Экология как наука

1. Экология как наука

Как самостоятельная  наука экология сформировалась приблизительно к 1900 г. Термин "экология" был предложен  немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Следовательно, это сравнительно молодая наука. Но именно она переживает в настоящее время период быстрого роста.

Экология (греч. oicos - дом и logos - наука) в буквальном смысле - наука о местообитании.

Существует много  определений экологии, однако подавляющее  большинство современных исследователей считает, что экология - это наука, изучающая условия существования  живых организмов и взаимосвязи  между организмами и средой, в  которой они обитают.

Понятие экологии очень  обширно, поэтому в зависимости  от акцента на той или иной ее задаче меняется и формулировка определения. Для "долгосрочного употребления" лучшим может быть, например, следующее: "Экология - это биология окружающей среды". Для последних десятилетий XX в. наиболее подходит одно из определений  экологии, приведенное в полном словаре  Уэбстера: "Предмет экологии - это  совокупность или структура связей между организмами и средой". Эрнст Геккель дал этой науке  исчерпывающее определение: "Под  экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений  животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической, и прежде всего - его дружественных  или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми оно прямо или косвенно вступает в контакт. Одним словом экология - это изучение всех сложных взаимоотношений, которые Дарвин назвал условиями, порождающими борьбу за существовавание".

Экология, как и  всякая другая наука, имеет два аспекта :

первый - это стремление к познанию ради самого познания,

второй - применение собранных знаний для решения  практических проблем, связанных с  окружающей средой.

Все возрастающее значение экологии объясняется тем, что ни один из вопросов огромной практической важности в настоящее время нельзя решить без учета связей между  живыми и неживыми компонентами природы.

Практический выход  экологии можно видеть, прежде всего, в решении вопросов природопользования; именно она должна создать научную  основу эксплуатации природных ресурсов. Законы, лежащие в основе естественных природных процессов, будут в  центре нашего внимания. Однако прежде необходимо остановиться на взаимоотношении  экологии и охраны природы. Западные ученые обычно различают науку экологию и науки об окружающей среде. Экология изучает три группы факторов среды, воздействующих на организмы:

абиотические

биотические

антропогенные.

Охрана природы  рассматривает только третий фактор - воздействие человека на среду, и  то не во всем совпадает с общеэкологическим подходом. Охрана природы и шире и уже раздела экологии, который исследует влияние антропогенного фактора на природу. Уже - потому, что анализируется не любое воздействие, а лишь то, последствие которого может иметь значение для жизни человеческого общества. Шире - потому, что рассматривается влияние антропогенного фактора не только на органический мир, но и на неживую природу.

 

11.

Источники загрязнения воды. Экологические последствия загрязнения  природных вод

Согласно рекомендациям  Всемирной организации здоровья (ВОЗ) вода в водоёме (водотоке) считается загрязнённой, если в результате изменения её состава или состояния вода становится менее пригодной для любых видов водопользования, в то время как в природном состоянии она соответствовала предъявляемым требованиям. Определение касается физических, химических и биологических свойств, а также наличия в воде посторонних жидких, газообразных, твёрдых и растворённых веществ.

В настоящее время все  источники загрязнения гидросферы принято делить на четыре большие  группы.

1. Атмосферные воды. Во-первых, они приносят в гидросферу массу загрязнителей промышленного происхождения. Так, атмосферные воды вымывают из воздуха оксиды серы и азота, образуя упомянутые выше (разд. 2.6.4.) кислотные дожди. При стекании по склонам атмосферные и талые воды увлекают с собой массы веществ с городских улиц, промышленных предприятий: мусор, нефтепродукты, кислоты, фенолы и др.

2. Городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, моющие средства (детергенты), микроорганизмы, в том числе патогенные.

3. Промышленные сточные  воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях промышленности, среди которых наиболее активно потребляют (и загрязняют) воду: чёрная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперерабатывающая промышленность, энергетика и др.

Внутри предприятий сточные  воды, как правило, подразделяются на сильно загрязнённые стоки, слабо загрязнённые воды, условно чистые воды (охлаждающие воды),специфические чрезвычайно концентрированные стоки (например, кубовые остатки и маточные растворы), бытовые и хозяйственно-фекальные стоки, направляемые на биологическую очистку. Очевидно, что по химическому составу промышленные стоки наиболее разнообразны, поскольку именно здесь производятся или обращаются практически все известные сегодня вещества.

