Введение в общую и промышленную экологию

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





                В.К. МАКАРЕНКО, С.В. ВЕТОХИН





ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ И ПРОМЫШЛЕННУЮ ЭКОЛОГИЮ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия










НОВОСИБИРСК

2011

УДК 502.56 + 574](075.8) М 151



Рецензенты:

ОБ. Тихонова, канд. техн. наук, доцент; М.В. Леган, канд. биол. наук, доцент



      Макаренко В.К.
М 151 Введение в общую и промышленную экологию : учеб. пособие / В.К. Макаренко, С.В. Ветохин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.- 135 с.



         ISBN978-5-7782-1697-6



          В данном учебном пособии систематизированы взаимоотношения организмов в природной среде, рассмотрены антропогенные факторы влияния на компоненты биосферы, нормативные и технические вопросы организации природоохранной деятельности на предприятиях, а также основы экологического законодательства и международного сотрудничества.
          Пособие предназначено для студентов всех факультетов НГТУ по дисциплине «Экология».




Работа подготовлена на кафедре безопасности труда







УДК 502.56 + 574](075.8)



ISBN 978-5-7782-1697-6

                   © Макаренко В.К., Ветохин С.В., 2011 © Новосибирский государственный технический университет, 2011

                Глава 1




            БАЗОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЩЕЙ ЭКОЛОГИИ

            1.1. Предмет, становление и развитие экологии


   Из множества существующих определений предмета экологии наиболее кратко отражает его суть следующее. Экология - это наука о взаимоотношениях живых организмов и среды их обитания.
   Термин «экология» ввел в 1866 году выдающийся немецкий биолог Э. Геккель. В его трактовке экология - это «познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды».
   Важным этапом развития науки стал переход от преимущественного изучения влияния среды на представителей отдельных популяций и видов организмов к изучению экологии многовидовых сообществ -биоценозов. Ключевую роль сыграло понимание единства биоценоза и места его обитания - биотопа, приведшее к возникновению учения об экосистемах и биогеоценозах. И.А. Шилов (1997) определяет экологию как науку о закономерностях формирования, развития и устойчивого функционирования биологических систем разного ранга в их взаимоотношениях с условиями среды. При таком подходе экология включает все три уровня организации биологических систем: организменный, популяционный и экосистемный.
   Расширение предмета экологии привело к появлению ряда новых ее трактовок и определений. Известный американский эколог Ю. Одум еще в 1963 году приписал экологии статус науки о строении и функциях природы в целом, а в его фундаментальной «Экологии» (1986) она трактуется уже как междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи. Это определение соответствует современному пониманию экологии.


3

   В настоящее время может быть выделено несколько разделов «большой экологии».
   Общая экология посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. Ее ядром является теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем. Многие природные экологические процессы очень замедленны и обусловлены множеством факторов. Для изучения их механизмов недостаточно одних натурных наблюдений, нужны экспериментальные исследования. Экспериментальная экология обеспечивает методическим инструментарием различные разделы науки. Но возможности эксперимента в экологии ограничены. Поэтому широко применяется моделирование, в частности математическое моделирование экологических систем.
   Биоэкология, сформировавшаяся в рамках биологии, представляет собой достаточно цельную область естествознания и является фундаментальной основой экологии. Она посвящена взаимодействиям со средой биологических систем всех уровней. В ней выделяются:
   •     экология отдельных особей как представителей определенного вида организмов - аутоэкология,
   •     экология генетически однородных групп организмов одного вида, имеющих общее место обитания, - популяционная экология,
   •     экология многовидовых сообществ, биоценозов - синэкология,
   •     учение об экологических системах - биогеоценология.
   На стыке биоэкологии и геохимии Земли на основе изучения роли живых организмов в планетарной трансформации солнечной энергии и в круговороте химических элементов возникло учение о биосфере -глобальной экологической системе. Глобальную экологию, изучающую в планетарном масштабе сферу взаимодействия современной биосферы и техносферы, обозначают как экосферологию (Акимова, Хаскин, 2006).
   Среди экологических знаний несколько отдельно от традиционной биоэкологии стоит экология человека - комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида и личности с окружающей его природной и преобразованной самим человеком средой. Важной особенностью экологии человека является правильное уравновешивание биологических и социальных аспектов.
   Социальная экология как часть экологии человека - это объединение научных отраслей, изучающих связь общественных структур с природной и социальной средой их окружения. К этому объединению

