Трофическая сеть. Источники загрязнения почвы, воды и атмосферы

Содержание

• Трофическая цепь. Трофическая сеть
• Абиотические факторы наземной среды
• Загрязнение почв пестицидами, радионуклидами, тяжелыми металлами
• Источники загрязнения атмосферы
• Биологическая очистка сточных вод
• Список использованной литературы

Трофическая цепь. Трофическая сеть

Для существования живых организмов необходимы энергия и питательные вещества. Солнце обеспечивает постоянный приток энергии, а живые организмы в конечном счете рассеивают ее в виде тепла. В процессе жизнедеятельности организмов происходит постоянный круговорот энергии и веществ, причем каждый вид использует лишь часть содержащейся в органических веществах энергии. Автотрофы трансформируют лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, синтезируя из углекислого газа и воды органические вещества. Гетеротрофы используют эти органические вещества в процессе питания, разлагая их, в конечном счете, вновь до углекислого газа и воды, а накопленная в них энергия расходуется на различные процессы жизнедеятельности организмов. Таким образом, световая энергия Солнца переходит в химическую энергию органических веществ, а далее в механическую и тепловую.

В результате возникают цепи питания – трофические цепи, пищевые цепи, представляющие собой последовательность видов, извлекающих органические вещества и энергию из исходного пищевого вещества, при этом каждое предыдущее звено становится пищей для следующего (рис.1).

Рисунок 1 – Общая схема пищевой цепи

Таким образом, пищевая (трофическая) цепь – ряды видов растений, животных, грибов и микроорганизмов, которые связаны друг с другом отношениями: пища – потребитель. Организмы последующего звена поедают организмы предыдущего звена, и таким образом осуществляется цепной перенос энергии и вещества, лежащий в основе круговорота веществ в природе. При каждом переносе от звена к звену теряется большая часть (до 80-90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде.

Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального. По этой причине число звеньев (видов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4-5.

В качестве звеньев цепи выступают группы организмов, например, конкретные биологические виды. Связь между двумя звеньями устанавливается, если одна группа организмов выступает в роли пищи для другой группы. Первое звено цепи не имеет предшественника, то есть организмы из этой группы в качестве пищи не использует другие организмы, являясь продуцентами. Чаще всего на этом месте находятся растения, грибы, водоросли. Организмы последнего звена в цепи не выступают в роли пищи для других организмов. Таким образом, все живые организмы в экологической системе по типу питания можно разделить на три функциональные группы – продуценты, консументы, редуценты.

1. Продуценты – это зеленые растения-автотрофы, производящие органические вещества из неорганических и способные аккумулировать солнечную энергию.

2. Консументы – это животные-гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений (травоядные животные). Гетеротрофы, использующие животную пищу, подразделяются на консументы II, III порядков и т.д. (плотоядные животные). Все они используют энергию химических связей, запасенную в органических веществах продуцентами.

3. Редуценты – это гетеротрофные микроорганизмы, грибы, разрушающие и минерализующие органические остатки. Таким образом, редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл. В каждом звене большая часть энергии расходуется в виде тепла, теряется, что ограничивает число звеньев в цепи. Но большинство цепей начинается растением, а заканчивается хищником, причем наиболее крупным. Редуценты разрушают органические вещества на каждом уровне и являются конечным звеном в пищевой цепи.

В связи с уменьшением энергии на каждом уровне идет уменьшение и биомассы. Трофическая цепь обычно имеет не более пяти уровней и представляет собой экологическую пирамиду, с широким основанием внизу и сужающуюся кверху (рис.2).

Рисунок 2 – Упрощенная схема экологической пирамиды биомассы (1) и пирамиды чисел (2)

Правило экологической пирамиды отражает закономерность, согласно которой в любой экосистеме биомасса каждого следующего звена в 10 раз меньше предыдущего. Различают три типа экологических пирамид:

пирамиду, отражающую число особей на каждом уровне пищевой цепи, – пирамида чисел;

пирамиду биомассы органического вещества, синтезированного на каждом уровне, – пирамида массы (биомассы);

пирамиду энергии, показывающей величину потока энергии. Обычно цепь питания состоит из 3-4 звеньев:

растение > заяц > волк;

растение > полевка > лисица > орел;

растение > гусеница > синица > ястреб;

растение > суслик > гадюка > орел.

Однако в реальных условиях в экосистемах различные цепи питания перекрещиваются между собой, образуя разветвленные пищевые сети. Почти все животные, за исключением редких специализированных видов, используют разнообразные источники пищи. Поэтому при выпадении одного звена в цепи не происходит нарушения в системе. Так, траву едят не только коровы, но и другие животные, а коровы являются пищей не только для человека. Установление таких связей превращает пищевую цепь в более сложную структуру – трофическую сеть. Чем больше видовое разнообразие и богаче пищевые сети, тем устойчивее биоценоз. В некоторых случаях в трофической сети можно сгруппировать отдельные звенья по уровням таким образом, что звенья одного уровня выступают для следующего уровня только в качестве пищи. Такая группировка называется трофическим уровнем. В биоценозах различают два типа трофических сетей: пастбищную и детритную.