4. Сельскохозяйственные  стоки, содержащие смытые в процессе эрозии частицы почвы, биогены, входящие в состав удобрений, пестициды (химические средства для защиты сельскохозяйственных растений и животных соответственно от сорняков, паразитов, насекомых), помёт сельскохозяйственных животных и ассоциированные с ним бактерии и др.

Все эти загрязнения, так  или иначе, являются полностью или  в основном побочным результатом  деятельности человека, всей человеческой популяции. Напомним, что каждый организм, каждая популяция в естественной экосистеме производит отходы, потенциально загрязняющие биосферу. Однако в естественных экосистемах отходы одних организмов становятся пищей или «сырьём» для  других и не накапливаются до уровня, вызывающего неблагоприятные изменения  в окружающей среде, разлагаются  и рециклизуются.

На протяжении своей истории  человек избавлялся от отходов за счёт таких же природных процессов. Демографический взрыв и возрастающий расход сырья и энергии привели  к поступлению в биосферу (в  том числе в гидросферу) столь  больших количеств отходов, что  естественные экосистемы уже не способны ассимилировать и рециклизовать их. Мало того, производится всё больше небиодеградирующих материалов, что усугубляет проблему.

В настоящее время нет  единой классификации сточных вод, узаконенной правилами или нормами. Ряд классификаций сточных вод  и их примесей приводятся в работах  по очистке сточных вод. В качестве критериев используется и характер воздействия примесей на водоёмы. Так, широко распространена классификация  сточных вод, в основе которой  лежит различие характера примесей с точки зрения их физико-химического  состава. Согласно этой классификации примеси в сточных водах делятся на две группы [61,62].

Первая представляет собой примеси, образующие с водой стоков гетерогенные системы. Сюда входят, во-первых, нерастворимые в воде примеси с величиной частиц 100 нм и более (грубодисперсные примеси, ГДП). Грубодисперсные частицы распределяются в воде механически и практически не способны к диффузии. В зависимости от разницы плотности вещества частицы и воды, Δ&pho;, частицы могут быть тонущими, Δ&pho; > 0, взвешенными, Δ&pho; = 0, всплывающими, Δ&pho; < 0. Такая гетерогенная система образует эмульсию, если грубодисперсная примесь – жидкость, или суспензию, если примесь – твёрдое тело. В области нижней границы дисперсного спектра (ближе к 100 нм) грубодисперсные примеси выделяются из воды с большим трудом и могут пребывать в ней значительное время, вызывая мутность воды. К этим примесям относится широко распространённый термин: взвешенные вещества.

В первую группу входят также коллоидно-дисперсные примеси с величиной коллоидных частиц от 1 до 100 нм. Эти частицы участвуют в броуновском движении (способны к диффузии). Коллоидные примеси обладают большой седиментационной устойчивостью (равномерным распределением по объёму воды), а также агрегативной устойчивостью (неизменностью дисперсного состава в течение длительного времени). Последнему способствует то обстоятельство, что коллоидные частицы имеют одинаковые (отрицательные) электрические заряды, и электрическое поле зарядов частиц затрудняет их коагуляцию (укрупнение) и седиментацию (оседание).

Примеси второй группы относятся к истинно растворенным примесям, представляющим собой отдельные ионы, молекулы или комплексы, состоящие из нескольких молекул. Частицы таких примесей имеют размеры менее 1 нм. Они не имеют поверхности раздела, поэтому вместе с водой они составляют гомогенную систему.

По химическому характеру примеси разделяются на газовые, минеральные и органические.

В табл. 7.3 представлена классификация  сточных вод по их действию на водоёмы.

Таблица 7.3

Классификация сточных вод  по их действию на водоёмы 

Как следует из Главы 2, водоёмы представляют собой сложные экосистемы существования сообщества (биоценоза) живых организмов (гидробионтов): растений, животных, микроорганизмов. Экосистемы формировались в течение длительного времени эволюции. В них постоянно идут процессы поддержания гомеостаза экосистемы.

