Реферат Экология природопользование, инженерная защита окружающей среды

Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

Имя

Выберите тип работы:

Принимаю Политику конфиденциальности

Скидка 25% при заказе до 17.2.2025

Гипероглавление:
ЭКОЛОГИЯ: ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ,
ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ЭКОЛОГИЯ: ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ,
ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.2. Проблема нехватки продуктов питания
1.3. Проявление парникового эффекта
Экологический кризис – это обратимое изменение равновесного состояния природных комплексов.
Таблица 1.2. Загрязнение атмосферы при работе ТЭЦ на разных видах топлива, г/кВт/ч
1.4. Появление озоновых дыр
1.5. Проблема кислотных дождей
Таблица 1.3. Воздействие подкисленной воды на ихтиофауну (доклад ФАО,
Таблица 1.4. Состояние озёр в некоторых странах мира вследствие выпадения кислотных дождей
1.6. Уничтожение лесов и их последствия
Таблица 1.5. Площади лесов и запасы древесины (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)
1.7. Истощение энерго- и минеральных ресурсов
Таблица 1.6. Мировые запасы топливно-энергетических ресурсов
1.8. Деградация сельскохозяйственных угодий
1.9. Эвтрофирование водоёмов
ультраолиготрофные
антропогенным
Вопросы для самоконтроля
ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ КАК НАУКИ И ЕЁ
Наследственность
Естественный отбор
2.2. Этапы формирования классической экологии
Общая морфология организмов
Устрицы и устричное хозяйство»
пространственная экологическая ниша
правило предварения
Экология животных
Инженерная экология
Сельскохозяйственная экология
Биоресурсная и промысловая экология
Экология поселений и
коммунальная экология
Медицинская экология
2.4. Системные связи в биосфере
                           ─                              +
ГЛАВА 3. ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ В ЭКОЛОГИИ
3.2. Экологические факторы и типы реакций организмов на внешние воздействия
Самая простая форма реакции
регулярно-периодическими
регулярно-первичные и регулярно-вторичные
регулярно-первичным
Вторично-периодические
Непериодические и нерегулярные
по происхождению
Мезофильные (мезофиты) –
Ксерофильные (ксерофиты) –
Эвригалинные -
Стеногалинные –
пятнистый цинпринодон
Питание как экологический фактор
экологический спектр вида.
3.4. Фитоценоз и экологическая ниша
Отношения организмов в биоценозах
трофические, топические, форические, фабрические и другие
Трофические связи
Топические связи
Форические связи
Фабрические связи
Паразитизм ─
Экологический закон жизни
3.7. Экосистемы и их основные свойства
Система в своих   границах
Оценка качества экосистем.
первой закономерности
третьей и четвертой
по биомассе, продуктивности, помехоустойчивости, скорости обмена и резервированию.
Продуктивность
Помехоустойчивость
Характеристика морских экосистем.
Океанические области,
Саморегуляция и устойчивость экосистем
Правило внутренней непротиворечивости
Принцип системной дополненности
Закон экологической корреляции
3.8. Сукцессии, их происхождение и прогнозирование. Синузия
Первичной сукцессией
Популяция и её свойства
вегетативное, партеногенетическое
Поддержание оптимальной в данных условиях численности особей называют гомеостазом популяции
рождаемость, численность и плотность
Плотность популяции
   .   .   .   .   .
   .   .   .   .   .
                    .
Половые группировки
Генетическая структура
Рост популяции и кривая роста
этологической или поведенческой структурой популяции.
Популяционный уровень
выраженный влажный и сухой по сезонам.
называется континентальным шельфом.
литоральная зона
Пирамида энергии.
3.12. Устойчивость современных косистем к техногенезу
Из материалов ООН
Таблица 3.5. Количество некоторых опасных загрязняющих веществ, приходящихся на 1 чел. РФ в
[Лосев К.С. и др.(108)]
Вопросы для самоконтроля
5.1. Природно-ресурсный потенциал
Классификация природных ресурсов.
Основополагающими принципами рационального использования природных ресурсов являются следующие:
Природный    потенциал.
Водные ресурсы.
Естественные биологические ресурсы
Ресурсные циклы
Взаимодействие природы и общества
Понятие ресурсного цикла
Виды ресурсных циклов.
5.3.           Эффективность использования
природных ресурсов
Таблица 5.1. Количество вывезенной древесины (м3) в расчёте на 1 т производства бумаги
Таблица 5.2. Показатели природоёмкости в странах мира
равновесия в биосфере
Государственный природный заповедник (или полный резерват)
Существуют следующие виды лицензий природопользования.
Природоресурсовая лицензия –
Лицензирование на использование земель
Лицензия на использование недр
Лицензия на использование вод.
Лицензия на использование лесов.
основное и побочное.
Лесорубочный билет –
Принцип системного подхода
ни один природный ресурс не может использоваться или сохраняться независимо друг от друга
Принцип оптимизации природопользования
Принцип опережения темпов заготовки и добычи сырья с темпами выхода полезной продукции
Принцип гармонизации отношений природы и производства
мониторинга (впередсмотрящий - от греч.
Принцип комплексного использования природных ресурсов и концентрации производства
Вопросы для самоконтроля
Ротационные пылеуловители
Аппараты мокрой очистки газов или скрубберы
Аппараты фильтрационной очистки
рукавные фильтры
Аппараты электрофильтрационной очистки
называются многопольными
параллельным - многосекционными
многокамерными)
Термическое окисление
Каталитический метод
Для расчёта циклонов необходимы следующие исходные данные:
7.4. Очистка сточных вод
Механическая очистка
Физико-химические методы
сорбция, экстрация
Биологическая очистка
Обеззараживание
Обработка осадков,
Сжигание осадков
Утилизация и ликвидация твёрдых отходов
биологические
7.6. Малоотходные и безотходные производства
7.7. Биотехнологии и их значение для защиты окружающей среды
биологических
Вопросы для самоконтроля
ГЛАВА. 8. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Не спрашивай никогда, по ком звонит колокол: он звонит по тебе.
8.1. Состояние биосферы и болезни населения
8.2. Факторы, вызывающие негативные воздействия на население
Биологические факторы
Диоксины — яды
Бенз(а)пирен.
Нарушение здоровья человека
Тепловые электростанции
Нарушение здоровья человека
Тепловые электростанции
Автомобильный транспорт
Нарушение здоровья человека
Физические факторы
Воздействие шума
Инфразвуковые
электромагнитных полей (ЭМП).
Ионизирующее излучение
8.4. Нитраты и их влияние на организм человека
Таблица 8.4. Коэффициент пересчёта азота
метгемоглобинемия
Хром и литий –
Металлическая ртуть
Неорганические соединения ртути
Болезни человека, связанные с влиянием среды обитания на его психическое состояние
Таблица 8.5. Токсичные и канцерогенные вещества в дыме сигарет (П. Ревель, Ч Ревель, 1995)
Никель, мышьяк, кадмий, свинец
Экологический СПИД человечества
Вопросы для самоконтроля
ГЛАВА 9. ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ЭКОНОМИКИ И ЭКОЛОГИИ
9.1. Взаимосвязанность экологии и экономики
9.2. Эколого-экономический учёт природных ресурсов и загрязнителей
Земельный кадастр
Водный кадастр –
Лесной кадастр
1. Природно-экономические особенности хозяйства
2. Прогноз антропогенных изменений природного комплекса и их влияние на развитие хозяйства
3. Система мер комплексной охраны природы на территории хозяйства
Полезные ископаемые:
Луга и пастбища
10.3. Международное сотрудничество РФ в области охраны природной среды
Первый принцип (основной)
Второй принцип
Третий принцип
Вопросы для самопроверки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В.И. ЛЕНИНА»
И.Г. Мельцаев, А.Ф. Сорокин, С.Г. Андрианов, А.М. Осипов

ЭКОЛОГИЯ: ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ,

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

                        ( В этой части книги даны те главы, которых нет в учебном пособии 2007 г.)
ИВАНОВО 2008
УДК. 574:504.06

М 48

. Экология: природопользование, инженерная защита окружающей среды.: Учеб./ И.Г. Мельцаев, А.Ф. Сорокин, С.Г. Андрианов, А.М. Осипов; ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». - Иваново, 2008. - 552 с.
ISBN
В учебнике изложены вопросы общей экологии, некоторые моменты экологии человека и демографии, природопользования, инженерной защиты окружающей среды, отмечены некоторые пути уменьшения выбросов вредных загрязнителей в биосферу.

Работа в качестве учебника предназначается для студентов энергетических специальностей ИГЭУ, а также для студентов, изучающих курс экологии, и лиц, интересующихся современными проблемами экологии. Все вопросы по экологическому образованию изложены в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего образования.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

Табл. 29                         Ил. 53                   Библиогр.: 143 назв.
Рецензент:

кафедра безопасности жизнедеятельности ГОУВПО «Ивановская государственная сельскохозяйственная академия»; заведующий кафедрой, профессор, Заслуженный работник сельского хозяйства В.И.Иванов
Мельцаев Иван Григорьевич

Сорокин Александр Федорович

Андрианов Сергей Геннадьевич

Осипов Александр Михайлович

ЭКОЛОГИЯ: ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ,

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

УЧЕБНИК
Редактор Т.В. Соловьева

Технический редактор Н.С. Толмачева
Лицензия ИД № 05285 от 4 июля 2001 года
Подписано в печать                2008 г.                                Формат 60801/16

Печать плоская. Усл. печ. л. 32.    Уч. - изд. л.34,2.

Тираж 160 экз. Заказ №

ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34

Типография «ПресСто»

153025, г. Иваново, ул. Дзержинского, 39

ВВЕДЕНИЕ

«Мы   все пассажиры одного корабля по имени Земля, и пересесть из него просто некуда. Поэтому человечество обязано призвать свой разум, найти силы и средства, чтобы воздвигнуть себе надгробный памятник на безжизненной планете с надписью: «Каждый хотел лучше для себя».

Антуан де Сент – Экзюпери

В условиях научно-технического прогресса сохранение окружающей природной среды как местообитания человека стало важнейшей задачей современности. Человечество в условиях техногенеза получило в свои руки мощные орудия воздействия на природную среду. Нынешний этап цивилизации отражает такой уровень знаний и возможностей воздействия людей на биосферу, который приобретает уже характер планетарной силы. По выражению В.И. Вернадского, человечество стало «огромной геологической силой», сравнимой только с силой самой природы. Достижения науки и техники позволяют людям вторгаться в микро- и макромиры и влиять на хрупкие биосферные связи и механизмы, где функционирует живое вещество.

Вторгаясь с помощью технологий и техники в естественные природные процессы, человек часто нарушает закономерности их протекания, вызывая   нежелательные изменения в окружающей природной среде. При разумном же подходе к природе это может приносить только пользу.

Положение человека в биосфере своеобразно. Как биологический вид он - естественная составляющая биосферы, то есть как всё живое он вовлечён в обычные трофические цепи. Человек – гетеротроф, он не может из исходного сырья создавать в своём организме органическое вещество, его он должен получать извне. Значит, составные части биосферы, с которыми человечество связано в питании, должны быть достаточно продуктивными. Человек потребляет кислород и важно, чтобы окружающая воздушная среда была чистой. Но у человека есть потребность постоянно созидать, развивать технику и строить. Для этого он из окружающей природной среды берёт вещества, которые ранее ни одно живое существо не потребляло (руды, топливо, древесину и т.д.), а возвращает в природу массу отходов (пластик, металл, стройматериалы и т.п.), а поскольку они не свойственны природе, то и не имеют своих редуцентов. Так возникают и накапливаются разного рода загрязняющие вещества. Загрязнение природной среды отходами различных химических веществ, созданными промышленностью, а также нерачительное использование минеральных ресурсов породили процессы, которые несут в себе опасность возникновения такой экологической ситуации, когда живое уже не сможет далее существовать. Здесь речь идёт о том, что запороговое загрязнение может привести к разрушению генетической структуры живых организмов, в том числе и человека.

Человек, с одной стороны, естественная составляющая биосферы, а с другой – чужеродная, который по качественному составу и обращению энергии выпадает из общих законов биогенного круговорота. Другими словами, человечество, развивая научно-технический прогресс, вмешивается в чисто биологические процессы, отработанные природой эволюционно за миллионы лет. Свою деятельность человек очень часто направляет таким образом, что она действует вопреки всем законам природы, а это неминуемо ведёт к катастрофическим и стихийным бедствиям.

Результаты этих мощных воздействий и способствовали проявлению современного экологического кризиса на Планете. В нашей стране, по-видимому, идёт эксперимент по загрязнению окружающей природной среды. Ни на одном этапе развития общества не скапливалось такое количество отходов (80 Гт) и не сбрасывалось в воздух, воду и почву такого масштаба загрязняющих и отравляющих веществ. И в этих условиях население России всё ещё не осознаёт приближения экологической катастрофы, поскольку оно плохо информировано о загрязнении природной среды, в которой живёт, и потому безразлично относится к её сохранению и защите. Такое безразличие возникает вследствие крайне низкого уровня экологической культуры, экологического воспитания и образования населения. Люди должны осознать, что ухудшение состояния окружающей среды представляет большую угрозу для их будущего, даже более, чем военная агрессия. Априорно можно представить себе, что человечество за ближайшие несколько десятилетий способно ликвидировать нищету и голод, избавиться от социальных пороков, возродить культуру и восстановить памятники архитектуры, если на это будут средства, но для возрождения разрушенной природы одних денег мало. Здесь потребуются столетия, чтобы остановить её дальнейшее разрушение и отодвинуть приближение экологической катастрофы. Всё это относится не только к России, а всему мировому сообществу. Такому ходу событий необходимо противопоставить действенную экологическую политику и новое экологическое мышление. Это означает, что каждый человек должен заботиться об обеспечении здоровой окружающей среды для себя, детей и будущих поколений, постоянно охранять растительный и животный мир, воздух, воду и почву от вредных последствий хозяйственной деятельности.

В последнее время довольно много ведётся дискуссий по проблеме окружающей среды, это доказывает, что возрастает у людей осознание ответственности за сохранение природы и рационального использования её ресурсов. Но от осознания до правильного «экологически безопасного» поведения – огромное расстояние, которое будет пройдено только в том случае, если мы будем глубже понимать существующие проблемы, и одновременно научимся распознавать сложные взаимосвязи между окружающей средой и развитием общества и станем принимать правильные решения. Для перестройки экологического и экономического мышления и действий потребуется большая сила нравственного убеждения, обеспечивающая соблюдение динамичного развития в системе «общество-природа» без ущерба основополагающим параметрам биосферы и не ставящих под угрозу способность будущих поколений удовлетворять свои потребности и своё воспроизводство.

Сегодня в качестве основных задач в целях охраны окружающей природной среды в РФ необходимо реализовать мероприятия, которые не потребуют больших капитальных и материальных затрат, для этого нужно всего лишь следующее:

не допустить превращения России в сырьевой придаток промышленно развитых стран;
запретить ввоз в страну отработанных ядерных и токсичных промышленных отходов в законодательном порядке;
прекратить бесконтрольную раздачу плодородных земель; они должны передаваться тем, кто занимается производством аграрной продукции;
ввести экологические ограничения на хозяйственную деятельность; на всех загрязняющих природу предприятиях и в организациях должны быть введены нормативы выбросов и сбросов вредных веществ в биосферу;
привлекать иностранный капитал (инвестиции) в природоохранные объекты, на переработку отходов и т.д.

Обеспечение экологичности становится важнейшим компонентом национальной безопасности любого государства и оказывает все большее влияние на благополучие и здоровье людей, а также на экономическое развитие отраслей народного хозяйства. Среди важнейших задач экологической безопасности - это решение проблемы внедрения экологически безопасных и чистых ресурсосберегающих технологий, широкое использование малоотходных производств, выпуск экологичных машин и оборудования.

Важное значение в жизни человека и животных имеет флора и, прежде всего, лес, который считается «легкими» планеты. Неоценима роль леса в охране почв, водных ресурсов, в регулировании климата, источника пищи и здоровья. В результате хозяйственной деятельности значительно сократились площади лесов (35 – 40 %), исчезли с лица земли многие виды растений, животных и птиц, увеличились площади опустыненных земель, идёт процесс антропогенного загрязнения воды, почвы и атмосферного воздуха, а также сокращения многих видов природных ресурсов. Все негативные изменения в биосфере воздействуют не только на человеческое сообщество, но и отражаются на других живых организмах.

Загрязнение происходит за счёт выбросов в биосферу десятков и сотен миллионов тонн различных вредных и опасных веществ. Большой урон наносится почве при извлечении из недр полезных ископаемых и их складировании. Уровень развития технологических и технических систем, характер социально-экономических отношений определяют масштабы этих процессов и направленность воздействия на первичную биосферу. Первичная биосфера является одновременно геофизической, термодинамической, химической, кибернетической и биологической подсистемами биосферы, поэтому поиск оптимальных решений здесь очень сложен. Необходима выработка природосообразного поведения, основанного на знании сущности проблемы взаимодействия общества и природы. Результативность государственных мер по охране окружающей среды и агроэкосистем во многом определяется творческой инициативой людей, заинтересованным участием в проведении природоохранных мероприятий и, прежде всего, лицами, чьи действия или решения оказывают прямое или косвенное воздействие на состояние природной среды.

Принципиально важно придать производственным технологиям экологическую направленность с учетом дальнейших путей развития научно-технического прогресса, особенностей специализации и концентрации производства. Концепция природосообразности должна быть заменена со временем на концепцию производственные системы, а при оценке производительности следует учитывать соотношение полученной продукции с объемом неиспользованных ресурсов и утилизацией отходов.

Требования рационального природопользования должны учитываться во всех подсистемах современного промышленного производства и агропромышленного комплекса.

А чтобы не случилось непоправимое, человеку необходимо уменьшить не только свои потребности, но вести себя по отношению к окружающей среде разумно: для этого нужно принять соответствующие законодательные и другие правовые акты, которые принуждали бы природопользователя к ответственности.

В конституции РФ в статье 46 записано право гражданина на благоприятную окружающую среду. Базовым документом, определяющим основные требования к природоохранной работе, является закон «Об охране окружающей среды», принятый 20.12.2002 г. В законе определены три основные задачи:

- охрана окружающей среды;

- предупреждение вредного воздействия хозяйственной или иной деятельности на природную среду;

- оздоровление окружающей среды и улучшение её качества. Основным принципом при решении данных задач должно быть научно-обоснованное сочетание экологических, экономических и правовых интересов. Только комплексное применение на практике этих мер может дать положительный результат.

При нарушении данных норм для предприятия вводятся штрафные санкции, при которых плата за природопользование увеличивается от 5 до 25 кратного размера.

Кроме этого, в законе «Об охране окружающей среды», и в уголовном кодексе (УК РФ), в кодексе об административных нарушениях (КоАП) предусмотрены более строгие наказания в виде штрафа и уголовной ответственности лиц, допустивших эти нарушения своими действиями или бездействием.

Немаловажное значение придается сертификации и стандартизации выпускаемой продукции, проведению обязательной экологической экспертизы вновь создаваемым и реконструируемым предприятиям.

Позитивно решаются многие вопросы, связанные с международным сотрудничеством в области охраны окружающей природной среды.

В 1992 г. впервые на конференции ООН в Рио–де–Жанейро прозвучал вывод о том, что нынешняя рыночно-потребительская модель развития общества, действующая в ряде развитых стран, стремительно ведёт к гибели человечества. Это модель неустойчивого развития, характеризующаяся бездумной разработкой и потреблением природно-энергетических и сырьевых ресурсов биосферы.

В феврале 2006 г. был подписан Киотский Протокол. Согласно данному документу РФ берет на себя обязательства по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу. В Правительстве РФ разработаны мероприятия по устойчивому развитию страны. Принято и подписано много других документов по охране окружающей среды.

Отношение человека к природе и взаимоотношения человека с ней стали своеобразным узлом различных направлений экономической, культурной и общественной жизни человека. В настоящее время происходит переоценка всех ценностей. Мы должны осознать, что для человека нет привилегированного места ни в природе, ни в космосе, на земле может существовать только то общество, которое живет в органическом единстве с окружающей природной средой. На современном этапе развития цивилизации стало ясно, что многие глобальные проблемы по своей сути являются чисто экологическими: голода, энергетики, использования ресурсов Мирового океана.

Решение многих экологических вопросов зависит от экологической грамотности специалистов народного хозяйства, защита окружающей природной среды – от прямого или косвенного загрязнения и разрушения. От снижения затрат материальных ресурсов и энергоёмкости производства, внедрения малоотходных технологических систем и процессов, минимизации потерь продукции в конечном счете зависит здоровье самого человека.

В высшей школе экологическое образование должно получить развитие в двух основных направлениях:

1) как общеобразовательная парадигма устойчивого развития, согласно которой каждый профессионал, вне зависимости от специфики выбранной профессии, должен в полной мере обладать необходимыми качествами: социальной ответственностью, инициативностью, умением прогнозировать развитие ситуаций, способностью формировать проблемы и искать пути их решения, терпимостью к альтернативным суждениям в сочетании с активностью разъяснения собственной позиции;

2) как профессиональная сфера умений, знаний и навыков, соответствующая выбранному профилю специализации.

Целью экологического образования является становление и развитие экологической культуры личности и общества как совокупности практического и духовного опыта взаимодействия человечества с природой, обеспечивающего выживание и дальнейшее развитие цивилизации Homo sapiens.

ГЛАВА 1. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЦИВИЛИЗАЦИИ И ВОЗНИКШИЕ

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИЗИСЫ

Сложилась парадоксальная ситуация: мировая цивилизация, достигшая больших знаний во многих областях науки и техники, оказалась в очень сложном положении; появилось много разных проблем локального, регионального и общепланетарного масштаба. К проблемам общепланетарного значения необходимо отнести: очень бурный рост населения; обострение энергетического кризиса, нехватку продовольствия и питьевой воды, нищету в слаборазвитых государствах, эскалацию этнических и религиозных конфликтов; возникновение очагов малых войн, рост и разгул бандитизма и терроризма, появление различных эпидемий; кризис культуры и нравственности, экологические проблемы регионального и глобального уровней; интенсивное уничтожение лесов, опустынивание сельхозугодий, разрушение озонового слоя; загрязнение биосферы, истощение биоразнообразия, потепление климата, опасность ядерного конфликта и многие другие.

Все эти проблемы так или иначе тесно связаны с прошлым и будущим нашей цивилизации. В самой же биосфере никаких экологических проблем не существует. Если они возникали и возникают у некоторых групп организмов, то решались и решаются, как правило, медленным эволюционным путём, когда замена одних форм жизни другими для глобальной природы в целом практически незаметна. В отличие от естественных биосферных проблем, современные экологические проблемы общества стали заметными для всей природы на планете. Объём антропогенного воздействия человека на окружающую природную среду в конце ХХ и в начале ХХI веков стал слишком велик и приблизился почти к пределу устойчивости биосферы, а по некоторым параметрам даже и превзошёл её. Проявлений и свидетельств этому достаточно много и они многообразны.
1.1.
Демографический взрыв и его

       экологические последствия

К началу 2000 г. численность популяции человека достигла 6,0 млрд. К настоящему времени население увеличилось примерно до 6,72 млрд человек. Более 95 % этого роста народонаселения «обеспечили» развивающиеся страны и, прежде всего, Китай и Индия. Ныне каждый четвертый человек из десяти жителей – индусы и китайцы. Эта беспрецедентная видовая численность для крупных организмов и вообще для наземных видов позвоночных животных в природной среде. По некоторым данным «законная» биологическая численность Homo sapiens как вида высших приматов должна быть не более 500 тыс. человек. Сейчас она превышает более чем 6 млрд. На протяжении последних четырёх столетий рост народонаселения мира происходил по гиперболическому закону. В ХХ веке он приобрёл характер демографического взрыва – увеличение населения составило примерно в 4 раза.

Во второй половине ХХ века с каждым десятилетием среднегодовое увеличение составило приблизительно 10 млн человек, достигнув к середине 60-х годов отметки 2,2 % в год.   Если для увеличения народонаселения от 1 до 2 млрд человек потребовалось 107 лет (с 1820 г. по 1927 г.), то для третьего миллиарда необходимо было всего лишь 32 года (до 1959 г.), четвёртого – 15 лет (до 1974 г.), пятого – 13 лет
(до 1987 г.), шестого – 12 лет (до 2000 г). Для последнего удвоения численности населения земного шара нужно было всего лишь 38 лет. У высших млекопитающих в природе никогда подобного не наблюдалось. Их видовая численность (без вмешательства человека) на протяжении больших периодов времени остаётся относительно стабильной. Одним из важнейших признаков экологической устойчивости вида является равновесное (климаксовое) состояние численности и постоянное сбалансированное взаимодействие с другими видами экосистемы и компонентами окружающей природной среды. Человек как биологический вид не отвечает этим требованиям.

Демографический взрыв вызван тем, что начиная с середины прошлого столетия снижение смертности значительно опередило уменьшение рождаемости во многих экономически развитых государствах. В 1990 – 1995 гг. коэффициент рождаемости в мире снизился до 24,6 %, общий же коэффициент смертности при этом был равен 9,8 %, а естественный прирост составлял 14,8 %. Примерно такие же параметры воспроизводства населения сохраняются в настоящее время. Это означает, что в среднем в каждую минуту на Земле рождается 270 младенцев, умирает 110 человек разного возраста, а значит население на земном шаре увеличивается на 160 человек. В СССР ежегодный коэффициент рождаемости был на уровне 2,5, в настоящее время он равен 1,9, а уровень естественной убыли населения – 0,9 - 1,0 млн человек. На одного россиянина приходится всего лишь 1,3 ребёнка.

С позиций экологии человека не менее важны и качественные аспекты проблемы. А что же происходит в таком случае с качественным состоянием Homo sapiens при столь большом количестве и быстром росте? Насколько человеческое общество влияет на самого себя, как изменяет свои свойства? С данными вопросами тесно связана оценка экологического потенциала выживания популяции человека.

Социальные и биологические критерии качества человека как биологического индивидуума и личности по некоторым критериям не совпадают, но и не далеки друг от друга. По крайней мере, из трёх главных наших критериев – здоровье, одарённость и воспитанность: два первых имеют существенную биологическую обусловленность. В ходе эволюции и развития человек как вид избавился от многих своих конкурентов и врагов, сумел значительно ослабить воздействие инфекций, паразитов и давление дефицита биоресурсов. Он многократно расширил ёмкость среды за счёт приспособленности к среде и приспособления среды к себе, благодаря технологиям жизнеобеспечения и выживания он удлинил время индивидуальной жизни. Но по причине отключения многих механизмов естественного отбора, успехов гигиены и медицины, подмены защитных свойств организма различными лекарствами и процедурами, загрязнения среды обитания, стрессов, курения, принятия алкоголя, наркотиков и т.п. при избыточной информации сохранение людей с отягощенной наследственностью не способствовало сохранению здорового видового генофонда человека. Человечество накопило в себе опасный генетический груз мутаций, большинство из которых не сохранились бы, если бы действовал естественный отбор так, как он действует в природных популяциях животных.

По данным медицинской генетики, наследственная отягощённость современной популяции людей в среднем составляет 6,0 %. При этом 0,7 % всех новорождённых страдает хромосомными заболеваниями, более 1,5 % рождаются с заболеваниями, вызванными генными мутациями, около 3,8 % детей рождаются с наследственной предрасположенностью к хроническим заболеваниям. В Государствах Западной Европы разные формы пограничной патологии, так или иначе связанные с наследственной отягощённостью, охватывают примерно 15 % населения.

Число выявленных форм наследственных болезней увеличивается с каждым годом; к настоящему времени описано и уже выявлено более 4000. Установлена наследственная предрасположенность человека к гипертонии, диабету, ожирению, аллергическим заболеваниям, шизофрении, глаукоме, ревматизму, язвенной болезни, к падагре, к некоторым формам рака и ко многим другим серьёзными заболеваниям.

Наследственные болезни составляют только часть многочисленных недугов человека, но они становятся всё более ответственными за общую заболеваемость, их сочетание с экологическими источниками патологии создаёт тот уровень нездоровья современного общества, который был совершенно немыслим в естественной природой среде.

Генетический аппарат современного человека перегружен иммунологической информацией – генами, ответственными за синтез многих тысяч различных антител. Наш иммунитет чаще не справляется с новыми вызовами окружающей среды. А всёпроникающий микромир одаривает нас такими новыми болезнями, как СПИД (погубил уже 24 млн человек), лихорадка Эбола и жёлтая лихорадка, лихорадка Денге, Западно-Нильская лихорадка, синдром Крейцфельда-Якоба (коровье бешенство) и другими, ранее человеку неизвестными болезнями. Это во многом связано с деградацией окружающей среды, которая в свою очередь теснейшим образом переплетается с её загрязнением различного рода вредными веществами, последствия которой негативно сказываются на экологических и демографических условиях жизни населения, в том числе и на здоровье. Так, например, 5 % эмбрионов человека погибает на ранних стадиях онтогенеза (спонтанные аборты), 3 % составляют мертворождённость, 3 % – смертность до наступления репродуктивного возраста, 20 % взрослых не вступает в брак и 15 – 20 % браков бесплодны и т.д. Таким образом, примерно 50 % первичного генофонда человека не воспроизводится в следующем поколении и значительная часть этих явлений обусловлена генетически.

