Экосистема

Основополагающим объектом изучения экологии является взаимодействие пяти уровней взаимодействия материи: живые организмы, популяции, сообщества, экосистемы и экосфера.

Экосистема – совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой.

Выделяют три группы природных экосистем: наземные (биомы), пресноводные и морские.

Наземные экосистемы – тундра, тайга, пустыни, широколиственные леса, степи, саванны.

Пресноводные экосистемы – стоячие воды: озера, пруды, водохранилища; текущие воды: реки, ручьи; заболоченные угодья: болота и марши.

Морские экосистемы­ – открытый океан, воды континентального шельфа, эстуарии.

Экосистемы можно разделить на:

микроэкосистемы (ствол упавшего дерева или поляна в лесу)

мезоэкосистемы (лесной массив)

макроэкосистемы (тайга, море)

Экосистемой высшего уровня является биосфера Земли.

Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя смежными экосистемами называется экотоном. Экотон включает в себя представителей обеих смежных экосистем, а также нередко виды живых организмов, которые не встречаются в данных экосистемах, в результате экотон обладает большим разнообразием организмов, чем близлежащие территории.

Все организмы делятся на на две большие группы – автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие организмы. Используя энергию света, они из углекислого газа и воды синтезируют глюкозу, выделяя в качестве побочного продукта кислород.

6CO₂ + 6H₂O + солнечная энергия = C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Некоторые живые организмы, в основном бактерии, способны поглощать из окружающей среды неорганические соединения и преобразовывать их в органические питательные вещества без присутствия солнечного света. Этот процесс называется хемосинтезом. Например, в некоторых районах океана гидротермальные выходыслужат источником огромных количеств горячей соленой морской воды и сероводорода. Там в абсолютной темноте в условиях высоких температур специальные бактерии путем хемосинтеза преобразуют неорганический сероводород в необходимые им органические вещества.

Гетеротрофные организмы – нуждаются в органической пище. К ним относятся все животные, некоторые растения (паразиты, грибы), некоторые бактерии.

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические (пищевые) взаимодействия. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Таким образом образуется цепь последовательной передачи вещества от одних организмов к другим, которая называется трофической цепью.

Основные типы организмов, которые формируют живые, или биологические компоненты экосистемы принято подразделять на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты (автотрофы «самопитающиеся») – организмы, производящие органические соединения, используемые ими как источник энергии и питательных веществ, а также производители продукции, которой потом питаются все остальные организмы (зеленые растения, производящие органические вещества из неорганических).

Консументы – потребители органических веществ. Организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь продуцентами. В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

- фитофаги (растительноядные) – консументы первого порядка, питающиеся исключительно растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву. Олени и зайцы питаются ветками и листьями. Кузнечики потребляют все части растений.

- хищники (плотоядные) – консументы второго порядка, которые питаются иключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы третьего порядка, питающиеся только плотоядными животными. Например, пауки и птицы, которые едят хищных насекомых, и тунец, который питается сельдью – вторичные консументы. Ястреб и сокол, которые охотятся на змей и горностаев, а также акула, питающаяся другими рыбами – третичные консументы.

- эврифаги (всеядные) – могут поедать как растительную, так и животную пищу. Например, свиньи, крысы, лисы, тараканы и человек.

Редуценты (восстановители) – возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов. Возвращая в почву или водную среду биогенные элементы, они тем самым завершают биохимический круговорот. Существуют два основных класса редуцентов:

- детритофаги напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. К ним относятся, например, крабы, шакалы, термиты, дождевые черви, многоножки, муравьи и грифы.

- деструкторы – большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно мертвые древесные породы и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате чего сложные органические молекулы делятся на более простые неорганические соединения. Этот процесс, который также входит в пищевую цепь, происходит благодаря деструкторам. К деструкторам относятся два типа организмов – грибы и микроскопические одноклеточные бактерии. В свою очередь грибы и бактерии являются важными источниками питания для червей и насекомых, обитающих в почве и в воде.

Редуценты являются завершающим звеном в круговороте веществ.

