого вещества в  отдельности, но и для каждой из сред, в которых оно может содержаться. Для каждой среды применяются  свои единицы измерений: для почв – мг/кг, воды – мг/л, воздуха –  мг/м3.

Величина  ПДК устанавливается с учетом различных показателей вредности, связанных с особенностями воздействия  на организм или способами переноса (обмена между средами). В частности, для оценки величины ПДК в почвах, поскольку вещество почвы прямого  воздействия на организм человека не оказывает, используются несколько  показателей такого возможного опосредованного  воздействия:

  • водно-миграционный показатель учитывает способность вещества образовывать растворимые формы, передаваться через водную среду и, соответственно, попадать в организм человека при употреблении воды;
  • воздушный показатель учитывает «летучесть» вещества, способность его испаряться и переноситься по воздуху, попадая в организм человека в процессе дыхания;
  • транслокационный показатель учитывает способность химического элемента накапливаться в растениях и попадать в организм человека или животных при их употреблении в пищу;
  • показатель, основанный на вредности прямого попадания токсичного вещества в организм, называется санитарно-токсикологическим;
  • для атмосферного воздуха и природных вод, используемых для водоснабжения, может применяться органолептический показатель, учитывающий не только токсическое воздействие, но и появление неприятных ощущений при вдыхании загрязнённого воздуха или употреблении загрязнённой воды;

В конечном счёте, за итоговый, лимитирующий показатель при установлении ПДК принимается  тот, который является наиболее жёстким. При установлении ПДК для воздушной  среды учитывается не только содержание вещества, но и время, которое человек  может без ущерба для здоровья провести в данной атмосфере. Это  обусловлено тем, что воздействие  токсичных веществ, рассеянных в  атмосфере, не является разовым, а осуществляется непрерывно в процессе дыхания. Чем  дольше человек пребывает в загрязнённой атмосфере, тем выше опасность для  его здоровья.

Для наиболее токсичных веществ значения ПДК  не устанавливаются. Это означает, что  любые, даже самые незначительные содержания их в природных средах, представляют опасность для здоровья человека. Такую высокую степень токсичности  могут иметь некоторые вещества, синтезируемые искусственно и не имеющие природных аналогов.

В последнее  время при определении ПДК  учитывается не только степень влияния  загрязнителей на здоровье человека, но и воздействие этих загрязнителей  на диких животных, растения, грибы, микроорганизмы, а также на природные  сообщества в целом. Исследования самого последнего времени привели к  выводу об отсутствии нижних безопасных порогов (а следовательно, ПДК) при  воздействии канцерогенов и ионизирующей радиации. Любое превышение ими привычных, природных фонов опасно для животных организмов хотя бы генетически, в цепи поколений. Для установления ПДК  – расчетный, когда расчетом является временно допустимая концентрация (ВДК), а затем вносятся коррективы и  экспериментальный – обоснование  ПДК проводится благодаря экспериментам  на белых мышах и крысах в специальных  учреждениях.

 

 

  1. Какую реальную опасность для окружающей среды представляет хозяйственная деятельность человека?

Наибольшее  количество загрязнений антропогенного происхождения попадает в атмосферу  в результате сжигания различных  видов топлива, основу которого составляют органические вещества – нефть и  нефтепродукты, каменный и бурый  угли, горючие сланцы, газ, дрова, торф. Наиболее чистое топливо – газ, как  природный, так и получаемый при  переработке нефти. Больше всего  минеральных частиц образуется при  сжигании горючих сланцев, бурого угля и торфа. Использующие эти виды топлива  тепловые электростанции выбрасывают  в атмосферу особенно много загрязнений.

Для уменьшения концентрации вредных примесей в  приземном слое воздуха котельные  тепловых электростанций и крупных  промышленных предприятий оборудуют  высокими; до 100 – 200 и более метров, дымовыми трубами. Чем в более  высокие слои воздуха выбрасываются  загрязнения, тем ниже их концентрация в приземном слое, но на тем большую  площадь они рассеиваются. Крупные  промышленные центры создают сверхфоновую концентрацию взвешенных частиц, окислов  серы и азота, окиси углерода на десятки  километров вокруг себя, а при устойчивом ветре постоянного направления  на сотни километров.

Кроме создания концентрации загрязнений, многократно  превышающей фоновую для природных  примесей, промышленность и транспорт  выбрасывают в воздух множество  веществ, вообще не встречающихся в  природных примесях. К таким веществам  у живых организмов нет выработанных эволюцией механизмов обезвреживания или использования. Некоторые из них высокотоксичны, например многие промежуточные продукты химических производств. Постоянные выбросы производственной пыли, содержащей бактериальные белки, на некоторых биохимических производствах приводили к распространению среди живущего поблизости населения острейших аллергических заболеваний.

Десятки миллионов  двигателей внутреннего сгорания, работающих на всех видах транспорта, выбрасывают  в атмосферу огромные количества окислов азота и серы, особенно дизельные двигатели, использующие дешевое «тяжелое» топливо. Автомобильные  моторы выбрасывают также много  продуктов неполного сгорания углеводородов, многие из которых обладают высокой  канцерогенной активностью, и окиси  углерода – угарного газа. В больших  городах и вблизи автомагистралей  основной источник загрязнения приземных  слоев воздуха – автотранспорт.

Вклад сельского  хозяйства в загрязнение воздуха  относительно невелик, хотя в тех  случаях, когда не налажена переработка  отходов животноводства, в воздух попадает значительное количество летучих  органических соединений азота и  серы, которые создают устойчивый неприятный запах и небезразличны  для здоровья людей.

Антропогенное загрязнение  гидросферы

 

Хозяйственная деятельность человека в значительной мере связана с добычей и переработкой полезных ископаемых, химическим синтезом и использованием для этих целей, как и для удовлетворения бытовых  нужд в транспортного обслуживания промышленности и сельского хозяйства, все возрастающего количества энергии.

В промышленных процессах в огромных количествах  используется вода, причем в большинстве  случаев вода, выходящая из производственного  цикла, несет большое количество примесей. Большая часть этих примесей, попадая в природные водоемы, способна сделать воду совершенно непригодной  для жизни.

Антропогенные загрязнения вод различны по объемам  и степени вредности для человека и экосистем. Значительную часть  их составляют стоки промышленных предприятий.

С транспортом  связана значительная часть загрязнения  пресных и морских вод нефтью и нефтепродуктами. Особую опасность  представляют ядохимикаты, в изобилии применяемые в сельском хозяйстве  для защиты растений. Распыленные  на больших площадях, эти вещества попадают на почву, смываются дождевыми  водами и проникают в подземные  водоносные горизонты, в реки и озера, нанося большой вред состоянию экосистем  и здоровью людей.

Еще одна категория  весьма опасных загрязнителей вод  и почв – тяжелые металлы. Фоновое  содержание их в природной среде  настолько мало, что большинство  таких элементов обнаруживается лишь в следовых количествах или  вообще не обнаруживаются самыми чувствительными  современными методами. Антропогенные  источники опасного повышения содержания тяжелых металлов в почвах и природных  водах весьма разнообразны. Это, конечно, прежде всего – промышленное производство, в стоках которого часто содержатся соли тяжелых металлов в недопустимо  высоких концентрациях.

Семестровая работа по «Экология»