В течение трёх последних десятилетий во всём мире наблюдается унылый   перечень   экологических проблем и угроз, пишут Д. Хелд и др. (2006 г.). Мировая медицинская статистика показывает, что с точки зрения эволюционной экологии человека качество людей по критериям здоровья находится на очень низком уровне и продолжает снижаться. Человек всё в большей степени оказывается зависимым от медицинской помощи и применения искусственных средств поддерживания и продления жизни, тем не менее, они не в состоянии уменьшить общую заболеваемость. Можно сказать, что Homo sapiens как большой вид нуждается в тотальной диспансеризации.

Естественно, что большая численность такого крупного консумента, каким считается человек, не может не сказаться на биотическом равновесии в природе. Будучи лишь одним из
50 тыс. видов позвоночных животных, человек составляет приблизительно 25 % от общего количества по биомассе и потреблению пищи. Воздействие человека на окружающую природную среду не ограничивается только биотическим воздействием.

Современным обществом в производство и потребление вовлекается такое количество веществ и энергии, которое в десятки и сотни раз превосходят чисто биологические потребности человека. Если расход энергии на одного человека в каменном веке в целом был около 4 тыс. ккал/сутки, то в аграрном обществе он стал уже – 12 тыс., в индустриальном – 70 тыс., а в передовых развитых странах в конце ХХ – начале ХХI столетий расходовалось до 230 – 250 тыс. ккал/сутки, то есть в 52 – 62 раза больше, чем у наших далёких предков. Основной причиной современного экологического кризиса считается именно количественная экспансия человеческой популяции – непомерный уровень и быстрое нарастание совокупной (техногенной) нагрузки на природу.

«Никто не станет отрицать, что только радикальные изменения взаимоотношений между человеком и природой позволят нам избежать судьбы динозавров», - писал по этому поводу Ф. Рамад (1981 г.).

Тенденция увеличения населения Земли, по всей видимости, будет сохраняться и ХХI – XXII столетиях. По разным оценкам, к 2025 году на планете будет до 9,4 млрд человек. Прогноз численности населения на 2050 год первой двадцатки государств представлен в табл. 1.1.

С.П. Капица (1998 г.) приводит формулу, которая с большой долей точности описывает рост населения Земного шара в течение сотен и даже многих тысяч лет:

,

где С - эпоха; N – население мира на момент времени Т.

Таблица 1.1. Первая двадцатка государств, ранжированных по количеству людей в 1998 г., прогноз на 2050 г.

Место	1998 г.		2025 г.
Место	Государство	Население, млн чел.	Государство	Население, млн чел.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	КНР Индия США Индонезия Бразилия Россия Пакистан Япония Бангладеш Нигерия Мексика Германия Вьетнам Иран Филиппины Египет Турция Таиланд Франция Эфиопия	1255 976 274 207 165 148 147 126 124 122 96 82 78 73 72 66 64 62 60 59	Индия КНР Пакистан США Нигерия Индонезия Бразилия Бангладеш Эфиопия Иран Конго Мексика Филиппины Вьетнам Египет Россия Япония Турция ЮАР Танзания	1533 1517 357 348 339 318 243 218 213 170 165 154 131 130 115 114 110 98 91 89

По мнению А.С. Степановских (2003), в этой формуле не учтён фактор времени, характеризующий жизнь человека, его репродуктивную способность и продолжительность жизни. Если построить модель и ввести в неё характерные для жизни человека время , то исключаются особенности роста населения в прошлом и настоящем. Процесс роста начинается в Т₀ = 4,4 миллиона лет назад и продолжается за пределами критической даты Т₁, предвидимое в будущем, и выражается формулой

,

описывающей эпоху до демографического перехода и сам переход. Значение новых постоянных получается на основе сравнения современных демографических данных с расчётом:

С = 18610⁹ лет; Т ₁ = 2007 год; = 42 года;

К = = 67000.

Эксперты ООН считают, что снижение рождаемости в развивающихся государствах произойдёт не раньше 2100 г., когда численность населения Земли стабилизируется примерно на уровне 11,5 – 12,0 млрд человек. Основная доля увеличения населения в настоящее время приходится и в будущем будет приходиться на развивающиеся государства.

1.2. Проблема нехватки продуктов питания

Проблема голода, как и другие проблемы, напрямую связана с прогрессирующим ростом народонаселения.

Т. Мальтус (1766 – 1834) впервые высказал мысль о том, что при росте народонаселения будет увеличиваться дефицит сельскохозяйственных земель для производства продовольствия и сырья для товаров потребления. Это высказывание подтверждается в полной мере даже спустя 200 лет.

В ХХ веке потеряно по разным оценкам около 20 % плодородных земель от общего их количества. С 1950г. по 1998 г. площади посевов под зерновые культуры на душу населения сократились с 0,23 до 0,12 га. Площадь земной поверхности, которая необходима для обеспечения жизни одного человека в конце ХХ века составляла 17500 м². В настоящее время из-за деградации их площадь заметно сокращается – происходит биологическая деградация, опустынивание, смыв плодородного слоя, изъятие под хозяйственные нужды и т.д. С переходом на выращивание технических культур для производства метанола произойдет уменьшение посевных площадей на треть, где не будут выращиваться продовольственные культуры, что ещё больше усугубит положение с питанием населения (при той же продуктивности). Например, в Бразилии эти площади уже составляют 120 млн га, Индии – 14 млн га, в США значительная часть урожая кукурузы переводится в метанол. В целях увеличения площадей под посевы культур, используемых для производства метанола, будут вырубаться леса, будет идти борьба за водные ресурсы, уничтожаться заповедные зоны. В конечном счёте это приведёт к дальнейшему опустыниванию земель.

Зона страдающего от голода и недоедания большинства населения протянулась по обе стороны экватора и включает государства Восточной Азии и Тихоокеанского региона, Латинской Америки и Карибского бассейна, государства Африки к югу от пустыни Сахара.

В мире отмечается большая диспропорция в потреблении ресурсов между жителями государств «золотого миллиарда» и странами Африки, Латинской Америки и Центральной Африки (рис.1.1).

Европа и Средняя Азия (2%) Ближний Восток и Северная Африка (0,5%)

Латинская Америка и

тихоокеанский регион(6,5%)

Восточная Азия и

тихоокеанский

регион (23,2%)
Южная Азия

(43,5%)

Страны Африки к югу

от Сахары (24,3 %)

Рис.1.1. Географическое распределение бедного населения (живущие менее чем на 1 долл. США в день; 1998 г. – 1,2 млрд чел.)
Специалисты ООН считают, что число голодающих на планете составляет около 0,5 млрд человек; эксперты же МБРР называют цифру более 1,2 млрд. В рационе питания ощущается большой недостаток для организма человека необходимых питательных веществ: белков, жиров (особенно животного происхождения), витаминов, микроэлементов, минеральных солей. От голода ежегодно умирает более 35 тыс. человек. Прослеживается чёткая связь между смертностью новорождённых и недостатком в рационе питания населения животных белков. Данное явление частично относится многим государствам СНГ.

На земном шаре 1,6 млрд человек неграмотны и 2 млрд не могут пользоваться электричеством. 1,4 млрд человек сегодня живут в таких регионах, где существует реальная нехватка питьевой воды, а ещё 1,1 млрд проживают в местах, где из-за чрезмерного потребления встанет угроза её нехватки в ближайшие годы. В связи с потеплением климата и при росте температуры на +3,5⁰С уже 3,5 млрд человек в мире будут испытывать острую нехватку питьевой воды, проблемой сельского хозяйства станут засухи, в конечном счёте – неурожаи. Эксперт по проблемам воды при ООН Андерс Бернтель сказал, выступая на
17 ежегодной Всемирной неделе воды в Стокгольме: «Мир сегодня находится на пороге новой и беспрецедентной серьёзной эры нехватки воды». В связи с тем, что многие промышленные технологии не совершенны, то ими тратится много воды на производство продукции. Так, например, на производство 1 т готовой резиновой продукции разных видов расходуется в среднем 2300 т воды, синтетических волокон – 300, стали – 40. Большие объёмы воды требуются для охлаждения энергоблоков: для работы ТЭС мощностью 1 ГВт необходимо 1,2 – 1,6 км³ воды, работы АЭС такой же мощности – до 3 км³ в год. Поэтому необходимо промышленные технологии перевести на замкнутый цикл водоснабжения. На производство 1 г сельскохозяйственной продукции расходуется до 100 г воды и более.

Бедность, недоедание и болезни в Центральной Африке образуют замкнутый круг, в котором ещё надолго сохранятся существующие условия жизни и для многих последующих поколений.

Следует подчеркнуть, что процессы, сопровождающие рост населения, практически неизбежно охватывают все сферы жизни. Среди них такие, как рост городов, загрязнение окружающей среды, изменение образа жизни, падение её уровня, централизация и изменение структуры населения, скученность, массовая культура и другие.
1.3. Проявление парникового эффекта

Кроме традиционной концепции существуют ещё несколько гипотез об изменении климата на нашей планете.

1. Теория превалирующей роли природной эмиссии диоксида углерода. Согласно этой теории антропогенной доле выбросов СО₂принадлежит всего лишь около 1 % содержания его в атмосфере Земли (соответственно 2010⁹ и 2410¹¹ т СО₂). В кругообороте углекислого газа колоссальную роль отводится водной оболочке Земли (гидросфере), вулканам и поверхностной растительности. Один из последователей этой теории
(К.Я. Кондратенко) заявил: «Объём СО₂, выделяемый вулканами, более чем на порядок превышает то количеств углекислого газа, которое выделяется индустрией».

2. Адиабатическая теория изменения температуры в атмосфере. Изменение температуры в атмосфере происходит не только за счёт поглощения инфракрасного излучения, но и протекании интенсивного конвективного теплового обмена по её вертикали (авторы О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков). Разработанная ими математическая модель даёт хорошее совпадение расчётному распределению температуры в земной атмосфере с фактическими данными. Авторы теории пришли к выводу, что изменение климата является причиной, а изменение концентрации диоксида углерода в атмосфере – следствием.

3. Гипотеза периодических оледенений в Северном полушарии. Эта гипотеза исходит из возможности изменения течений в Северном Ледовитом океане (холодное Лабрадорское течение в районе Гренландии и теплый Гольфстрим) за счёт эффекта распреснения стоками сибирских рек Оби, Енисея и Лены (авторы А.В. Карнаухов, В.Н. Карнаухов) при изменении плотностей обоих течений, холодное Лабрадорское течение может всплыть над тёплым Гольфстримом. Это приведёт к похолоданию и обледенению стоков сибирских рек, появлению в них ледяных заторов и изменению их течений. Этим авторы гипотезы объясняют периодичность катастрофических эпох обледенения и потепления в Северном полушарии в истории Земли. Одновременно они отмечают значимость локальных выбросов антропогенного СО₂ в США и Канаде на температуру и плотность Лабрадорского течения, а следовательно, и на сменяемость климата в Северном полушарии.

Данные гипотезы изменения глобального климата оставляют место для серьёзных раздумий и прогнозов на будущее. Как видно этих гипотез, климат – это огромная и сложная система, что существенно больше, чем движение воздушных масс, формирование облаков, жидкие и твёрдые осадки. К этим гипотезам можно отнестись по-разному, но всё же в природной среде происходят явления, которые заставляют нас задуматься над тем, а не началось ли глобальное потепление. В последние
15 – 20 лет климатические условия оказались самыми тёплыми и засушливыми. Это, в свою очередь, повлекло за собой многочисленные экологические кризисы и катастрофы.

Важнейшей причиной экологического кризиса и катастроф на планете считается нерациональное природопользование. Экологический кризис – это обратимое изменение равновесного состояния природных комплексов. Проявление экологического кризиса нередко называют «эффектом бумеранга». Именно сам человек запустил этот бумеранг техногенеза и находится сейчас под его ударом, опосредованным с окружающей природной средой. Вся система: и природа, и человечество – сейчас находятся в точке бифуркации и, может быть, самой драматической в истории Земли. Необходим выбор новой, действительно разумной стратегии и этот выбор становится важнейшей задачей человечества. История цивилизации доказывает, что вслед за экологическим кризисом следует революционное изменение во взаимоотношениях общества и природы.

В предыстории и истории человечества выделяют ряд экологических кризисов и революций.

1. Изменение среды обитания живых существ, вызвавшее возникновение прямоходящих антропоидов – непосредственных предков человека.

2. Кризис относительного обеднения доступных примитивному человеку ресурсов промысла и собирательства, обусловившего стихийные биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для лучшего и более быстрого роста возделываемых растений.

3. Первый антропогенный экологический кризис – это массовое уничтожение (перепромысел) крупных животных (кризис консументов), связанный с последовавшей за ним аграрной экологической революцией.

4. Экологический кризис засоления почв и деградация при примитивном орошаемом земледелии, и недостаточность её для растущего народонаселения Земного шара.

5. Экологический кризис массового уничтожения и нехватки растительных ресурсов или «кризис продуцентов», связанный с общим бурным развитием производительных сил общества, вызвавший широкое применение минеральных ресурсов, промышленную, а в дальнейшем и научно-техническую революцию.

6. Современный кризис угрозы недопустимого глобального загрязнения. Редуценты не успевают очищать биосферу от антропогенных продуктов или потенциально не способны они это сделать в силу неприродного характера, выбрасываемых синтетических веществ. Этот кризис называют «кризисом редуцентов», которому соответствует высший этап научно-технической революции – реутилизация продуктов и условное замыкание технологических циклов.

С «кризисом редуцентов» почти одновременно наступают два других экологических напряжения: термодинамическое (тепловое) и снижение надёжности экосистем. Они связаны с экологическими ограничениями производства энергии в нижней тропосфере и нарушением природного экологического равновесия. Данные экологические кризисы ближнего будущего будут разрешены на основе энергетической, эколого-плановой и экологических революций. Первая заключается в максимальной экономии энергии и переходе к её новым источникам, практически не добавляющим тепло в приземный слой тропосферы (главным образом солнечному), вторая – в регулируемой коэволюции в системе «общество – природа».

Экологическая проблема как новая реальность остро проявилась во второй половине ХХ века. Понимание сущности экологической проблемы становится одним из показателей развитой культурой личности, готовой включиться в преодоление экологического кризиса. Проблема в широком смысле слова является сложным теоретическим и практическим вопросом, требующим изучения, размышления, принятия решения. Глобальная экологическая проблема проявляется в небывалом давлении на биосферу растущего населения планеты в ограниченном пространстве среды обитания. Глобализация и усиление воздействия человека на окружающую среду проявляется в её загрязнении, обеднении биоразнообразия, опустынивании.

Экологическая проблема отражает степень противоречий в системе «общество – природа» до уровня, грозящего экологическим бедствием и даже катастрофой. Экологическая катастрофа – это природная аномалия (например, длительная засуха, массовый мор скота и т.д.), зачастую возникающая на основе прямого или косвенного воздействия человеческой популяции на природные процессы и ведущая к чрезвычайно острым неблагоприятным экономическим последствиям или массовой гибели населения определённого региона. Экологическая катастрофа отличается от экологического кризиса тем, что кризис – это обратимое состояние, катастрофа же - явление необратимое. Природная катастрофа – это результат экстремальной геофизической ситуации, при которой из-за неблагоприятной природной обстановки возникают поражающие факторы, способные при неблагоприятной социально-экономической ситуации породить стихийное бедствие. Дальнейшее усиление экологических противоречий реально может привести к изменению канала эволюционного развития биосферы, что в свою очередь может привести к вымиранию вида Homo sapiens.

Таким образом, экологическая проблема есть отражение противоречий в процессе экологических взаимодействий с некоторой открытой системой во внешней среде. Этому есть много примеров.

Так, в конце мая 1985 г. в Бенгальском заливе от тропического циклона погибло более 25 тыс. человек. В 1985 г. погода побила все рекорды: в Нью-Йорке в течение 40 дней температура не опускалась ниже +31⁰С, жестокая засуха привела к тому, что в США впервые сбор зерна упал ниже потребностей государства. По Ямайке пронёсся сильнейший ураган, лишив крова 0,5 млн человек, муссонные дожди затопили 2/3 территории Бангладеш – 25 млн человек потеряли жилище. В 1987 г. жесточайшая засуха в Африке привела к гибели около 1 млн человек и поставила под угрозу жизнь ещё 35 млн. В 1996г. на Земле произошло 600 различных природных катастроф, в том числе 200 ураганов, 170 наводнений и 50 землетрясений. Стихия унесла 11 тыс. человеческих жизней, материальный ущерб от неё составил 60 млрд долларов. В результате землетрясения в Северном Афганистане, произошедшего 3 февраля 1998 г. 4 тысячи жителей провинции Тахор погибли, 15 тысяч остались без крова.

В этом же году от наводнения пострадали 54 государства, 45 стран – от жестокой засухи, пришедшей к опустошительным лесным пожарам. Основной урон РФ наносят наводнения (30 %), оползни, обвалы и лавины (20 %), ураганы, смерчи
(14 %). От наводнения на реке Янцзы в Китае в 1998 г. Погибли 2500 человек, 56 млн человек остались без крова.

В 2006 г. из-за землетрясения в Индийском океане сформировалась гигантская цунами, которая в Индонезии лишила жизни 0,3 млн человек. Последние несколько лет в Европе свирепствовали сильнейшие засухи (температура держалась на отметке более +30⁰С), унося тысячи жизней и создавая огромные по масштабу пожары, уничтожая жилища и лесные массивы. Неделями шли ливневые дожди, вследствие чего реки выходили из берегов, затопляя большие территории, принося экономические и человеческие потери.

Многие учёные потепление климата связывают с парниковым эффектом. Они считают, что парниковый эффект уже давно действует. Чем же это вызвано? А вызвано это тем, что миллионы тонн углекислого газа (СО₂) ежечасно (ежегодно примерно около 7 млрд т) поступают в атмосферу при сжигании дров, угля (удельное содержание метана в угле 40 – 50 м³/т), нефти, газа, миллионы тонн метана каждый год выделяются при разработках газа и гниения органических остатков. В США добыча угольного метана в 2005 г. составила 45 млрд м³, в России он выбрасывается в атмосферу. При добыче 55 млрд м³ газа ежегодно от этого количества 10 млрд м³ выбрасывается в атмосферу в виде организованных выбросов и неорганизованных утечек. В РФ нефтедобывающей промышленности попутные газы сжигаются – около 15 млрд м³. Из-за огромного количества выхлопов автопарка (выброс водяного пара сравним с испарениями с площади водной поверхности Европы), в атмосфере увеличивается содержание водяного пара и оксида азота и других газов. Это вместе с другими компонентами и создаёт парниковый эффект. Эти газы, как стеклянная крыша в парнике или полихлорвиниловая плёнка, пропускают солнечную радиацию, но не дают уходить теплу обратно в космос. Только часть тепловых лучей, достигающих стратосферы, рассеивается в космическом пространстве.

По расчётам учёных, в начале 90-х годов в стратосферу ежегодно уходило около 5,5 млрд т углерода от сжигания ископаемого топлива и 2,5 млрд т – от горения лесов в Амазонии. Более 40 % выбросов парниковых газов приходится на США и стран СНГ, к ним приближаются другие экономически развитые страны. Энергетический бум прошедшего столетия увеличил содержание углекислого газа (СО₂) в атмосфере на 25 %, а метана – на 100 %. Если рост добычи и использование топлива будут идти такими же интенсивными темпами, то к 2015 –
2020 гг. ежегодно уже будет выбрасываться уже около 10 млрд т углерода в год, не считая выбросы от горения лесов и минерализации органического вещества, вследствие чего концентрация оксида углерода в атмосфере значительно возрастёт.

Как отмечают специалисты по климатологии, за последние сто лет потепление на Земле составило 0,6 – 0,8⁰С. Если в 1980 г. средняя температура атмосферного воздуха была приблизительно +14,8⁰С, то к 1990 г. она поднялась до +15,52⁰С. Учёными доказано, что 1 млрд т парниковых газов увеличивают температуру атмосферного воздуха примерно на 0,0464⁰С. Многие учёные повышение температуры считают следствием парникового эффекта. Большой ”вклад” в загрязнение атмосферы вносит Россия. Так, например, в 1993 г. объём выброса вредных веществ в атмосферный воздух составлял 5,9 млн т, из них пыль – 31 %, диоксид серы – 42 %, оксиды азота –23,5 %. На отрасль энергетики выбросов приходится 26,6 % от общего количества от всей промышленности (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Загрязнение атмосферы при работе ТЭЦ на разных видах топлива, г/кВт/ч

Выброс	Вид топлива
Выброс	Каменный уголь	Бурый уголь	Мазут	Природный газ
SO₂ NO_x Твёрдые частицы Фтористые соединения	6,0 21,0 1,4 0,05	7,7 3,4 2,7 1,11	7,4 2,4 0,7 0,004	0,002 1,9 - -

Весьма серьёзными загрязнителями считаются чёрная и цветная металлургия, на которые приходится 40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, из них по газообразным веществам 34,0 %, по твёрдым 26,0 %. В среднем на
1 млн т годовой производительности заводов чёрной металлургии выделение пыли составляет 350 т/сутки, сернистого ангидрида – 200, оксида углерода – 400, оксидов азота –
42 т/сутки.

К тому же чёрная металлургия является одним из крупных потребителей воды. Водопотребление её составляет 12 – 15 % от общего потребления воды промышленными предприятиями РФ.

Последствия парникового эффекта вызывают большие опасения. Международная конвенция климатологов в Австрии (1988 г.) спрогнозировала к 2030 – 2050 гг. повышение температуры на 1,5 – 4,5⁰С, которое может вызвать подъём уровня воды в океане до 50 - 100 см, а к концу ХХI в – до 2,0 м. Трудно предсказать все страшные последствия повышения уровня воды моря. Людей ожидаёт не только подтопление, но могут значительно усилиться засухи. Многие наземные экосистемы не смогут достаточно быстро приспособиться к изменению климата, вследствие чего некоторые из них погибнут, в том числе лесные. Погибшие огромные по масштабу лесные массивы при разложении будут являться дополнительными источниками эмиссии парниковых газов в окружающую среду, что ещё больше усугубит существующее положение и так не очень благоприятное.
1.4. Появление озоновых дыр

Формы жизни на нашей планете сохраняются благодаря тому, что вокруг Земного шара образовался защитный озоновый слой, который защищает биосферу от опасной ультрафиолетовой солнечной радиации.

Своему существованию озоновый слой обязан деятельности фотосинтезирующих растений (выделение кислорода) и действию на кислород ультрафиолетовых солнечных лучей:

3О₂+ 285 кДж = 2О₃.

С антропогенными изменениями состава атмосферы связано разрушение озонового слоя, который является «защитным экраном» от жёсткого ультрафиолетового излучения. Особенно быстро процесс разрушения этого слоя происходит над полюсами земного шара, где впервые были отмечены так называемые озоновые дыры. В 1987 г. зарегистрирована расширяющаяся из года в год (темпы расширения – 4 % в год) озоновая дыра над Антарктидой (выходящая за контуры материка) и менее значительное аналогичное образование в Арктике. Исследованиями в течение 1969 – 1986 гг. установлено, что наибольшее уменьшение общего количества озонного слоя в зоне
53 – 64⁰С северной широты наблюдалось в зимние месяцы. Опасность истощения озонового слоя заключается в том, что значительно снизится поглощение губительного для живых организмов жёстких ультрафиолетовых лучей.

Разрушение озонового экрана ежегодно отмечается весной над Антарктидой с 1975 г. Позже это явление было выявлено и над Северным полюсом. Уменьшение озонового столба над Северным полюсом составило 10 %, а над Антарктидой – 40 % (озоновый столб – это количество озона, через который ультрафиолетовые лучи должны прийти из верхних слоёв атмосферы до поверхности Земли в данном пункте). В защитном озоновом слое появились дыры в диаметре от 100 и более километров.

Многие учёные считают, что одной из причин истощения озонового слоя является применение и производство фторуглеводородов (CFCl₃и CF₂Cl₂) (фреонов), которые широко используются в быту и в производстве в виде аэрозолей, дореагентов, пенообразователей, растворителей и т.д. В 1990 г. мировое производство озоноразрушающих   веществ   составляло   более   1300 тыс. т. Хлорфторуглероды, попадая в атмосферу, распадаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород.

Cl = O₃ = ClO + O₂.

Образовавшийся монооксид хлора (ClO) взаимодействует с атомами кислорода и восстанавливает хлор:

ClO + O = Cl + O₂.

Затем возникает цепная реакция разрушения озона. Производство карбонов в мире очень велико: только США производят половину от всего его мирового объёма – 800 –
900 тыс. т в год. Хлор- и фтор – замещённые углеводороды не только воздействуют на озон, но и поглощают инфракрасные лучи, что дополнительно увеличивает парниковый эффект.

В нижних слоях атмосферы фреоны могут сохраняться в течение десятков лет. Отсюда они поступают в стратосферу, где их содержание ежегодно увеличивается примерно на 5 %.

Средняя концентрация озона в стратосфере составляет приблизительно 0,0003 %, хотя она несколько варьирует в разных географических областях. Колебание концентрации озона даже до 30 % в одном месте считается нормальным явлением. Отклонения от среднего уровня озона могут достигать до 10% и вызваны они, вероятно, флуктуациями содержания озона.

Снижение содержания озона в результате антропогенной деятельности может оказать отрицательное влияние на здоровье человека и других организмов, а также вызвать изменение климата. Американские учёные полагают, что уменьшение озонового столба на 1 % приводит к 2 % усиления ультрафиолетовой радиации и на 2,5 % учащения случаев заболевания раком кожи. Причины появления «озоновых дыр» объясняют по- разному. Возможно, это связано с естественными циклами в природе. Первоначально основной причиной считали разрушительное воздействие на озоновый слой сверхзвуковых транспортных самолётов, которые загрязняют стратосферу водой и оксидами азота, способными разрушать озон.

N₂O + O₃ =       2NO +O₂.

Но высокая стоимость таких полётов замедлила развитие сверхзвуковых перевозок и они теперь не представляют существенной угрозы для озонового слоя.

В. Бурдаков (1989) отмечает пагубное воздействие на озоновый слой ракетных выхлопов, работающих на твёрдом топливе, выхлоп которых состоит в основном из окислов хлора и азота. Так, например, запуск американского челнока «Шаттл» приводит к уничтожению до 10 млн т озона, а для полного уничтожения всего озонового слоя стратосферы достаточно 300 таких запусков единовременно.

Большое количество оксидов азота освобождается при ядерных взрывах, которые также разрушающе действуют на озоновый экран биосферы. Следовательно, в случае возникновения ядерного конфликта ультрафиолетовая радиация может стать такой же проблемой, как и радиоактивные осадки.

Не менее серьёзной проблемой в этом отношении стали выхлопные газы автомобилей (их количество в мире составляет примерно около 1 млрд единиц) и удобрения почвы, которые также являются важными источниками оксидов азота. Известно, что бром в виде метилбромида СН₃В_г, широко используемый в сельском хозяйстве, и разрушающе действует на озон. При использовании таких промышленных химикатов, как четырёххлористый углерод (CCl₄) и метилхлороформ (СН₃Cl₃), в атмосферу выделится значительное количество свободного хлора, что также негативно воздействует на «защитный экран» атмосферы.

1.5. Проблема кислотных дождей

            Немаловажными видами загрязнения атмосферного воздуха считаются оксиды серы и азота, которые, циркулируя в ней, являются основными источниками выпадения кислотных дождей. Оксиды серы и азота поступают в воздух при сжигании углеродсодержащего ископаемого топлива, содержащие в своём составе большое количество серы (иногда до 5 %), а также при разложении органического вещества и извержения вулканов. Первое место по содержанию сернистых газов занимает каменный уголь (до 90 %), на втором месте нефть и на третьем газ. Дополнительным и очень значительным их источником поступления является автомобильный транспорт.

При сжигании органического топлива на тепловых электростанциях в атмосферу выбрасываются 72 % оксидов серы, 20 % от сжигания другими промышленными предприятиями и
8 % автотранспортом.

Эмиссия оксидов азота также происходит при сгорании углеродосодержащего топлива на предприятиях и работы автомобильного транспорта. Так, например, выбросы оксида азота от работы автотранспорта составляют 40 %, работы ТЭС –
30 %, сжигания топлива промышленности – 20 % и 10 % поступает от прочих источников.

При производстве 1 кВт/ч электроэнергии от сжигания каменного угля выделяется 6,0 г оксидов серы; 7,7 г бурого угля; мазута 7,4 г; природного газа 0,002 г; окислов азота 21,0; 3,4; 2,4; 1,9 – соответственно.