1. В пастбищном типе пищевой сети поток энергии идет от растений к растительноядным животным, а далее к консументам более высокого порядка. Это сеть выедания. Вне зависимости от величины биоценоза и места обитания растительноядные животные (наземные, водные, почвенные) пасутся, выедают зеленые растения и передают энергию на следующие уровни (рис.3).

Рисунок 3 – Пастбищная сеть питания в наземном биоценозе

2. Если поток энергии начинается с мертвых растительных и животных остатков, экскрементов и идет к первичным детритофагам – редуцентам, частично разлагающим органические вещества, то такая трофическая сеть называется детритной, или сетью разложения (рис.4).

Рисунок 4 – Детритная пищевая цепь

К первичным детритофагам относятся микроорганизмы (бактерии, грибы), мелкие животные (черви, личинки насекомых).

В наземных биогеоценозах присутствуют оба типа трофической цепи. В водных сообществах преобладает цепь выедания. И в том и в другом случае энергия используется полностью.

Трофические цепи составляют основу взаимосвязей в живой природе, но пищевые связи – это не единственный вид взаимоотношений между организмами. Одни виды могут участвовать в распространении, размножении, расселении других видов, создавать соответствующие условия для их существования. Все многочисленные и разнообразные связи между живыми организмами и окружающей средой обеспечивают существование видов в устойчивой, саморегулирующейся экосистеме.

Абиотические факторы наземной среды

Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. К абиотическим факторам наземной среды относятся следующие.

Лучистая энергия солнца – основной источник энергии на Земле, основа существования живых организмов (процесс фотосинтеза). Количество энергии у поверхности Земли – 21*10кДж (солнечная постоянная) – на экваторе. Уменьшается к полюсам примерно в 2,5 раза.

Поступающая от Солнца лучистая энергия это 99% электромагнитного излучения с длиной волны от 0,17 до 4 микрон. Причём 48% поступает на видимую часть спектра, а 45% на инфракрасную часть спектра. Видимые лучи с длиной волны от 0,400 до 0,750 мкм, достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов. Зеленые растения за счет этого излучения синтезируют органическое вещество (осуществляют фотосинтез), которое используют в пищу все остальные организмы. Для большинства растений и животных видимый свет является одним из важных факторов среды, хотя есть и такие, для которых свет не является обязательным условием существования (почвенные, пещерные и глубоководные виды приспособления к жизни в темноте). Большинство животных способны различать спектральный состав света – обладать цветовым зрением, а у растений цветки имеют яркую окраску для привлечения насекомых-опылителей.

Инфракрасные лучи с длиной волны более 0,750 мкм глаз человека не воспринимает, но они являются источником тепловой энергии (45% лучистой энергии). Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие хладнокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела (некоторые змеи и ящерицы являются экологически теплокровными животными).

Также количество солнечной энергии зависит от периода года, продолжительности дня, прозрачности атмосферного воздуха (чем больше пыли, тем меньше солнечной энергии). Количество солнечной энергии, поступающей к Земле постоянно, однако, разные районы земного шара получают разное количество энергии, что связано с наклоном земной оси. Так, например, в умеренной зоне на единицу площади приходится в 6 раз больше энергии, чем в Полярной зоне. Часть солнечной энергии отражается земной поверхностью.

Освещение – определяется годовой суммарной солнечной радиацией, географическими факторами (состояние атмосферы, характер рельефа и т.д.). Свет необходим для процесса фотосинтеза, определяет сроки цветения и плодоношения растений. Освещённость земной поверхности связано с вращением Земли вокруг своей оси, в результате чего у всех организмов существуют суточные ритмы деятельности. Световые условия, связанные с вращением Земли, имеют отчетливую суточную и сезонную периодичность. Почти все физиологические процессы у растений и животных имеют суточный ритм с максимумом и минимумом в определенные часы: например, в определенные часы суток цветок у растений открывается и закрывается, а у животных возникли приспособления к ночной и дневной жизни. Длина дня (или фотопериод), имеет огромное значение в жизни растений и животных.

Растения, в зависимости от условий обитания, адаптируются к тени – теневыносливые растения или, напротив, к солнцу – светолюбивые растения (к примеру, хлебные злаки). А также тепловыносливые – хорошо растут на свету, но и переносят затенение. Легко подстраиваются под световой режим.

Однако сильное яркое солнце (яркость выше оптимальной) подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокий урожай культур, богатый белком. В умеренных зонах (выше и ниже экватора) цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года: подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала – изменения длины дня, которая в определенное время года в данном месте всегда одинакова. В результате этого сигнала включаются физиологические процессы, приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношения летом и сбрасывания листьев осенью; у животных – к линьке, накоплению жира, миграции, размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня животные воспринимают с помощью органов зрения. А растения – с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях растений. Раздражения воспринимаются с помощью рецепторов, вследствие чего происходит ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а затем проявляются физиологические или поведенческие реакции.

Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана не просто на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Организмы способны измерять время, т.е. обладают “биологическими часами” – от одноклеточных до человека. “Биологические часы” – также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями. “Биологические часы” определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.

