ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Профессор Соловьянов Александрович (Часть 2 - Воздействие) AASOLOVIYANOV@MAIL. RU
Окружающая среда - совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов. Охрана окружающей среды (природоохранная деятельность) – деятельность органов государственной власти Российской Федерации, органов государственной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления, общественных и иных некоммерческих объединений, юридических и физических лиц, направленная на сохранение и восстановление природной среды, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов, предотвращение негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду и ликвидацию ее последствий. Федеральный закон «Об охране окружающей среды» от 10. 01. 2002 N 7 -ФЗ
Антропогенное воздействие на окружающую среду Качество окружающей среды - состояние окружающей среды (природной среды), которое характеризуется определенными физическими, химическими, биологическими и иными показателями. Качество окружающей среды характеризует условия существования (благоприятные или неблагоприятные) в ней живых организмов, в том числе человека. Воздействие на окружающую среду – события, действия, факторы, имеющие как природное, так и антропогенное происхождение, которые приводят к изменению качества окружающей среды (природной среды). Антропогенное воздействие на окружающую среду – воздействие на окружающую среду хозяйственной деятельности юридических или физических лиц.
Загрязнение окружающей среды (химическое, физическое, биологическое) - поступление в окружающую среду веществ, энергии, живых организмов, виды или количества (концентрации, интенсивность) которых либо не свойственны месту (региону, области) поступления, либо превышают естественные показатели (характеристики). Иными словами загрязнение – это воздействие, которое меняет качество окружающей среды. Последствие воздействия на окружающую среду - любое изменение в окружающей среде (в качестве окружающей среды), являющееся результатом воздействия на нее факторов живой или неживой природы. Последствие антропогенного воздействия на окружающую среду - любое изменение в окружающей среде, являющееся результатом хозяйственной деятельности физического или юридического лица. Последствия могут быть обратимыми или необратимыми.
Обратимые последствия – последствия, которые исчезают через определенный период времени, при этом происходит восстановление исходного качества окружающей среды. Необратимые последствия приводят к необратимым изменениям качества окружающей среды. Негативное воздействие на окружающую среду – воздействие, которой приводит к необратимому ухудшению качества окружающей среды. Вред окружающей среде - изменение окружающей среды в результате ее загрязнения, повлекшее за собой деградацию естественных экологических систем и истощение природных ресурсов. Мониторинг окружающей среды (экологический мониторинг) - комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.
Этапы воздействия человека на окружающую среду: 1. влияние на биосферу как биологического вида 2. интенсивная охота без изменения экологических систем в целом (в период становления человечества) 3. изменение экосистем через естественно идущие процессы – пастьба, усиление роста трав путем их выжигания и т. д. 4. усиления влияния путем распашки земель и вырубки лесов 5. глобальное изменение структурных компонентов наиболее крупных экосистем, биомов и биосферы в целом
Воздействие на биосферу современного человека можно условно разделить на следующие типы: 1. механическое – перемещение вещества литосферы и изменение структуры земной поверхности (распашка земель, добыча полезных ископаемых, создание искусственных водоемов и водотоков и т. д. ) 2. химическое - изменение химического состава природной среды, круговорота и баланса веществ (переработка полезных ископаемых, размещение отходов производства, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу и сбросы сточных вод в поверхностные водоемы и на рельеф) 3. физическое – воздействие различных полей (акустических, магнитных, электрических, электромагнитных и др. ) 4. биологическое - изменение в составе биоты (совокупности живых организмов) в результате истребления одних видов животных и растений, создания других видов (пород), перемещения их на новые места обитания (интродукция, акклиматизация) 5. радиационное, радионуклидное, радиохимическое (высокоэнергетическое излучение и новые элементы) 6. энергетическое - изменение энергетического (в частности, теплового) баланса в пределах как отдельных регионов земного шара, так и на планетарном уровне
Основными источниками антропогенного загрязнения воздуха являются энергетика, транспорт, черная и цветная металлургия, химическая , нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность Основными загрязнителями гидросферы являются предприятия целлюлозно-бумажной промышленности, нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и легкой промышленности Основная масса промышленных жидких и твердых отходов образуется на предприятиях горнодобывающей, энергетической, металлургической и химической промышленности.