В данном случае образуются два кислородных соединения серы:

двуокись (SO₂);
трёхокись серы (SO₃).

В атмосфере двуокись SO₂ окисляется до трехокиси SO₃: 2SO₂ + O₂ = 2SO₃. Образовавшаяся трехокись реагирует с водяными паром, образуя слабую серную кислоту
SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

Серная кислота присутствует в воздухе в виде лёгкого тумана, состоящая из мельчайших капель. При сгорании топлива выделяются в атмосферу оксиды кальция и железа, вступая в реакцию с серной кислотой, они образуют твёрдые частички сульфатов кальция и железа:

CaO + H₂SO₄ = CaSO₄ + H₂O;

FeO₃+ 3 H₂SO₄ = Fe₂ (SO₄)₃+ 3H₂O.

Количество содержащихся в городском воздухе твёрдых частиц сульфатов и капелек серной кислоты может достигать 20%. Оксиды азота окисляются в капельках воды, образуя азотную кислоту:

2NO + O₂ = 2NO₂; 4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO_3.

Слабые растворы этих кислот (H₂SO₄ и HNO₃), а также их соли, выпадая в виде дождя на растения, почву, вызывают ожоги и повышают рН почвы. Дождевая вода с растворёнными кислотами и их солями имеет кислотность ниже рН 4. Спектр воздействия таких дождей очень широк. Прежде всего, они сказываются на популяциях рыб в озёрах, особенно высокогорных, где вода становится кислой. На выживаемость водных организмов часто сказывается подкисление воды в водоёме (табл.1.3).

Таблица 1.3. Воздействие подкисленной воды на ихтиофауну (доклад ФАО, 1968 г.)

рН

Воздействие на организм рыб

3,0 - 3,5
3,5 – 4,0
4,0- 4,5

4,5 – 5,0

5,0 – 9,0

9,5 - 10
10,5- 11,0

Гибель для рыб, выживают некоторые растения и беспозвоночные

Гибель лососевых: плотва, окунь, щука могут выжить после акклиматизации

Гибель многих рыб, размножается только щука

Опасно для икры лососевых

Область, пригодная для жизни

Вредно для развития некоторых видов, гибельно лососевых при большой продолжительности воздействия

Смертельно для всех рыб

В 70-х годах прошлого столетия в Северной Америке
51 % озёр имели кислотность воды ниже рН 5, в таких озёрах рыба полностью исчезла, особенно такая низкая кислотность воды отрицательно влияет на размножение рыб, убивая икру, а также негативно воздействует на фито- и зоопланктон – корм рыб (табл.1.4).
Таблица 1.4. Состояние озёр в некоторых странах мира вследствие выпадения кислотных дождей

Страна

Состояние озёр

Канада
Норвегия
Швеция
Финляндия
США

Более 14 тыс. озёр сильно закислены; каждому седьмому озеру на востоке страны нанесён биологический ущерб

В водоёмах общей площадью 13 тыс км² уничтожена рыба и ещё на 20 тыс. км²– поражена

В 14 тыс. озёр уничтожены наиболее чувствительные к уровню кислотности виды; 2200 озёр практически безжизненны

8 % озёр не обладает способностью к нейтрализации кислоты. Наиболее закисленные озёра – в южной части страны

В стране около 1 тыс. подкисленных озёр и 3 тыс. почти кислых

По оценкам международных организаций, в 1990 г. на долю английских выбросов приходилось 14,0 % загрязнённости окружающей среды серой в Швеции, 7,0 % – ФРГ, 7,0 % – Норвегии. На Северную Швецию и Норвегию выпадало загрязняющих веществ в 1,5 – 2,0 раза больше, чем выбрасывалось ими в атмосферу.

Подкисленная вода интенсивнее растворяет многие минералы. Ртуть в кислой воде может превратиться в ядовитую минметиловую ртуть, кислая вода растворяет даже свинец. Кислотные дожди разрушают строительные материалы (растворы, гипс, камень и др.), реагируя с кальцием и магнием, входящими в их состав: усиливают коррозию строительных конструкций из железа и других металлов. Они негативно влияют на фитоценозы, почву – приводят к деградации, а вместе с деградацией к исчезновению многих видов организмов, не переносящих кислую среду обитания, особенно страдают лесные массивы. Так, например, Чехословакии серьёзно повреждены деревья на площади 200 тыс. га, в Польше – 500 тыс. То же самое наблюдается и в других государствах Европы, а особенно около крупных химических комбинатов.

По данным Росгидромета на территорию Российской Федерации ежегодно с осадками выпадает 4,22млн т серы, 1,25 млн т нитратного азота и 4,0 млн т суммарного азота. Выпадение осадков с повышенной кислотностью (рН < 4), в первую очередь, относится к северу-западу России, Предуралью, западным и центральным районам Воронежской и Ростовской областей, акваториям Финского залива и Ладожского озера.

Кислотные дожди высвобождают из почвенно-поглощающего комплекса аммоний – токсичный для многих видов организмов. Туман серной кислоты вызывает аллергию, а более концентрированный – нарушения верхних дыхательных путей, частицы сульфатов железа считаются канцерогенами.

По данным академика Ю.А. Израэля, ежегодный экономический ущерб от кислотных дождей при выпадении на почву составляет около 3 млрд руб. (в ценах 1990 г.). Это та сумма, которая необходима для приобретения известкового материала и его внесения в почву, чтобы восстановить прежнюю кислотность почвенного раствора.
1.6. Уничтожение лесов и их последствия

На заре земледелия и скотоводства лесами было покрыто не менее 6,2 млрд км² (60 – 70%) поверхности Земли. По оценкам лесных экспертов, лесопокрытые территории в конце ХХ столетия составляли примерно 29,7 % площади суши, сомкнутые леса – 24 % поверхности. Согласно оценке лесного Департамента ФАО ООН, общая площадь лесов в мире вместе с кустарником составляет 4,32 млрд га. За время существования человечества уничтожено примерно около 35 % площадей леса, причём больше половины – за последние 150 лет. В настоящее время в основном происходит интенсивная вырубка тропических лесов в Бразилии.

На сегодняшний день общая площадь лесов составляет 2438 млн га, из них леса тропических поясов 1233млн га (48,4 %), леса умеренных поясов 1205 млн га (51,6 %). Мировые запасы древесины оцениваются в 5412,5 млн т. Из европейских государств самое «лесное» – Финляндия, где леса занимают 70% территории. Великобритания очень бедна лесами – здесь они занимают менее 6% площади страны. Общая площадь лесного фонда РФ в конце ХХ столетия составляла 1182,6 млн га, покрытая лесом – 771,1 млн га, общий запас древесины в лесах – 81,6 млрд м³.

В развитых государствах умеренных широт (США, Западная Европа), где остались практически только вторичные леса, площадь их не уменьшается, но усиливается деградация и поражение лесов из-за загрязнения воздуха и почвы. В целом в Западной Европе площадь поражённых лесов составляет примерно 38 % заселенной площади.

Суммарное потребление древесины в мире (по данным вывозки деловой древесины) в настоящее время составляет
3 млрд м³ в год, что соответствует примерно изъятию 7 % годовой биопродукции. Больше половины приходится на тропические леса. По оценке ФАО, глобальное сокращение лесов в
18 раз опережает их восстановление, сохранение такой тенденции представляет очень серьёзную экологическую угрозу настоящему и будущим поколениям людей.

Во-первых, сокращается биомасса и продуционный потенциал биосферы, а следовательно, и глобальный ресурс фитоценоза. В свою очередь, это ведёт к ослаблению газовой функции биосферы и её способности строго регулировать ассимиляцию солнечной энергии и состав атмосферы.

Во-вторых, уменьшается вклад транспирации в круговороте влаги на суше, что ведёт к изменению режима осадков и может ускорить процесс аридизации (сухости) больших территорий. В зоне тропических лесов влагооборот почти полностью зарегулирован растительностью, и её уничтожение в условиях интенсивной солнечной радиации резко изменяет климатические условия.

Вырубка лесов в горных районах и на водоразделах приводит к учащению наводнений, селей и засух на прилегающих территориях. Ослабление средорегулирующей функции леса усиливает влияние случайных слагаемых климата, делает его менее устойчивым (табл.1.5).

В-третьих, наступают негативные биологические последствия, так как леса служат источником и экологическим резервуаром для большинства биоценозов Земли. Вместе с лесом исчезают биотипы многих видов, уменьшается биологическое разнообразие. Влажные тропические леса покрывают сейчас всего 7 % поверхности суши, но на них приходится более 2/3 всех видов животных и растений, многие из которых ещё практически не изучены и могут представлять собой чрезвычайно ценный биологический материал. Если уничтожение тропических лесов будет продолжаться такими же темпами, то в ближайшие несколько десятилетий будет утрачена существенная часть генофонда планеты.

Таблица 1.5. Площади лесов и запасы древесины (по Н.Ф. Реймерсу, 1990)

Формация	Площадь лесов		Запасы древесины
Формация	млн га	%	т/га	млн т	%
Тропические влажные (дождевые) леса Влажные тропические леса, вегетирующие в дождливое время Сухие леса, вегетирующие в дождливое время и горные леса Всего лесов тропических поясов Леса умеренных поясов, вегетирующих в дождливое время, лавровые леса Леса из твёрдых пород Вечнозелёные леса и горные хвойные леса Северные хвойные леса Всего лесов умеренных поясов Итого	463 260 510 1233 20 170 395 620 1205 2438	18,9 10,7 20,9 50,5 0,9 7,0 16,2 25,4 49,5 100	6,4 2,0 1,0 - 6,0 1,3 4,0 1,4 - 2,2	1593,5 520 510 2633,5 120 221 1580 868 2789 5412,5	29,4 9,6 9,4 48,4 2,2 4,1 29,2 16,1 51,6 100

Кроме вырубки лесам большой урон наносят лесные пожары. Во многих случаях население использует огонь для расчистки участков земли под посев. По данным космических исследований (США), в 1987 г. огонь уничтожил в Бразилии
20 млн га джунглей, в 1990 г. – 12 млн га. Спутники ежедневно фиксируют до 8,5 тыс. очагов пожара.

В развивающих государствах ежегодно превращаются в дым 12 млн га леса. В Индии 40 лет назад леса охватывали
22 % территории, в настоящее время их площадь сократилась до 10 %. Опасными темпами происходит вырубка лесов Сибири. Их площадь ежегодно (по официальным данным) сокращается примерно на 1 млн га (не по официальным этот процесс идёт в три раза быстрее).
1.7. Истощение энерго- и минеральных ресурсов

В современном мировом хозяйстве применяется свыше 250 разновидностей полезных ископаемых. Например, строительные камни, руды чёрных и цветных металлов, камни-самоцветы, золото, серебро, нефть, уголь применяются с древних времён. Ежегодно в хозяйственный оборот вовлекаются новые месторождения традиционных полезных ископаемых, а также их разновидности, полезные свойства которых можно использовать с помощью современных технических средств и технологий.

Всеми отраслями человеческого хозяйства ежедневно извлекается из недр земли почти 150 – 200 млрд т вещества и материалов, а сжигается примерно 125 млрд т топлива, используется для разных технологий и других потребностей 2 млрд м³ воды и 65 млрд м³ кислорода. Всё это сопровождается расходованием природных ресурсов и массированным загрязнением окружающей природной среды.

Анализ добычи полезных ископаемых за истекшее
ХХ столетие указывает на общую тенденцию прогрессивного роста объёмов их извлечения из недр земли. Если в первой половине ХХ века объёмы мировой добычи ископаемых удваивались через 50 лет, а затем через 40 лет, то начиная с 50-х годов прошлого века отмечается быстрое наращивание темпов и объёмов добычи: срок удвоения сократился до 14 – 18 лет. Мировое потребление энергии неуклонно растёт.

В 90-х годах ХХ столетия в России добывалось около
17 % нефти, 25 % газа, 15 % каменного угля, 14 % товарной железной руды от общего мирового объёма.

Использование энергии в величинах нефтяного эквивалента возросло с 5 до 8,8 млрд т. По прогнозам Мировой энергетической конференции, спрос на энергию к 2020 г. может увеличиться ещё на 75 %, а значит, увеличится и добыча энергоресурсов. В последние 20 лет ХХ столетия извлечено из недр
34 % от общей суммарной добычи угля, около половины всей нефти, более половины природного газа и более 60 % урановой руды.

И не следует забывать, что богатства недр – полезные ископаемые – относятся к исчерпаемым (невозобновляемым) природным ресурсам и их запасы весьма ограничены (табл.1.6).
Таблица 1.6. Мировые запасы топливно-энергетических
ресурсов

Вид топлива	Геологические ресурсы	Разведанные извлекаемые ресурсы
Уголь, млрд т Нефть, млрд т Природный газ трлн т Газовый конденсат, млрд т Искусственное жидкое топливо (из сланцев и битуминозных пород), млрд т Уран, млн т	4880-5560 207-252 260-270 33-34 342 3,2	609 72-98 49-74 6-9 36 1,6

Доминирующим источником энергии по-прежнему остаётся ископаемое топливо. Разведанные запасы топлива на несколько порядков ниже, чем геологическая их оценка, от суммарного содержания в земной коре. Преобладающая масса содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация углеводородов ниже 3 %, реальные эксплуатационные запасы в 2 – 3 раза меньше разведанных.

Доступные запасы нефти и газа примерно на два порядка превышают их современное годовое извлечение, запасы угля – на три порядка. Этих запасов энергоресурсов при современном их использовании должно хватить: подвижной нефти –
60-65 лет, газа – 50-60 лет, каменного угля 380-400 лет. Учитывая, что потребление продолжает расти, а значит, реальные показатели должны быть заметно меньше. Обычно его спрос энергоресурсов зависит от промышленного роста и роста мировых цен на топливо. Разведанного же уранового топлива должно хватить примерно на 100-120 лет без увеличения его использования. Общие рудные запасы составляют 20,9 млн т, разведанные – 3,3 млн т, за 50 лет потрачено 1,5 млн т урана.

Исходя из этой ситуации, мировому сообществу необходимо использовать в срочном порядке для своего дальнейшего существования новые источники энергообеспечения. Этими источниками могут быть гелиоэнергетика, энергетика геотермальных вод, энергия морских приливов и отливов, ветровая энергетика, биоэнергетика, широкое использование водородной энергетики.

1.8. Деградация сельскохозяйственных угодий

Одним из проявлений экологического кризиса является деградация сельхозугодий. Ежегодно из-за деградационных процессов на нашей планете теряется около 43,2 млн га, в том числе пашни 7,0 млн га. Общая площадь сельхозугодий   в настоящее время в мире составляет примерно около 1,5 млрд га или 10 % суши. Человечество за время своего существования уже потеряло приблизительно 2,0 млрд га плодородных земель.

На заре земледелия продуктивные земли составляли около 4,5 млрд га, сейчас их площадь уменьшилась до
2,5 млрд га. На нашей планете больше не существует свободных земель, на которых можно было бы возделывать аграрные культуры и использовать их для пастьбы скота. По данным специалистов по охране окружающей природной среды при ООН, годовой вынос верхнего плодородного слоя почвы во всём мире оценивается 20,2 млрд т. Это соответствует полному разрушению пахотного слоя 20 см на площади 6,7 млн га. В то время как на формирование плодородного слоя толщиной в 1 см в естественных условиях требуется не менее 100 лет. Не меньшую опасность составляет биологическая деградация, то есть потеря органического вещества почвой. При биологической деградации происходит распад агрегатов почвы на отдельные песчинки, и при сухой и ветреной погоде начинается процесс денудации (сноса) почвы. При сильном протекании денудации (которую называют ещё пыльной бурей), происходит перенос почвенных частиц на огромные расстояния и в очень большом количестве.

Угрожающе   расширяет   свои границы   величайшая   пустыня мира - Сахара. Темпы ежегодного продвижения края составляют от 1,5 до 10 м. За последние 60 лет она «разрослась» на 700 тыс. км², а когда-то территория Сахары представляла собой саванну с густой гидрографической сетью.

Ежегодные потери гумуса в Российской Федерации, по данным РОСНИИЗЕМПРОЕКТА, на пашне составляют 0,62 т/га, а в целом – 81,4 млн т в год. От водной эрозии каждый год теряется 1,5 млрд т плодородного слоя, что соответствует потере
18 – 20 млн т питательных веществ. Площадь эродированных земель в той или иной степени пополняется примерно на
1,5 млн га в год. За три столетия в Центральных чернозёмных областях разрушена почва на площади 3 млн га, под оврагами находится 130 тыс. га. В южных регионах опустыниванию подвержено около 50 млн га площадей сельскохозяйственных угодий.

По оценкам американских специалистов, в США разрушено и серьёзно подвержено эрозии 113 млн га (50 %) пахотных земель. По их же данным, ежегодно из-за водной   эрозии теряется 2,0 млрд т, а из-за дефляции – 1,1 млрд т плодородного верхнего слоя почвы. В мае 1934 г. во время сильнейшей пыльной бури было снесено в Атлантический океан с Великих Равнин около 300 млн т чернозёма, где водночасье 20 млн га плодородных земель стали бросовыми. Продуктивность деградированных земель в зависимости от деградации снижается соответственно: при слабой деградации на 20 – 25 %, средней до
50 %, сильной – до 85 %, очень сильной урожая вообще может не быть. Уменьшение площадей плодородных земель приведёт к большому недобору органической биомассы – продуктов питания, нехватки кормов для сельскохозяйственных и диких животных. В итоге – голод, болезни, нищета и снижение биологического разнообразия в природе, в том числе численности Homo sapiens.

1.9. Эвтрофирование водоёмов

Деградацию водоёмов и нарушение всех видов водопользования ставят в ряд глобальных проблем.

Эвтрофирование водоёмов является одним из воздействий на окружающую природную среду. Термин трофность водных объектов был введён в экологию немецкими гидробиологами А. Тинеманом и Э. Наумовым в 1921 г. для обозначения способности водоёмов фотосинтезировать органическое вещество как основу кормовой базы для водной ихтиофауны.

Выделяют три вида трофности водоёмов:

Дистрофные (отсутствие) водоёмы характеризуются превышением скорости разложения (Р) органических веществ над фотосинтезом (Ф):

V_Ф: V_P < 1.

Олиготрофные (бедные) водоёмы – это такие водоёмы, которые имеют равновесное (климаксное) состояние, когда фотосинтез органического вещества и его разложение находятся в равновесном состоянии:

V_Ф:V_Р= 1.

В эвтрофных водоёмах отмечается цветение водорослей и происходит накопление органического вещества, где скорость роста продукции превышает её разложение:

    V_Ф : V_P > 1.

Между этими градациями выделяют промежуточные виды эвтрофирования: ультраолиготрофные, занимающие промежуточное положение между дистрофными и олиготрофными и мезотрофные , которые находятся между эвтрофными и олиготрофными процессами.

Постепенный переход из дистрофного или олиготрофного состояния в эвтрофное называется эвтрофированием.

Эвтрофирование может происходить как естественным путём, так и вследствие антропогенного воздействия, его называют антропогенным эвтрофированием. Процесс естественного эвтрофирования водоёмов протекает обычно сотни, а то и тысячи лет.

Скорость фотосинтеза водорослей при антропогенном эвтрофировании повышается очень резко из-за поступления в водоёмы питательных веществ со сточными водами и поверхностным стоком воды.

Очевидным проявлением антропогенного эвтрофирования является массовое развитие микроскопических планктонных водорослей, обитающих в толще воды – фитопланктона и высшей водной растительности. Хозяйственное эвтрофирование ведёт к вторичному загрязнению воды и нарушению всех видов водопользования. Повышение уровня трофности сопровождается изменением состава фитопланктона: начинают преобладать сине-зелёные водоросли (90 – 95 % от общего их количества).

Некоторые виды водорослей придают воде очень неприятный запах и вкус и выделяют токсичные вещества. При массовом отмирании водорослей в местах их скопления интенсивно поглощается кислород и тем самым возникают заморы водных обитателей, особенно мелких и слабоорганизованных. Серьёзные нарушения вызывает зарастание высшей водной растительностью прибрежных мелководий. Зарастания затрудняют рыбный промысел и водопользование, влияет на динамику вод; снижают скорость береговых течений, гасят движение волн и нарушают водообмен.

Органические остатки на мелководьях вызывают процессы гниения и брожения: при этом в воде увеличивается концентрация свободного диоксида углерода, аммиака, восстановленных соединений железа, сероводорода, марганца и других веществ. Это приводит значительному ухудшению качества питьевой воды, а иногда она становится даже токсичной. Гидрооксид железа в водопроводной сети выпадает в осадок и тем самым ухудшает водоснабжение по трубам, разрушает бетонные и другие изделия в гидросооружениях.

Причина антропогенного эвтрофирования – это избыточное поступление биогенных веществ в водоёмы. Основными элементами для водорослей являются минеральные формы углерода, азота, фосфора и калия и др., которые необходимы для формирования органического вещества.

Основные источники поступления биогенных веществ в воду – бытовые и промышленные сточные воды, поверхностный сток с городских территорий, смыв с полей минеральных удобрений. Другими источниками эвтрофирования являются атмосферные осадки, судоходство и донные отложения. Принято считать, что цветение воды становится вероятным, когда содержание минерального азота превышает 0,3–0,5 мг·л^-1, а минерального фосфора – 0,01–0,03 мг·л^-1. Эвтрофирование водоёма зависит не только от нагрузки на водоём биогенных веществ, но и от условий развития автотрофных гидробионтов, то есть климатических, гидродинамических и морфологических особенностей водоёма. Наиболее сильно эвтрофирование происходит в хорошо прогреваемых и освещаемых прибрежных мелководьях, в прудах и озёрах.

Основными мероприятиями по предотвращению эвтрофирования можно считать следующие:

1) ограничение поступления в водоёмы биогенных веществ, которые способствуют увеличению фотосинтеза;

2) воздействие на комплекс условий в самом водоёме в целях снижения скорости развития водорослей.

Вопросы для самоконтроля

1.       В чём состоит суть проблемы цивилизации?

2.       Что из себя представляет демографический взрыв, как происходил и какие экологические последствия при этом возникли?

3.       Чем вызван недостаток продуктов питания в мире?

4.       Что представляет собой парниковый эффект и чем угрожает?

5.       Каким образом происходит разрушение озонового слоя и какие последствия ожидают живые организмы при разрушении озонового экрана?

6.       Каким образом формируются кислотные дожди и в чём их опасность для экосистем?

7.       Есть ли опасность истощения энерго-и минеральных ресурсов, если есть, то что необходимо предпринять?

8.       Существует ли опасность деградации сельхозугодий и чем это может обернуться для человечества?

9.       В чём опасность эвтрофирования водоёмов?

10.   Назовите причины эвтрофирования водных объёктов.

ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИИ КАК НАУКИ И ЕЁ ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ

2.1. Развитие экологических знаний

Становление и развитие экологии неразрывно связано с возникновением и развитием человеческого общества. Биотическое начало на планете послужило и будет в дальнейшем служить предпосылкой для формирования социальных свойств сегодняшнего и будущего поколений людей. Как писал К. Маркс: «До тех пор, пока существуют люди, история природы и история людей взаимообусловливают друг друга». С процессом формирования человеческой популяции одновременно развивался процесс освоения природных ресурсов, которые являются важными источниками жизнеобеспечения. По мере роста масштабов и совершенствования способов изъятия природного вещества у людей объективно вырабатывалось осознание своей связи с внешней окружающей природной средой и зависимость от неё, в результате чего человек приобретал навыки целесообразного отношения к природе. И в то же время подсознательно формировались у людей ростки естественно-научных знаний, в том числе экологических. Древний человек, который занимался охотой и собирательством, составлял с природой практически единое целое, он знал повадки многих зверей, сроки плодоношения полезных для него растений, время наступления холодных, сухих и влажных сезонов года.

Много сведений по этому поводу встречается в древних египетских, китайских, тибетских, индусских и европейских письменах. Очень любопытны некоторые нормы, существовавшие в Эфиопии в IV в. н.э., согласно которым речную рыбу, птицу, степных и лесных   млекопитающих запрещено было продавать и покупать под страхом жестокого наказания, вплоть до смерти.

Высокогорные жители этой страны освобождались от обработки земли и выпаса скота, но за это они должны были держать в чистоте водный сток, уходящий в нижележащие места.

Большой вклад в развитие знаний о природной среде внесли античные ученые. Древнегреческому философу Эмпедоклу из Акрагата (490 - 430 гг. до н.э.) принадлежит догадка об эволюции животных в результате естественного отбора. Аристотель (484 - 322 гг. до н.э.) в своем сочинении «О возникновении животных» предложил их классификацию по имеющимся у них экологическим окраскам, приспособленности животных к определенным условиям мест обитания, зависимости их морфологических особенностей от условий внешней среды, по сезонной и суточной активности, а также особенностям питания.

Ученик Аристотеля ─ Теофраст (372 - 287 гг. до н.э.) в труде «Исследования о растениях» дал описание порядка 500 видов растений. С учетом местопроизрастания он выделил их в естественные группировки, заложив первые основы геоботаники. С наступлением эпохи средневековья в изучении природы наступил длительный застой, что было связано с инквизицией. С началом эпохи Возрождения заметно активизируется процесс изучения окружающего мира. Английский естествоиспытатель
Р. Бойль в 1670 г. провел первый экологический эксперимент. Он наблюдал влияние низкого атмосферного давления на состояние и поведение различных видов животных. В 1686 г. его соотечественник Дж. Рей рассмотрел биологические критерии выделения вида и тем самым заложил основы его концепции, которые потом развили К. Линней, Ж.Б. Ламарк, Ч. Дарвин и др.
Ж. Турнефору (1700 г.) принадлежит первое описание вертикальной поясности растительности в горной местности и сравнение её с горизонтальным распределением на равнинной территории. Первый основатель научной систематики К. Линней опубликовал две диссертации «Экономика природы» (1749 г.) и «Общественное устройство природы» (1760 г.).

Под экономией природы К. Линней подразумевал взаимоотношения всех естественных тел. Он считал, что необходимо не только размножение организмов, но и их разрушение, поскольку гибель одних организмов дает возможность существования для других. Этим явлением обеспечивается гомеостаз (равновесие) природы. Таким образом, К.Линней заложил основы понятия биотического круговорота.

Французскому естествоиспытателю Ж. Бюффону
(1749 – 1788) принадлежит 36-томная научная работа «Естественная история», в которой автор обосновал влияние среды, и, прежде всего, климата, а также характера местности на жизнь растений и животных. Он обратил внимание на рост численности животных, который при оптимальных условиях происходит в геометрической прогрессии. Затем эту теорию развили английский экономист А. Трюдо и священнослужитель Т. Мальтус. Они применили её для роста народонаселения (рост населения происходит, по их мнению, в геометрической прогрессии, а рост средств существования ─ в арифметической). С помощью этой теории они доказали иллюзорность всеобщего благоденствия человечества. Проблема, поставленная А. Трюдо и Т. Мальтусом два с лишним века назад, сегодня заметно обострилась и приобрела угрожающий характер. Всё очевиднее проявляется дисбаланс между растущими потребностями человеческого общества и оскудевающими запасами природных ресурсов.

В этот период не оставалась в стороне и российская наука. М.В. Ломоносов обосновал положение о влиянии внешней среды на организмы, которое до сих пор не утратило своего научного значения. Развитию и становлению экологического мышления в России способствовали в ХVII в. экспедиции по стране. Результаты путешествий и экспедиций были изложены в обстоятельных научных трудах. Так, например, отчет об экспедиции С.П. Крашенинникова на Камчатку (1756 г.) был изложен в труде «Описание земли Камчатки»; И.И. Лепехин издал в 1771 г. «Дневные записки путешествия адъюнкта академии наук Ивана Лепехина по разным провинциям Российского государства». Работа И.Лепехина содержит обширные сведения о видовом составе растений и животных, а также о его динамике в зависимости от изменения внешних   условий природной среды и их местообитания. А.А. Коверзнев (1775 г.) в работе «О перерождении животных» обосновал зависимость изменчивости живых организмов от условий среды их обитания. В 1770 г. русский агроном И.Т. Болотов опубликовал свой трактат «Об удобрении полей», в котором высказал мысль о том, что растения состоят из простых вещей, принадлежащих к царству минералов. В целом же в XVII в. начала лишь формироваться экологическая точка зрения на изучаемые явления природы. В начале ХIХ в. (1802 г.)      Ж.Б. Ламарк опубликовал свое сочинение «Гидрология», а в 1809 г. ─ многотомный труд «Философия экологии». В «Гидрологии» Ж.Б. Ламарк заложил основы учения о биосфере и предложил термин биология, вложив в него глубокое содержание. В «Философии экологии» получила обоснование концепция о развитии живой природы, раскрывающая сущность взаимодействия в системе «организм ─ среда» и основу эволюции.