Температура – один из важнейших абиотических факторов, прямо или косвенно влияющий на живые организмы. Температура непосредственно влияет на жизнедеятельность растений и животных, определяя их активность и характер существования в конкретных ситуациях. Особенно заметное влияние оказывает t на фотосинтез, обмен веществ, потребление пищи, двигательную активность и размножение. Например, у картофеля максимальная продуктивность фотосинтеза при +20°С, а при t = 48°С полностью прекращается.

В зависимости от характера теплообмена с внешней средой организмы делятся: организмы, t тела = t окр. среды т (растения, рыбы, рептилии.); организмы с постоянной t тела (млекопитающие, птицы. Также выделяют организмы, способные переносить колебания t⁰ в широких пределах (лишайники, млекопитающие, северные птицы) и организмы, существующие только при определенных t⁰ (глубоководные организмы, водоросли полярных льдов).

Вода играет исключительную роль в жизни любого организма, поскольку она является структурным компонентом клетки (на долю воды приходится 60-80% массы клетки). Значение воды в жизни клетки определяется ее физико-химическими свойствами. Только при наличии воды в организме протекают процессы фотосинтеза, терморегуляции, обменных процессов. В процессе эволюции у растений и животных выработался многочисленные сложные приспособления, позволяющие поддерживать водный баланс и обеспечивать экономное расходование воды. Растения пустынь и степей приспособились к острому дефициту влаги, болотные и влажно-тропические растения – к избытку, а лесным видам необходима высокая влажность воздуха и умеренная влажность почв. Как и в отношении остальных факторов, эти приспособления-адаптации группируются в анатомо-морфологические, физиологические и поведенческие.

Источниками влаги для растений служат запасы ее в почве и атмосфере (осадки, туманы, конденсаты), для наземных животных – вода в водоемах, водяные пары в атмосфере и сочная пища.

Влажность атмосферного воздуха. Влажность – это количество водяного пара, растворённого в атмосферном воздухе. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 2 км), где концентрируется до 50% всей влаги, количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от t воздуха. Чем температура больше, тем больше водяного пара может содержать атмосфера. Разность между максимально возможной и текущей влажностью называется дефицитом влажности. Это важный экологический параметр, который характеризует сразу два фактора – температуру и влажность. Чем больше дефицит влажности, тем суше и теплее.

Атмосферные осадки – это дождь, снег, град и т.д. Осадки определяют перемещение и распространение вредных веществ в окружающей среде. В общем кругообороте воды наиболее подвижны именно атмосферные осадки, т.к. объем влаги в атмосфере меняется 40 раз за год. Основными условиями возникновения осадков являются: t воздуха, движение воздуха, рельеф.

Существуют зоны в распределении осадков по земной поверхности: Влажная экваториальная. Осадков более 2000 мм/год, например, бассейны рек Амазонка, Конго. Максимальное количество осадков – 11684 мм/год – о. Кауан (Гавайские о-ва), 350 дней в году дождь. Здесь располагаются влажные экваториальные леса – самый богатый тип растительности (более 50 тысяч видов). Сухая зона тропического пояса. Осадков менее 200 мм/год. Пустыня Сахара и т.д. Минимальное количество осадков – 0,8 мм/год – пустыня Атакама (Чили, Южная Америка). Влажная зона умеренных широт. Осадков более 500 мм/год. Лесная зона Европы и Северная Америка, Сибирь. Полярная область. Незначительное количество осадков до 250 мм/год (низкая t воздуха, низкое испарение). Арктические пустыни с бедной растительностью.

Газовый состав атмосферы. Воздух – источник кислорода для дыхания и углекислого газа для фотосинтеза. Состав ее практически постоянен и включает: N-78%, 0-20,9%, СО, аргон и другие газы, частицы воды, пыль. Он защищает биосферу от вредных космических излучений и способствует сохранению тепла на Земле. С атмосферой связаны биогеохимические циклы, включающие газообразные компоненты: С, О, N, H2O.

Движение воздушных масс. В этом случае, движущей силой процесса является разность атмосферных давлений в двух точках земного шара. Воздух движется из точки с повышенным давлением в точку с пониженным давлением. Максимальная скорость ветра примерно 400 км/час – ураган (штат Нью-Гемпшир, США). Ветровой напор – направление ветра в сторону меньшего давления. Ветер переносит примеси в атмосфере. Ветер играет важную роль в расселении видов, распространяя семена и споры, способствуя опылению растений

Давление атмосферы. В атмосфере существует два типа зон, зависящих от давления. Зоны пониженного давления (циклоны), которые характеризуются неустойчивой погодой, с большим количеством осадков. Зоны повышенного атмосферного давления (антициклоны), которые характеризуются устойчивой погодой без осадков. Нормальное атмосферное давление (на уровне моря и широте 45°) составляет в среднем 760 мм ртутного столба или 10 кПа.

Загрязнение почв пестицидами, радионуклидами, тяжелыми металлами

Почва – основной компонент наземных экосистем, который образовался в течение геологических эпох в результате постоянного взаимодействия биотических и абиотических факторов. Как сложный биоорганоминеральный комплекс почвы являются естественной основой функционирования экологических систем биосферы.