Первый антропогенный кризис произошел 10 – 50 тысяч лет назад и был кризисом перепромысла животных (кризис консументов) Второй антропогенный кризис произошел 150 – 350 лет назад и был кризисом перепромысла растительного материала (кризис продуцентов) Третий антропогенный кризис начался 40 – 60 лет назад, и это кризис физического и химического загрязнения биосферы (кризис редуцентов) Третий антропогенный кризис дополняется четвертым глобальным термодинамическим кризисом, который можно назвать кризисом потребления
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ
Состав атмосферы Компонент Формула Содержание, % по объему Азот N 2 78, 09 Кислород O 2 20, 94 Диоксид углерода CO 2 0, 033 Оксид азота NO 0, 00025 Метан CH 4 0, 00015 Диоксид азота NO 2 0, 00015 Диоксид серы SO 2 2, 0 х10 -8 Оксид углерода CO 1, 0 х10 -5
Объемы выбросов загрязняющих веществ в год, млн тонн СО NOx C n. H m SO 2 Взвешенные частицы 121, 5 24, 95 14, 65 52, 7 18, 85 ИТОГО 232, 65
В результате антропогенного загрязнения атмосферы возникают: 1. локальная или региональная загазованность приземного слоя 2. различные глобальные (общепланетарные) эффекты – парниковый эффект, разрушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей 3. загрязнение литосферы и гидросферы в результате очищения атмосферы
Высокоэнергетическое солнечное излучение (УФ, видимое) C C O H Парниковые газы Низкоэнергетическое инфракрасное излучение Поглощение, отражение, переизлучение
Парниковые газы и их потенциалы глобального потепления Соединение Потенциал глобального потепления Углекислый газ 1 Метан 21 Закись азота 310 Гидрофторуглероды 150 – 11. 700 Перфторуглероды 6. 500 -9. 200 Гексафторид серы 23. 900
Парниковый эффект и его составляющие Парниковые газы Содержание в атмосфере Вклад в эффект Пары воды (H 2 O) 0, 03% 67% Диоксид углерода (CO 2) Метан (CH 4) Озон (O 3) Оксиды азота (NOx) Хлорфторуглероды Летучие углеводороды Другие летучие вещества 0, 0003% 33%
Содержание парниковых газов в атмосфере, ппм 2000 - 1950 1800 г. 1950 г. 2000 - 1800 CO 2 280 310 350 57% CH 4 0, 8 1, 2 1, 65 0 53% NOx 285 295 310 60% ХФУ 0 0 0, 00003 100%
Вклад парниковых газов в глобальное потепление Среднегодовой прирост, % Вклад, % Диоксид углерода ( CO 2 ) 0, 5 55 Хлорфторуглероды (CF 3 Cl) 4 24 Метан (CH 4) 0, 9 15 Закись азота (N 2 O) 0, 8 6 Парниковый газ
Объем выбросов СО 2 на единицу ВВП в некоторых странах, кг СО 2/2000 USD 1990 г. 2001 г. Япония 0, 21 0, 20 Дания 0, 31 0, 24 Финляндия 0, 41 0, 36 Нидерланды 0, 42 0, 35 Германия 0, 43 0, 31 Великобритания 0, 54 0, 41 США 0, 74 0, 63 Венгрия 1, 40 1, 00 Чехия 2, 82 2, 08 Польша 3, 02 1, 77 Россия 3, 72 4, 02 КНР 5, 67 2, 75 Развитые страны Страны с переходной экономикой
Энергоемкость ВВП в России и за рубежом Энергоемкость Страны т. у. т. /1000 USD % Япония 0, 15 100 Германия 0, 18 120 Франция 0, 19 126 Великобритания 0, 21 140 США 0, 25 167 Канада 0, 35 233 Россия 1, 01 673
Зависимость выхода биогаза от используемого сырья Исходное сырье Домашние отходы и мусор Твердый осадок сточных вод Фекальные осадки Навоз крупного рогатого скота Солома пшеничная Стебли кукурузы Выход биогаза из Содержание метана тонны сухого в биогазе, % вещества, м 3/тонна 600 50 570 70 250 - 310 60 200 - 300 60 340 420 58 53