Большое значение для развития экологии, особенно агроэкологии, имело издание Ю. Либихом (1840 г.) книги «Химия и приложения к земледелию и физиологии». Это издание произвело коренной переворот во взглядах на питание растений.
Ю. Либих одним из первых сформулировал «Закон возврата» и «Закон минимума», «Закон лимитирующих факторов» и обратил внимание на круговорот элементов питания растений. В этот период прослеживается тенденция комплексного подхода к изучению природной среды. Большое влияние на становление и развитие учения о растительных и животных организмах, а также некоторых явлений природы оказали научные труды немецкого естествоиспытателя А. Гумбольдта (1769 – 1859) и русского биолога К.Ф. Рулье (1814 – 1858). В многотомном труде «Космос» А. Гумбольдт отметил значение климата для жизни растений, здесь же ввел понятие изотермы и развил идею Ж. Турнефора о горизонтальной и вертикальной поясности в распространении растений и животных, тем самым предвосхитил понятие жизненных форм. Впервые в России К.Ф. Рулье обосновал закономерности воздействия среды на развитие органического мира и разработал систему изучения животных, в том числе в экологическом направлении. К.Ф. Рулье раскрыл значение биотических факторов в жизни растений и животных, утвердил понятие географической и экологической изменчивости видов.

А. Гумбольдт и К. Рулье, как считают многие экологи, являются основателями системного познания природы как единого целого, становления концепции биосферы как глобальной системы. Нельзя обойти стороной французского зоолога И.Ж. Сент-Илера, который в вышедшем в 1859 г. труде «Естественная история органического мира» использовал понятие «этология». По его понятию, этологии принадлежит изучение отношений между организмами, организованными в семьи и общества, в сборища и сообщества.

Событием мирового масштаба, способствующим дальнейшему развитию естественных наук, в том числе и экологии, явилась публикация в 1859 г. книги Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора». В работе раскрыта теория естественного отбора и происхождения видов. По сути, это глубоко обоснованная эволюционная теория как составная часть экологии. Ч. Дарвин, основываясь на огромном количестве наблюдений и глубоких обобщениях, убедительно продемонстрировал, что новые виды растений и животных возникают после прохождения длительного эволюционного развития, в результате постоянно происходящего из поколения в поколение естественного отбора особей, наиболее приспособленных к внешним условиям среды обитания.

Основными движущими силами естественного отбора
Ч. Дарвин считал изменчивость, наследственность, естественный отбор, а геометрическая прогрессия размножения обеспечивает богатый материал для проявления этой триады. Любой процесс развития связан именно с первыми тремя понятиями. Изменчивость определяет «поле возможности» адаптироваться меняющимся условиям. В изменчивости проявляется естественная стохастичность (случайность) нашего мира. Она заложена на уровне микрочастиц, движение которых описывается только стохастическими уравнениями. Они определяют динамику молекулярного уровня и проявляются с его помощью и на макроуровне. Так, интенсивность мутагенеза зависит, в частности, от абсолютной температуры, то есть от энергии случайного хаотического движения, в которой находятся молекулы. Когда не достаёт естественной стохастичности, то есть когда естественное «поле возможностей» оказывается слишком узким для обеспечения стабильности организма, то он сам создаёт условия, позволяющие вести поиск новых таких возможностей.

Наследственность – означает, что состояние системы или процесса в будущем зависит от его состояния в прошлом. Другими словами, особенности и свойства, которыми обладает система, не исчезают, они так или иначе проявляются в системе в более позднее время. В физических процессах наследственность реализуется в форме тех или иных физических законов. В биологических системах наследственность определяют законы генетики и другие формы памяти. В системе общественной природы возникли сложнейшие способы передачи информации в будущее, и, прежде всего, традиции, культура, различные способы хранения информации и т.д.

Естественный отбор – это основная движущая сила эволюционного процесса, происходит ли он в неживой материи, биоте или в человеческом обществе. В физике он осуществляется законами физики, которые выделяют те формы движения. которые только и могут существовать. Среди этих законов важнейшее место занимают законы сохранения. Они всегда допускают вариационную формулировку: реализоваться могут лишь те движения, те формы организации, которые обеспечивают некоторому функционалу экстремальное значение.

По мнению Ч. Дарвина, естественный отбор в биологической системе (или борьба за существование) является одним из важнейших экологических проблем. Согласно этой теории наиболее жёсткая борьба за существование происходит в пределах одного вида и между близкими видовыми формами. Не случайно основатель новой науки предложил объединить вопросы, связанные с борьбой за существование, влиянием абиотических и биотических условий на живые организмы, под одним термином – экология.
2.2. Этапы формирования классической экологии

Г.С. Розенберг, Д.П. Мозговой формирование экологии делят на несколько периодов из понимания их значимости и количество событий, отражающих зарождение, формирование и развитие экологических знаний и самой экологии как науки.

Наиболее продолжительный этап развития экологии обоснованно считается подготовительным, в это время в научных трудах естествоиспытателей появились отдельные элементы экологических знаний, который закончился в 1866 г., когда
Э. Геккель в предисловии к научному труду «Общая морфология организмов» назвал науку об организмах и окружающей их среде экологией. Несколько позднее в своих трудах
Э. Геккель дает следующее понятие экологии: «Под экологией мы понимаем сумму знаний, относящихся к экономике природы: изучение всей совокупности взаимоотношений животного с окружающей средой как органической, так и неорганической, и, прежде всего, дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями, с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт».

Экология – это синтетическая биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Одним словом, экология ─ это изучение всех слагаемых взаимоотношений, которые Ч. Дарвиным были названы условиями жизни в борьбе за свое существование.

Глубокие исследования Ч. Дарвина и концептуальные обобщения немецкого биолога Э. Геккеля стали главными стимулами для активизации в области экологических исследований. Во второй половине XIX в. многие исследователи уделили большое внимание изучению растений и животного мира, их приспособляемости к климатическим условиям. Согласно данной периодизации второй этап охватывает конец XIX в. и первую половину ХХ в. (1886 – 1935 гг.). На этот период приходится формирование факториальной экологии, накопление фактического материала по динамике популяций, изучению отношений животных и растений к разнообразным абиотическим факторам существования.

Рассматриваемый период (1866 – 1935) значительно уступает по длительности первому, но он гораздо богаче открытиями в этой области. Французский ученый Ж.Ж.Э. Реклю уже в 1868 г. употребил такое понятие, как биосфера, а в 1926 г.
В.И. Вернадский создает фундаментальное учение о биосфере. Большое значение для становления теоретических основ экологии имел научный трактат, написанный К. Мёбиусом «Устрицы и устричное хозяйство», где сделал вывод о совместном существовании сообществ организмов или биоценозов. Американец С. Форб (1887 г.) впервые рассмотрел озеро как микрокосм, то есть целостную систему, состоящую из живых организмов и абиотического окружения, и этим самым заложил начало учению об экосистемах.

Русский натуралист А.А. Силантьев (1868 – 1918), исследуя экологические особенности жизни сообществ грызунов и насекомых, поставил перед собой задачу прогнозирования изменения их численности и выдвинул идею об использовании хищников и паразитов по предотвращению массового размножения вредных для человека организмов.

В 1909 г. немецкий естествоиспытатель Э. Митчерлих сформулировал принцип совокупного действия факторов на продуктивность биогеоценозов. Впоследствии этот принцип дополнили Б. Бауле и А. Тинеман, который стал   именоваться законом совокупного действия факторов Митчерлиха-Тинемана-Бауле, являющимся главным постулатом экологического земледелия.

В 1910 г. А.Г. Раменским был сформулирован важный экологический принцип неразрывности. В США 1911 г. В. Шелфордом дано определение закону толерантности (терпимости).   В этот период увеличилось количество открытий, имеющих серьезное значение для экологии. В частности, были разработаны следующие основополагающие   категории экологии: климакс ─ Т. Клаус (США 1901 г.); популяция ─ В.Л. Иогансон (1903 г.); биота ─ Э. Роковице (1907 г.); аутэкология и синэкология ─ К. Шредер (1910 г.); экотоп ─ Г.Н. Высоцкий
(1915 г.); фитоценоз и флуктуация ─ И.К. Пачоский (1915 г.);    пространственная экологическая ниша ─ Д. Гринелл
(1917 г.); биомасса ─ Р. Демоль (1927 г.); ноосфера ─ Э. Леруа (1927 г.) и множество других.

Огромное значение для развития экологии имело учение о лесе, разработанное в 1912 г. известным русским лесоводом Г.Ф. Морозовым как о целостном географическом комплексе. Другой русский ученый, В.В. Алехин (1915 г.), сформулировал правило предварения, которое вторично было сформулировано Г. Вальтером, и оно было зафиксировано как правило Вальтера-Алехина. Американский ученый Ф.Э. Клементс разработал учение о сукцессиях (сменах сообществ живых организмов). В 1926 г. выходит фундаментальный труд В.И. Вернадского «Биосфера» (кстати, первым слово биосфера употребил
Ж.Б. Ламарк (XVIII в), затем геолог Э. Зюсс), в котором всесторонне рассмотрена и обоснована планетарная геохимическая роль живого вещества и его главные функции.

В это же время в нашей стране и за рубежом были изданы интересные в научном плане монографии, учебники и учебные пособия, сыгравшие большую роль в формировании экологии как науки и как учебной дисциплины.

Здесь же можно отметить научный труд   «Экология животных» Ч. Элтона, в котором разработано и обосновано новое научное направление – популяционная экология, сформулированы закон пирамиды чисел и экологическая ниша.

Необходимо вспомнить работы советского ученого
Д.Н. Кошкарова, который в 1933 г.   выпустил книгу   «Среда и сообщество», которая является    основой синэкологии, в 1936 г. выходит   второй его научный труд «Жизнь пустыни», а в 1938 г. выпускается новый учебник по экологии «Основы экологии животных».

К завершающему второй этап формирования и развития экологии нужно отнести труд В.В. Станчинского (1931 г.)
«О трофических уровнях и пирамиде энергии». Несколько позже (1934 г.) вышла книга Ф.Г. Гаузе «Борьба за существование», где автор изложил принципы конкурентного исключения и описал первый эксперимент по изучению взаимоотношений видов.

Экология на предыдущих этапах развития в целом не выходила за пределы чисто биологических исследований. Ученые, изучающие экологию, практически не касались проблемы существования самого человека, а также охраны среды его обитания. Тем не менее не мог остаться незамеченным факт все более усиливающегося давления человека на окружающую природную среду.

Согласно принятой классификации началом третьего периода развития экологии считается публикация научного труда англичанина А.Б. Тенсли (1935 г.) «Правильное и неправильное использование концепций и терминов в экономии растений».

А.Б.Тенсли предложил термин экосистема и дал ей глубокое всестороннее осмысление, подразумевая под экосистемой единый комплекс живых организмов, прежде всего, растений и абиотических условий, приуроченных к данной местности, занятой растительностью и животными. Концепция экосистемы принадлежит к числу важнейших теоретических обобщений. Работа А. Тенсли положила начало переходу на новую ступень в развитии экологии благодаря использованию принципов комплексности и системности.

В Германии К. Тролль (1939 г.) обосновал научное направление ─ экология ландшафта, являющееся и в настоящее время одной из ключевых проблем агроэкологии. В 1940 г. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов, согласно которому понимание общих химических процессов, имеющих место на поверхности суши, в атмосфере и в заселенных живыми существами глубинах литосферы и вод, а также в геологических слоях, образованных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Позднее выходит его знаменитое учение о ноосфере, ставшее основой понимания и решения проблем взаимодействия человека с окружающей природной средой, а также сохранения в целостности биосферы.

К большому научному событию этого времени следует отнести разработку учения о биогеоценозах, точнее о биогеоценологии. Используя диалектические принципы всеобщей связи элементов природы, непрерывного развития в результате борьбы противоположностей, перехода количества в качество на основе анализа закономерностей, управляющих лесными естественными насаждениями, В.Н. Сукачев пришел к выводу, что в природе существуют не просто биоценозы, а системы, которые объединяют органические сообщества с абиотическими условиями, свойственными определенной территории. Единство биоценоза, экологических условий и территории (экотопа) образует комплекс, который был назван им биогеоценозом. Американский исследователь Дж. Хатчинсон в 1961 г. описал и открыл парадокс планктона и сделал вывод о том, что наряду с конкуренцией есть и другие (более гуманные) взаимоотношения между организмами при формировании сообществ. Необходимо отметить совместные работы Р. Мак-Артура и Д. Каннели
(1966 г.) «Биология популяций», Р. Мак-Артура и Е. Уилсона (1967 г.) «Теория островной биогеографии». В этих работах упор сделан на конкуренцию как основного фактора формирования сообществ.

Характеризуя третий этап формирования экологии как науки, можно утверждать, что процесс формирования в этой области в целом завершился. Учение об экологии включает три взаимосвязанных основных направления:

·     экологию видов (демэкологию) (рис.2.1);

·     экологию биоценозов (синэкологию или биоценологию);

·     экологию человека.

Рис.2.1. Структура экологических наук (по Н.Ф.Реймерсу, 1994;
В.А. Вронскому, 1996; А.Д. Потапову, 2000)
Нарушение равновесного состояния экосистем из-за сокращения видового разнообразия растительного и животного мира, загрязнения среды их обитания, нерационального природопользования привели к замене эволюционно сложившихся    причинно-следственных взаимосвязей между биотическими и абиотическими компонентами, к случайно возникающим явлениям и часто с непредсказуемыми последствиями. Как отмечает видный американский ученый Д. Симберлофф (1980 г.), характерной чертой современной экологии стал учёт роли случайных (стохастических) факторов в формировании структуры и динамики экосистем, что явилось концом третьего этапа развития экологии. Появление научной работы «Сукцессия парадигм в экологии» А.М. Гилярова связывается с началом развития четвертого этапа экологических знаний – интегрального периода, особенностью которого считается совместное существование детерминистской и стохастической (случайных) концепций.

Понимание этого обстоятельства приобрело исключительно актуальное значение в 50-е гг. ХХ столетия, когда в связи с появлением атомного оружия и его испытаний в биосфере над человечеством начали сгущаться серьезные «экологические тучи». Из сугубо биотической экология трансформируется в глобальную науку, изучающую не только среду обитания растительного и животного мира, но и самого человека, зависимость которого от состояния окружающей природной среды становится все очевиднее. Таким образом, понятие экология приобретает новое, более глубокое смысловое значение, поскольку современное экологическое миросознание синтезирует фактически весь спектр областей наук (естественных, гуманитарных, технических). Это наиболее трудоемкая сфера познания и деятельности. Общая экология, как и прикладные её направления, выполняет следующие научные функции: измерительную, классификационную, диагностическую, описательную, синтезирующую, прогностическую и конструктивную. И это должно обязательно учитываться при решении конкретных экологических задач. Выживание человеческой популяции требует оптимизации взаимодействия человека и природной среды на основе глубоких и всесторонних экологических познаний.
2.3. Основные разделы экологии

Общая экология посвящена объединению разнообразных экологических знаний на едином научном фундаменте. Её ядром является теоретическая экология, которая устанавливает общие закономерности функционирования экологических систем. Многие природные экологические процессы протекают очень медленно и вызваны они множеством условий. Для изучения их механизмов недостаточно одних натурных наблюдений, кроме этого нужен и эксперимент. Экспериментальная экология обеспечивает методическим инструментом различные разделы науки. Поэтому широко применяется моделирование, в частности математическое. Вместе с обработкой информации и количественным анализом фактического материала моделирование входит в раздел общей экологии, который называется математической экологией.

Биологическая экология – это классическая экология, сформировавшаяся в рамках биологии, представляющая собой достаточно цельную область естествознания. Она посвящена взаимодействиям с окружающей средой надорганизменных биологических систем всех уровней.

В биоэкологии выделяются:

       экология отдельных особей как представителей определённого вида организмов – аутэкология;

       экология генетически однородных групп организмов одного вида, имеющих общее место обитания – популяционная экология;

       экология многовидовых сообществ – биоценозов – синэкология;

       учение об экологических системах – биогеоценология.

Другой принцип деления относится к таксономическим группам организмов: царствам бактерий, грибов, растений, животных – и к более мелким систематическим категориям: типам, классам, отрядам. Например, экология водорослей, экология насекомых, птиц, китов и др. Ещё один раздел составляет эволюционная экология – учение о роли экологических факторов в эволюционном процессе. Именно в биоэкологи на основе изучения роли потоков веществ, энергии и информации в жизнедеятельности организмов формируется представление об экономике природы.

Подразделение делается также по типу среды обитания – наземной (суши), пресноводной, морской, аэротопной (воздушной); по принадлежности сообществ организмов к разным природно-климатическим зонам (экология смешанных и хвойных лесов, пустынь, полупустынь, степей, гор и т. д.); типам ландшафтов (экология речных долин, морских побережий, болот, островов, коралловых рифов и т.п.). Эту совокупность приложений иногда называют ещё географической экологией. В сумму экологических знаний входит экология человека – комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивидуума (биологической особи) и личности (социального субъекта) с окружающей природной и антропогенной средой. Социальная экология как часть экологии человека – это объединение научных отраслей, изучающих связь общественных структур (начиная с семьи и других малых общественных групп) с природной и социальной средой их окружения. К этому объединению 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 – это комплекс дисциплин, связанных с различными областями человеческой деятельности и взаимоотношений между обществом и природой. Она формирует экологические критерии экономики, исследует механизмы антропогенных воздействий на природу и окружающую человека среду, следит за её качеством, обеспечивает нормативы неистощимого использования природных ресурсов, осуществляет экологическую регламентацию производственной деятельности, контролирует экологическое соответствие планов и проектов, разрабатывает технические средства охраны природной среды и восстановления нарушенных хозяйственной деятельностью природных систем. Выделяются следующие разделы прикладной экологии: инженерная, сельскохозяйственная, биоресурсная и промысловая, коммунальная и медицинская.

Инженерная экология – сравнительно новое направление экологической науки, изучающее взаимодействия техники и природы, закономерности формирования региональных и локальных природно-технических систем и способы управления ими в целях защиты природной среды и обеспечения экологической безопасности. Инженерная экология призвана обеспечить соответствие техники и технологий промышленных объектов экологическим требованиям. В сферу промышленной экологии входит комплекс взаимосвязанных задач:

- регламентации экологически безопасного производственного освоения территорий, размещения и строительство хозяйственных объектов; оптимизация отраслевой структуры производства;

- определение допустимой техногенной нагрузки на территории, контроль и регламентация материально-энергетических потоков производства и техногенных эмиссий от различных инженерных объектов;

- экологизация производства, создание энерго- и ресурсосберегающих и малоотходных технологий, экологически чистых материалов и продуктов производства;

- экологическая безопасность территориальных промышленных комплексов, производственных процессов, сооружений, машин и изделий;

- инженерно-экологическое обеспечение производства, разработка методов инженерно-экологической профилактики, восстановления и реконструкции ландшафтов.

Инженерной экологии приходится часто иметь дело с воздействием экологических факторов и различных живых организмов на инженерные объекты.

Сельскохозяйственная экология в своей значительной части сливается с биологическими основами земледелия (агроэкология) и животноводства (экология сельскохозяйственных животных). Экосистемный подход обогащает агробиологию принципами и средствами рациональной эксплуатации земельных ресурсов, повышения продуктивности и получения экологически чистой и биологически полноценной продукции.

Биоресурсная и промысловая экология изучает условия, при которых эксплуатация биологических ресурсов природных экосистем (лесов, континентальных водоёмов, морей и океана) не приводит к их истощению и нарушению, утрате видов, уменьшению биоразнообразия. В задачи этой дисциплины входят также разработка методов восстановления и обогащения биоресурсов, научное обоснование интродукции и акклиматизации растений и животных, создание заповедников.

Экология поселений и коммунальная экология это разделы прикладной экологии, посвящённые особенностям и влияниям различных факторов искусственно преобразованной среды обитания людей в жилищах, населённых пунктах, в городах (урбаноэкология).

Медицинская экология область изучения экологических условий возникновения, распространения и развития болезней человека, в том числе острых и хронических заболеваний, вызванных природными факторами и неблагоприятными техногенными воздействиями на среду. Медицинская экология включает в качестве отдельного раздела рекреационную экологию – отдыха и оздоровления населения.

Из перечисленных разделов экологии видно, что экологизации подверглись многие науки и сферы практической деятельности. В их пограничных зонах возникают новые дисциплины. Например, геоэкология тесно взаимодействует с биогеографией – наукой о географическом распределении организмов, многие разделы этих дисциплин накладываются друг на друга. Это можно сказать и об экологии человека, с одной стороны, социологии и антропологии – с другой. По системной совокупности объектов «большая экология» это одна из самых синтетических наук, требующая универсальной подготовки и глубоких профессиональных знаний.

2.4. Системные связи в биосфере

Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщённо могут быть обозначены как «пища – потребитель пищи» или «ресурс – эксплуататор». Сюда относятся такие явления, как отношения хищника и его жертвы, поедание травы фитофагами, паразитизм на теле хозяина и т.д. Взаимодействие в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером здесь могут служить взаимодействия численности особей в популяциях хищника (Х) и его жертва (Ж) (рис.2.2).

Овал: (+) Ж

─ +

+ ─
Рис.2.2. Системная связь жертва-хищник
Они связаны положительными и отрицательными причинными зависимостями. Знаки (+) и (-) в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или «плохо», а однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +), но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, -).

Если речь об одном виде хищника и одном виде жертвы, то хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы. Основная часть жертв обычно избегает встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (-), «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно предположить, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени. Рассмотрим поведение более сложного контура (рис.2.3).

+ +

─



+ ─

Овал:
Д

                                                     ─                ─
Рис.2.3. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоёма (по Т.А. Акимовой и др. 2001):
М – минеральные питательные вещества; Ж – животные; Б – бактерии;

Д – детрит; В – водоросли

Предположим, что под влиянием какого-то внешнего фактора, например, благоприятной температуры или попадания в водоём питательных веществ началось усиленное развитие водорослей – фитопланктона. Это приводит к уменьшению запасов минеральных веществ в воде и росту количества животных – от зоопланктона до рыб. Вызванное этим явлением чрезмерное выедание фиотопланктона приводит через определённое время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведёт к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит вызывает усиленное их размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается, контур в целом имеет отрицательный знак. В данном случае сама система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоёмов.

Необходимо отметить исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, то есть гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей. В отличие от них, контуры положительных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению или гибели, либо к ускоряющему росту, «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить связи, гораздо важней добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак внутри контура.

Гармонизирующее с окружающей средой производство и потребление продуктов должны основываться на законах экологии, в том числе сформулированных известным американским учёным-экологом Барри Коммонером.

Согласно первому закону «Всё связано со всем» все экосистемы являются взаимонастрающимися и взаимоуровновешанными. При каких-либо отклонениях в одном звене экосистема в целом стабилизируется благодаря динамическим самоконтролирующим свойствам, а при слишком сильных отклонения может произойти её разрушение. Допустимые отклонения, не приводящие к драматической развязке, определяются сложностью системы и её кинетическими параметрами (скоростью метаболизма различных популяций, входящих в систему и т.п.). Разрушение отдельных звеньев приводит к упрощению экосистем и к их большей «ранимости». Иллюстрацией упадка экосистемы может служить разрушение кислородного обмена в воде, вызываемое эвтрофированием, которое тесно связано с увеличением в бассейне большого количества питательных веществ, транспортируемых со сбросными водами. Питательные вещества стимулируют рост водорослей, а плотный их слой начинает препятствовать проникновению в нижние слои воды солнечного света, который необходим для фотосинтеза.

Количество отмираемых водорослей неуклонно растёт, и весь растворённый в воде кислород расходуется на их разложение, что приводит к гибели разлагающих водоросли бактерий, которые не могут существовать без свободного кислорода и других водных организмов.

Второй закон гласит: «Всё куда-то должно деваться». В природе продукты жизнедеятельности одних организмов служат «сырьём» для других. Многие производственные технологические отходы часто не вписываются в природные экосистемы из-за слишком больших объёмов или чужеродности и тем самым загрязняют их. Дальнейший путь загрязняющих веществ может быть самым необычным. Так, например, содержащаяся в выбросах многих химических предприятий ртуть попадает в организм рыб, из рыб – в организм человека и накапливается в нём, так как ртуть очень слабо участвуют в метаболизме. Производственные и бытовые отходы, поступая в окружающую среду, не исчезает бесследно, а остаются чуждыми ей.

Третий закон: «Природа знает лучше». Любое крупное изменение природной системы вредно для неё, ибо эта система прошла несравненно более длительную эволюцию, чем период развития цивилизации, и усовершенствовалась до уровня тончайшего механизма, в которой каждая, даже самая мелкая деталь, играет незаменимую роль. Для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, в природе существует исторически сформировавшийся фермент, благодаря чему происходит её разложение. Большинство синтезированных человеком веществ отличаются от природных систем тем, что они в естественных условиях не разлагаются, а накапливаются в окружающей природной среде. Попав в живой организм, эти вещества могут вызывать самые неожиданные последствия. Данный закон призывает нас к предельной осторожности при взаимодействии с природной средой.

Четвёртый закон: «Ничто не даётся даром, за всё надо платить». Всё, что человек берёт от природы, должно быть рано или поздно возмещено, так как глобальная экосистема является единым целым, в рамках которого не может быть что-то выиграно или потеряно. Как пишет Б. Коммонер: «…платежа по этому векселю никак невозможно избежать, он может быть только на время отсрочен».

Таким образом, по Б. Коммонеру, любой технологический процесс не должен приводить к нарушению каких-либо звеньев экосистемы. Если нарушения произошли, то они подлежат устранению. Наименьшее число нарушений в экосистеме вызывает такое производство, которое имеет высокую степень замкнутости. В подобном производстве отходы сводятся к минимуму, а поток материалов приближается к замкнутому кругообороту вещества, как в природных системах.
2.5. Принципы и теории систем в экологии

Существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую основу для изучения технических, биологических и социальных систем. Некоторые общие свойства этих систем:

1. Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств её отдельных частей, решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями изучаемой системы. Изучая в отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их мутуализма в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологи не позволяет судить о характере взаимоотношений человека с живой природой. Степень несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы.

2. Каждая система имеет определённую структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия обладает не менее как двумя элементами (белок – нуклеиновая кислота). Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено.

В экологии оно обычно оценивается по показателю
К. Шеннона:

,

где V – индекс разнообразия;

     Pi – нормированная относительная численность i-го вида организмов в совокупности n видов (

3. Выделение системы делит её мир на две части – саму систему и её среду, при этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности по типу обмена веществом и/или энергией со средой, существуют следующие системы:

- изолированные системы (где никакой обмен не возможен);

- замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен);

- открытые системы (возможен обмен и веществом и энергией).

В природе реально существуют только открытые системы. Системы между внутренними элементами и элементами среды осуществляют переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая система – от вируса до биосферы – представляет собой открытую динамическую систему.

4. Преобладание внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними определяет её устойчивость, способность к самоподдержанию. Если внешние силы, действующие на машину, оказываются больше сил механической связи между частями машины, она разрушается. Подобно этому внешнее воздействие на биологическую систему, превосходящее силу её связей и неспособность к адаптации, приводит к необратимым изменениям и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой (принцип велосипеда).

5. Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы – как её приспособление или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как её развитие или эволюцию. Самоподдерживающие динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы, при этом наблюдается определённая последовательность становления эмерджентных свойств (качеств) системы – устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптаций, при которых проток энергии через систему и её потенциальная эффективность увеличиваются.

6. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает сложность её структуры и поведения. Сложность системы H_n определяется числом n связей между её элементами:

H_n=lg_n.

Обычно системы, имеющие до тысячи связей
(O < H_n< 3), относятся к простым; до миллиона связей
(3 < H_n < 6) – к сложным; свыше миллиона (H_n > 6) – к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны. Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, то есть к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система в ходе их эволюции является ускорением эволюции, всё более быстрое прохождение её стадий, равноценных по качественным сдвигам.

7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность или отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойствами системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации – расщеплением (раздвоением) прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации зависит очень многое, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть вызван случайным импульсом.

8. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и /или математических (функциональных) отношений.
2.6. Фундаментальные законы экологии

Современная экология располагает обширным, не требующего доказательств, материалом относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила и принципы заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума, максимума, толерантности, законы диссипации (рассеивания) энергии Онсагера – Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподдержанию и саморегуляции.

Закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, то есть имеющему системный характер. Случайное, стохастическое, поведение большого числа молекул в некотором объёме газа обусловливает вполне определённые значения температуры и давления. Огромное количество бактерий в почве, воде, тканях растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого.

Принцип Ле Шаталье – Брауна. При внесении воздействий, выводящих систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающих систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к саморегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основывается на функционировании всей совокупности живых организмов и служит главным регулятором общеземных процессов.

Действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе и обществе. Он связан с законом физико-химического единства всего живого вещества и законом развития системы за счёт окружающей её среды, и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных
В.И. Вернадским: любая система может развиваться только за счёт использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей её среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за счёт относительно короткий промежуток может происходить только за счёт уменьшения числа других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном единстве жизни живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвлёнными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Богатство связей относится не только к локальным экосистемам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанические течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов – всё это в той или иной степени связывает пространственное удаление природных комплексов и придаёт биосфере признаки единой коммуникативной системы.

Густая динамичная сеть связей и зависимостей характерна и для человеческого общества. По сравнению с природой она многократно обогащена за счёт потоков информации. Существует много примеров многоступенчатого опосредования и усиления частных изменений в технологических процессах и в производстве. Не следует представлять себе эти закономерности так, будто всё связано со всем отдельно в природе и отдельно в обществе и экономике. На самом деле природа, общество и экономика находятся в одной сети системных взаимодействий. Существуют важные для экологии следствия всеобщей связи, закона динамического равновесия и принципа Ле Шателье – Брауна.

Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведённого изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.

Закон оптимальности. Любая система функционирует в некоторых характерных для неё пространственно-временных пределах. Вместе с этим в живой природе действует правило максимального «Давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов. Эту закономерность иногда обозначают как закон сопротивления   среды   жизни   или   закон ограниченного роста Ч. Дарвина. Ч. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определённой, специфичной для него совокупности условий существования, которая позднее получила название экологической ниши. Очевидна связь этого положения с законом оптимальности.

Закон экодинамики. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голсмит (1981 г.) обозначил как законы экодинамики. Первый из них – закон сохранения структуры биосферы, второй – закон стремления к климаксу, то есть к достижению экологической зрелости и равновесности экосистемы.

2.7. Цель, содержание и задачи дисциплины
«экология»

В настоящее время особую озабоченность вызывает проблема сохранения планеты в качестве среды обитания человеческого общества. Информация о нынешнем состоянии окружающей природной среды и соответствующий прогноз крайне не утешителен для биологических существ.

Современная экология анализирует природные факторы существования живых организмов, включая человека, и их изменения под влиянием разнообразных или зачастую разрушающих антропогенных воздействий. Поэтому целью изучения науки экологии является четкое, достаточно полное и достоверное представление об основных экологических проблемах современного состояния окружающей среды, об основных направлениях её защиты, о взаимоотношениях живых организмов с их средой обитания и антропогенных воздействий на экосистемы биосферы и саму биосферу в целом.

Содержание современной экологии можно определить исходя из концентрации уровней организации организмов, которые составляют своеобразный «биологический центр» (рис.2.4).

Ген, клетка, орган, организм, популяция, сообщество ─ основные уровни организации жизни. Они расположены в иерархическом порядке от малых систем к более крупным системам. На каждом уровне в результате взаимодействия с окружающей физической средой (энергией и веществом) возникают новые характерные функциональные системы.

Аутэкология Синэкология

Биология Экология Физическая география

Рис.2.4. Уровни организации живого – объекты изучения биологии, экологии и физической географии (по В.Н. Киселёву, 2000)

Под системой
понимаются упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое.

Живая система при всей сложности её организации состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белков, полисахаридов, жирных кислот, а также других необходимых веществ.

Следует отметить, что именно с молекулярного уровня начинаются разнообразные и чрезвычайно сложные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и т.д.

Клеточный уровень.
Клетка не только структурная единица любого живого организма, но и единица его развития. На клеточном уровне сопрягаются такие важнейшие процессы, как передача информации и превращение веществ и энергии.

Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента зарождения до прекращения существования) как живая система. В организме возникают системы органов, которые специализируются для выполнения различных функций (пищеварения, дыхания и т.д.).

Популяционно-видовой уровень. Популяция как совокупность организмов одного и того же вида, объединённых общим местом обитания, является уже надорганизменной структурой. Важно подчеркнуть, что именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

Биогеоценотичесий уровень. Биогеоценоз – это совокупность организмов разных видов и различной сложности организации во всём многообразии связей с факторами среды их обитания. В течение совместного исторического развития организмов разных систематических групп возникают динамичные и довольно устойчивые сообщества.

Биосферный уровень. Поскольку биосфера есть совокупность всех биогеоценозов, охватывающая все явления жизни, она является высшим уровнем организации живой материи. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и энергии.

Экология изучает главным образом системы выше уровня организма, куда входят популяционные и экологические системы. Самой крупной и наиболее близкой к идеалу по «самообеспечению» является биологическая система – биосфера. Она включает все живые организмы Земли, находящиеся во взаимодействии с физической средой как единое целое. И чтобы поддерживать эту систему в состоянии устойчивого равновесия, необходимо получать поток энергии от Солнца. Иерархический поток энергии даёт удобную основу для подразделения и изучения экологических ситуаций. На основании этого можно дать следующее определение экологии как науки.

Экология – это наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых её проявлениях и на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учётом изменений, вносимых в среду деятельностью человека.

Основным содержанием современной экологии
считается исследование взаимоотношений организмов друг с другом и со средой их обитания на популяционно-биотическом уровне, а также изучение жизни биологических макросистем более высокого ранга – биогеоценозов и экосистем.

Главные задачи экологии
можно свести к изучению динамики популяций, учению о биогеоценозах и экосистемах. Структура биогеоценозов, на уровне формирования которых происходит освоение среды, способствует наиболее экономному и полному использованию жизненных ресурсов. С этой точки зрения основная теоретическая и практическая задача экологии заключается в том, чтобы вскрыть законы этих процессов и научиться управлять ими в условиях неизбежной индустриализации и урбанизации нашей планеты.

Воздействие человека на природную среду стало очень мощным, что часто приводит к серьёзным негативным последствиям. Поэтому проблемы, которыми занимается экология, всё больше углубляются, расширяются её связи с естественными и общественными науками. Значение экологии в решении прикладных задач, в которых заинтересовано общество, неуклонно растёт. Существует тесная взаимосвязь экологии и экономики, перспективы и нынешнее состояние которых важны для каждого человека и в целом для всего общества.

Исходя из вышеизложенного можно отметить, что основными задачами экологии как науки являются:

1. Исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на природные системы и биосферу.

2. Создание научной основы рациональной эксплуатации биологических ресурсов, прогнозирование изменений природной среды под влиянием деятельности человека и управление процессами, протекающими в биосфере, а также сохранение среды обитания человека.

3. Регулирование численности популяций (в том числе человеческой).

4. Разработка системы мероприятий, обеспечивающих минимум применения химических средств защиты от опасных организмов для человеческой популяции.

5. Экологическая индикация при определении свойств тех или иных компонентов и элементов ландшафта, в том числе индикация загрязнения природной среды.

6. Восстановление нарушенных природных систем, рекультивация выведенных из использования угодий, восстановление пастбищ, плодородия почв, продуктивности водоёмов.

7. Сохранение реликтовых участков биосферы (природных заповедников) и другие.

Необходимо отметить, что задачи экологии как учебной дисциплины могут отличаться, но ясно одно: эксплуатация природных ресурсов и природных систем без понимания и учета взаимоотношения процессов, вызванных техническим прогрессом и миром организмов, неизбежно приведёт к необратимым отрицательным последствиям. Необоснованные попытки преобразовать природу вопреки её законам, имевшие место в прошлом и которые не прекращаются в настоящем, по сути дела породили острую проблему, которая называется экологическим кризисом.

2.8. Предмет и методы экологических
исследований

Предметом исследования экологии являются биологические макросистемы (популяции, сообщества и биоценозы) и их динамика во времени и в пространстве. Работы Барри Анри Тенсли (1935 г.), Г.Г.Винберга (1936 г.),
В.Н. Сукачева (1942 г.), Р. Линдемана (1942 г.) доказывают, что экосистема является предметом экологии, а методом её исследований явился системный подход, нашедший отражение во многих работах отечественных и зарубежных учёных.

В экологии используются методы исследований и понятия, применяемые и в других науках – биологии, математике, физике, химии и т.д. Многие же методы исследований свойственны исключительно только экологии как науке. Например, если исследования экологии особей (аутэкология) иногда близки к исследованиям в области физиологии или биогеографии, то изучение популяций и биоценозов относится всецело только к экологии. Известно, что при переходе вещества от одного уровня к другому, более высокому, у вещества проявляется новое качество, не свойственное первоначальному состоянию.

В связи с этим можно привести два простых примера: один из курса химии, другой – из экологии.

1. Водород и кислород, соединяясь в определённом соотношении, образуют воду (2Н + О = Н₂О) – жидкость, совершенно не похожую по своим свойствам на исходные газы – водород и кислород. Вода является важным экологическим фактором для жизни живых организмов.

2. Водоросли и кишечно-полостные животные, эволюционируя совместно, образуют систему кораллового рифа, при этом возникает эффективный механизм круговорота элементов питания, позволяющий такой комбинированной системе поддерживать высокую продуктивность в водах с очень низким их содержанием. Фактическая продуктивность и разнообразие коралловых рифов – это качественно новые свойства, характерные только для данного рифового сообщества. Г. Фейблман
(1945 г.) считал, что при каждом объединении подмножеств возникает, по меньшей мере, одно новое множество с другими свойствами.

Методическую основу современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экология уже давно перестала быть чисто описательной дисциплиной, сейчас в ней преобладают количественные методы – измерения, расчёты, математический анализ. Системный анализ пронизывает большинство экологических исследований, так как любой объект экологии имеет системную природу. В системном подходе объединяются аналитические и синтетические приёмы исследования. Разнообразие исследовательских и прикладных задач влечёт за собой и разнообразие применяемых в экологии методов. Их можно объединить в несколько групп.

Основными методами экологических исследований считаются: полевые; экспериментальные с использованием экосистемного подхода; изучение сообществ (синэкология); популяций (аутэкология); анализ местообитаний; эволюционный и исторический подходы, методы регистрации и оценки состояния среды; методы количественного учёта; методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах; методы прикладной экологии.

Экосистемный
подход. При экосистемном подходе экологических исследований в центре внимания исследователя-эколога оказывается поток энергии и круговорот веществ между биотическими и абиотическими компонентами экосферы. Этот подход выдвигает на первый план общность организации всех сообществ независимо от местообитания и систематического положения входящих в них организмов.

В экосистемном подходе находит свое понимание концепция саморегуляции, благодаря которой становится ясно, что нарушение регуляторных механизмов, например, в результате загрязнения окружающей среды может привести экосистему к биологическому дисбалансу.

Изучение сообществ. При этом подходе исследуют сообщества растений, животных и микроорганизмов, которые обитают в различных биотических единицах: лес, степь и луг. Основное внимание при этом уделяется определению и описанию видов, изучению факторов, ограничивающих их распространение. Одним из аспектов подобных исследований считается получение научных данных о сукцессиях и климаксовых сообществах, что важно для решения вопросов рационального использования природных ресурсов.

Популяционный подход. В современных популяционных исследованиях используются математические модели роста, самоподдержания и уменьшения численности тех или иных видов. Построение моделей связано с такими понятиями как рождаемость, выживаемость и смертность особей.

Популяционный подход обеспечивает теоретическую базу для прогнозирования вспышек увеличения численности вредителей и паразитов, имеющих огромное значение для медицины и сельского хозяйства.

Изучение местообитания. Анализ местообитания особо выделяют в связи с удобством проведения исследований. Этот подход широко распространён в полевых исследованиях, так как места обитания легче всего поддаются классификации. Здесь изучают биотические компоненты экосистемы – эдафические (почвенные), топографические и климатические. Анализ места обитания имеет тесные связи с экосистемным подходом и изучением сообществ.

Эволюционная экология рассматривает изменения, связанные с развитием жизни на Земле и позволяет понять основные закономерности, которые действовали в экосфере до того момента, когда важным экологическим фактором, влияющим на большинство организмов и на физическую среду, стала хозяйственная деятельность человека. Этот подход позволяет реконструировать экосистемы прошлого.

Историческая экология изучает изменения, связанные с развитием цивилизации и технологий производств, их возрастающим влиянием на природу, охватывая период от неолита до настоящего времени.

Относительно новым методом исследования в современной экологии является математическое моделирование, позволяющее изучать сложные объекты, явления и процессы путём их упрощённого имитирования (натурного, математического, логического). Существенным преимуществом экспериментов на модели является то, что при этом могут быть воспроизведены такие крайние положения (например, температура), которые в ряде случаев не могут быть воссозданы на самом объекте.

Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. К ним относятся метеорологические наблюдения; измерения температуры, прозрачности, солености воды и анализ её химического состава; определение характеристик почвенной среды, измерения освещённости, радиационного фона, напряжённости физических полей, определение химической и бактериальной загрязнённости среды и т.д. К этой группе методов следует отнести мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за состоянием экологических объектов и за качеством окружающей среды.

Методы количественного учёта организмов и методы оценки биомассы и продуктивности растений и животных лежат в основе изучения природных сообществ. Для этого применяются подсчёты особей на контрольных площадках, в объёмах воды или почвы, маршрутные учёты, отлов и мечение животных, наблюдения за них перемещениями с помощью телеметрии и другие средства вплоть до аэрокосмической регистрации численности стад, скоплений рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей.

Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов составляют наиболее разнообразную группу методов экологии. В их число входят различные, подчас сложные и длительные наблюдения в природе.

Методы изучения взаимоотношений между организмами во многовидовых сообществах составляют важную часть системной экологии. Здесь также важны натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения, опыты с переносом «меток», например, радиоактивных изотопов, с помощью которых можно определить, какое количество органического вещества и энергии переходит от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным животным, от травоядных – к хищникам.

Кибернетические исследования приобретают всё большее значение в экологии. Потребность в них для целей управления и прогнозирования весьма велики. Существуют близкие к реальным процессам математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения.

Методы прикладной экологии быстро развиваются. Её важными средствами становятся:

■ создание геоинформационных систем (ГИС-технологий) и банков экологической информации, относящихся к различным регионам, территориям, ландшафтам, агроэкосистемам, промышленным центрам, городам:

■ комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки;

■ методы инженерно-экологических изысканий, необходимых для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов;

■ методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов, основанные на принципах и расчётах экологического соответствия;

■ технологические методы снижения отходности, побочных эмиссий и коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий;

■ методы оценки влияния техногенных загрязнений и деградации окружающей среды на здоровье людей и состояние природных систем;

■ методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности; экологический мониторинг; экологическая аттестация и паспортизация хозяйственных объектов, территориальных природно-производственных комплексов; экологическая экспертиза; оценка ожидаемых воздействий проектируемых и строящихся объектов на окружающую среду.
2.9. Связь экологии с другими науками

Сегодня экология перестала быть чисто естественной биологической наукой – это комплексная социоестественная наука. В её предмет практически вовлечены все стороны жизнедеятельности человека.

Экология ─ одна из сравнительно молодых и бурно развивающихся биологических наук. Однако проникновение экологических идей практически во все разделы биологии зачастую ставит иногда под сомнение самостоятельность экологии как науки. Вместе с тем существует немало классификаций биологических наук, хотя каждая из них не охватывает все биологические науки, но дает возможность определить место экологии среди других дисциплин (табл.2.1).
Таблица 2.1. Классификация биологических наук (по Б.Г. Иоганзену, 1959 г.)

Общие науки

Частные науки

Комплексные науки

Систематика

Морфология

Физиология

Экология

Генетика

Биогеография

Эволюционная наука

Микробиология

Ботаника

Зоология

Антропология

Гидробиология

Почвоведение

Паразитология

Общие биологические науки изучают весь органический мир в строго определенном направлении или какую-то одну сторону его жизненных явлений, то есть немного обо всем. Каждая из этих наук может, в свою очередь, подразделяться на отдельные составные части. Например, общая систематика – на систематику злаков, систематику животных и т.д. Частные науки изучают всесторонне конкретный объект органического мира.

Так, общая микробиология изучает систематику, морфологию, физиологию, экологию микроорганизмов. При этом частные науки, в свою очередь, могут быть подразделены на протозоологию, гельминтологию, орнитологию, энтомологию и т.д.

В основе комплексных наук лежит изучение условий жизни организмов. В них значительно шире и глубже развиваются экологические идеи, доминирует экологический подход при изучении конкретных явлений.

Например, гидробиология (как общая наука) изучает систематику, морфологию водных животных, растений, тогда как частная наука изучает организмы, обитающие только в водной среде (пресной или соленой).

Экология как общая биологическая наука также может быть расчленена на составные части: экологию растений, экологию насекомых, экологию лесных пород и т.д. Если для других наук индивидуум является крупной единицей, то для экологии это сравнительно мелкая единица исследований.

В настоящее время экология распалась на ряд научных отраслей и дисциплин, подчас далёких от первоначального её понимания как биологической науки об отношениях живых организмов с окружающей средой. Экологию по размерам объектов изучения делят на аутэкологию (особи, организмы, среда), демэкологию, или популяционную экологию (популяция и её среда), синэкологию (биотическое сообщество, экосистема и их среда), географическую, или ландшафтную экологию (крупные геосистемы), и глобальную экологию (мегаэкология и т.д., учение о биосфере Земли).

Аутэкология (аутос – сам) – это раздел экологии, в задачу которого входит установление пределов существования особи (организма) и тех физико-химических факторов в диапазоне которых организм может существовать.

Демэкология (демос – народ) изучает естественные группировки особей одного вида, то есть популяции – элементарные надорганизменные макросистемы. Важнейшая задача демэкологии – это выяснение условий формирования популяций, а также внутрипопуляционных группировок и их взаимоотношения, структуры, динамики и численности популяции.

Синэкология (вместе), или экология сообществ (биоценология), изучает ассоциации популяций разных видов растений, животных и микроорганизмов, образующих биоценозы, их формирование и развитие, структуру, динамику, взаимодействия с физико-химическими факторами среды, энергетику, продуктивность и другие особенности.

Синэкологические исследования направлены на изучение сложного многовидового комплекса взаимосвязанных организмов (биоценоз), существующих в строго определённой физико-химической среде, качественной и количественной стороны каждого из компонентов во взаимодействии друг с другом.

Эйдэкология (эйдос – образ, вид, экология видов) – изучает отдельные виды растений и животных в естественных условиях обитания, то есть во взаимодействии с местомобитания.

По отношению к предметам изучения экологию расчленили на экологию микроорганизмов, грибов, растений, животных, человека, промышленную, (инженерную), сельскохозяйственную и общую.

По средам и компонентам различают экологию суши, пресных водоемов, морскую, Крайнего Севера, высокогорий, химическую (геохимическую, биохимическую). По подходам к предмету выделяют аналитическую и динамическую экологию и т.д.

Вопросы для самопроверки

1. Какие основные разделы экологии Вам известны?

Как происходило формирование экологических знаний?

Из скольких этапов состоит развитие экологии? Труды каких ученых Вам известны по данному вопросу?

Какие принципы и теории систем в экологии Вам известны?

Какие фундаментальные законы экологии Вы знаете?

Каковы цель и современные задачи экологии?

Что является предметом экологических исследований и какие методы при этом используются?

С какими науками тесно связана экология?

Существуют ли системные связи в биосфере?

ГЛАВА 3. ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ В ЭКОЛОГИИ

3.1. Понятие о среде обитания и адаптации

Среда обитания ─ это часть природы, которая окружает живой организм и с которой он взаимодействует. Любой живой организм живет в сложном и изменяющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с этими изменениями. Элементы и свойства среды обитания организма динамичны и многообразны. Например, одни вещества организму крайне необходимы для жизнедеятельности, к другим он безразличен, а третьи могут оказывать на него даже вредное воздействие.

Условия существования (или жизни) ─ это совокупность необходимых организму (организмам) элементов среды, с которыми он неразрывно связан и без которых он не может существовать
. Живые организмы на нашей планете освоили четыре основные среды обитания, сильно отличающиеся по специфике условий. Первой средой обитания была водная, второй стала наземно-воздушная, третьей оказалась внутрипочвенная и четвертая специфическая среда ─ это сами живые организмы (симбионты и паразиты).

Способность живых организмов приспосабливаться к окружающей среде обитания называется адаптацией. Адаптация организма к окружающей среде ─ одна из основных свойств жизни, так как этим обеспечивается возможность существования, выживания и размножения организмов.

Наряду с питанием, движением и размножением обязательным свойством любых организмов является их способность к защите от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды, независимо от их природы (абиотической или биотической).

Экологические факторы окружающей среды могут выступать как:

1)       раздражители (которые обеспечивают в организме приспособительные изменения физиологических и биохимических функций);

2)       ограничители (вызывают невозможность существования организма в данных условиях);

3)       модификаторы (способствуют анатомическим и морфологическим изменениям организма);

4)       сигналы (свидетельствующие об изменениях других факторов среды).

В процессе приспособления к неблагоприятным условиям окружающей среды организмы сумели выработать следующие пути их избегания.

Активный путь – путь, способствующий усилению сопротивляемости и развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организма, несмотря на неблагоприятные внешние факторы. Так, например, теплокровные – млекопитающиеся и птицы, обитая в условиях изменчивой температуры, поддерживают внутри себя постоянную температуру, которая оптимальна для прохождения в клетках организма биохимических процессов. Такое активное сопротивление влиянию окружающей внешней среды требует больших энергетических затрат, которые необходимо постоянно восполнять, а также специальных приспособлений во внешнем и внутреннем строении организма.

Пассивный путь тесно связан с подчинением жизненных функций организма к изменению факторов внешней среды. Так, например, недостаток тепла в организме приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня метаболизма, это позволяет обеспечивать экономное расходование энергетических запасов. При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни. Некоторые мелкие организмы могут полностью высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Такое состояние мнимой смерти называется анабиозом. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором практически полностью останавливается обмен веществ, существенно расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Например, высушенные семена и споры многих растений после увлажнении дают всходы даже через несколько лет. Это относится и к мелким животным. Например, коловратки и нематоды способны в состоянии анабиоза переносить температуры до минус 200⁰С. Примерами скрытой жизни являются оцепенение насекомых, зимний покой многолетних растений, спячка позвоночных животных, сохранение семян, и спор в почве, и мелких организмов в пересыхающих водоёмах. Некоторые бактерии и вирусы, в том числе болезнетворные, могут находиться в неактивном состоянии сколь угодно долго, пока не возникнут благоприятные условия для их «пробуждения» и последующего активного размножения. Такое явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых животных, растений, вызванный неблагоприятными факторами внешней среды, называется диапаузой.

Избегание неблагоприятных воздействий – это выработка организмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по температурным и другим условиям периода года. Общий для животных путь приспособления к неблагоприятным периодам – это миграция. Так, например, в Казахстане степные сайгаки уходят ежегодно на зиму в малоснежные южные полупустыни, где зимние травы в связи с сухостью климата более питательные и доступные. Летом травостой полупустынь быстро высыхает из-за сухости климата, в связи с этим сайгаки на время размножения мигрируют в более влажные северные местности. Наиболее часто адаптация вида к среде осуществляется определённым сочетанием всех трёх возможных путей их приспособления.

Живые организмы в ходе длительной эволюции выработали разнообразные приспособления (адаптации), которые позволяют регулировать обмен веществ при изменениях температуры окружающей среды. Это достигается: а) различными биохимическими и физиологическими перестройками в организме, к которым относятся изменение концентрации и активности ферментов, обезвоживание, понижение точки замерзания, имеющихся в теле растворов и т.п.; б) поддержание температуры тела на более стабильном температурном уровне, чем температура окружающей среды обитания, что позволяет сохранить сложившийся для данного вида ход биохимических реакций.

Морфологическая адаптация – это наличие таких особенностей внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях. Примером подобных адаптаций является выработанное в процессе длительной эволюции внешнее строение организмов, которые обитают в водной среде. В частности, приспособления к скоростному плаванию у многих рыб, кальмаров и парению в воде у планктоновых организмов. Растения, обитающие в пустыне, лишены листьев (вместо широких традиционных листьев у них сформировались колючие иглы), и их строение наилучшим образом приспособлено к максимальному накоплению и минимальным потерям влаги при высоких температурах (кактусы). Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаимодействия со средой обитания, называют жизненной формой вида. При этом разные виды могут иметь сходную жизненную форму, если ведут близкий образ жизни. Примерами в данном случае могут служить кит (млекопитающее), пингвин (птица), акула (рыба).

Поведенческая адаптация у организмов выражается в самых различных формах. Примерами здесь могут служить формы приспособительного поведения животных, направленное на обеспечение нормального теплообмена с окружающей внешней средой: создание убежищ, передвижение с целях выбора оптимальных по температуре условий, особенно в экстремальных условиях (очень высоких или очень низких). Известны как суточные, так и сезонные кочёвки млекопитающих и птиц. Приспособительное поведение может проявляться и у хищников в процессе выслеживания и преследования своей добычи, а у жертв – в определённых условиях ответных реакций (затаивание). Некоторые насекомые отпугивают своих хищников и паразитов резкими движениями или мимикрией.

Если у отдельного индивидуума адаптация к окружающей среде достигается за счёт его физиологических механизмов, то она именуется физиологической адаптацией.

Физиологическое регулирование может оказаться недостаточным для противостояния к неблагоприятным условиям среды. Иногда длительное напряжение физиологических функций (стресс) приводит к истощению ресурсов организма и может привести к отрицательным последствиям. Поэтому во многих случаях при стойком отклонении условий среды от биологического оптимума происходят такие изменения физиологической регуляции, которые повышают её эффективность и вместе с этим уменьшают общее функциональное напряжение организма. Подобные изменения называют ещё акклимацией. Акклимация растений, животных и человека имеют большое экологическое значение. Физиологические адаптации проявляются в особенностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. В качестве примера можно привести верблюда, который способен обеспечивать потребности организма в необходимом количестве влаги путём биохимического окисления собственного жира. Или изменения в организме животных и человека при недостатке кислорода. Низкое парциальное давление кислорода в условиях высокогорья вызывает состояние гипоксии – кислородного голодания клеток. Срочная реакция организма на гипоксию – это усиление вентиляции лёгких и интенсификация кровообращения, но это не может продолжаться длительное время, так как требует затрат энергии и дополнительного кислородного обеспечения. В связи с этим в разных системах организма происходят перестройки, направленные на ослабление гипоксического стресса и достаточного снабжения тканей кислородом при пониженном его содержании в окружающей среде. В первую очередь, стимулируется кроветворение: в крови повышается количество эритроцитов и в них возрастает относительное содержание особой формы гемоглобина, обладающего повышенным сродством к кислороду. В связи с этим кислородная ёмкость и кислородно-транспортная функция крови значительно возрастают. Затем наступают морфологические изменения в кровеносной системе: расширяются артерии сердца и мозга, в тканях сгущается капиллярная сеть – это всё облегчает доставку кислорода к клеткам. В самих же клетках за счёт увеличения активности окислительных ферментов также повышается сродство к кислороду, одновременно возрастает относительный уровень временного бескислородного обеспечения энергией – анаэробного гликолиза. Все эти процессы акклимации к гипоксии, происходящие на протяжении нескольких часов или дней, способствуют снятию функционального напряжения с дыхательной и кровеносной систем.

В природных условиях значение физиологической адаптации связано с естественными изменениями условий существования, в основном это связано с сезонными перепадами температуры, влажности, наличия в местах обитания корма и т.д. Хорошо всем известно осеннее увеличение теплоизоляции у многих млекопитающих и птиц за счёт линьки, появления зимнего оперения покровов тела (пуха, пера, меха) и накопления подкожного жира. В бескормное время изменяется режим и качество питания, физиологические функции направлены на экономное расходование энергии. Сезонные миграции птиц и рыб подготавливаются комплексом физиологических и морфологических сдвигов, изменениями поведения. Все эти изменения обеспечены специфическими видовыми программами физиологической адаптации. Однако новые физиологические качества организма, приобретаемые во время акклимации, не обладают высокой устойчивостью; при смене сезона и при возвращении в оптимальные условия они утрачиваются и не передаются по наследству. Этим отличается акклимация от видовой генетической адаптации.

В том случае, если у популяции организмов (видов) адаптация достигается благодаря механизму генетической изменчивости и наследственности, то её называют генетической адаптацией. Генетическая адаптация происходит на протяжении ряда поколений и связана с процессом видообразования и возникновения новых жизненных форм организмов.

Адаптационные ритмы жизни. Из-за осевого вращения Земли и движения её вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило и происходит в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времён года. Подобная ритмичность создаёт, в свою очередь, периодичность, то есть повторяемость условий в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещённости, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных. Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. Так, например, у человека около ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие.

Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому самые уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка приходятся на наиболее благоприятный сезон. Следует особо подчеркнуть, что основным экологическим периодом, на который реагируют организмы в своих годовых циклах, является не случайное изменение погоды, а фотопериод, то есть изменения в соотношении дня и ночи.