Охрана почв от загрязнений является важной задачей человека, так как любые вредные соединения, находящиеся в почве, рано или поздно попадают в организм человека. Загрязнения почвы трудно классифицируются, выделим главные:

1) Тяжёлые металлы. Данный вид загрязнений представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, так как тяжёлые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. В природе насчитывается 78 тяжелых металлов, а их общая масса не превышает 1,2 % общей массы литосферы. Чаще всего почва загрязняется таким тяжелыми металлами, как железо, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт, ртуть, свинец, кадмий и др.

Во многих случаях тяжелые металлы содержатся в почвах в незначительных количествах и не являются вредными. Однако концентрация их в почве может увеличиваться за счет выхлопных газов транспортных средств, вывоза в поле ила станций очистительных вод, орошения стоковыми водами, отходов, остатков и выбросов, во время эксплуатации шахт и промышленных площадок, внесения фосфорных и органических удобрений, применения пестицидов и др. Излишек этих элементов или наличие некоторых токсичных элементов даже в очень незначительных количествах могут вызывать заболевание, или гибель растений.

Стойкость почв к загрязнению тяжелыми металлами разная, в зависимости от их буферности. Почвы с высокой адсорбционной способностью и соответственно высоким содержанием глины, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это свойственно карбонатным почвам и почвам с нейтральной реакцией.

трофическая цепь загрязнение атмосфера

Так, одним из токсичных тяжелых металлов является свинец. В почву свинец поступает из естественных и антропогенных источников. К первым принадлежат: силикатная пыль, галоидные соединения, дым лесных пожаров, морские соли, метеоритная пыль, а из второго – сгорание этилового бензина, других видов топлива, инсектициды, распахивание земель, но др. Так, известно, что в настоящий момент в мире ежегодно производится около 3,5 тыс. тонн свинца, из которых от 2,5 тыс. тонн до 3,1 тыс. тонн сгорает с этиловым бензином.

Токсические концентрации свинца в почве для большинства растений находятся в пределах 1000-2000 мг/кг, однако некоторые виды растений погибают уже при содержимом его около 500 мг/кг. Например, в пшенице за концентрации 500-1000 мг/кг этого элемента наблюдается снижение урожайности на 10 %, в то время как овес без видимых изменений выдерживает загрязненность свинца до 1500 мг/кг почве, а некоторые виды растений даже – 10 г/кг почвы.

Свинец негативно влияет на биологическое свойство в почве, ингибируя активность ферментов (в особенности дегидрогеназу и уреазу) уменьшением интенсивности выделения углекислого газа и численности микроорганизмов. Свинец вызывает нарушение метаболизма микроорганизмов, особенно процессов дыхания и клеточного разделения. Нагромождение свинца в организме человека может вызывать серьезные заболевания, такие, как свинцовые энцефалопатии, вырождения периферических нервов, венозный стаз, псевдосклероз, сердечная гипертония, цирроз печени и др.

Существуют и другие металлы, загрязнение почв которыми негативно отражается на жизнедеятельности живых организмов. Однако если они содержатся в почве в концентрации, что не превышают допустимую, при нейтральной величине рН, эти металлы не влияют негативно на растения, а, следовательно, на животных и людей. В тех случаях, когда концентрация тяжелых металлов (за исключением молибдена и селена) в почве превышает допустимые пределы, их токсичность можно блокировать путем изменения рН почвы к нейтральной или слабощелочной реакции, применяя известкование кислых почв, внося известняковые материалы. Кроме того, для снижения концентрации тяжелых металлов рекомендуется плантажная пахота на 40-50 см с вынесением на поверхность нижних горизонтов почв, которые содержат меньше тяжелых металлов. К радикальным мероприятиям борьбы из загрязнения почв принадлежит удаление поверхностного загрязненного слоя почвы, покрытия его, незагрязненным слоем не менее 30 см, который бы исключал перемещение металлов из почвы в растения. Возможно также применения некоторых растений, которые осаждают и обезвреживают избыток тяжелых металлов в почве.

К агротехническим приемам борьбы с загрязненностью почв тяжелыми металлами принадлежат известкование и внесение органических удобрений. Благодаря известкованию удается в несколько раз уменьшить содержание свинца в сельскохозяйственных культурах, которые выращивают на загрязненных почвах. Известь наиболее эффективна на почвах, загрязненных кадмием. Высокими свойствами детоксикации характеризуются перегной, торф, компосты, а также цеолит. Большую роль в локализации тяжелых металлов играют зеленые насаждения. Существует и ряд биологических методов, например: выращивания растений, которые слабо реагируют на избыток тяжелых металлов в почве; выращивание на загрязненных почвах культур, которые не употребляют животные и люди. Наиболее загрязненные участки необходимо отводить под посадку леса и выращивание декоративных растений.

2) Пестициды – это химические средства борьбы с вредными организмами: насекомыми (инсектициды), болезнями (фунгициды), сорняками (гербициды), и др. Применение пестицидов, прежде всего, направлено на уменьшение вредных организмов и повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Но они могут находиться в почве в значительных количествах. Одним из негативных результатов применения пестицидов в агроэкологическом аспекте есть возможность нарушения существующего равновесия численности видов в конкретных популяциях. В результате химических обработок погибают не только вредные организмы, но и много полезных видов. А исчезновение их из агроэкосистемы может привести к значительным изменениям в характере функционирования экосистемы в целом. Под воздействием пестицидов, может изменяться состав вредных насекомых и клещей, при этом на смену одних вредных организмов приходят другие.

