Человек и биосфера

№ 2845 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

   ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
   Кафедра безопасности и экологии горного производства
   А.А. Захарова



   Человек и биосфера



   Учебно-методическое пособие



   Рекомендовано редакционно-издательским советом университета






МИСиС

Москва 2017

УДК 622:504.06
З-38






Рецензент
канд. хим. наук , проф. Е.И. Хабарова

      Захарова А.А.
З-38 Человек и биосфера : учеб.-метод. пособие / А.А. Захарова. -М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС, 2017. - 124 с.

      ISBN 978-5-906-846-42-6

         Предназначено для выполнения практических, лабораторных и самостоятельных работ в рамках дисциплин «Экология» и «Человек и биосфера». Рассмотрено влияние различных факторов на организмы, нормирование загрязняющих веществ, методика проведения соответствующих расчетов, а также оценена антропогенная нагрузка на объекты окружающей среды.
         Предназначено для подготовки специалистов по направлению 24.05.04 «Горное дело».

УДК 622:504.06


ISBN 978-5-906-846-42-6

© А.А. Захарова, 2017
© НИТУ «МИСиС», 2017

                СОДЕРЖАНИЕ




ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
1. ОРГАНИЗМ И СРЕДА ОБИТАНИЯ ................................7
  1.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение объема углекислого газа, необходимого для образования древесины. 10
  1.2. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение продуктов сгорания органического топлива........................... 13
  1.3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Определение загрязненности водоема по методу и индексу Вудивисса................. 17
  1.4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Изучение приспособленности организмов к среде обитания.............................. 19
  1.5. Задания для самостоятельной работы...................21
2. ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ.......................................31
  2.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Динамика численности популяций   31
3. БИОСФЕРА ................................................37
  3.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Изучение методики подсчета срока исчерпания невозобновимых ресурсов........................37
  3.2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Составление экологического паспорта водоема ........................................ 39
  3.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА. Подготовить презентацию «Круговорот элемента в природе» ......................... 44
4. ЧЕЛОВЕК В БИОСФЕРЕ.......................................46
  4.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Экологический след ............ 46
  4.2. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение демографической емкости района застройки..................................49
  4.3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Исследование физиологических особенностей адаптации организма к низким температурам .. 53
  4.4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Санитарно-эстетическая и экологическая оценка лаборатории .......................55
  4.5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Расчет пищевого обеспечения
  населения региона за счет собственных сельскохозяйственных угодий.............................. 57

3

  4.6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Оценка техногенной нагрузки на организм человека ..............................58
5. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ..... 63
  5.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Оценка воздействия вредных веществ, содержащихся в воздухе ............... 63
  5.2. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение зон воздействия
  и влияния производства по рассеиванию загрязняющих веществ в атмосфере ....................................67
  5.3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Оценка уровня загрязненности воды водоемов по значениям ПДК ..........72
  5.4. Практическая работа Расчет необходимой степени очистки сточных вод перед их сбросом в естественные водоемы.....74
  5.5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Расчет допустимой концентрации и предельно допустимого сброса ............78
  5.6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение концентрации
  загрязняющего вещества в водотоке и построение схемы сечения водотока................................. 80
  5.7. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Расчет санитарно-защитной зоны предприятия.................. 87
  5.8. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Мониторинг загрязнения окружающей среды по физико-химическим характеристикам снега.92
  5.9. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА. Определение количества антропогенных загрязнений, попадающих в окружающую среду
  в результате работы автотранспорта .........................95
  5.10. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Расчет полигона твердых бытовых отходов.....................................99
6. ПУТИ И МЕТОДЫ СОХРАНЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ БИОСФЕРЫ .............104
  6.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Определение экологического потенциала территории ...................................... 104
  6.2. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА. Подготовить презентацию «особо охраняемый объект» .... 109
7. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ ........................................... 111
  7.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА. Нормирование загрязняющих веществ в почве .................. 111
8. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ И КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ................ 116
  8.1. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА.
  Подготовка докладов по актуальным экологическим темам. 116
  8.2. Домашние контрольные работы для заочников........ 116
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................... 121
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................. 122