Перенос энергии пищи от её источника - автотрофов (растений) - через ряд организмов, происходящий путём поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. При каждом переносе большая часть (80-90%) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому, чем короче пищевая цепь (чем ближе организм к её началу), тем больше количество энергии, доступной для популяции. Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищная цепь, которая начинается с зелёного растения и идёт далее к пасущимся растительноядным животным (т.е. к организмам, поедающим живые растительные клетки или ткани) и к хищникам (организмам, поедающим животных), и детритная цепь, которая от мёртвого органического вещества идёт к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам. Пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетаются друг с другом, образуя, так называемые пищевые сети. В сложных природных сообществах организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню. Так, зелёные растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные - второй (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных, - третий (уровень вторичных консументов), а вторичные хищники - четвёртый (уровень третичных консументов).

С увеличением размеров снижается не общий метаболизм, а удельный. Взрослому человеку требуется пищи больше, чем маленькому ребёнку, но на один килограмм массы взрослый потребляет меньше пищи.

Некоторые вещества по мере продвижения по цепи не рассеиваются, а наоборот накапливаются. Это так называемое концентрирование в пищевой цепи (биоконцентрирование) нагляднее всего демонстрируют устойчивые радионуклиды и пестициды.

Динамические процессы в экосистемах

Экологическая система не является абсолютно стабильным, застывшим образованием. В ней постоянно осуществляются жизненные процессы, связанные с переходом вещества и энергии с одних пищевых уровней на другие, с изменением численности и плотности популяций в результате взаимодействия хищников с жертвами, а жертв с источниками их корма. Биоценоз экосистемы изменяется под воздействием факторов экотопа, причем эти воздействия обладают различной интенсивностью и скоростью (например, биотические и геологические круговороты).

Вместе с тем мы прекрасно знаем, что подвижность экосистемы также относительна: экосистемы таежных лесов или целинных степей существуют длительное время (сотни лет) и, на первый взгляд, стабильны, устойчивы, неподвижны. За короткий отрезок времени в них трудно обнаружить значительные изменения в составе биоты или режимах абиотических факторов, хотя в отдельных случаях массовые размножения некоторых видов животных (например, лесных насекомых) существенно трансформируют экосистему на тот или иной отрезок времени, а иногда служат толчком к ее замене на другую. Таким образом, мы сталкиваемся с тем фактом, что экосистемы, с одной стороны, действительно стабильны, а с другой - подвижны, динамичны во времени и пространстве. Очевидно, что если бы экосистемы существовали в течение короткого времени, быстро заменяясь другими, то накопление питательных веществ и стабильное развитие и размножение животных было бы не возможно. Подвижно-стабильное состояние биогеоценозов (экосистем) во времени и пространстве представляет собой результат двух процессов: гомеостаза и сукцессии.

Важнейшим свойством биогеоценоза (экосистемы) является его устойчивость, сбалансированность происходящих в нем процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами, вследствие чего биогеоценозу свойственно состояние так называемого подвижного равновесия, или гомеостаза (от греч. гомео - тот же, подобный, стазис - состояние).

Гомеостаз - это, в сущности, подвижное равновесие, и в любой экологической системе идут процессы, меняющие ее во времени и пространстве. При этом изменяется состав биоты, структура экосистемы и ее продуктивность.

Последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных факторов (в том числе внутренних противоречий развития самих биоценозов) или воздействия человека, называется сукцессией (от лат. сукцессио - последование, следую).

Данная смена происходит в силу действия экологического принципа (закона) сукцессионного замещения. Природные биотические сообщества последовательно формируют закономерный ряд экосистем, ведущий к наиболее устойчивому в данных условиях состоянию климакса. Сукцессия - постепенный процесс изменения структуры и состава биоценоза.

Для возникновения сукцессии необходимо свободное пространство. В зависимости от первоначального состояния субстрата, различают первичную и вторичную сукцессии. Первичная сукцессия — это если формирование сообществ начинается на первоначально свободном субстрате, а вторичная сукцессия — это последовательная смена одного сообщества, существовавшего на данном субстрате, другим, более совершенным для данных абиотических условий.