По своей опасности для животных и человека они приближаются к предыдущей группе. Именно по этой причине был запрещён для использования препарат ДДТ (дихлор-дифенил-трихлорметилметан), который является не только высокотоксичным соединением, но, также, он обладает значительной химической стойкостью, не разлагаясь в течение десятков (!) лет. Следы ДДТ были обнаружены исследователями даже в Антарктиде!

Пестициды губительно действуют на почвенную микрофлору: бактерии, актиномицеты, грибы, водоросли. Важной экологической характеристикой пестицидов является их способность мигрировать в профиле грунта и создавать тем самым опасность загрязнения грунтовых вод. Персистентность пестицидов в почве зависит от применяемой дозы и формы их внесения, адсорбционной способности, повторности обработок, распределения препарата в почве, типа почвы, добавок к пестицидам разных веществ, его рН, температуры, влажности, комбинации пестицидов и тому подобное.

В процессе решения вопроса эффективного и безопасного для окружающей среды применения пестицидов реализуются разные подходы. Постоянно совершенствуется ассортимент пестицидов за счет включения к ним менее токсичных и персистентных препаратов, разрабатывают и внедряют в практику новые технологии и мероприятия, которые позволяют снизить содержание в объектах окружающей среды остатков недостаточно “экологических” за своими характеристиками пестицидов и их негативное влияние на агрофитоценозы, животных и людей.

Важную роль в снижении и предотвращении негативных последствий интенсивного применения пестицидов в земледелии играет контроль за содержимым их остатков в объектах окружающей среды, растениеводческой продукции, кормах и продуктах питания растительного происхождения. Учет результатов контроля над остатками пестицидов позволяет существенно снизить или устранить полностью негативные последствия применения пестицидов.

Для защиты почвы от загрязнения совершенствуют способы применения пестицидов. Для предотвращения нагромождения стойких пестицидов в почвах необходимо шире чередовать пестициды с учетом их персистентности дифференцирования для различных грунтово-климатических зон. Снизить фитотоксичность остатков гербицидов могут также внесенные в почву разные вещества, которые влияют на гербициды. Такое влияние, в частности, имеет активированный уголь. Использование его в дозе от 150 до 600 кг/гектара существенно снижает или полностью устраняет фитотоксичное действие остатков гербицидов. В последние годы значительно сократилось использование порохообразных препаратов, и увеличился ассортимент в виде эмульсии и смачиваемых порошков, которые применяются путем опрыскивания, а также препаратов, в виде гранул.

3) Радиоактивные вещества. Хотя существуют природные источники загрязнений радиоактивными соединениями, но основная масса наиболее активных изотопов с небольшим периодом полураспада попадает в окружающую среду антропогенным путём.

Существенное значение в этом процессе имеют: форма соединений, в которых находятся радионуклиды, наличие в почве ионов, близких за химическими свойствами к радиоизотопам, рН среды, количество осадков, и некоторые грунтово-климатические условия. Да, из крутых склонов радионуклиды вместе с частицами почвы могут сноситься поверхностными стоками и накапливаться в низинах и водных источниках.

К радиоактивным элементам, которые могут загрязнять почву и является наиболее опасными принадлежат элементы с длительным периодом распада, такие как, например, Cs (50 лет) и Sr (27 лет).

В почве, особенно в ее верхнем горизонте, откуда они попадают в растения или животные, концентрируется наиболее опасный радиоактивный стронций ⁹⁰Sr (стронций-90). Данный радиоактивный изотоп имеет высокий выход при ядерном делении (2 – 8%), большой период полураспада (28,4 года), химическое сродство с кальцием, а, значит, способность откладываться в костных тканях животных и человека, относительно высокую подвижность в почве. Совокупность вышеназванных качеств делают его весьма опасным радионуклидом. А также ¹³⁷Cs (цезий-137), ¹⁴⁴Ce (церий-144) и ³⁶Cl (хлор-36) также являются опасными радиоактивными изотопами. Поскольку эти радиоактивные элементы имеют длительный период распада, их последующая судьба в почве, проникновения в растения представляют интерес для здравоохранения людей.

Потенциальными источниками радиоактивного загрязнения могут быть аварии или несчастные случаи на атомных установках.

Источники загрязнения атмосферы

Атмосферный воздух – один из важнейших жизнеобеспечивающих природных компонентов на Земле – представляет собой смесь газов и аэрозолей приземной части атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции планеты, деятельности человека и находящуюся вне пределов жилых, производственных и иных помещений.

Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия компонентов биосферы, гидросферы и литосферы вблизи поверхности Земли. Загрязнения приземного слоя атмосферы – это самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на растения, животных, микроорганизмы; на все трофические цепи и уровни; на качество жизни человека; на устойчивое функционирование экосистем и биосферы в целом.

Загрязнение атмосферы – это привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение естественной среднемноголетней концентрации этих веществ в нём, обусловленное как природными, так и антропогенными факторами, каждый обусловлен соответствующими источниками (рис.5).