Характеристика полигонов России по массе накопленного свалочного газа Масса Количество свалочного тела полигонов на полигоне Суммарная масса ТБО, млн. тонн Эмиссия биогаза с одного полигона, м 3/час 2, 5 и более Не менее 20 Не менее 500 Не менее 2. 000 1, 0 – 2, 5 0, 5 – 1, 0 0, 5 и менее 90 400 800 Не менее 1300 90 – 225 200 - 400 Около 400 800 – 2. 000 400 – 800 Около 400 1, 1 млрд. м 3 (788 тыс. тонн) в год ИТОГО 790 – 1. 525
Кислотные дожди При нормальном природном составе воздуха обычная дождевая вода имеет слабокислотную реакцию (р. Н 5, 5 – 5, 6), что обусловлено наличием в ней угольной кислоты из-за растворения углекислого газа. От 30 до 40% соединений серы, поступающих в атмосферу, образуются в процессах разрушения биосферы (это 30 – 40 млн. тонн). При вулканической деятельности в атмосферу поступает около 2 млн. тонн оксидов серы (или около 2%). Антропогенная деятельность дает 60 – 70% (или 60 - 70 млн. тонн). В 70 -е годы в результате выпадения кислотных дождей в половине водоемов, расположенных в восточной части Северной Америки и в Скандинавии, полностью исчезла рыба. Кислотные дожди также сильно повреждают растительность. В те же годы кислотные дожди сильно повредили леса Европы и Америки.
Возникновение кислотных дождей (S) + O 2 SO 2 + O 2 SO 3 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 NO 2 + H 2 O H 2 NO 3 CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 p. H = - lg [H+] p. H = 7 нейтральная среда p. H > 7 щелочная среда p. H < 7 кислая среда
Разрушение озонового слоя Озоновый слой Земли в интервале от 15 до 40 км приблизительно в 6500 раз ослабляет интенсивность ультрафиолетового излучения (в спектральном диапазоне от 290 до 320 ммк). Основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся под действием солнечной радиации от молекул синтезированных человеком химических веществ, относящихся к классу галоидированных углеводородов. Одна молекула хлора может разрушить до 1 миллиона молекул озона (а одна молекула диоксида азота – до 10 молекул озона).
К числу основных озоноразрушающих веществ относятся: 1. хлорфторуглероды (ХФУ) (международное обозначение CFC) - фтортрихлорметан (ХФУ‑ 11 или CFC-11) CCl 3 F - дифтордихлорметан (ХФУ‑ 12 или CFC-12) CCl 2 F 2 - и др. 2. фторхлорбромуглероды, иначе называемые галонами - дифторхлорбромметан (галон‑ 1211) CBr. Cl. F 2 - трифторбромметан (галон‑ 1301) CBr. F 3 3. гидрохлорфторуглероды (международное обозначение — HCFC) 4. метилбромид CH 3 Br 5. метилхлороформ CH 3 CCl 3 6. четыреххлористый углерод CCl 4
Реакции в озоновом слое hn O 2 O. + O. O 2 + O. O 3 hn O 3 O 2 + O. hn Cl 2 FC-Cl Cl 2 FC. + Cl. + O 3 Cl. O. + O 2 Cl. O. + O 3 Cl. + O 2
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОСФЕРУ
Характеристика гидросферы Гидросфера - жидкая оболочка Земли. Понятие гидросферы включает все свободные воды Земли, которые не связаны химически и физически с минералами земной коры, то есть могут двигаться под действием гравитации и тепла. Из общей поверхности Земли в 510 млн кв. километров 87%, или 443 млн кв. километров, занимает гидросфера. Водоемы Моря и океаны Реки и озера Болота Площадь, млн кв. км 361 2, 3 3 Оледенение Снежный покров 16, 3 60 Общая площадь 443
Природные процессы загрязнения воды: вулканическая и флюидная активность Земли; физико-химическое взаимодействие с горными породами; выпадение природных атмосферных осадков; биологическая активность. Все реки планеты ежегодно выносят в моря и океаны около 20 млрд. тонн твердых частиц в результате разрушения суши и около 3 млрд. тонн растворенных веществ.