Известно, что длина светового дня закономерно изменяется в течение года, и именно это служит весьма точным сигналом приближения весны, лета, осени и зимы. Способность организмов реагировать на изменение длины дня называется фотопериодизмом. Фотопериодизм растений, реакция на соотношение светлого (длина дня) и тёмного (длина ночи) периодов суток, выражающаяся в изменении процессов роста и развития, связана с приспособлением онтогенеза к сезонным изменениям внешних условий. Длина дня служит растениям указателем времени года и внешним сигналом для перехода к цветению или подготовки к неблагоприятному сезону. Одно из основных проявлений фотопериодизма – фотопериодичная реакция зацветания. Органом восприятия фотопериода служит лист, в котором в результате световых и темновых реакций образуется гормональный комплекс, стимулирующий зацветание. По фотопериоду, вызывающему цветение, растения делятся на длиннодневные (зерновые колосовые и др.), короткодневные (рис, просо, конопля, соя и др.) и нейтральные (гречиха, горох и др.). Длиннодневные растения распространены в основном в умеренных и приполярных широтах, короткодневные – ближе к субтропикам. Фотопериодизм существенно влияет на формообразование (клубней, луковиц, кочанов капусты, стеблей) и физиологические (интенсивность и форма роста, наступление периода покоя, листопад и др.) процессы. Виды растений различаются по принадлежности к той или иной фотопериодичной группе, а сорта и линии – по степени выраженности фотопериодичной реакции. Это учитывают при районировании сортов, а также в светокультуре и при выращивании растений в закрытом грунте.

У животных фотопериодизм контролирует сроки брачного периода, плодовитость, осенние и весенние линьки, яйценоскость и т.д., генетически связан с биологическими ритмами. Используя фотопериодичную реакцию, можно управлять развитием сельскохозяйственных животных и их плодовитостью.

Фототропизм (от греч. слова tropos – поворот, направление) это ростовые движения органов растений в ответ на одностороннее направленное действие какого-либо фактора внешней среды. Тропизм – явление раздражимости, вызывающее перераспределение в тканях растения фитогормонов. В результате этого клетки на одной стороне стебля, листа или корня растут быстрее, чем на другой, происходит изгиб органа от раздражителя (положительный тропизм) или от него (отрицательный). Так, проросток изгибается в сторону источника света (фототропизм), корень под действием земного притяжения растёт вертикально вниз (геотропизм), корни растений растут по направлению к более влажной среде (гидротропизм). Под действием прикосновения, трения усики вьющихся растений обвивают опору (гаптотропизм), на плохо аэруемой почве корни некоторых мангровых деревьев растут вверх к источнику кислорода (аэротропизм), пыльцевые трубки растут к семяпочке, выделяющей определённые химические вещества (хемотропизм). Тропизм является приспособительными реакциями, позволяющему растению наиболее полно использовать факторы внешней среды или защищаться от их неблагоприятного влияния.

В процессе эволюции выработались характерные временные циклы с определённой последовательностью и длительностью периодов размножения, роста, подготовки к зиме, то есть биологические ритмы жизнедеятельности организмов в определённых условиях среды. Приливно-отливные ритмы. Виды организмов, обитающие в прибрежной или донной части мелководья (на литорали), в которую свет проникает до дна, находятся в условиях очень сложной периодичности внешней среды. На 24-часовой цикл колебания освещённости и других факторов накладывается ещё чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч 50 мин) наблюдаются 2 прилива и два отлива. Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) сила приливов и отливов достигает максимальной величины. Этой сложной ритмике подчинена жизнь организмов прибрежной зоны. Так, например, самки рыбы атерина в самый высокий прилив откладывают икру у кромки воды, закатывая её в песок. При отливе икра остаётся созревать в нём. Выход мальков происходит через полмесяца, совпадает со временем следующего высокого прилива.

Кроме адаптации у растений и животных выработались ответные защитные реакции на определённые изменения окружающей среды и воздействия на них. Например, у растений защита от неблагоприятных факторов среды может обеспечиваться:

особенностями анатомического строения (образованием кутикулы, корки, утолщением воскового налета или механической ткани и т.д.);
специальными органами защиты (формирование жгучих волосков, колючек);
двигательными и физиологическими реакциями;
выработкой защитных веществ (синтезом смол, фитонцидов, фитоалексинов, токсинов, защитных белков и.т.п.).

Известно, что каждый организм выживает и размножается только в конкретной среде, характеризующейся относительно узким диапазоном температур, количеством осадков, почвенных условий и т.д. Географический ареал любого вида соответствует географическому распределению подходящих для данного организма условий внешней среды (температуры, влажности, освещенности, атмосферного и водного давления).

Поэтому важно располагать информацией о сущности вызываемых явлений, связей и зависимостей, сложившихся между организмами, популяциями, биоценозами и факторами среды их обитания. Их теоретическую основу составляет закон единства организма и среды, согласно которому, по мнению
В.И. Вернадского, жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потоков энергии в совокупном единстве среды и населяющих её организмов.

В процессе сопряжённой эволюции у различных видов растений и животных выработались взаимные приспособления друг другу, то есть коадаптация: они подчас бывают столь прочными, что раздельно жить в современных условиях уже не могут. Именно в этом проявляется единство органического мира. Коадаптация опыляемых насекомыми растений и
насекомых-опылителей есть пример исторически возникших взаимных приспособлений. В частности, следствием совместной эволюции является привязанность различных групп животных к определённым группам растений и местам их произрастания.

При рассмотрении вопросов связи организмов со средой экология должна, прежде всего, учитывать критерии выживания и размножения. Они в основном определяют экологические шансы устойчивости отдельных видов в данной среде или в конкретной экосистеме. В настоящее время сложились следующие определения (понятия) среды (рис.3.1).

Окружающая среда
– это пространство, вещество и энергия, окружающие организмы и воздействующие на них как положительно, так и отрицательно.

Рис.3.1. Классификация понятия «среда» (Н.Ф. Реймерс, 1990 г.)

Природной средой называется совокупность природных абиотических (неживой природы) и биотических (живой природы) факторов по отношению к растительным и животным организмам вне зависимости от контактов с человеком.

Антропогенная среда
 это природная среда, видоизмененная человеческой деятельностью. Она включает «квазиприродную» среду (окультуренные ландшафты, агроценозы и другие объекты, не способные к самоподдержанию); «артеприродную» среду (искусственные сооружения, здания, асфальтированные дороги в сочетании с природными элементами – почвой, растительностью, воздухом и др.); окружающую человека среду – совокупность абиотических, биотических и социальных факторов в сочетании с «квазиприродной» и «артеприродной» средами. В факториальной экологии выделяют среду обитания и условия существования организмов.

Имеет место и конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организма – среда обитания. К ней относят только те элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые и непрямые отношения, то есть это всё то, что его окружает.

Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией. Правило соответствия условий среды генетической предопределённости организма гласит: «До тех пор, пока среда, окружающая определённый вид организмов, соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к её колебаниям и изменениям, этот вид может существовать». Согласно этому правилу тот или иной вид живого возник в определённой среде и в той или иной степени смог приспособиться к ней. Дальнейшее его существование возможно лишь в ней или в близкой среде. Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Это в полной мере можно отнести и к человеку. Каждый организм реагирует на окружающую среду в соответствии со своей генетической конституцией.

3.2. Экологические факторы и типы реакций
организмов на внешние воздействия

Отдельные свойства, или элементы, среды, воздействующие на организм (организмы), именуются экологическими факторами. К экологическим факторам относятся элементы окружающей среды, оказывающие положительное или негативное влияние на живые организмы на протяжении хотя бы одной из индивидуальных фаз их развития.

По А.С. Мончадскому, экологическим фактором является не только изменяющийся элемент окружающей среды, вызывающий у организмов при своих повторных изменениях ответные реакции, но и изменения, наследственно закрепляющиеся в процессе эволюции.

По Б.А. Быкову, экологические факторы – это внешние и внутренние силы, определяющие направление и скорость протекающих процессов, совершающихся в организмах и экосистемах. У организмов согласно концепции экологического фактора можно отметить следующие типы реакций в зависимости от особенностей внешних воздействий.

Самая простая форма реакции ─ это изменение положения организма в пространстве по отношению к источнику воздействия (перемещение организма для сохранения исходного состояния уровня жизнедеятельности). Более сложными реакциями считаются количественные изменения в уровне жизнедеятельности, в частности, изменение обмена веществ в организме без изменения его характера (изменения в скорости течения жизненных процессов, также как ответные реакции на внешние воздействия). Приспособительное значение реакций этого типа заключается в сохранении исходного состояния организма в тех случаях, когда в ответ на внешние воздействия организм не может изменить свое положение в пространстве. Наиболее сложным типом ответных реакций являются изменения характера жизнедеятельности и обмена веществ, к которым относят явления диапаузы, спячки, анабиоза, фотопериодические реакции и другие качественные изменения жизненного цикла, явления иммунитета и т.д. Данные реакции наступают под влиянием внешних воздействий большой длительности или интенсивности (например, смена сезонов, воздействие паразитов, поллютантов и т.д.). Выживание организма в таких условиях определяется не сохранением энергетического баланса, а наоборот, приспособлением к изменяющимся условиям среды.

Изменения экологических факторов среды по времени могут быть регулярно-периодическими, меняющимися в силу воздействия и в зависимости от времени суток, сезона года, ритма приливов и отливов в Мировом океане. Эти изменения экологических факторов делят на регулярно-первичные и регулярно-вторичные. К регулярно-первичным относят температуру, освещенность, морские приливы и отливы и другие факторы, зависящие от вращения   Земли вокруг Солнца. Вторично-периодические факторы являются следствием первичных. К данным факторам относятся: влажность атмосферного воздуха, которая зависит от температуры окружающей среды; наличие растительной пищи, зависящее от роста и развития растений (те факторы, к которым приспосабливаются травоядные животные, паразиты и хищники); биотические внутривидовые влияния, которые непосредственно связаны с годовыми циклами. Непериодические и нерегулярные изменения экологических факторов проявляются неожиданно, без ярко выраженной периодичности (ливни, смерчи, землетрясения, вулканы и т.д.), к ним также относятся воздействия паразитов и другие межвидовые биотические влияния, в том числе все формы антропогенного воздействия.

Принята следующая классификация экологических факторов:

─ по происхождению (космические, абиотические, биотические, природно-антропогенные, антропогенные);

─ среде возникновения (атмосферные, водные, орографические или геоморфологические, эдафические, физиологические, популяционные, экосистемные, биосферные);

─ степени воздействия (летальные, экстремальные, лимитирующие, беспокоящие, мутагенные, терратогенные);

─ времени (эволюционные, исторические, действующие);

─ характеру действия (географические, геофизические, биогенные, биотические, эволюционные).

В лесном и сельском хозяйстве широко используют классификацию экологических факторов по происхождению: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы  это факторы неживой природы. К абиотическим факторам наземных систем относятся:

климатические ─ свет, тепло, состав воздуха и движение воздушных масс, влагу, осадки и влажность воздуха;
почвенно-грунтовые ─ гранулометрический состав почв и грунтов, физические свойства почв;
орографические (условия рельефа местности).

На водные организмы оказывает влияние комплекс гидрологических факторов: гидрофизические, гидрохимические и
т. д.

В местностях, для которых характерны сухой климат и хорошо развитый растительный покров, многие растения в процессе эволюции приспособились к огневому воздействию и постепенно сформировали пирофитную (огнелюбивую) флору. Растения-пирофиты (дуб, белый ракитник и др.) обладают уникальными особенностями: у них наблюдается быстрый рост и раннее плодоношение; твёрдая и прочная кожура семян; высокая огнестойкость коры стволов; высоко поднятая крона; высокая регенерационная способность корневых систем и т.д.

Абиотические факторы оказывают косвенное или прямое воздействие на живые организмы. Так, например, температура окружающей среды, действуя непосредственно на организм животного, определяет его тепловой баланс и течение физиологических процессов в нём. Однако температура может оказать на животное и косвенное влияние. Температура, обеспечивая условия для роста и развития растений, являющихся пищей для животных-фитофагов, может повлиять на жизнедеятельность последних (нехватка или изобилие пищи). Основные абиотические факторы, оказывающие решающее влияние на жизнеспособность организмов – климатические (свет, тепло, влажность воздуха и почвы). Два абиотических фактора – количество осадков и температура окружающей среды – во многом определяют рассредоточение основных наземных экосистем. Специфика климатических условий определяет развитие того или иного биома (крупного системно-географического подразделения в пределах природно-климатической зоны). Влага является важнейшим экологическим фактором, от количества содержания которой экосистемы делятся на следующие типы: лесные, степные и пустынные. Например, предел устойчивости большинства древесных растений составляет примерно 7500 – 8000 м³
(750 – 800 мм) воды в год, у злаковых растений – около
2500 ─ 3000 м³, а кактусы, например, произрастают при годовом количестве осадков 500 м³ воды в год на 1 га. Важным условием изменчивости живых организмов и их зонального размещения на земле служит изменчивость химического состава окружающей среды. Биогеохимические провинции характеризуются зональностью химического состава почв, а также климатической, фитогеографической и геохимической регионами.

Биогеохимические провинции ─ это области на поверхности Земли, различающиеся по содержанию (в водах и почвах) химических соединений, с которыми связаны биологические реакции аборигенной флоры и фауны.

Биотические факторы представляют собой воздействие живых организмов друг на друга, что является основой существования популяций и биоценозов. В связи с этим в этой группе факторов выделяют:

Во-первых, генетическую информацию на уровне организмов и популяций;
Во-вторых, факторы биоценотической сферы, определяющие развитие биоты экосистем. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других организмов, вступая в связь с представителями своего и других видов, эта связь зависит от них самих, но организм и сам оказывает некоторое воздействие на среду, что служит основанием для выделения его как отдельного биотического фактора. Фитогенные факторы воздействуют на растение как прямо, так и косвенно. К прямому воздействию относятся механические контакты, симбиоз, паразитизм и т. д. Например, на некоторых бобовых культурах паразитирует клеверная повилика, а на ризосфере этих же бобовых поселяются азотфиксирующие бактерии (симбиоз). Косвенное влияние выражается в благоприятных и неблагоприятных для данного вида изменениях экологических факторов (свет, тепло, влага, питательные вещества). Зоогенные биотические факторы представляют собой воздействие животных на растение (поедание, вытаптывание и т.д.). Использование насекомых - паразитов против вредителей культурных растений.

Антропогенные факторы отражают влияние хозяйственной деятельности человека на окружающую природную среду. При осуществлении непродуманной хозяйственной деятельности были уничтожены многие виды животного, растительного мира и их биоценозов. Разрушение экосистем связано чаще всего с непосредственным влиянием на них пирогенных воздействий, изменений почвенного покрова и гидрологического режима почвы, загрязнением её различными поллютантами, коренными превращениями экосистем в культурные агроэкосистемы.

3.3. Общий характер действия экологических
факторов и понятие о лимитирующих
условиях окружающей среды

Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить характер их воздействия на организм. При небольших значениях или чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора происходит не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма.

Диапазон действия или зона толерантности (выносливости), экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми значениями (точка минимума и максимума) данного фактора, при которых возможно существование организма (рис.3.2).

Рис.3.2. Общая схема действия экологического фактора на живой организм: 1– точка минимума; 2 – точка оптимума; 3 – точка максимума
Точка на оси абсцисс, которая соответствует показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора – это точка оптимума. Так как определить оптимальное значение фактора с высокой точностью бывает трудно, поэтому говорят о зоне оптимума или комфорта. Таким образом, оптимум, минимум и максимум составляют три кардинальные точки, которые определяют возможные реакции организма на данный фактор.

Крайние участки кривой, выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора, называют зонами пессимума. Рядом с критическими точками лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора, при которых наступает гибель организма.

Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют экстремальные.

Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факторов на живые организмы и характер ответных реакций последних известны как «правило оптимума». Существование и выносливость организма часто оказываются чувствительными к двум или большему числу факторов окружающей среды. В таких случаях решающее значение имеет такой фактор или ресурс, который находится с точки зрения потребностей организма в минимальном количестве. Следовательно, выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Суть закона легко пояснить на следующем примере. Величина продуктивности растений определяется тем элементом питания, который находится в почве в минимальном количестве. При внесении недостающего элемента продуктивность будет расти до тех пор, пока другой элемент не окажется в минимуме. Из практики известно, что сам факт существования организма может определяться не минимальным значением, а наоборот, избытком любого из факторов. Впервые об этом высказал В. Шелфорд (1913 г.), что и легло в основу закона толерантности (терпимости): ограничивающим фактором организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Смысл закона следующий – всё хорошо в меру.

Таким образом, для организмов характерны экологический минимум и максимум, они одинаковым образом реагируют на оба пессимальных значения фактора. Их выносливость к воздействиям в диапазоне между этими величинами называют пределом толерантности вида.

Экологические факторы обычно действуют не по одиночке, а комплексно, влияние одного какого-то фактора зависит от уровня воздействия других факторов. Сочетание одного фактора с другими оказывает заметное воздействие на проявление оптимума в свойствах организма и на пределах его существования. Но действие одного фактора никогда полностью не заменяется действием другого. Однако при комплексном воздействии факторов среды можно видеть «эффект замещения», который проявляется в сходстве результатов воздействия разных экологических факторов. Например, свет никак не может быть заменен избытком тепла или обилием диоксида углерода, но, действуя изменениями температуры, можно приостановить фотосинтез растений или активность у животных и тем самым создать эффект диапаузы, как при коротком дне, а удлинив его активный период ─ создать эффект длинного дня. Комплексное действие факторов окружающей среды неравноценно для существования организмов. Факторы, ограничивающие рост, развитие и размножение организмов, называются лимитирующими. Закон лимитирующих факторов был сформулирован в 1840 г. немецким ученым-агрохимиком Юстасом Либихом. По его мнению, лимитирующим фактором процветания вида (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия (высокие и низкие температуры, минимальное или максимальное количество влаги в почве).

Лимитирующие факторы жизни можно подразделить на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие, второстепенные). Понятие о главных факторах нельзя смешивать с понятием об ограничивающих факторах. Пределы существования жизни соответствуют температурам от –252⁰С до +180⁰С. (табл.3.1). Но, как правило, температура, при которой возможно нормальное построение и функционирование белков считается и от 0⁰С до +45⁰С. Однако целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами, которые приспособлены к активному существованию при температурах тела, выходящих за указанные выше пределы. Например, древесные и кустарниковые породы Якутии не вымерзают даже при –70⁰С. Этому способствует удаление из клетки части воды, после чего клеточный сок становится более концентрированным, чем и определяется живучесть деревьев.
Таблица 3.1. Температурный диапазон активной жизни на Земле, ⁰С

Среда жизни	Максимум	Минимум	Амплитуда
Суша	+ 55,0	– 70,0	125
Моря	+ 35,6	– 3,3	38,9
Пресные воды	+ 93,0	0	93,0

Температурный оптимум для большинства живых растительных организмов определяется пределом от +20 до +25⁰С, и лишь в сухих и жарких регионах для теплолюбивых он составляет +25 – +28⁰С. При оптимальных температурах у всех организмов физиологические процессы протекают более интенсивно, что способствует увеличению темпов роста и развития. В данном случае к биологическим процессам применимо правило Ванг-Гоффа, которое гласит: скорость химических реакций возрастает в 2 – 3 раза при увеличении температуры на 10⁰С. При температуре выше или ниже оптимальной скорость биохимических реакций в организме снижается или вообще нарушается и как итог – замедление темпов роста или даже гибель организма. Минимальные и максимальные температуры нижнего и верхнего пределов выносливости называются соответственно нижним и верхним порогами развития, или нижним и верхним биологическим нулем, за пределами которого развитие организма не происходит.

Температуры, лежащие выше нижнего порога развития и не выходящие за пределы верхнего, получили название эффективных температур. Сумма эффективных температур (С) определяется по формуле:

С = (
t
–
t
₁
) ∙
n
,

где t – температура окружающей среды (в данный момент);

       t
₁ – температура развития организма;

       n – продолжительность (длительность) развития в днях, часах.

Температура выше +10С⁰ называется активной температурой. При температуре окружающей среды выше +10С⁰ происходит наибольший прирост биомассы растений и быстрейшее их развитие.

Ценность закона лимитирующих факторов заключается в том, что здесь дается точка отсчёта при проведении исследований, которая может оказаться как критической, так и лимитирующей. Выявление ограничивающих факторов – ключ к управлению жизнедеятельностью организмов.

В природе все живые организмы занимают определенное место обитания и конкурируют между собой за это место. Пространство экологических факторов условно имеет следующие классификационные подразделения: экотоп, биотоп.

Экотоп (косная среда) ─ внешние, не относящиеся к биотической среде условия жизни. Экотопы в наземных биогеоценозах подразделяются на почвенную и надземную (воздушную) среды ─ на эдафон (почвенные условия) и аэротоп (наземно-воздушные условия).

Биотоп ─ однородный в экологическом отношении участок, соответствующий отдельным частям биоценоза или ценоэкосистемы, являющийся местом обитания того или иного вида растений или животных.

Экологическая выносливость вида (организма) показатель характеризующий диапазон адаптированности (приспособленности) вида к разнообразным условиям среды. Относительная степень толерантности выражается рядом терминов, в которых используют приставки стено- узкий и эври – широкий. Так, например, эврибионтные и стенобионтные живые организмы – это организмы соответственно широкой и узкой приспособленности к среде обитания. Примером эврибионтных организмов являются бурый медведь, волк, тростник, которые способны жить в разнообразных условиях среды обитания; стенобионтных – форель, живущая только в чистой проточной воде, глубоководные морские организмы и т.д.

По отношению к конкретным факторам среды виды организмов подразделяются на: эвритермные и стенотермные, первые способны переносить значительные колебания температур (например, песцы в тундре, белый медведь, пингвины и т.д.), вторые, наоборот, требуют строго определённых температур (тепловодные рачки и т.д.).

Эвригидридные и стеногидридные организмы характеризуются противоположной реакцией на колебания влажности среды обитания.

Эвриойкные и стеноойкные, первые способны жить в различных местах обитания, вторые предъявляют жёсткие требования к выбору местообитания.

Пойкилотермные (холодокровные) – организмы с непостоянной температурой тела (рыбы, амфибии, лягушка, некоторые насекомые и др.).

Гомойотермные (теплокровные или эндотермы) – организмы с постоянной температурой тела. Гомойотермия характерна только для представителей двух высших классов – птиц и млекопитающих.

Гетеротермия – частный случай гомойотермии. Относится к организмам, которые при неблагоприятных условиях внешней среды впадают в спячку или оцепенение (или в гипобиоз). В активном состоянии они поддерживают высокую температуру своего тела, а в неактивном пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ (суслики сурки, ежи, медведи, колибри, летучие мыши, сони и др.).

Гидрофильные (гидрофиты) – эти организмы постоянно живут в водной среде (рыбы, киты, акулы, дельфины и т.д.).

Гигрофильные (гигрофиты) – это те организмы, которые обитают в местах, где воздух насыщен водяным паром, близким к полному насыщению (комары).

Мезофильные (мезофиты) – организмы, отличающиеся умеренной потребностью в воде.

Ксерофильные (ксерофиты) – это организмы, живущие в сухих местообитаниях, и у них организм полностью приспособлен к этому. Например, у грызунов, обитающих в пустыне, почки обладают очень высокой концентрирующей способностью и доводят содержание плотных веществ в моче до 25 %. У многих животных, обитающих в аридной (сухой) зоне, анатомические особенности строения дыхательных путей уменьшают респираторные потери влаги из организма.

Эвригалинные - это организмы, обитающие только вблизи устьев рек и лагун, приледниковых зон моря, а также проходным рыбам. Например, лососи, обитающие в открытом океане, проплывают для нереста к верховьям рек с чистой прозрачной и несолёной водой, где сами появились на свет. А Европейский угорь, обитающий в пресных озёрах Балтийского бассейна, созревая, выходит из них, пробираясь подчас по мокрым лугам до речек, проплывая по ним к морю, пересекает Атлантику и нерестится в районе Саргассова моря на глубине 2000 м.

Стеногалинные – гидробионтныеорганизмы приспособлены к узким колебаниям минерализации воды, живущих только в пресноводной воде или в солёных морских экотопах.

Виды, предпочитающие холод, относятся к экологической группе криофилов. Они могут сохранять активность при температуре клеток до минус 8-10⁰С, когда жидкость их тела находится в переохлаждённом состоянии. Криофилия характерна для бактерий, грибов, лишайников и мхов,

Виды, деятельность которых приурочена к области высоких температур, относятся к группе термофилов. В горячих водных источниках Калифорнии при температуре +52⁰С обитает рыбка под названием пятнистый цинпринодон, а в водах Камчатки живут сине-зеленые водоросли при температуре +80⁰С. Верблюжья колючка переносит +70⁰С.

Питание как экологический фактор. Питанием называется процесс потребления энергии и вещества. Известны два способа питания: голофитный – без захвата пищи (посредством всасывания растворённых пищевых веществ через поверхностные структуры организма) и голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма. Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения веществ в организме. Реакции синтеза сложных веществ, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма, или ассимиляции.

Экологические валентности вида по отношению к разным факторам среды могут быть весьма разнообразными, что создаёт чрезвычайное многообразие адаптаций в природе. Совокупность экологических валентностей по отношению к разным факторам среды составляет экологический спектр вида.

3.4. Фитоценоз и экологическая ниша

Фитоценозом, или растительным сообществом, называют совокупность растений, произрастающих на однородном участке земной поверхности и имеющих только им свойственные взаимоотношения между собой и условиями их местообитания, и создающих свою особую среду, фитосреду. В этом определении в качестве важнейших признаков фитоценозов выделены существующие взаимоотношения между растениями и средой их обитания. Но не включены сюда такие признаки, как историческая обусловленность и самовозобновление, хотя они являются очень важными признаками. Дело в том, что любое явление в природе имеет историю, а некоторые фитоценозы не обладают способностью к самовозобновлению и заменяются со временем другим фитоценозом. Характер этих взаимоотношений определяется, с одной стороны, свойствами места обитания, то есть характером климата, почвы, влияния человека и растений. С другой стороны ─ борьбой за существование внутри самого фитоценоза и непрерывным изменением окружающей среды самим же фитоценозом и в то же время приспособлением растений к среде, то есть подбором определенного состава биотипов к данным условиям существования. Нарушение этого состава вследствие мутационных процессов и появление новых биотипов, а также наличие в фитоценозе взаимоисключающих и противоположных тенденций, и взаимопроникающих одна в другую этих противоположностей являются характерными свойствами любого фитоценоза. Фитоценоз нельзя рассматривать как простое случайное соединение растений, где свойства фитоценоза получаются как будто из механического сложения свойств составляющих его растений. В фитоценозе возникает целый ряд совершенно новых свойств:

1) борьба за существование;

2) угнетенность большинства его членов;

3) наличие во многих случаях благоприятного влияния одних растений на другие;

4) создание особой внутренней среды;

5) создание особой структуры (ярусности);

6) наличие специализации между растениями в использовании средств к существованию.

В сообществах растений основными признаками являются такие как: взаимное влияние растений друг на друга и их взаимодействие со средой обитания, которые выражены достаточно хорошо и полно. Сложные взаимоотношения, существующие между растениями при их совместном произрастании, определяют основные свойства фитоценозов, в том числе их состав, количественное соотношение видов и др., состав и влияние на фиксацию, трансформацию солнечной энергии, а также на биологический круговорот веществ и воздействие фитоценоза на экотоп.

Плотность растений ведёт к ожесточенной взаимной конкуренции между растениями из-за пространства, света, воды и минеральных веществ почвы, нужного газа, а в связи с этим их значительная часть подавляется в своём развитии и выбывает из фитоценоза. Однако в этой борьбе у каждого растения есть стремление разрастись сильнее других, для этого ими используются все возможности. С течением времени при совместной жизни у них вырабатывается в результате взаимного состязания такой набор и такая организация внутри групп, когда они подавляют друг друга меньше, а вместе с тем в целом лучше используют абиотические факторы местообитания.

Непрерывное взаимодействие растений в сообществе друг с другом и с условиями местопроизрастания приводит к тому, что вся система растений начинает подчиняется определенному закономерному процессу развития. Организация сообщества, построенного для использования «производительных сил» местообитания, находит свое выражение в его видовом составе, в структуре и возобновляемости.

Под структурой сообщества подразумевается следующее:

1) ярусное расположение надземных и подземных частей растений;

2) фенологическая и хронологическая их периодичность;

3) характер сложения ярусов.

Отношения, в которые вступают растения между собой в сообществе в процессе использования средств к существованию местообитания, характер которых определяет собой динамику сообществ, и составляют признаки, по которым их объединяют в сообщества - ассоциации (отнесение к тому или иному типу). Характер этих отношений определяется:

свойствами, составляющими сообщество растений;
пространственным распределением в сообществе;
степенью развития;
взаимодействием с условиями существования.

В свою очередь, пространственное распределение растений (ярусность) в сообществе и степень их развития зависят, с одной стороны, от свойств растений, а с другой ─ от непосредственного воздействия условий существования на растения, а также от косвенного воздействия на них через конкурентную борьбу.