Рисунок 5 – Источники загрязнения атмосферы (по Г.В. Стадницкому и А.И. Родионову)

Масса загрязняющих веществ в год, поступающих в атмосферу из естественных и искусственных источников, представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Масса загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу (тонн/год)

Естественными источниками загрязнений атмосферного воздуха служат прежде всего вулканические выбросы, лесные и степные пожары, пыльные бури, дефляция, морские штормы и тайфуны, насыщенные солями морские брызги и туманы, пыль с эродированных почв и тонкий песок пустынь, растительная пыльца, микроорганизмы, выделения животных, а также космическая пыль. В норме природные источники не вызывают сколько-нибудь существенных, качественных изменений воздуха. Однако в катастрофических случаях и они могут оказаться причиной весьма серьезных загрязнений атмосферы. Например, вулкан Кракатау близ острова Ява при извержении в 1883 г. выбросил такие количества пепла и пыли, которые создали своеобразный светозащитный экран вокруг Земли и тем самым несколько уменьшили интенсивность солнечной радиации у ее поверхности, вызвав небольшое изменение теплового баланса планеты. Заметный, хотя и местный, эффект могут иметь крупные и длительные пожары и пыльные бури.

Главными антропогенными факторами и наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы. Вследствие деятельности человека в атмосферу поступают углекислый газ СО2 и угарный газ СО, диоксид серы SO2 метан СН4, оксиды азота NO2, NO и N2O.

При использовании аэрозолей в атмосферу поступают хлорфторуглероды, в результате работы транспорта-углеводороды (бенз (а) пирен и др.).

По особенностям строения и характеру влияния на атмосферу загрязнители, как правило, подразделяют на механические и химические, а вещества, загрязняющие атмосферу, подразделяют на первичные и вторичные. Первичные – это вещества, содержащиеся непосредственно в выбросах предприятий и поступающие с ними от разных источников.

Промышленность до недавнего времени была основным источником загрязнения атмосферы. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным. При этом выделяются механические загрязнители – разного размера несгоревшие частицы, пыль, зола, сажа. Их количество зависит от конструкции топки, качества топлива и эффективности работы дымоуловителей. Однако, некогда безраздельно господствовавшие в небе городов пыль, сажа, зола и другие механические загрязнители сегодня уступили первенство химическим, потому что первых стало несколько меньше, а вторых намного больше. Но и сейчас, например, в Нью-Йорке, Токио, Рурском промышленном бассейне и в некоторых других индустриальных районах выпадает свыше 1 т пыли на 1 км² за сутки, а максимальные загрязнения в десятки раз превышают санитарные нормы. Задымленность индустриальных центров во многих районах мира по-прежнему остается серьезной проблемой.

Главный химический загрязнитель атмосферы – сернистый газ (S02), выделяющийся при сжигании каменных углей, сланцев, нефти и ее производных, при выплавке меди, производстве серной кислоты и при других промышленных процессах. Некоторые угли с высоким содержанием серы дают до 1 т сернистого газа на 10 т сгоревшего угля. Сернистый газ быстро распространяется в воздухе на значительные расстояния. Например, преобладающие над Европой ветры несут массы этого газа с запада на восток. За одни сутки, в течение которых сернистый газ держится в атмосфере, он успевает из ФРГ распространиться на территорию ГДР, Польши и даже России.

Тепловые и котельные установки в процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. Объем энергетических выбросов очень велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует в сутки до 20 тыс. т угля и выбрасывает в атмосферу за это время 680 т S02 и S03, 120 – 140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота. Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выбросы оксидов серы и азота. Наиболее экологично газовое топливо, которое в три раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут, и в пять раз меньше, чем уголь.

Металлургические заводы выбрасывают в воздух угарный газ, оксиды железа, меди и других металлов. Алюминиевая промышленность загрязняет атмосферу и местность вокруг заводов токсичными фтористыми соединениями.

Черная и цветная металлургия при выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Существенно загрязняется атмосфера также на агломерационных фабриках, при доменном и ферросплавном производстве. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др.

Выбросы химической отрасли хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности, представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т.п.).

Под воздействием интенсивного солнечного облучения поступающие от промышленных и транспортных источников вещества могут вступать в реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Это явление получило название фотохимического смога, для которого, в частности, характерно образование озона, формальдегида и других опасных соединений. Фотохимический смог характерен, например, для Лос-Анджелеса. Вместе с тем конечный результат химических реакций может быть и прямо противоположным: взаимная нейтрализация исходных токсичных веществ в их соединениях, что открывает определенные возможности для предотвращения загрязнения атмосферы.

В больших городах и густонаселенных районах первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к транспорту, прежде всего к автомобильному. Главная составная часть автомобильных выхлопов – оксид углерода (II). Автомобильные двигатели выделяют оксиды азота (NO, NQ2), некоторые углеводороды и весьма ядовитый свинец. Последний добавляется в бензин со специальными активирующими присадками (например, тетраэтилсвинец) и выделяется в воздух при сгорании топлива. Около 300 млн. автомобилей ежесуточно выбрасывают в атмосферу нашей планеты примерно 800 тыс. т оксида углерода (II), 150 тыс. т углеводородов, свыше 500 тыс. т оксида азота и почти 1 тыс. т свинца. Подавляющее большинство из 200 компонентов выхлопных газов автомобилей угнетающе действуют на организм человека, а оксиды азота к тому же активно участвуют в образовании фотохимического смога Автомобили сжигают кислорода в 3-4 раза больше, чем требуется всему человечеству для дыхания.

Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха отмечается также при добыче и переработки минерального сырья, на нефте-и газоперерабатывающих заводах (рис.13.2), при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т.д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т.д.

Самое опасное загрязнение атмосферы и всей окружающей среды – радиоактивное. Известно, что в начале 60-х годов фон искусственной радиоактивности, вызванной испытаниями ядерного оружия, достиг угрожающего уровня. Для получения электроэнергии конструкторы ядерных реакторов создают достаточно надежную защиту от выделения радиоактивных элементов в окружающую среду. Однако проблему захоронения радиоактивных отходов все еще нельзя считать решенной. Практика захоронения контейнеров с такими отходами в глубинах океана оказалась ненадежной, так как морская вода разъедает любые контейнеры раньше, чем произойдет распад радиоактивных элементов. К тому же ошибочным было мнение об отсутствии конвекции между глубинными и поверхностными водами в океанах. Опасна также способность животных и растительных организмов накапливать радиоактивные вещества в концентрациях, в десятки и сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде.

Новейшие медико-биологические исследования направлены на анализ возможных последствий электромагнитного насыщения среды. Выявлено воздействие некоторых радиоволн на мозг человека, микроволн на хрусталик глаза и т.п. Такого рода факты требуют особого внимания при рассмотрении биологической значимости высокого электромагнитного фона современной среды обитания человека.

Биологическая очистка сточных вод

Водоемы загрязняются, в основном, в результате спуска в них промышленных и бытовых сточных вод, от чего изменяются физические (температура, прозрачность, цвет), химические (кислотность, содержание органических и неорганических соединений, осадок), биологические (появление болезнетворных бактерий) и органолептические (запах, привкус) свойства воды. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, рыбохозяйственного, а иногда и для технического назначения.

Очистка сточных вод – комплекс мероприятий по удалению загрязнений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах. Сущность очистки сточных вод в снижении концентраций примесей или превращения их в другие, не оказывающие вредного воздействия на окружающую среду.

Основные методы очистки производственных и бытовых сточных вод можно разделить на четыре группы: механические, химические, физико-химические и биологические.

Биологическая очистка сточных вод – перевод коллоидных и растворенных органических веществ в минеральные соединения за счет жизнедеятельности бактерий. Процессы биологической очистки во многом аналогичны процессам самоочищения в природных водоемах, интенсифициро-ванных применением систем инженерных сооружений, таких, как: аэротенки, биологические фильтры, биологические пруды, поля орошения, поля аэрации. Биологическая очистка сточных вод – один из самых распространенных способов обезвреживания сточных вод при подготовке их к спуску в водоемы (рис.6).

Рисунок 6 – Типовая схема аэрационных очистных сооружений

Процессы биологической очистки во многом аналогичны процессам самоочищения в природных водоемах, интенсифицированных применением систем инженерных сооружений, таких, как: аэротенки, биологические фильтры, биологические пруды, поля орошения, поля аэрации.

Биологические пруды – серии из нескольких неглубоких (до 1 м.) сообщающихся прудов, по которым сточные воды, насыщенные кислородом за счет поверхностной аэрации, медленно перетекают из одного в другой.

Аэротенки – проточные резервуары глубиной 4 – 6 м., в которых создаются условия очистки введением: необходимого количества аэробных микроорганизмов виде активного ила, а также кислорода (искусственной аэрации). На выходе аэротенков смесь очищенной жидкости и активного ила разделяется во вторичных отстойниках за счет оседания активного ила (сточная жидкость осветляется). Из вторичных отстойников активный ил частично перекачивается в аэротенк (возвратный ил – ВИ) для повторного участия в процессе, а частично удаляется (избыточный ил – ИИ). Широкое применение находят аэротенки, действующие по типу вытеснителей, а также по принципу смесителей или аэротенков с регенераторами.

Поля орошения – сооружения, где процессы самоочищения сточных вод совмещаются с процессами орошения почвы для возделывания кормовых культур сточными водами (агрокультурное использование).

Поля фильтрации – сооружения, в которых межполивной период используют для того, чтобы поры почвы успевали освобождаться от вод и заполнялись атмосферным воздухом (для создания аэробных условий в почве).

Биологические фильтры – сооружения для биологической очистки сточных вод, в которых фильтрующая почва заменена фильтрующими материалами из шлака, кокса, щебня, пластмассы и др. Поверхность загрузочного материал обрастает биологической пленкой, состоящей из аэробных бактерий, различных видов беспозвоночных и водорослей. Пленка утолщается, нижние слои стареют, отмирают и вместе с очищенной водой уносятся во вторичные отстойники.

Широкое применение нашли: капельные биологические фильтры и высоконагружаемые фильтры (аэрофильтры) и биофильтры с пластмассовой загрузкой.