Первичная сукцессия позволяет проследить формирование сообществ с самого начала. Она может возникнуть на склоне после оползня или обвала, на образовавшейся отмели при отступлении моря и изменении русла рекой, на обнаженных эоловых песках пустыни, не говоря уже об антропогенных нарушениях: свежая лесосека, намывная полоса морского побережья, искусственные водохранилища.

Вторичная сукцессия является, как правило, следствием деятельности человека.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Воздействие человека на окружающую среду:

1. Синтез веществ, отсутствующих в естественных условиях, обладающих качествами, не свойственными природным соединениям.

2. Строительство широкой сети газо- и нефтепроводов, дорог, что приводит к массовому транспортированию сырья из районов добычи к районам переработки, а также с транспортировкой веществ.

3. Интенсификация с/х производства, путём массового применения удобрений, пестицидов (побочное воздействие на о с выявляется через длительное время).

Загрязнение окружающей среды – это поступление в среду любых веществ (твёрдых, жидких, газообразных) или видов энергии (тепла, шума, радиоактивности) в таких количествах, которые оказывают вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и косвенно.

В своё время открытие инсектицидных свойств дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) было оценено Нобелевской премией. Его мировое производство в течение 30 лет достигало ежегодно 100 тыс. т., а применение спасало урожаи многих с/х культур. Но сам ДДТ обладает способностью прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей.при попадании препаратов близких к ДДТ в воду в количестве 0,014 части на миллион, его содержание в плангтоне составит уже 0,5 частей на миллион, а в мышцах рыб – 221 часть, т. е. возрастает более чем в 10⁴ раз. Неожиданно ДДТ был обнаружен в тканях пингвинов в Антарктиде, где его никогда не применяли. Сейчас его использование запрещено.

Диоксины. Их называют суперэкотоксикантами, в силу их чрезвычайно высокой токсичности и высокой активности. Это группа веществ, которая вкл в себя дибензо 1,4-диоксины, дибензофураны. В эту группу входят сотни хлор, бром и хлорброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах – от целлюлозно-бумажного и металлургического до биологической очистки сточных вод и хлорирования питьевой воды, при сжигании отходов, сгорания ьоплива в двигателях. Эти вещества по своей токсичности превосходят соединения тяжёлых металлов, хлорорганических пестицидов (ДДТ). Они способны накапливаться в организме, вызывать острые, хронические отравления, являться причиной многих хронических заболеваний: перерождения кожи и слизистых, нарушение в развитии плода у женщин, разрушения печени, злокачественных образований.

Нитраты, нитриты, широко применяемые в качестве удобрений в с/х. Непосредственно для растений избыток нитратов значительной опасности не представляет, но при попадании в организм теплокровных с пищей они превращаются в значительно более токсичные нитриты, вступающие во взаимодействие с аминами и амидами, в результате возможно образование нитрозаминов и нитрозамидов. Накопление в организме человека нитратов при длительном употреблении такой растительной пищи вызывает тяжёлые нарушения обмена веществ, аллергию, нервные расстройства.

ПАВы. Входят в состав моющих средств. Состоят из грап ПАВ и нескольких связывающих компонентов. При загрязнении воды ПАВами фосфор, содержащийся в связывающих агентах легко гидролизуется с образованием нетоксичного монофосфата, который является питательной средой для растений. Растения начинают очень активно расти, водоём зарастает, кислорода не хватает.

Промышленные загрязнения могут быть:

1. Механические.

К ним относятся: - запыление атмосферы

- твёрдые частицы

- разнообразные предметы в воде и почве

2. Химические

Всевозможные газообразные, жидкие, твердые химические соединения и элементы, попадающие в атмосферу и гидросферу и вступающие во взаимодействие с окружающей средой.

3. Физическое

К ним относятся все энергетические загрязнения:

- тепловые выбросы

- механическая энергия, включая вибрацию, шум и ультразвук

- все виды излучений и полей.

4. Биологическое

Вызвано видами организмов, появившихся при участии человека и наносящих вред ему самому или живой природе.