Такая ярусность свойственна большинству фитоценозов, причем каждый ярус имеет обыкновенно свой определенный видовой состав, то есть растения, свойственные только одному ярусу, не встречающиеся в других ярусах. Растения распределяются по ярусам таким образом, чтобы нижний ярус мог выносить те неблагоприятные условия, которые создаются верхним ярусом. Верхний ярус часто оказывает защиту нижнему ярусу от неблагоприятных климатических условий, например, колебаний температуры, слишком сильного освещения, ветра и т.д. Эта организация, ведёт к вытеснению из данной группы видов растений, которые недостаточно жизнеспособны для этих условий, приводит к тому, что состав растений становится всё более устойчивым, и данная группа становится самообеспеченной, самовозобновляемой. Важным свойством фитоценозов считается продуктивность. Продуктивность фитоценозов – это способность растений и их сочетаний создавать органическое вещество, важнейшее свойство всех биоценозов и результат жизнедеятельности видов, входящих в их состав. При этом различают первичную продуктивность – создание органического вещества автотрофами и вторичную – формирование органического вещества гетеротрофами. Первичная продуктивность биоценозов определяется почти исключительно растениями, способными к фотосинтезу, количеством органического вещества, продуцируемого фототрофными протокариотами и хемотрофами. Общая масса растений – компонентов фитоценоза ─ образует фитомассу или биомассу, если при этом учитываются только живые органы растений. Размеры фитомассы или биомассы на единицу площади имеют важное значение для характеристики фитоценозов: различают общую, или валовую, и первичную продукцию (количество органического вещества), которая создана растениями в процессе фотосинтеза, и чистую первичную продукцию – количество органического вещества, сохраняющегося в растениях после использования его на дыхание.

Продукция фитоценозов определяется эффективностью сообщества растений, входящих в его состав, которая зависит от чистой продуктивности, площади фотосинтезирующих органов, которые представлены в основном листьями, а также длительностью фотосинтеза. Большое значение имеет способность растений к фотосинтезу, которая изменяется от вида к виду и зависит от жизненного состояния растений, а также от условий, необходимых для успешного их произрастания, от достаточного содержания в почве питательных веществ (обеспеченности углекислотой, светом, влагой, кислотности почвы и др.). Иногда в фитоценозе встречается преобладание тех или иных растений, такое явление называется доминированием или ещё их именуют доминантными растениями. Например, в дубраве содержание дуба доходит до 75 % и более, в сосняке – сосны. Виды животных, которые живут за счёт доминантов, получили название преддоминантов. В дубовом лесу – это сойки, мышевидные грызуны и кормящиеся на дубе насекомые. Однако не все доминантные виды одинаково влияют на биоценоз. Среди них выделяются те, которые своей жизнедеятельностью в наибольшей степени создают среду для всего сообщества и без которых существование большинства других видов невозможно. Такие виды называют эдификаторами, или средобразователями. При удалении эдификатора из биоценоза происходит заметное изменение физической среды, в первую очередь микроклимата биотопа.

Растения по отношению к экологическим факторам объединяются в следующие группы ценозов.

1. По отношению к плодородию почвы:

на олиготрофы ─ растения, способные развиваться на бедных пита-тельными веществами почвах (к ним можно отнести растения с сильно развитой корневой системой, например сосну);
мезотрофы – умеренно требовательные к плодородию почвы (в основном зерновые колосовые, имеющие разветвленную корневую систему);
эвтрофы – растения, произрастающие на плодородных почвах (овощные и бобовые культуры);

2. По отношению к реакции почвенного раствора растения подразделяются:

на базофильные (или кальциефилы), нуждающиеся в щелочных, известковых почвах и субстратах, боятся кислой среды (бобовые культуры и др.);
нейтральные – предпочитают нейтральные по кислотности почвы (овощные культуры);
азидофильные – требуют кислой реакции почвенной среды (щавель, чайный куст и т.д.);

3. По отношению к содержанию минеральных солей растения делятся:

на настоящие галофиты, или солянки – растения, клетки которых имеют протоплазму, очень устойчивую к высоким концентрациям солей, главным образом хлористого и сернокислого натрия (солерис и др.);
киногалофиты – растения, выделяющие наружу при помощи особых желёз соли, накопившиеся в клеточном слое (иногда в сухую погоду на их листьях и стеблях образуется соляной налет (томарикс и т.д.));
гликогалофиты – растения, у которых мембрана клетки корневой системы малопроницаема для солей, находящихся в почвенном растворе (полынь и др.);

4. По отношению к снежному покрову растения делятся:

на хионофилы – способные расти и развиваться под снежным покровом, у которых ростовые процессы и фотосинтез протекают в конце зимы и ранней весной под снегом при нулевой температуре (ветреница и т.д.);
хионофобы – не приспособленные к жизни в условиях большого снежного покрова и больших снегопадов (береза, сосна, черемуха и д.р., у них обламываются ветки).

5. По отношению растений к влагообеспеченности делят:

· на пойкилогидрические – у них содержание воды в тканях непостоянно и сильно зависит от степени увлажнения окружающей среды (полупустынные растения, грибы, лишайники, некоторые мхи, осоки, наземные водоросли); листья этих растений способны высыхать до водно-воздушного состояния, после смачивания вновь «оживают» и зеленеют;

гоймогидрические – способные поддерживать относительное постоянство обводненности тканей благодаря содержанию запасенной воды в крупных вакуолях тканей (растения аридных (сухих) зон);
гидатофиты – водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду (элодея, ряска, рдесты и т.д.);
ксерофиты – растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при её недостатке, ограничивать испарение воды или запасти её на время засухи. К ним относят растения пустынь, саванн, сухих степей и субтропиков и т.д. Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты;
суккуленты – сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой. Стеблевые суккуленты – кактусы, стапели и др. Листовые суккуленты – алоэ, агавы и др. Корневые – аспарагус, кислица;
склерофиты – это растения сухие на вид, часто с узкими и липкими листьями, иногда свёрнуты в трубочку. Растения могут терять до 25 % воды, не завядая.

Склерофиты в свою очередь подразделяются также на две группы:

эуксерофиты и стинаксерофиты.

К эуксерофитам относятся многие степные растения с розеточными и полурозеточными, сильноопушёнными побегами, полукустарники, злаки, полыни и др;
К стинаксерофитам относят группу узколистных дерновинных злаков (ковыль тонконоги, типчак и др.). Характеризуются низкой транспирацией в засушливый период и могут переносить сильное обезвоживание тканей;
Мезофиты – растения, умеренно увлажнённых местообитаний, имеют хорошо развитую корневую систему(клевер, некоторые злаки, ландыш, берёза, осина, липа, плодово-ягодные культуры);
Момеогидрические растения способны в определённых условиях регулировать потерю воды путём закрытия устьиц и складывания листьев. К ним относят все высшие растения;
Гигрофиты – растения, Обитающие во влажных местах, не переносящие водного дефицита и обладающие невысокой засухоустойчивостью (калужница, росянка, многие осоки и злаки, кислица и др.).

Растения-эпифиты поглощают влагу из воздуха воздушными корнями. Характерным это является для растений мангровых лесов.

Гемсофиты (светолюбивые, гелиофиты) – светолюбивые растения, растения, произрастающие на открытом пространстве, хорошо освещаемых местообитаниях.

Сциофиты (тенелюбивые) – растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные. Они плохо переносят освещение прямыми солнечными лучами.

Теневыносливые (факультативные гемсофиты) – могут переносить более или менее затенение, но хорошо растут и на свету; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения.

Экологическая ниша ─ это место, занимаемое видом (организмом) и определяемое потребностью в питании, территории и функцией воспроизводства. Здесь уместно сослаться на принцип видо-родового представительства – два вида одного рода не могут занимать одинаковые экологические ниши в одном биотопе. Будучи в определённой степени абстрактным понятием, экологическая ниша есть совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Существование вида в сообществе определяется сочетанием и действием многих факторов. Сюда входят физические, химические, физиологические и биотические факторы, необходимые организму для жизни и определяемые его морфологической приспособленностью, физиологическими реакциями и поведением. Согласно Ю. Одуму, термин «экологическая ниша» отражает роль, которую играет организм в экосистеме. Иначе говоря, местообитание – это конкретный адрес вида, тогда как ниша – некий образ его жизни. Экологическая ниша, определяемая только физиологическими особенностями организмов, называется фундаментальной, а та, в пределах которой вид реально встречается в природе – реализованной. Как бы ни были близки два организма, они всегда занимают разные экологические ниши. По высказыванию Ч. Элтона, экологическая ниша: «…это место в живом окружении, отношение вида к пище и к врагам». Но определение принадлежности организмов к той или иной нише исходит из их характера питания, способности организмов добывать или поставлять пищу. Так, например, зеленое растение, принимая участие в сложении биоценоза, обеспечивает существование целому ряду экологических ниш. Это могут быть ниши, охватывающие организмы, питающиеся тканями корней или тканями листьев, цветками, плодами, выделениями корней и т.д. На экологическую нишу вида оказывает сильное воздействие межвидовая и внутривидовая конкуренция. При наличии конкуренции между близкородственными или экологически сходными видами зона местообитания организма сокращается до оптимальной границы, то есть вид распространяется в наиболее благоприятной только для него зоне, где он обладает преимуществом по сравнению со своими конкурентами.

Близкий термин к экологической нише среда обитания обозначает не только лишь территорию, где существует и размножается определенный вид (растений и животных), и ту функцию, которую выполняет организм в среде обитания.

Необходимо подчеркнуть, что у совместно живущих видов экологические ниши могут частично перекрываться, но полностью никогда не совпадают, иначе при этом вступает в действие закон конкурентного исключения и один вид вытесняет другой из данного биоценоза. Если же по какой-то причине, например в результате гибели организмов одного вида, «освобождается» экологическая ниша, то проявляется правило обязательного заполнения экологических ниш: пустующая экологическая ниша всегда заполняется.
3.5. Биоценоз, его свойства и связи в нём

По Б.А. Быкову, биоценоз (
bios
─ жизнь,
koinos
─ общий) ─ это устойчивая система совместно существующих на определенном участке суши или водоема популяций автотрофных и гетеротрофных организмов и создание ими биоценотической среды (в том числе почвы, сапропеля, фитоклимата). Биоценоз является продуктом длительного естественного отбора и рассматривается как сложная биокосная система, состоящая из трех основных компонентов, функционирующих как единое целое:

совокупности основных аккумуляторов лучистой энергии солнца, продуцентов первичного вещества – биомассы растений;
совокупности гетеротрофных организмов (консументов первого порядка и редуцентов) ─ потребителей органического вещества и заключенного в нём энергии;
косных компонентов ─ природных слоев атмосферы и неорганической верхней части литосферы-почвы.

Биоценоз
можно понимать еще как взаимосвязанную совокупность организмов — продуцентов и консументов, населяющих более или менее однородный участок суши или акватории.

По Г.Н. Высоцкому, биоценоз – это и совокупность фитоценоза и зооценоза, и совокупность физико-географических элементов биогеоценоза, составляющих среду обитания, названный им экотопом. Экотоп, в свою очередь, состоит из эдафотопа (участок педасферы с частью литосферы и гидросферы, входящий в состав биогеоценоза) и климатопа (элементы климата, свойственные биогеоценозу).

Пищевые цепи, сети и трофические уровни

В процессе жизнедеятельности автотрофные и гетеротрофные организмы, в своей совокупности составляющие биоценоз, непосредственно осуществляют фиксацию и дальнейшую трансформацию лучистой энергии Солнца и биологический круговорот веществ в данной природной системе. Важным компонентом биоценоза являются деструкторы или редуценты (бактерии и грибы), которые превращают органические остатки в исходный материал (химические элементы). Их функциональная роль заключается в возврате первичных элементов природы в фонд питательных веществ растений.

Перенос энергии пищи от её источника – автотрофов (растений) – через ряд организмов, происходящий путём поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. При каждом очередном переносе большая часть (80 – 90 %) потенциальной энергии теряется, переходя в тепло. Поэтому чем короче пищевая цепь (чем ближе организмы к началу), тем большее количество энергии доступно для популяции. Пищевые цепи делятся на два типа: пастбищную цепь, которая начинается с зелёного растения и идёт к пасущимся фитофагам (то есть к организмам, поедающим живые растительные клетки и ткани) и к хищникам (поедающим травоядных животных), и детритную цепь, которая от мёртвого органического вещества идёт к микроорганизмам, а затем к детритофагам и к их хищникам.

Пищевые цепи не изолированы друг от друга, а тесно переплетаются, 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.

Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем, он характеризуется различной интенсивностью протекания потока вещества и энергии. Так, зелёные растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), травоядные животные составляют второй трофический уровень (уровень первичных консументов), первичные хищники, поедающие травоядных животных – третий уровень (уровень вторичных консументов), вторичные хищники – четвёртый (уровень третичных консументов) (рис.3.3).

Рис.3.3. Упрощённая схема цепи питания (В.В. Денисов и др., 2002)

Эта трофическая классификация относится к функциям, а не к видам как таковым. Популяция одного вида может занимать один или несколько трофических уровней, в зависимости от того, какие источники энергии она использует. Поток энергии через трофический уровень равен общей ассимиляции (А) на том же уровне, которая в свою очередь равна (Р) биомассе плюс дыхание (Д).

Например, человек съедает крупную рыбу, а она питается мелкими рыбами, которые, в свою очередь – зоопланктоном, зоопланктон - фитопланктоном, использующие солнечную энергию. Человек потребляет мясо животных, которые едят траву, растение трансформирует солнечную энергию в пищевую. Человек может использовать более короткую пищевую цепь, питаясь зерновыми культурами, которые улавливают солнечную энергию. В пищевой цепи трава - корова - человек) человек является вторичным консументом на третьем трофическом уровне. В последнем случае он является первичным консументом на втором трофическом уровне. Но чаще всего человек является одновременно и первичным, и вторичным консументом, так как в его диету входит смесь растительной и животной пищи. Это в полной мере можно отнести и к хищным животным, которые питаются и растительной, и животной пищей.

На рис.3.4 показана схема переноса энергии между растениями-продуцентами, животными-консументами и микроорганизмами-редуцентами. Из этой схемы видно, один и тот же организм потребляет в пищу и животных, и растения: хищник может питаться консументами I и II порядка; многие животные едят как живые, так и отмершие растения.

Расходы на дыхание

Консументы I, II и III порядка

III

Посту-

пление

энергии

фотосин-

теза

Рис.3.4. Поток энергии в природном сообществе (Денисов и др.)
Благодаря сложности трофических связей выпадение какого-то одного вида почти не сказывается на питании сообщества. Исчезнувший вид, потребляемый в пищу другими видами, заменяется новым источником питания, и в целом в сообществе сохраняется равновесие.

В животном сообществе обычно бывает от 2 до 5 пищевых цепей, но чаще всего – 3 или 4. Все звенья пищевой цепи среди гетеротрофов характеризуются одной и той же особенностью: использованием максимум 30 %, а то и всего лишь 1 % энергии, потребленной на одном трофическом уровне, и которая доступна для поглощения с пищей на следующем уровне. Если консументы имеют более 3 – 4 пищевых цепей, то последние будут испытывать сильный пищевой недостаток, вследствие чего они не смогут выжить.

            Внутри биоценоза формируются в той или иной степени тесные группировки, комплексы популяций, которые зависят от растений – эдификаторов или от других элементов биоценоза, которые Л. Г. Раменский назвал консорциями.

            Консорция ─ это совокупность популяций организмов, жизнедеятельность которых в пределах одного биоценоза трофически или топически тесно связаны с центральным видом ─ автотрофным растением. Например, фитофаги-листоеды тесно связаны трофически и топически с деревом, в то же время как некоторые насекомые и птицы могут быть связаны только топически или трофически.

            По В.Б. Мазину, организмы, связанные трофически или топически с детерминантом консорции, – консорты – образуют ряд концентров. Это показано на примере зависимости разрастания клевера от численности кошек (Ч. Дарвин «Происхождение видов»). Так, например, клевер размножается семенами, семена образуются в результате опыления цветков шмелями, мыши поедают соты и шмелей, и разоряют их гнезда, а кошки, в свою очередь, поедают мышей. Это является идеальным случаем консорции. Консорция – условно выделенная часть сложных взаимоотношений в биоценозе и именуется ещё биоценотическим коннексом.

Отношения организмов в биоценозах

Разнообразные формы биотических отношений, в которые вступают те или иные виды организмов в биоценозе (конкуренция, комменсализм, мутуализм, хищник-жертва и т.д.), определяют основные условия их жизни в сообществе, возможности добывания пищи и завоёвания нового жизненного пространства.

            Прямые и косвенные межвидовые отношения по значению жизненного пространства организмов, которые имеют виды для занятия в биогеоценозе определенного положения, подразделяются на следующие типы связей: трофические, топические, форические, фабрические и другие.

Трофические
связи наблюдаются тогда, когда один вид питается другим видом либо живыми особями, либо их останками, либо продуктами их жизнедеятельности (птицы – червячки, волк – заяц, жук – экскременты копытных и т.д.).

Топические связи характеризуют любое физическое или химическое изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого. Топические связи заключаются в создании одним видом среды обитания для другого вида (например, внутренний паразитизм) в формировании такого субстрата, на котором поселяются или избегают поселяться организмы других видов. В биоценозе трофические и топические связи имеют наибольшее значение и составляют основу существования организмов. Эти типы отношений удерживают друг возле друга организмы различных видов, объединяя их в сравнительно стабильные сообщества разных масштабов (например, животное – гельминты, животное – личинки оводов и т.д.).

Форические связи – это участие одного вида организмов в распространении другого. В роли транспортников обычно выступают животные и птицы. Перенос животными семян, спор, пыльцы растений именуют зоохорией. Перенос животными других животных называют форезией. Обычно перенос осуществляется с помощью специальных органов. Форезия животных широко распространена среди мелких членистоногих. Например, перенос разнообразных микроскопических клещей другим животным, что представляет собой один из способов пассивного расселения мелких организмов. Она свойственна тем видам, для которых перенос из одного биотопа в другой жизненно необходим для сохранения или процветания вида. Так, многие летающие насекомые  посетители скоплений быстроразлагающихся органических останков и остатков (трупов животных, гниющих куч растений и т.д.) несут на себе различных клещей, переселяющихся таким способом от одного скопления пищевых материалов к другому. Клещи и бактерии способствуют более интенсивному разложению органических веществ.

Фабрические связи – это такой тип биотических отношений, в которые вступает вид, используя для своих сооружений (фабрикаций) продукты выделения или останки (остатки), или даже живых особей другого вида. Например, птицы употребляют для сооружения своего гнезда ветки деревьев, листья, шерсть животных, пух, некоторые насекомые свои яйца кладут в организм другого насекомого, особенно хищники и т.д. В природе между организмами существуют и другие межвидовые связи. Которые указаны ниже.

Хищничество
─ такой тип взаимоотношений, когда один вид живет за счет другого, нанося ему ущерб. В основе этих отношений лежат пищевые связи (жертва ─ хищник). Например, волк и травоядное животное или другой хищник, пригодный в пищу для следующего хищника.

Паразитизм
─ такое сосуществование, при котором один вид живет за счет другого вида (хозяина), поселяясь внутри или на поверхности тела (паразитизм животных, бактерии и организмы, паразит растения клевера ─ клеверная повилика и т.д.).

Мутуализм (или симбиоз) представляет собой обоюдовыгодное сожительство разных видов организмов. Например, у бобового растения на корнях поселяются азотфиксирующие бактерии. Растение даёт бактериям энергию в виде углеводов, а бактерии, в свою очередь, обеспечивают растение фиксированным из атмосферного воздуха экологически чистым азотом. На фиксацию каждого грамма азота бактерии затрачивают энергию, равную 10 г углеводов (17 Дж). Иногда полезные организмы, живущие внутри другого организма, у которых сложились свои взаимовыгодные отношения (например, бактерии в желудке жвачных животных, которые разлагают лигнин, за это им животное дает кров и пищу в виде биомассы и своего желудка) (рис.3.5).

Пестициды                                                                                    Поликультура,

севооборот

Культурные растения

Повыше-

ние Биометоды

доли контроля

пашни

Увеличе- Увеличе-

ние ние

Насекомые-фитофаги

Сорные растения

размера размера

полей полей

                 Одно-                                                                                           Снижение

                видовые                                                                                           доли

                пашни                                                                                           пашни

Энтомофаги

Рис.3.5. Система полезных симбиотических связей в надземной части агроэкосистемы (Миркин, Хизиахметов,1995)
Комменсализм (нейтрализм, нахлебничество) ─ это взаимоотношения на базе пищевых связей, при которых один из видов извлекает себе выгоду, а для другого они безразличны. Обычно мелкие организмы, поселяясь возле крупного животного (например, навозные жуки или различные мелкие птицы), находят пищу и место для проживания.

Аменсализм (аллелопатия) – взаимоотношения, при которых возникают отрицательные условия обитания для одной или нескольких популяций в результате интоксикации среды обитания (растения выделяют токсины, вредные для растений другого вида, такие же токсины выделяют бактерии и грибы, насекомые). Экологический закон жизни (по Ю.Н. Куражковскому): каждый вид организмов, поглощая из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в неё отходы своей жизнедеятельности, изменяет её таким образом, что среда становится непригодной для его существования.

У представителей одного и того же вида животных встречается такое явление, как каннибализм, то есть поедание себе подобных. Он наиболее развит у хищных рыб: щук, окуней, трески, наваги и т.д. Встречается иногда у высших животных и некоторых насекомых при неблагоприятных условиях жизни.

В природе отмечают два типа оптимального распространения вида: физиологический и синэкологический.

Физиологический оптимум  это благоприятное для вида сочетание всех видов абиотических факторов, при котором возможны наиболее быстрые темпы роста и размножения организмов (тепло, влага, пища).

Синэкологический оптимум  это биотическое окружение, когда вид (организм) испытывает наименьшее давление со стороны его врагов, конкурентов, что позволяет успешно жить и размножаться (стая, стадо, сообщество и т.д.).

Граница между биоценозами редко бывает четко выраженной, поскольку соседние биоценозы постепенно переходят один в другой. В результате этого возникает пограничная (краевая) зона, отличающаяся особыми условиями.

Растения и животные, характерные для каждого из соприкасающихся сообществ, проникают на соседние территории, создавая при этом специфическую «опушку», пограничную полосу – экотоп. В нём как бы переплетаются типичные условия соседствующих биоценозов, что способствует произрастанию растений, характерных для обоих биоценозов. В свою очередь, это привлекает сюда и разнообразных животных из-за относительного изобилия корма. Так возникает краевой эффект увеличения разнообразия и плотности организмов на окраинах (опушках) соседствующих и переходных поясах между ними. На «опушках» происходит более быстрая смена растительности, чем при стабильном ценозе.

Биоценоз и биотоп (пространство с более или менее однородными условиями, которое занимает биоценоз) невозможно отделить друг от друга, об этом свидетельствуют ряд принципов их взаимосвязи.

1. Принцип разнообразия (А. Тинеман): чем разнообразнее условия биоты, тем больше видов в биоценозе (тропический лес).

2. Принцип отклонения условий (А. Тинеман): чем выше отклонения условий биоты от нормы, тем беднее видами и специфичнее биоценоз, а численность особей отдельных составляющих его видов выше. Этот принцип проявляется в экстремальных биотопах. В них мало видов, но численность особей в них обычно велика, может иметь место даже вспышка массового размножения организмов.

3. Принцип плавности изменения среды (Г.М. Франц): чем плавнее изменяются условия среды в биотопе и чем дольше он остаётся неизменным, тем богаче видами биоценоз и тем более он уравновешен и стабилен. Практическое значение принципа в том, что, чем больше и быстрее происходит преобразование природы и биотопа, тем труднее видам успеть приспособиться к этому преобразованию, а следовательно, биоценозы ими обедняются.

Взаимная дополнительность частей биоценоза
. В сообществах (биоценозах) уживаются только те виды, которые дополняют друг друга в использовании ресурсов среды обитания, то есть делят между собой экологические ниши. Например, ярусность в фитоценозе или разложение микроорганизмами-редуцентами – одни виды «специализируются» на разложении клетчатки, вторые – на разложении белков, третьи – сахаров и т.д. Взаимная дополнительность видов: одни созидают, другие разрушают – основа биологических круговоротов.

Основа устойчивости биоценозов – это их сложное видовое разнообразие.

3.6. Биогеоценоз и взаимоотношения в нём

По В.Н. Сукачёву, биогеоценоз – это совокупность однородных природных явлений на известном протяжении земной поверхности (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и микроорганизмов почвы, а также гидрологических условий), имеющая свою особую специфику взаимодействия слагающих её компонентов, а также определённый тип обмена веществом и энергией между собой и другими явления природы и представляющая собой внутреннее противоречивое единство находящихся в постоянном движении и развитии (рис.3.6)

Биогеоценоз

Рис.3.6. Структура биогеоценоза и схема взаимодействия между его компонентами (по В.Н. Сукачеву, 1940)

В определение биогеоценоза экосистемы не могут быть включены, так как им не свойственны некоторые признаки данного определения. Экосистема, напротив, может включать несколько биогеоценозов. Иначе говоря, любой биогеоценоз является частью экологической системы, но не всякая экосистема может считаться биогеоценозом. Биогеоценоз ─ сугубо наземное образование, имеющее четко очерченные границы.

Границы биогеоценозов определяются в горизонтальном направлении границами свойственных им фитоценозов и в зависимости от них могут быть либо хорошо очерчены, либо представлять континиум (непрерывное единство), а в вертикальном направлении – высотой надземных органов растений и глубиной проникновения их подземных частей.

Биогеоценоз можно определить как участок земной поверхности, где на определенной территории биоценоз и отвечающие ему части атмосферы, литосферы и педасферы остаются однородными, имеющими однородный характер взаимодействия между ними, и поэтому в совокупности образуют единый, внутренне взаимообусловленный комплекс. Это можно выразить следующим образом:

Б_г = Б_ц+ Б_т ,

где Б_г ─ биогеценоз, Б_ц ─ биоценоз, Б_т ─ биотоп.

Б_ц = Ф_ц + З_ц ,

где Ф_ц ─ фитоценоз, З_ц ─ зооценоз.

Б_т = Э_т + К_т ,

где Э_т ─ эдафотоп, К_т ─ климатоп.

При этом зооценоз понимается как всё животное население, обитающее в данном фитоценозе, включая и простейших. Поэтому, как правило, границы отдельного биогеоценоза определяются фитоценозом. Однако бывают случаи, когда эта роль принадлежит зооценозу.

Под эдафотопом и климатопом понимаются участки почвы и части атмосферы, пространственно соответствующие биоценозу. При этом, говоря о литосфере, педасфере, гидросфере и атмосфере, надо иметь в виду режим процессов, характеризующих эти земные оболочки в пределах данного биоценоза, так как все названные компоненты биогеоценоза не представляют собой чего-либо постоянного или неизменного – они всё время сами развиваются и изменяются.

Для каждого типа биогеоценоза характерна определенная выраженность воздействия на него космических, атмосферных, гидрологических, биогенных, а иногда и геоморфогенных факторов, поэтому в характеристику типов биогеоценозов необходимо включить особенности не только их компонентов, но и влияющих на них факторов.

Биогеоценоз развивается в том или ином направлении с той интенсивностью, которая полностью зависит от условий внешней среды по отношению к данному биогеоценозу, но основной движущей силой его саморазвития является не внешнее влияние, а внутренние противоречивые взаимодействия его компонентов.

Биогеоценоз, как и биоценоз, рассматривается как сложная биокосная система, состоящая из трех главных компонентов, функционирующих как единое целое:

1) совокупности аккумуляторов лучистой энергии Солнца – продуцентов первичного вещества, то есть фотосинтезирующих растений;

2) совокупности гетеротрофных организмов (консументов и редуцентов) – потребителей органического вещества и заключенного в нем энергии;

3) совокупности косных компонентов биогеоценоза – приземных слоев атмосферы и неорганической части почвы.

В процессе жизнедеятельности автотрофные и гетеротрофные организмы, вместе составляющие биоценоз, непосредственно осуществляют фиксацию и дальнейшую трансформацию лучистой энергии Солнца, и биологический круговорот веществ в природной среде.

Структурной основой или «каркасом» пространственного размещения структурных элементов биогеоценоза и его слагаемых является растительный компонент в составе биогеоценоза, способный аккумулировать солнечную энергию при синтезе органических веществ из неорганических соединений ввиду относительно равномерного распределения в пространстве материальных ресурсов (питательных веществ) для этого процесса, из-за «прикрепленного» образа их жизни. Это определяет хорошо выраженное структурное оформление растительных сообществ ─ вертикальное и горизонтальное их расчленение на так называемые ярусы и микрогруппировки.