В биологических прудах и аэротенках микроорганизмы, осуществляющие очистку вод (планктон и активный ил) взвешены в толще, протекающей через сооружения жидкости. В биологических фильтрах и почве полей орошения и фильтрации сточные воды сочатся через слои почвы или гранулы заполнителя, на которых развивается бактериальная флора.

Управление качеством биологической очистки – создание обстановки в сооружении, способствующей интенсивной жизнедеятельности необходимых процессу организмов и подавлению вредной для процесса микрофлоры. В результате биохимических процессов окисления органических веществ сточных вод изменяется химический состав стока, прежде всего: уменьшается концентрация аммиака, появляются нитраты и нитриты, резко снижается концентрация окисляющихся органических веществ, о степени которой судят обычно по уменьшению величины биохимической потребности в кислороде (БПК). Одновременно, не менее важной задачей биологической очистки является подавление опасных для здоровья (патогенных) микроорганизмов уменьшением питательной среды, поддерживающей их жизнедеятельность или применением химических методов обеззараживания воздействием на воду: хлора (хлорирование), озона (озонирование), ультрафиолетовых лучей (облучение), малых концентраций солей тяжелых металлов (серебра, меди и др.), кипячением воды. Живыми агентами процессов биологической очистки являются:

Планктон – совокупность организмов, населяющих толщу воды и перемещаемых с ее течением.

Активный ил – сложная экосистема, включающая большое количество представителей микрофлоры и микрофауны. Основу этой системы в процессе очистки составляют бактерии в виде хлопьевидных скоплений (зооглей). Присутствуют также нитчатые бактерии, грифы водных грибов, дрожжи, бесцветные жгутиконосцы, саркодовые (голые и раковинные), и инфузории, между которыми устанавливаются пищевые связи.

В биологических прудах основную роль окислителей и минерализаторов загрязнений выполняет бактериальный планктон. В аэротенках – активный ил. Микробиальные агенты полей орошения – бактериальные формы почвы, приспособившиеся к обстановке и бактериальная флора поступающих стоков.

В микробиальных процесса следует различать две фазы:

Фаза сорбции – включает физико-химические явления, в которых растворенные органические вещества и коллоиды адсорбируются поверхностью бактериальных клеток, образуя активный ил или биологическую пленку.

Фаза ферментативной десорбции – усвоение пищи микробами с помощью ферментативных процессов живой клетки (разрушение адсорбированных веществ и восстановление сорбционных способностей бактериальной клетки).

Заключение о степени равновесия этих фаз и способности ила перерабатывать загрязнения формируется на основе: общего просмотра проб, относительного и абсолютного учета индикаторных видов гидробионтов и их физиологического состояния.

Сущность биохимического окисления загрязнений – потребление их в качестве питания микробиальными клетками. Кислород при этом потребляется микроорганизмами в процессе их дыхания и расходуется в клетках на ферментативное окисление. Продуктами биохимического окисления являются: углекислота, вода, инертная масса, экзотермическая энергия и новые клетки (активный ил).

В биофильтрах процессы окисления протекает на поверхности загруженного материала в биопленке, насыщенной микроорганизмами. Минерализованная биопленка удаляется из потока очищенной жидкостью во вторичные отстойники.

Процесс биологической очистки проходит в две фазы: в первой фазе – протекают физико-химические процессы адсорбции поверхностью бактериальных клеток органических веществ, находящихся в растворенном, коллоидном и взвешенном состояниях с образованием активного ила или биопленки; во второй фазе – протекают процессы окисления растворенных и адсорбированных органических веществ, заключающемся в усвоении пищи микробами в ферментативных процессах живой клетки.

Скорость процесса очистки жидкости от загрязняющих ее органических веществ и возможности ее регулирования зависит от:

массы и поверхности участвующих в процессах очистки микробных сообществ сформировавшихся в виде активного ила;

времени контакта их со стоками, времени пребывания сточных вод в сооружении;

наличия кислорода;

наличия питательной среды (органики и биогенов);

содержания в воде некоторых примесей, ускоряющих или замедляющих процессы очистки.

Для всех сооружений биологической очистки вод, осуществляющих процесс в аэробных условиях, необходимо предварительно освободить воды от крупных и взвешенных веществ в решетках – дробилках, песколовках, первичных отстойниках.

Список использованной литературы

1. Голов В.П. Естествознание и основы экологии / В.П. Голов, Р.А. Петросова, В.И. Сивоглазов, Е.К. Страут. – М.: Дрофа, 2007. – 301 с.

2. Лесная энциклопедия / Г.И. Воробьев, Н.А. Анучин, В.Г. Атрохин, В.Н. Виноградов и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1986. – 631 с.

3. Панин В.Ф. Экология. Часть 1: Учебное пособие / В.Ф. Панин, А.И. Сечин, В.Д. Федосова. – Томск: Изд. ТПУ, 2000. – 132 с.

4. Разумова Е.Р. Экология. Учебный курс / Е.Р. Разумова. – М., МИЭМП, 2009. – 156 с.

5. Природопользование: Словарь-справочник / Н.Ф. Реймерс. – М.: Мысль, 1990. – 637 с.

6. Степановских А.С. Общая экология: Учебник для вузов / А.С. Степановских. – М.: ЮНИТИ, 2001. – 510 с.