4

                ВВЕДЕНИЕ




  Наша планета уже существует более 4,5 млрд лет. За этот огромный интервал времени на ее поверхности постоянно протекали сложные физико-химические процессы, возникла жизнь, сформировалась кислородосодержащая атмосфера, развились высокоорганизованные животные и растения. Все эти изменения происходили очень медленно, растягиваясь на сотни миллионов лет, что обеспечивало возникновение процессов самоорганизации.
  С появлением и развитием человечества процесс эволюции заметно видоизменился. С древнейших времен до начала прошлого века численность людей колебалась около нескольких сотен миллионов. Взрывной рост численности населения в XIX-XX вв. и ускорение технологического развития социума резко усилили техногенное воздействие на биосферу. Давление, оказываемое человечеством на биосферу, приобрело в результате демографического взрыва и технологической экспансии разрушительные тенденции. Есть основания считать, что восстановительные ресурсы биосферы в значительной мере иссякли. Из-за деятельности человека навсегда исчезли некоторые экосистемы, неузнаваемо изменились многие земные ландшафты. Человек вносит принципиально новые элементы во взаимодействие с природой. Он выступает как автономная целостность внутри биосферы, все более выходящая за рамки гармоничных отношений к ней.
  Современная человеческая цивилизация характеризуется двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, непрерывно усиливается техногенное давление цивилизации на природную среду и биосферу. С другой - возрастает осознание человечеством ответственности за эволюцию биосферы. Какая из тенденций возобладает, предугадать невозможно. Однако проблема выживания человечества объективно приводит к поиску путей гармоничного сосуществования цивилизации и биосферы.

5

   Современному специалисту-экологу необходимы не только теоретические знания, но и практические навыки, необходимые для принятия экологически, технически и экономически обоснованных решений. Выполнение практических работ - важная составная часть дисциплины. Для более глубокого усвоения разделов курса студенты на конкретных примерах оценивают антропогенную нагрузку на объекты окружающей среды, знакомятся с нормированием загрязняющих веществ, осваивают методику проведения соответствующих расчетов.

6

                1. ОРГАНИЗМ И СРЕДА ОБИТАНИЯ




   Организмом называют тело, обладающее совокупностью определенных признаков:
   1.   Белковый состав, который характерен для биосферных объектов и отличает их от ряда конструкций искусственного происхождения, например от компьютерных вирусов, «питающихся» ячейками памяти компьютера и продуцирующими себе подобных.
   2.   Обмен веществ с окружающей средой, предполагающий минимум получения материала для воспроизводства потомства. В реальности организмы поглощают вещество из окружающей их среды не только для построения своего тела и тел потомков, но и в качестве источника необходимой для их жизнедеятельности энергии. Переработка поглощенных организмами веществ реализуется путем химических реакций с образованием ненужных отходов, которые выделяются в окружающую среду. Обмен веществ - одно из главнейших свойств жизни, определяющее тесную вещественно-энергетическую связь организмов со средой.
   3.   Воспроизводство себе подобных, которое должно не только обеспечить бесконечность жизненных процессов организмов с конечным сроком жизни путем копирования родителей, но и реализовать механизмы приспособленности организмов к окружающей среде как результат эволюции. Приспособленность организмов к изменениям среды обеспечивается действием двух факторов: мутацией (случайными изменениями) организмов и естественным отбором.
   Живое неотрывно от окружающей среды. Каждый организм непрерывно связан с различными компонентами среды (почва, воздух и т. д.) и испытывает их влияние. Среда разнообразна. Выделяют водное, наземное, почвенное окружение, а также тело другого организма, используемого паразитами. Окружающая среда слагается из множества динамичных во времени условий, которые рассматриваются в качестве экологических факторов.