Антропогенное загрязнение воды происходит по следующим основным направлениям: сток с промышленно-урбанизированных территорий; сток с сельскохозяйственных территорий; выпадение с атмосферными осадками продуктов антропогенной деятельности; выбросы и утечки из хранилищ токсичных и радиоактивных отходов; аварии нефтепроводов и нефтеналивных танкеров; разведка и добыча полезных ископаемых.
Сточные воды: технологические, образующиеся в процессах предварительной мойки, промежуточной или финишной промывки, а также при использовании воды в качестве растворителя или носителя; хозяйственно-бытовые, образующиеся в жилищно-бытовом секторе, а также в сфере общественного питания и санитарногигиенического обслуживания; поверхностные, формирующихся за счет дождевых и талых снеговых вод. а также при мокрой уборке территорий.
Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы: неразлагающиеся или медленно разлагающиеся в природе вещества, такие как ионы металлов, минеральные соли, углеводороды нефти, устойчивые органические загрязнители и др. ; водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, в том числе токсичные; легкоусвояемые органические соединения (биогенные вещества). Доля антропогенного поступления: свинца – 92% нефти – 88%; хлорированных углеводородов – 100%. В среднем в океан поступает не менее 2, 5 кубокилометров нефтепродуктов.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДЫ Осадки Вулканическая активность Смыв Сток Миграция через почвенный слой Пластовые флюиды
Потребление воды Человек каменного века потреблял менее 10 литров воды в сутки, в Римской империи – до 700 литров, а житель США – около 7000 литров. На бытовые нужды в развитых странах потребляется 220 – 320 литров воды в сутки на человека. Самым крупным потребителем воды является сельское хозяйство. Для получения: 1 тонны пшеницы требуется 1. 500 тонн воды; 1 тонны риса требуется более 7. 000 тонн воды; 1 тонны хлопка требуется около 10. 000 тонн воды. .
Потребление воды Второе место по водоемкости занимает промышленность. Потребность предприятий в воде определяется технологией, системой водоснабжения, климатическими условиями и др. Для получения: 1 тонны угля требуется 2 тонны воды; 1 тонны стали требуется 15 – 20 тонн воды; 1 тонны целлюлозы требуется 400 – 500 тонн воды; 1 тонны синтетического волокна требуется около 500 тонн воды.
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЛИТОСФЕРУ
Естественно-природные виды воздействия, затрагивающие глубины литосферы: катастрофические процессы и явления – землетрясения (движение плит), извержения вулканов; выпадение осадков, содержащих химические соединения (кислоты типа серной, азотной или угольной), которые могут переводить в растворимое состояние минералы осадочных пород (карстообразование).
Антропогенные виды воздействия: выемка полезных ископаемых любого вида – жидких, твердых, газообразных – связанные с ними операции – бурение, закачка в пласт жидких и газообразных веществ; строительные работы любого профиля, осуществляемые с использованием обычной дорожно-строительной техники закачка в пласты жидких отходов – химических и радиоактивных; размещение твердых промышленных и бытовых отходов; отбор пресных и минерализованных вод для питьевого водоснабжения или иных целей; подземные ядерные взрывы; создание условий для землетрясений (сооружение водохранилищ, регламентные работы при подземной выемке твердых полезных ископаемых).
Основные негативные процессы, приводящие к деградации почвенного слоя: водная и ветровая эрозия переувлажнение заболачивание подтопление засоление и осолонцевание уплотнение и слитизация дегумификация подработка захламление загрязнение
Процессы деградации почвы обусловлены: на 56% водной эрозией на 28% - ветровой эрозией на 12% - химической деградацией на 4% - физической деградацией
Химизация (химическое загрязнение) Химизация (внесение минеральных удобрений и пестицидов) может вызывать: нарушение круговорота и баланса питательных веществ и тем самым снижение плодородия почвы и урожая сельскохозяйственных культур снижение качества продуктов развитие грибковых и других заболеваний растений, рост сорняков из-за нарушения соотношения макро- и микроэлементов в почве попадание питательных элементов удобрений и почвы со стоками в грунтовые воды и поверхностные водоемы, вызывающее их эвтрофикацию проникновение в стратосферу окислов азота, образующихся при денитрификации азотных соединений почвы и удобрений
Все почвенные организмы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и окружающей неживой средой, способностью выделять различные вещества: Аттрактанты Репелленты Ретарданты Акселеранты Киллеры (токсины, микотоксины) Метаболические (аллелохимические) связи проявляются в том, что населяющие почву живые организмы выделяют в окружающую среду различные продукты, выполняющие функции сигнальных метаболитов и влияющие на рост и развитие растений.