То есть процессы адаптации  биоценоза к изменяющимся условиям существования, в том числе и  процессы изменения состава примесей, направленные на достижение равновесия в экосистеме. Состояние равновесия может быть нарушено в результате многих причин, но особенно в результате сброса сточных вод.

Отклонение экосистемы от равновесного состояния, вызванное  сбросом сточных вод, может привести к отравлению и гибели определённых популяций гидробионтов, что приводит к угнетению всего биоценоза. Отклонение от равновесия интенсифицирует  процессы, приводящие водоём в оптимальное (равновесное) для него состояние  и называемыепроцессами самоочищения водоёма.

Важнейшие из них: осаждение  грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей; окисление (минерализация) органических примесей; окисление минеральных  примесей кислородом; нейтрализация  кислот и оснований; гидролиз ионов  тяжёлых металлов, приводящий к образованию  их малорастворимых гидроокисей  и выделению их из воды.

Процессы самоочищения зависят  от температуры воды, состава примесей, концентрации кислорода, pH воды, концентрации вредных примесей, препятствующих или затрудняющих протекание процессов самоочищения водоёмов.

Особенно значим в процессах  самоочищения кислородный режим водоёмов. Расход кислорода на минерализацию органических веществ определяется через биохимическое потребление кислорода (БПК).

Которое выражается количеством  О2, использованного в биохимических (при помощи бактерий) процессах окисления органических веществ за определённое время инкубации пробы (мгО2/сутки).

Пользуются или пятисуточной (БПК5) или полной (БПКп) биохимической потребностью кислорода. При большом сбросе органических веществ наступает дефицит кислорода, дестабилизируется биоценоз, развивается анаэробная (бескислородная) минерализация органических веществ, что вызывает значительное ухудшение качества воды.

Заметим, что, таким образом, нарушение и даже разрушение биоценоза  в водоёме возможно при значительном сбросе в него органических веществ, совершенно не относящихся к вредным  веществам.

Столь же тяжёлые экологические  последствия наступают в водоёме  при сбросе в него других веществ, не относящихся к вредным или ядовитым – биогенов.

Биогены – веществ, необходимых для существования живых организмов: соединения (соли) фосфата, азота, калия, кальция, серы, магния.

Биогены во всё увеличивающихся объёмах поступают в гидросферу из всех вышеназванных источников, особенно – из стоков сельского хозяйства и коммунальных стоков. Попадая в водоёмы и водостоки, которые в естественном состоянии олиготрофны, то есть, бедны биогенами, биогены вызывают бурный рост фитопланктона.

Фитопланктон – множества  видов водорослей, представляющих собой  отдельные клетки, их скопления или  «нити», которые держатся вблизи поверхности (на поверхности) воды, не связаны с дном и получают биогены из воды.

Вместе с частицами  почвы, выносимыми в водоёмы из-за эрозии почв, фитопланктон препятствует прохождению солнечного света в  толщу воды, вследствие чего нарушаются процессы фотосинтеза водных растений, погружённых в воду (бентоса) и укоренённых в дне водоёма, откуда они получают биогены.

В результате резко уменьшается  поступление кислорода, производимого  бентосными растениями при фотосинтезе. Кислород, выделяемый фитопланктоном при фотосинтезе, пересыщает верхний  слой воды и улетучивается с её поверхности.

У фитопланктона короткий жизненный цикл, он быстро отмирает, что ведёт к накоплению большой  массы отмершего фитопланктона  – детрита. Питаясь детритом, редуценты, в основном, бактерии, потребляют кислород, уменьшая его содержание в воде. В результате бентосные растения вытесняются фитопланктоном, рыбы, и другие обитатели водоёмов задыхаются и гибнут. Эти процессы, усиливающиеся во всём мире, получили название эвтрофикации. Свою лепту в эвротрофикацию вносят и взвешенные частицы, попадающие в водоём в результате эрозии почв.

Вещество этих частиц не отнесено к разряду химически  вредных. Но они уменьшают прохождение  света в толщу воды, засоряют жабры  и пищедобывающие органы, обволакивают икринки рыб и других водных организмов.