7

   По происхождению выделяют следующие экологические факторы:
   -    абиотические факторы - совокупность факторов неживой природы, влияющих на жизнь и распространение живых организмов;
   -    биотические факторы - совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую компоненту среды обитания;
   -    антропогенные факторы - факторы, порожденные деятельностью человека и воздействующие на окружающую природную среду: непосредственное воздействие человека на организмы или воздействие на организмы через изменение человеком их среды обитания (загрязнение окружающей среды, эрозия почв, уничтожение лесов, опустынивание, сокращение биологического разнообразия, изменение климата и др.).
   Большинство факторов качественно и количественно изменяются во времени. Например, климатические факторы (температура воздуха, освещенность и др.) меняются в течение суток, сезона, по годам. Факторы, изменение которых во времени повторяется регулярно, называют периодическими. К ним относятся не только климатические, но и некоторые гидрографические (приливы и отливы, некоторые океанские течения). Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т. п.), называются непериодическими.
   Влияние экологических факторов на живые организмы характеризуется некоторыми количественными и качественными закономерностями.
   Действие на организм недостатка питательных веществ исследовал Ю. Либих. В 1840 г. он сформулировал закон минимума, который говорит, что величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего.
   Более фундаментальный экологический закон толерантности был сформулирован В. Шелфордом в 1913 г. Этот закон, также называемый законом лимитирующего фактора, гласит, что жизненные возможности организма определяются экологическими факторами, находящимися не только в минимуме, но и в максимуме, т. е. определять жизнеспособность организма может как недостаток, так и избыток экологического фактора.
   Графическая зависимость комфортности существования организма от величины экологического фактора называется экологической кривой. Типовой пример экологической кривой представлен на рис. 1.1.

8

Рис. 1.1. Схема действия экологического фактора на живые организмы:
1 - зона оптимума (зона нормальной жизнедеятельности); 2 - зоны стресса (зона минимума и зона максимума) области нарушения жизнедеятельности вследствие недостатка или избытка фактора; 3 - зона гибели

   Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью (толерантностью) живых существ по отношению к конкретному фактору среды.
   Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври», а узкую - приставкой «стено». Эвритерм-ные виды - выносящие значительные колебания температуры, стено-батные - узкий диапазон давления, эвригалинные - разную степень засоления среды.
   Организмы приспосабливаются к выживанию в условиях изменчивой окружающей среды. Механизмы этих приспособлений называют адаптациями. Существуют следующие типы адаптаций:
   -    поведенческая адаптация, заключающаяся в поведении организма, снижающем отрицательные действия экологических факторов, например, маскировка жертв или выслеживание добычи хищниками, активный поиск оптимальных условий;
   -    физиологическая адаптация, состоящая в изменении обмена веществ в целях приспособления к неблагоприятным экологическим факторам. Примерами могут служить впадение организмов в анабиоз на неблагоприятный период года, биохимическое окисление жиров для пополнения дефицита влаги и т. д.;
   -    морфологическая адаптация, предполагающая строение тела организма, приспособленное к состоянию окружающей среды. Например, у растений в пустыне отсутствуют листья, а у водных организмов строение тела приспособлено к плаванию.

9

            1.1. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА
            Определение объема углекислого газа, необходимого для образования древесины


  Цель работы. Рассчитать объем углекислого газа, необходимого для образования древесины.
  Общие сведения. Экология любого большого города, особенно такого гигантского техногенного мегаполиса, как Москва, немыслима без зеленых насаждений. Эти своеобразные «городские легкие» обогащают городскую атмосферу кислородом и очищают ее. Необходимо понимать, что процесс выделения кислорода зелеными растениями непосредственно связан с их ростом, который идет достаточно медленно: деревья растут годы, десятилетия и даже века, а сгорают за минуты. Оба этих процесса могут быть выражены одной химической реакцией, идущей в различных направлениях. В одном случае атом углерода присоединяет молекулу кислорода, образуя углекислый газ (СО2), в другом молекула углекислого газа усваивается растением. При этом она распадается: атом углерода идет на образование древесины, а молекула кислорода выделяется в атмосферу, т. е. в процессе образования древесины кислород является побочным продуктом.
  Естественно, что древесина состоит не только из углерода. Каждое растение содержит некоторое количество воды и минеральных солей. Всем хорошо известно, что свежесрубленное дерево горит плохо, а после загорания выделяет много водяного пара, что делает дым от влажных дров хорошо заметным издалека. Цвет пламени горящей древесины обычно желтый, поскольку из минеральных солей наиболее распространены соли натрия, а именно, его ионы окрашивают пламя в желтый цвет; если дерево росло на почвах, богатых солями калия, то дрова из него дают пламя с фиолетовыми отблесками.
  Для выполнения задания необходимо вычислить массу древесного ствола. При этом форма ствола принимается эквивалентной форме цилиндра. Следовательно, необходимо вычислить объем цилиндра и умножить полученное значение на плотность древесины. Далее следует применить правило вычисления массы веществ, участвующих в химической реакции (подробно разобрано в приведенном ниже примере расчета) и объединенный закон газового состояния.

10