4

относятся экология народонаселения - экологическая демография и экология человеческих популяций. При этом рассматривается как влияние среды на общество, так и воздействие общества на среду.
   Прикладная экология - большой комплекс дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений человеческого общества и природы. Она формирует экологические критерии экономики, исследует механизмы антропогенных воздействий на природу и окружающую человека среду, следит за ее качеством, обосновывает нормативы неистощительного использования природных ресурсов, осуществляет экологическую регламентацию хозяйственной деятельности, контролирует экологическое соответствие различных планов и проектов, разрабатывает технические средства охраны окружающей среды и восстановления нарушенных человеком природных систем.
   Сравнительно новым направлением экологической науки является инженерная экология, изучающая взаимодействия техники и природы, закономерности формирования региональных и локальных природнотехнических геосистем и способы управления ими в целях защиты природной среды и обеспечения экологической безопасности. Инженерная экология призвана обеспечить соответствие техники и технологии промышленных объектов экологическим требованиям, оптимизировать взаимодействия в системе «технология - общество -окружающая среда».
   Центральное место в сфере инженерной экологии занимает промышленная экология - область прикладной экологии, которая изучает воздействия промышленности на природу, окружающую человека среду, разрабатывает средства регламентации этих воздействий и способы защиты от них окружающей среды. С промышленной экологией тесно связаны экологические аспекты энергетики, транспорта, горного дела и т. п. Промышленной экологии приходится также иметь дело с влиянием экологических факторов и различных живых организмов на инженерные объекты.



            1.2. Основные объекты экологии


   Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный, организменный, популяционный, экосистемный, биосферный.

5

   Организменный уровень
   На низшей ступени иерархии объектов экологии находится организм в качестве представителя биологического вида - генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов по этим же критериям. При этом определяют видовые особенности поведения и физиологических реакций организма при воздействии различных факторов среды, а на основе этих данных - видовые экологические потребности организма.
   Популяционный уровень
   Каждый биологический вид в природе представлен почти всегда несколькими, часто многими популяциями. Популяция - это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться, и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида.
   Популяция - элементарная форма существования вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция тем не менее представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда взаимодействуют с особями других видов.
   Экосистемный уровень
   Основной объект экологии - экологическая система, или экосистема, - пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественноэнергетическими и информационными взаимодействиями.
   Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А. Тенсли (1935). Понятие экосистемы не ограничивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым, так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания. Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты пеструю мозаику.
   В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент - биотоп, или экотоп, - пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями и биотический компонент - сообщество, или биоценоз, - совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоце

6

нозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов.
   Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли это не только «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Их объединяет понятие биогеоценоз (биотоп + биоценоз = биогеоценоз).
   Понятие «биогеоценоз» ввел В.Н. Сукачев (1942). Биогеоценоз -это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем.
   Биосферный уровень
   На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема - биосфера - совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты. Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э. Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле.
   Выдающаяся роль в развитии учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому. В своем классическом труде «Биосфера» (1926) он по существу переоткрыл это понятие, придав ему смысл и статус глобальной системы, в которой все живые организмы так взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой, что оказывают определяющее влияние на планетарные геохимические и энергетические превращения.
   По его представлениям биосферу слагают четыре категории субстанций:
   1)    живое вещество - совокупность всех живых организмов - микроорганизмов, грибов, растений и животных, их активная биомасса;
   2)    биогенное вещество - это не до конца минерализованная отмершая органика (детрит): торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, фосфориты ит. д.;
   3)    косное вещество - горные породы, минералы, никак не связанные с деятельностью живых организмов;
   4)    биокосное вещество - система живого и биогенного веществ с минеральными породами абиогенного происхождения (почва, приземный слой воздуха, состав поверхностных вод).
   Современные теоретические подходы вносят поправку в представление о структуре и функциях биосферы. Дело в том, что значительная часть биогенных веществ, заключенных в глубоких недрах, фактиче

7

ски выведена из текущего естественного биотического круговорота, хотя некоторое их количество искусственно вводится человеком в пространство биосферы. Поэтому они не относятся к биосфере как таковой; ей присущи только те вещества и процессы, те элементы и характеристики, которые находятся под контролем современной глобальной биоты, но не компоненты природы, сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом (Горшков, 1993).
   Такое понимание совпадает с введенным ранее понятием «экосфера» - планетарная совокупность современных экосистем. Таким образом, экосферой мы называем единую глобальную систему взаимодействия современной биосферы, социосферы и техносферы.