Выбросы вредных веществ в атмосферу

Газ или воздух, в которых неопределённо долгое время находятся во взвешенном состоянии пыль или капельки жидкости, называется аэрозолем. Физико-химические свойства промышленной пыли зависят, в основном от её природы, т. е. от материала или вещества, из которого она образовалась, а также от механизма её образования (измельчение, сгорание).

Промышленные пыли образуются в процессах:

- дробление и истирание – аэрозоли дезинтеграции;

- испарение с последующей конденсацией в тв частицы - аэрозоли конденсации;

- горения с образованием в воздухе тв частиц – продукты неполного сгорания топлива (дымы);

По дисперсному составу пыли делятся на:

- крупнодисперсные – видимые невооружённым глазом, с размером пылинок > 10 мкм;

- мелкодисперсные – с размером пылинок < 10 мкм.

Дисперсный состав пыли определяет скорость её седиментации (осаждения) – она тем меньше, чем мельче размеры пылинок.

При высокой дисперсности пыли обладают повышенной хим активности, благодаря большей поверхности.

Загрязнения в атмосферу могут поступать из источников непрерывно или периодически, залпами или мгновенно. В случае залповых выбросов за короткий промежуток времени в воздух выделяется большое количество вредных веществ. Залповые выбросы возможны при авариях, при сжигании быстрогорящих отходов производства на специальных площадках уничтожения. При мгновенных выбросах загрязнения выбрасываются в доли секунды иногда на значительную высоту. Они происходят при взрывных работах и авариях.

Газовые выбросы классифицируют также

по организации отвода и контроля — на организованные и неорганизованные;

по температуре — на нагретые (температура газопылевой смеси выше температуры воздуха) и холодные;

по признакам очист­ки—на выбрасываемые без очистки (организованные и неорга­низованные) и после очистки (организованные).

Организованный промышленный выброс --это выброс, посту­пающий в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды, трубы, а неорганизованным выбросом называют промышленный выброс поступающий в атмосферу в виде нена­правленных потоков газа в результате нарушения герметично­сти оборудовании; отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки и хра­нения продукта.

Для обезвреживания аэрозолей (пылей и туманов) использу­ют сухие, мокрые и электрические методы. Кроме того, аппара­ты отличаются друг от друга как по конструкции, так и по принципу осаждения взвешенных частиц. В основе работы сухих аппаратов лежат гравитационные, инерционные и центробежные механизмы осаждения или фильтрационные механизмы. В мо­крых пылеуловителях осуществляется контакт запыленных газов с жидкостью. При этом осаждение происходит на капли, на поверхность газовых пузырей или на пленку жидкости. В электрофильтрах отделение заряженных частиц аэрозоля происходит на осадительных электродах.

Выбор метода и аппарата для улавливания аэрозолей в пер­вую очередь зависит от их дисперсного состава:

Для обезвреживания отходящих газов от газообразных н парообразных токсичных, веществ применяют следующие мето­ды: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, ка­талитические, термические, конденсации и компримирования.

Производственные сточные воды – это воды, использованные промышленными предприятиями и подлежащие очистке от вредных примесей.

Загрязнения стоков разнообразны по дисперсности и агрегатному состоянию. Они могут присутствовать в сточных водах в виде химических растворов (размеры частиц 10^-8см), в виде коллоидных растворов (с размерами частиц от 10^-7до 10^-3см) и в виде грубодисперсных систем (более 10^-5см). К последним относятся эмульсии нерастворимых в воде жидкостей (масло), взвешенных в виде капелек, и суспензии – взвеси тв частиц, размеры которых могут достигать нескольких мм. Дисперсность определяет скорость оседания частиц в воде.

Производственные сточные воды подразделяются на условно чистые (оборотные) и грязные. Условно-чистыми, как правило, являются воды от охлаждения технического оборудования. Эти воды охлаждаются, очищаются от механических загрязнений и масел, и возвращаются в производство при ограниченной добавке свежей воды.

Для выбора метода обезвреживания производственные сточные воды классифицируются по:

- происхождению содержащихся в них веществ (орг., неорг., смешанные);

- концентрации;

- физическим свойствам.

Дата добавления: 2014-01-04