Фиксация азота Синтез аммиака в промышленных условиях происходит при температуре 450 – 5000 С, давлении 16 миллионов Па в присутствии пористого железа как катализатора. Выход аммиака в результате составляет 10 – 20%. При этом фиксируется около 5% из всего связываемого на Земле азота. Небиологические процессы, идущие в атмосфере (атмосферное электричество, антропогенное сжигание органического топлива и др. ) дают всего 0, 5% фиксированного азота. Почвенные микроорганизмы обладают способностью фиксировать газообразный азот и переводить его в усвояемые для растений соединения. Микроорганизмы, связывающие молекулярный азот, называются азотфиксаторами, или диазотрофами. Суммарная годовая азотфиксация в наземных экосистемах составляет 175 – 190 млн тонн, из которых 90 – 110 млн тонн приходится на экосистемы почвы. Азотфиксирующие бактерии бывают двух типов - симбиотические и несимбиотические.
Круговорот тяжелых металлов в почве Органические и неорганические ионы и комплексы в почве Природные процессы (разрушение горных пород, вулканические процессы) Растения и микробиоценоз Животные Деятельность человека Разложение Смыв Растворимые и нерастворимые соединения в гидросфере
Ферменты можно подразделить на 6 больших групп: 1. оксиредуктазы (дегидрогеназы, оксидазы, редуктазы, пероксидазы, гидрогеназы, гидрокислазы) – ферменты, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции 2. трансферазы (аминотрансферазы, метилтрансферазы) – ферменты, которые катализируют перенос химических групп 3. гидролазы (эстеразы, гликозидазы, пептидазы, протеиназы, фосфолипазы) – ферменты, которые катализируют гидролитическое расщепление связей СО, С-С и С-N; аналогичные ферменты катализируют расщепление иных связей, например, сульфатазы и фосфотазы 4. лиазы (декарбоксилазы, гидратазы, дегидратазы) – ферменты, которые катализируют расщепляют связи С-О, С-С и С-N с образованием в результате двойных связей 5. изомеразы (рацемазы, эпимеразы, цис-транс-изомеразы, таутомеразы и мутазы) – ферменты, которые катализируют геометрические изменения в молекулах 6. лигадазы или синтетазы – ферменты, которые катализируют соединение двух молекул, сопровождающееся гидролизом фосфатных связей в АТФ или аналогичных молекулах
Фермент Исходный металл Металл, способный заменить исходный металл, и последствия замены Уменьшение активности Полное ингибирование Декарбоксилаза (лиаза) Марганец Магний Кобальт, никель, цинк Энолаза (изомераза) Марганец Магний, цинк, железо, кобальт, никель Бериллий, медь АТФ-азы (синтетаза) Марганец Магний, никель, цинк Медь, ртуть, свинец Аргининаза Марганец Никель, кобальт Медь Карбоксилаза Цинк Кобальт, никель, марганец Медь, кадмий, ртуть, свинец Пептидаза (гидролаза) Цинк Кобальт, никель, марганец Медь, кадмий, ртуть, свинец Дегидрогеназа (оксиредуктаза) Цинк Кобальт, никель, марганец Медь, кадмий, ртуть, свинец Трансфераза Железо Медь, хром, марганец
Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода (CO), азота (NO, N 2 O, NO 2) и серы (SO 2), углеводороды и взвешенные частицы. Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут: 1. оседать под действием силы тяжести 2. физически захватываться оседающими частицами (осадками) и поступать в гидросферу или литосферу 3. включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углерода, серы, азота и др. ) 4. 4. находиться в атмосфере длительное время и переноситься с потоками воздуха на большие расстояния (возможен так называемый трансграничный перенос)
Скачать презентацию ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ Профессор Соловьянов Александрович Часть 2 —
РГУ - экология. Часть 2 - студенты.ppt