            1.3. Экосистемы


   Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое хозяйство и определенную функциональную структуру, основанную на пищевых взаимоотношениях. Эта структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенный участок работы в круговороте веществ. Организмы, относящиеся к одному такому звену, образуют трофический уровень, а последовательные связи между трофическими уровнями - цепи питания, или трофические цепи. В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания, - автотрофы и гетеротрофы.
   Фотоавтотрофы и хемотрофы составляют основную массу биоты и полностью отвечают за образование всего нового органического вещества в экосистеме, т. е. являются производителями продукции - продуцентами экосистем. Синтезированная автотрофами новая биомасса органического вещества - это первичная продукция, а скорость ее образования - биологическая продуктивность экосистемы. Автотрофы образуют первый трофический уровень любой полночленной экосистемы.
   Консументы - потребители органического вещества. К ним относятся:
   •     консументы I порядка - растительноядные животные, питающиеся живыми растениями;
   •     консументы II порядка - плотоядные животные, поедающие других животных, - различные хищники, нападающие не только на фитофагов, но и на других хищников. Существует немало животных со смешанным питанием, потребляющих и растительную, и животную пищу, - плотоядно-растительноядных и всеядных.


8

   Консументы I и II порядка занимают соответственно второй, третий, а иногда и следующий трофические уровни в экосистеме.
   Особую группу консументов составляют паразиты и симбиотро-фы. И те, и другие живут за счет веществ организма-хозяина. Это уже не только животные, но и различные микроорганизмы, а также некоторые грибы и растения. В отличие от паразитов, часто вызывающих заболевания, а иногда и гибель хозяина, симбиотрофы выполняют жизненно важные для хозяина трофические функции. Это мицелиальные грибы-микоризы, участвующие в корневом питании многих растений; клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот; микробиальное население сложных желудков жвачных животных, повышающее перевариваемость и усвоение поедаемой растительной пищи.
   Еще одну группу консументов образуют детритофаги, или сапрофаги - животные, питающиеся мертвым органическим веществом -остатками и продуктами жизнедеятельности растений и животных. Это различные черви, членистоногие, выполняющие функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов.
   Редуценты - бактерии и низшие грибы - завершают деструктивную работу консументов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в среду экосистемы молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции диоксида углерода.
   Все названные группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют, согласуй потоки вещества и энергии. Их совместное функционирование не только поддерживает структуру и целостность биоценоза, но и оказывает существенное влияние на абиотические компоненты биотопа, формируя и поддерживая экологическую среду экосистемы.
   Пищевые цепи и трофические уровни
   Прослеживая пищевые взаимоотношения членов биоценоза, можно построить пищевые цепи питания различных организмов. Примером длинной пищевой цепи может служить последовательность обитателей арктического моря: микроводоросли —> мелкие растительноядные ракообразные —> плотоядные планктонофаги —> рыбы —> тюлени —> белый медведь. Цепи наземных экосистем обычно короче. Пищевая цепь, как правило, искусственно выделяется из реально существующей пищевой сети - сплетения многих цепей питания.

9

   Благодаря определенной последовательности пищевых отношений различаются отдельные трофические уровни переноса веществ и энергии в экосистеме, связанные с питанием определенной группы организмов. Совокупности трофических уровней различных экосистем моделируются с помощью трофических пирамид чисел, биомасс и энергий. Обычные пирамиды чисел, т. е. отображение числа особей на каждом из трофических уровней данной экосистемы, для пастбищных цепей имеют широкое основание и резкое сужение к конечным консументам. При этом числа «ступеней» различаются не менее чем на 1-3 порядка. Но это справедливо только для травяных сообществ -луговых или степных биоценозов. Картина резко искажается, если рассматривать лесное сообщество. На одном дереве могут кормиться тысячи фитофагов или на одном трофическом уровне оказываются такие разные фитофаги, как тля или слон.
   Это искажение можно преодолеть с помощью пирамиды биомасс. В наземных экосистемах биомасса растений всегда существенно больше биомассы животных, а биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов. Иначе выглядят пирамиды биомасс для морских экосистем: биомасса животных обычно намного больше биомассы растений. Эта «неправильность» обусловлена тем, что пирамидами биомасс не учитываются продолжительность существования поколений особей на разных трофических уровнях и скорость образования и выедания биомассы. Главным продуцентом морских экосистем является фитопланктон, имеющий большой репродуктивный потенциал и быструю смену поколений. В океане за год может смениться до 50 поколений фитопланктона. За то время, пока хищные рыбы накопят свою биомассу, сменится множество поколений фитопланктона, суммарная биомасса которых намного больше. Вот почему универсальным способом выражения трофической структуры экосистем являются пирамиды скоростей образования живого вещества, т. е. продуктивности. Их обычно называют пирамидами энергий, имея в виду энергетическое выражение продукции, хотя правильнее было бы говорить о мощности.
   Потоки вещества и энергии в экосистемах
   Экосистему можно представить в виде диаграммы потока энергии.
   Первичным источником энергии, используемой биосферой, является Солнце. На вход экосистемы поступает некоторый поток солнечной энергии. Большая часть ее рассеивается в виде теплоты. Часть энергии, эффективно поглощенная растениями, преобразуется фотосинтезом в энергию химических связей углеводов и других органических веществ.

10