Биоценотическая деятельность компонентов биогеоценоза, обеспечивающая гомеостаз, проявляется в биогеохимических процессах превращения веществ и энергии внутри биогеоценозов и в обмене веществом и энергией между ними, включая также деятельность информационного характера (опыление, распространение семян и плодов и т.д.).

Биогеоценотическая деятельность каждого компонента биогеоценоза протекает в следующих направлениях:

· получение от других компонентов тех или иных материально-энергетических ресурсов;

выполнение в процессе обмена веществом и энергией определенной работы, соответствующей его положению в биогеоценотической системе, работы;
внесение в биогеоценоз в ходе своей жизнедеятельности продуктов метаболизма (обмена веществ) и заключенной в них энергии;
выполнение некоторых информационных и других свойственных его природе функций.

Смена биогеоценозов на данном участке земной поверхности может происходить в других случаях:

во-первых, под влиянием развития более общего или более крупного единства, в состав которого входит данный участок земной поверхности, например, земного шара в целом или его отдельных частей, самостоятельно развивающихся;
во-вторых, в зависимости от других, более близких или отдаленных, соседних явлений, которые с ним не состоят в органической связи и являются по отношению к нему внешними, посторонними (например, влияние человека, общее изменение климата и т.д.).

Следовательно, биогеоценоз является важной структурно-функциональной и материально-энергетической единицей биосферы, в которой совершаются обменные процессы, характерные для биогеохимической деятельности биосферы в целом.
3.7. Экосистемы и их основные свойства

Экосистема – это греческое слово oikos – дом, system – целое, то есть составленное из частей или соединение. Этот термин ввёл в экологию Анри Барри Тенсли (1935 г.). Он писал: «Хотя организмы могут претендовать на то, чтобы им уделяли основное внимание, однако, если глубже вдуматься, мы не можем отделить их от конкретной окружающей среды, вместе с которой они составляют единую физическую систему. Такие системы, с точки зрения эколога, являются основными единицами природы на земной поверхности». А. Тенсли представлял экосистему как сочетание биотопа и биоценоза.

Следовательно, экосистема ─ это исторически сложившиеся в биосфере и на той именно территории или акватории открытые, но целостные и устойчивые системы живых (автотрофных продуцентов и гетеротрофов ─ консументов и редуцентов) и неживых (абиотической среды) компонентов.

По К. Вилли, под термином «экосистема» экологи понимают естественную единицу, представляющую совокупность живых и неживых элементов: в результате взаимодействия этих элементов создаётся стабильная система, где имеет место круговорот веществ между живыми и неживыми частями.

В данных определениях экосистема характеризуется потоками энергии и возможностью её накопления, внутренними и внешними круговоротами веществ, которые обладают способностью к регулированию всех процессов в ней (рис.3.7). Экологическая система считается основной (главной) функциональной единицей в экологии, так как в неё входят живые организмы и неживая среда, элементы, взаимовлияющие друг на друга и обеспечивающие необходимые условия для поддержания жизни в той форме, которая существует на нашей планете.

Плотояд- ные

Траво-

ядные

Проду-

центы

Солнце

Дыхание, СО₂

Рис.3.7. Схема главных составных частей экосистемы
(по Е.А. Крикуновскому, 1995 г.)
Экосистема как природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, связанные между собой обменом веществом и энергией, является одним из главных понятий в экологии.

Экосистемы различают по следующим рангам:

─ микросистемы (например, небольшой водоем, лужа, трухлявый пень в лесу и т.д.);

─ мезоэкосистемы (лес, река, пруд и т.д.);

─ макроэкосистемы (океан, континент, аэротоп);

─ глобальная экосистема (биосфера в целом).

Из данной иерархичности следует, что крупные экосистемы включают в себя экосистемы более низшего ранга.

Биоценоз и биотоп воздействуют друг на друга, что проявляется в основном в непрерывном обмене веществом и энергией как между двумя составляющими, так и внутри каждой из них. Экосистема же включает в себя сообщества (фитоценозы, зооценозы, микробиоценозы, микоценозы), объединенные пищевыми и хорологическими (пространственными) связями, а также такие факторы среды, как экотоп, климатоп и эдафотоп. Естественные экологические системы – это открытые системы, в которых рассматривают среду на входе и выходе (рис.3.8).

Постоянное существование организмов в любом ограниченном пространстве возможно лишь в экосистемах, внутри которых отходы жизнедеятельности одних видов организмов утилизируются другими видами. Следовательно, всякая экосистема, способная к длительному существованию, должна включать в себя автотрофы, гетеротрофы и редуценты (сапрофиты), питающиеся отмершим веществом, но даже такая экосистема не застрахована от гибели. Устойчивость экосистем определяется соответствием видового состава к условиям жизни и степенью развитости этих систем.

Среда

Среда

Система в своих границах

Переработанная

Энергия и вещество

Миграция организмов

                   На входе              JF + S + OE = Экосистема

                                                                                                         На выходе
Вещество и организм
Рис.3.8. Функционирование экосистемы (по Одуму, 1986 г.)
Возможные изменения среды сильно колеблются и зависят от многих переменных размеров системы (чем система больше, тем меньше она зависит от внешних воздействий); интенсивности потоков веществ и энергии (чем он интенсивнее, тем больше их отток и приток); сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем больше нарушено это равновесие, тем сильнее должен быть внешний приток веществ и энергии для её восстановления); стадии и степени развития экосистемы. По своей сути экологическая система представляет собой комплекс, в котором между абиотическими и биотическими элементами происходит постоянный обмен веществом, энергией и информацией.

Оценка качества экосистем. Экологическиезакономерности и основные понятия экологии способствуют определению качественного и количественного состояния экосистемы.

Под количественным состоянием экосистемы понимается её
продуктивность, под качественным ─ устойчивость по отношению к неблагоприятным факторам воздействия. Эти же закономерности способствуют определению качественного и количественного состояния биоценозов той или иной экосистемы.

Согласно первой закономерности экосистема должна соответствовать особенностям среды, второй – биоценоз по возможности должен быть относительно дешёвым, третьей и четвертой – экосистема должна обеспечивать максимальную утилизацию и устойчивость. Например, если мы создаем в экосистеме промышленное производство, то мы должны делать оборотную систему водоснабжения; остаточные отходы производства – утилизировать и перерабатывать; остаточное же тепло – использовать для других   технологических    процессов,   на обогрев теплиц и т.д. Академик С. Шварц предложил оценивать качество экосистем по пяти признакам: по биомассе, продуктивности, помехоустойчивости, скорости обмена и резервированию.

Биомасса всех основных составляющих должна быть высокой и соотнесенной с остальными компонентами экосистемы. Если взять агроэкосистему, то её особенностью является преобладание фитомассы над зоомассой, которое выражено в резкой форме, она обеспечивает продуцирование кислорода, производство продуктов животного и растительного происхождения.

Продуктивность экосистемы – это выход продукции с единицы площади, объема (биогеоценоза и экосистемы), когда достигается её максимум, она должна удовлетворять все потребности и сохранять экосистему в устойчивом состоянии. Как негативный пример можно привести бесконтрольную вырубку лесов, вследствие этого снижается биомасса лесных массивов и это может привести к уничтожению экосистемы в течение нескольких лет.

Помехоустойчивость – это устойчивость экосистемы к загрязнению до определенного предела, которое не выводит её из строя. В настоящее время большое количество экосистем крайне не устойчивы, в них можно видеть лишь две условно положительные стороны: они давали и дают нам возможность наращивать материальные блага и они же вызвали «экологический кризис». Устойчивость экосистемы подразделяют на резистентную устойчивость и упругую. Резистентная устойчивость (сопротивляемость) – это свойство (способность) экосистемы сопротивляться нарушениям, поддерживая свою структуру и функцию. Упругая устойчивость – способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функции.

Скорость обмена веществом и энергией протекает в экосистеме с такой интенсивностью, что при большом загрязнении обеспечивается быстрая её биологическая очистка. Но скорость – очистки не самоцель! Например, избыточное хлорирование воды ускоряет процесс её обеззараживания, но соединения хлора в воде могут дать диоксины – супертоксиканты, опасные для живых организмов, в том числе и самого человека. Хлор разрушает зубную эмаль, а это приводит к кариесу зубов. Приём озонирования воды дороже, но относительно безопаснее для экосистемы и человека.

Резервирование – это способность экосистемы к быстрой перестройке и приспособлению к изменившимся условиям без потерь других положительных свойств. Человек должен стремиться создавать хорошие экосистемы повсюду, где требуется и где это возможно. Он должен не ухудшать, а улучшать окружающую природную среду: путем ликвидации очагов особо опасных заболеваний, резко сокращать площади размножения саранчи, остановить движение песков и т.д. Здесь уместно    сослаться на принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие всегда смещается в том направлении, при котором эффект воздействия ослабляется.

Пространственная структура экосистем вызвана тем, что автотрофные и гетеротрофные процессы обычно разделены в пространстве. Первые активно протекают в верхних слоях, где доступен солнечный свет, а вторые интенсивнее в нижних слоях (почвах и донных отложениях). Кроме того, они разделены и во времени, поскольку существует временной разрыв между образованием органических веществ растениями и минерализацией их консументами.

С точки зрения пространственной структуры в природных экосистемах можно выделить следующие ярусы:

            - верхний, автотрофный ярус или зелёный пояс Земли, который включает растения или их части, содержащие хлорофилл: здесь происходит фиксация солнечной энергии, использование неорганических соединений и накопление энергии в сложных синтезируемых растениями веществах;

            - нижний, гетеротрофный ярус или «коричневый пояс» Земли, представлен почвами, донными осадками, в которых преобладают процессы разложения мёртвых органических остатков растений и животных.

Экосистемы представляют собой открытые неравновесные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая тем самым энтропию внутри себя, но увеличивая её внешне, в соответствии с законами термодинамики. Способность живых организмов снижать неупорядоченность внутри себя интерпретируется как способность накапливать отрицательную энтропию – негэнтропию.

Энергия в экосистемах. Энергия  это одна из основных свойств материи, которая способна производить работу, а в широком понимании энергия сила. Она  источник жизни, основа и средство управления всеми природными системами, движущая сила мироздания. Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе, а понимание этих законов важно для обеспечения эффективного подхода к проблемам природопользования.

Эксергия – это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой.

Эксергией называют полезную работу участвующей в каком-то процессе энергии, величина которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

Первый закон термодинамики – закон сохранения энергии – гласит: энергия не создаётся и не исчезает, а превращается из одной формы в другую. На земле энергия Солнца превращается при помощи фотосинтеза в энергию пищи. Экология рассматривает здесь только существующую связь между солнечным светом и экологическими системами, в которых происходит превращение энергии Солнца в энергию органического вещества.

Согласно второму закону термодинамики любой вид энергии в конечном счёте переходит в форму, наименее пригодную для использования и наиболее рассеивающуюся – энтропию, которая становится недоступной для использования. Для всех энергетических процессов характерен процесс перехода от более высокого уровня организации (порядка) к более низкому (беспорядку). Тенденция энергии к деградации выражается термином «возрастание энтропии». Энтропия же является мерой беспорядка. Энергия пищи, поглощенная животными, частично идёт на протекание биохимических процессов в организме, а частично переводится в теплоту для обогрева тела.

Живая материя отличается от неживой способностью аккумулировать из окружающего пространства свободную энергию и преобразовывать её так, чтобы противостоять энтропии. В природе показателем качества энергии солнечного света считается образование более высококачественной формы энергии (табл.3.2).
Таблица 3.2. Качественное состояние получаемой энергии, ккал

Источник энергии	Затраты энергии для получения более качественной энергии
Солнечная радиация	2000
Биомасса растений	200
Древесина Уголь Электроэнергия	20 1.0 0.2 кВтּч

Так, от 2000 ккал солнечной энергии, поступающей на листовую поверхность растений, получается 200 ккал пищевой энергии, а энергия, заключенная в древесине, составляет всего 20, в угле – 1,0 ккал. При переводе угольной энергии в электрическую энергию получается всего лишь только 0,2 кВт·ч.

Чтобы солнечная энергия выполняла ту же работу, которую может выполнять электрическая энергия, её качество необходимо повысить в 10 тыс. раз. На каждом новом уровне 90 % потенциальной энергии рассеивается, переходя в тепло. Человеку для физиологического функционирования в год требуется около 1 млн ккал энергии пищи. Человечество производит всего примерно 8∙10¹⁵ ккал энергии (при населении 6,7 млрд человек), но эта энергия распределена по территории планеты крайне неравномерно. Например, в городе потребление энергии на человека достигает 80 млн ккал в год, это количество энергии распределяется на все виды деятельности (транспорт, домашнее хозяйство, промышленность), т.е. человек расходует в 80 раз больше энергии, чем необходимо для функционирования организма.

В настоящее время человечество находится в стадии энергетического кризиса и характер будущей цивилизации, его качество и состав лимитируются, в первую очередь, энергетическими затратами. Выход для человеческого общества из данного кризисного состояния ─ использование альтернативной энергии и крупномасштабное энергосбережение.

Закон максимилизации энергии (Г.Одум–Ю.Одум): в соперничесве с другими экосистемами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное её количество наиболее эффективным способом.

Морские экосистемы. Глубина океана достаточна большая, местами доходит до 11,5 км. В отличие от суши и пресных вод, морская экосистема непрерывна. Жизнь в океане существует во всех его уголках, но наиболее богата вблизи материков и островов. В океане практически отсутствуют абиотические зоны несмотря на то, что барьерами для передвижения животных являются температура, солёность и глубина.

Благодаря постоянно действующим ветрам-пассатам, в океанах и морях происходит постоянная циркуляция воды за счёт мощных течений (Гольфстрим – теплое, Калифорнийское – холодное и др.), что исключает дефицит кислорода в глубинах океана.

Наиболее продуктивны в Мировом океане места апвелинга. Апвелинг – процесс подъёма холодных вод с глубины океана, где ветры постоянно перемешивают тёплую воду у крутого материкового склона, взамен которой из глубины поднимается холодная вода, обогащённая биогенами. Там, где нет этого водообмена, биогенные элементы из погрузившихся органических остатков на длительное время остаются в донных отложениях. Высокопродуктивны и богаты они биогенами, за счёт привноса их с суши, воды эстуариев (дельт).
Ю. Одум называет это явление аутвелингом.

В прибрежной зоне весьма велика роль приливов и отливов, вызванных притяжением Луны и Солнца. Они обеспечивают заметную периодичность в жизни сообществ (биологические часы). Для морских водоёмов характерна устойчивая щелочная среда: рН = 8,2, но соотношение солей и солёность изменяются. В воде солоноватых устьев рек прибрежной зоны солёность значительно колеблется по сезонам года. Поэтому организмы в прибрежной зоне эвригалинны, в то время как в открытом океане стеногалинны.

Биогенные элементы – важный лимитирующий фактор в морской среде, где их содержится несколько частей на миллион частей воды. К тому же время пребывания их в воде вне организмов намного короче, чем натрия и магния и других элементов. Биогенные элементы, растворённые в воде быстро перехватываются организмами и попадают в их трофические цепи, они практически не попадают в гетеротрофную зону (не проходят биологический круговорот). Поэтому низкая концентрация биогенных элементов в морской воде не говорит об их всеобщем дефиците.

Главным фактором, который дифференцирует морскую биоту, является глубина воды в морях и океанах. В целом толщу морской воды в разрезе подразделяют на следующие зоны: эвфотическая зона – самая верхняя часть океана, куда проникает свет и где создаётся первичная продукция. Её мощность доходит в открытом океане до 200 м, а в прибрежной части – не более 30 м. Это сравнительно тонкая плёнка, которая отделяется компенсационной (до 1,0 – 1,5 км) зоной от значительно большей водной толщи, вплоть до самого дна – афотической зоны.

Так же как и в пресноводных лентических (текучих) экосистемах, всё население океана делится на планктон, нектон и бентос. Планктон и нектон, то есть всё, что живёт в открытых водах океана, образует так называемую пелагическую зону.

Биотическое сообщество каждой из перечисленных выше зон, кроме эвфотической, разделяется на бентосные и пелагические зоны. В них к первичным консументам относят зоопланктон, насекомых в море экологически заменяют ракообразные. Подавляющее число крупных животных – хищники. Их мало в пресноводных системах. Многие из них напоминают растения и отсюда их названия, например, морские лилии. Здесь широко развиты мутуализм и комменсализм. Все животные бентоса в своём жизненном цикле проходят пелагическую стадию в виде личинок.

Характеристика морских экосистем. Область континентального шельфа, неретическая область, ограничена глубиной 200 м, которая составляет около 8 % площади океана
(29 млн км²). Прибрежная зона благоприятна по условиям питания, даже в дождевых тропических лесах нет такого разнообразия жизни как здесь. Очень богат кормом планктон за счёт личинок бентосной фауны. Личинки, которые остаются несъеденными, оседают на субстрат и образуют либо эпифауну (прикреплённую), либо инфауну (закапывающуюся).

Области апвелинга расположены вдоль западных пустынных берегов континентов. Они богаты рыбой и птицами, живущими на островах. Но при изменении направления ветра происходит цветение планктона и наблюдается массовая гибель рыб вследствие эвтрофикации.

Лиманы – это полузамкнутые прибрежные водоёмы, представляют собой экотопы между пресноводными и морскими экосистемами. Лиманы обычно входят в материковую (прибрежную) зону, подвержены приливам и отливам. Лиманы высокопродуктивны и являются ловушками биогенных веществ. Служат они местом откорма молоди и богаты целым комплексом морепродуктов (рыба, крабы, креветки, устрицы и т.д.). Попадая в сферу хозяйственной деятельности, теряют значительно свою продуктивность вследствие загрязнения водной среды.

Океанические области, эвфотическая зона открытого океана, бедна биогенными элементами. В известной мере эти воды по продуктивности можно приравнивать к наземным пустыням. Арктические и антарктические зоны намного продуктивнее, так как плотность планктона растёт при переходе от тёплых морей к холодным, и фауна рыб и китообразных значительно богаче.

Фитопланктон является первичным источником энергии в пищевых цепях пелагической области – продуцентом. Крупные рыбы и животные здесь являются преимущественно вторичными консументами, питающимися зоопланктоном. Продуцентом для зоопланктона являются как фитопланктон, так и планктоновые личинки моллюсков, морских лилий и т.д.

Видовое разнообразие фауны снижается с глубиной и тем не менее разнообразие рыб в зоне велико, несмотря на то, что практически лишена продуцентов. Разнообразие связано со стабильностью условий в абиссальной зоне (на глубине от 2000 до 5000 м) в течение длительного геологического времени, что замедлило эволюцию и сохранило многие виды из далёких геологических эпох.

Океан является колыбелью жизни на планете и ещё множество загадок хранят его водные толщи и океаническое ложе. Появление жизни в океане положило начало формированию биосферы. И сейчас, занимая более ²/₃ поверхности суши, он определяет во многом, в сочетании с материковыми экосистемами, целостность современной биосферы Земли.

Саморегуляция и устойчивость экосистем

Правило внутренней непротиворечивости: в естественных экосистемах деятельность входящих в них видов направлена на поддержание этих экосистем как среды собственного обитания. Согласно этому правилу, виды в естественной природе не могут разрушать среду своего обитания, так как это вело бы к самоуничтожению. Деятельность растений и животных направлена на создание (поддержание) среды, пригодной не только для их жизни, но и потомства. Принцип системной дополненности: подсистемы одной природной системы в своём развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других подсистем, входящих в ту же систему.

Закон экологической корреляции: в экосистеме, как и в любом другом целостном природно-системном образовании, особенно в биотическом сообществе, все входящие в него виды живого и абиотические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы (например, уничтожение какого-либо вида) неминуемо ведёт к исключению всех тесно связанных с этой частью системы других её частей. Понимание этого закона особенно важно в аспекте сохранения видов живого: они никогда не исчезают изолированно, то есть в одиночку, а всегда взаимосвязанной группой.

Климаксовые сообщества характеризуются устойчивым динамическим равновесием между биотическими потенциалами входящих в сообщество популяций и сопротивлением среды. Постоянство важнейших экологических параметров обозначают как гомеостаз экосистемы. Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее её видовой и популяционный состав. Стремясь к поддержанию гомеостаза, экосистемы тем не менее способны к изменениям, к развитию, к переходу от более простых форм к более сложным.

3.8. Сукцессии, их происхождение
и прогнозирование. Синузия

Необратимые во времени последовательные смены фитоценозов (или экосистем), происходящие на одной и той же территории, называются сукцессиями.

В природе различают первичные и вторичные сукцессии.

Первичной сукцессией называется процесс развития и смена биоценозов на незаселённых ранее участках, начинающейся с колонизации последних. Известный пример – постепенное обрастание голой скалы сообществом накипных мхов, в конечном счёте на ней будет развиваться сообщество высших растений.

Вторичная сукцессия происходит на месте сформировавшегося ранее биоценоза после его нарушения по какой-либо причине (пожар, засуха, вырубка, подтопление и т.д.).

В том случае, когда виды вымирают, а выжившие особи других размножаются, адаптируются и изменяются под действием естественного отбора, говорят об эволюционной сукцессии.

Сукцессии ведут к формированию или восстановлению устойчивого и стабильного фитоценоза или же, наоборот, к деградации – ухудшению его состояния, неустойчивости, распаду. Экологическая сукцессия развивается под воздействием естественных или антропогенных факторов и представляет собой последовательную смену одного фитоценоза (или экосистемы) на другой. Это упорядоченный процесс развития, вызванный изменением во времени видовой структуры растительности.

В результате сопряженной эволюции растений, находящихся в непрерывном взаимодействии и в условиях изменчивой среды, формируются фитоценозы со свойственной им организацией, которые проявляются в следующем:

в различных экологических и биологических свойствах их компонентов, занимающих различные экологические ниши (в том числе сформировавшиеся в результате средообразующего воздействия других компонентов);
в устойчивости – способности изменяться в определенных пределах отдельных фитоценозов, сохраняя при этом свои основные признаки (как вариант устойчивости можно рассматривать равновесное состояние – способность сохранять временно гомеостаз при смене одного фитоценоза другим);
в экологическом дополнении (пространственном или временном) одних видов другими;
в размещении надземных и подземных органов фитоценозов, обеспечивающем достаточно полное использование наличных ресурсов среды;
в способности к комплементарности – замене частичной или полной утраты участия одних растений в создании структуры и продукции фитоценоза другими видами (временно или постоянно), что обеспечивает целостность сообщества и достаточно полное использование ресурсов среды;
в способности пребывать в неполночленном состоянии, одновременно проявляя замкнутость, исключающую возможность внедрения других (чуждых) видов.

Основными движущими силами развития растительного покрова являются внутренние противоречия в самом фитоценозе, вытекающие из свойств организмов, – способности обмениваться со средой веществом и энергией, размножаться и расширять свой ареал обитания, которые выражены в постоянно идущей в фитоценозе борьбой за существование – за средства жизни.

Сукцессии классифицируются следующим образом:

связанные с развитием самого растительного покрова называются сингенетическими сукцессиями;
связанные с развитием геоценоза в целом именуются эндоэкогенетическими сукцессиями;
вызванные воздействием развивающихся природных явлений, внешних по отношению к растительности либо принадлежит вместе с ней к одному геоценозу, либо быть чуждыми ей (сюда следует отнести климатогенные, эдафогенные, зоогенные, пирогенные и антропогенные смены) называются эндогенными сукцессиями.

Ф.Э. Клементс различал следующие стадии развития первичных сукцессий:

1. Образование субстрата, пригодного для поселения растений.

2. Миграции ─ поступление семян растений извне.

3. Приживание растений, вырастающих из поступивших семян и их агрегация.

4. Взаимодействие между растениями.

5. Смена одних фитоценозов другими в результате изменения самими же растениями среды своего обитания.

6. Образование завершающего сукцессию самовозобновляющего фито-ценоза ─ климакса (равновесия). Климаксы, образующие серию, называются обычно серийными.

Основной причиной смены фитоценозов является изменение среды в результате жизнедеятельности растений, входящих в их состав. Фитоценоз не умирает, а заменяется другим фитоценозом, если не уничтожается под воздействием внешних факторов. Сукцессия фитоценоза – это система, сменяющаяся в процессе своего развития другой системой, развивается, пока не достигнет своего устойчивого состояния ─ климакса. Климаксовые сообщества, в отличие от сообществ на ранних стадиях сукцессий, образованы растениями, относящимися к более высокоорганизованным жизненным формам. По Ф.Э. Клементсу, фитоценоз, достигнув климаксового состояния, становится малоизменчивым.

Процесс сукцессии имеет определенную направленность, поэтому его можно предвидеть и спрогнозировать. Например, при осушении переувлажнённых земель сообщество влаголюбивых растений сменяется растениями менее влаголюбивыми, и наоборот. Сукцессии происходят в результате изменения физической среды под влиянием самого сообщества, среда как бы контролируется сообществом. Одновременно физическая среда определяет характер сукцессии, скорость изменений и нередко пределы развития. Сукцессию можно характеризовать как соотношение валовой продукции и дыхания. В раннем возрасте валовая продукция фитомассы формируется так, что уровень первичной продукции, или видовой фотосинтез (П), превышает уровень дыхания сообщества (Д), то есть соотношение П:Д становится больше единицы П:Д > 1. Это является показателем развивающейся экосистемы. С развитием экосистемы соотношение энергии, накопленной в результате фотосинтеза и расходуемой на дыхание, стремится к единице
П:Д =1. Это означает, что в зрелых экосистемах наблюдается тенденция к равновесию между энергией, связанной в виде органического вещества, и энергией, расходуемой на поддерживающие системы (дыхание). Таким образом, соотношение фотосинтеза и дыхания может служить функциональным показателем зрелости экосистем.

Следует чётко отличать обычные флуктуации от необратимых смен (сукцессий) ─ изменения, относящиеся к ритмитике фитоценозов (например, смена доминат основного вида в луговых ценозах в зависимости от погодных условий). Сукцессии и флуктуации в растительных сообществах проходят на фоне филоценогенеза, вековых (геологических) смен ─ исторического процесса формирования и развития новых фитоценозов. Вековые смены проходят очень медленно и захватывают довольно обширные территории; они связаны с климатическими изменениями, изменениями флористического состава и другими подобными процессами, малозаметными на протяжении десятилетий и даже веков.

Синузия. В борьбе за существование происходит отбор видов растений с различными экологическими требованиями к абиотическим и биотическим факторам среды, в результате чего образуются так называемые синузии. Это обеспечивает наиболее полное использование ресурсов биотопа, что повышает продуктивность всей экосистемы.

По В.Н. Сукачеву и А.П. Щенникову, синузия ─ «это структурные части фитоценоза, ограниченные в пространстве или во времени (занимающие определенную экологическую нишу), отличающиеся одна от другой в морфологическом, флористическом, экологическом и фитоценотическом отношении».

Понятие синузия применимо не только к фитоценозу и зооценозу, но и к биоценозу в целом. Под структурой фитоценозов понимаются особенности размещения органов растений и их компонентов в пространстве и во времени. Структура характеризует объём среды, используемый фитоценозом, особенности контакта входящих в его состав растений со средой. Структура наземных фитоценозов зависит от специфики распределения надземных и подземных органов и их компонентов в двух ─ трех средах (литосфере, атмосферы и гидросфере). Отдельные виды растений размещают свои органы либо во всех средах, свойственных данному биогеоценозу, либо в какой-то одной среде. Например, эпофиты используют только аэротоп (воздушное пространство); плавающие растения ─ аэротоп и гидротоп; гемсофиты ─ все три экотопа.
3.9. Агроэкосистема и её регулирование

По Э. Дж. Райкину, агроэкосистемы ─ это «сверхсистемы», включающие экологические, экономические и социальные компоненты. При замене природных экосистем агроэкосистемами у последних формируются свои, только им присущие специфические черты. Управление агроэкосистемами, в отличие от естественных саморегулирующихся экосистем, ведётся извне и подчинено внешним целям. Агроэкосистема ─ это особый случай экосистемы, в которой количество чистой продукции значительно превышает обычный (естественный) уровень. Эту продукцию потребляют как травоядные животные, так и человек, в том числе опосредованное её использование человеком через животноводческую продукцию. Стабильность агроэкосистем поддерживается в основном за счёт дополнительной эмиссионной энергии. Современные агроэкосистемы являются одним из ключевых факторов формирования и развития биотехносферного пространства, а также незаменимым фактором для жизнеобеспечения общества продуктами питания. Поэтому они играют важнейшую функциональную роль в процессах, происходящих в биосфере и поддержании её в устойчивом состоянии.

Фитоценоз агроэкосистемы отличается от фитоценоза естественной экосистемы следующими функциональными особенностями:

получением наряду с космической энергией дополнительной эмиссионной энергии в виде вносимых удобрений и пестицидов, энергонасыщенных машин, поливной воды, человеческого труда и т.д.;
искусственным отбором более продуктивных растений и животных, а на их основе получение новых, ещё более продуктивных гибридов и видов;
небольшим разнообразием растений (чаще всего посевы в агроценозе представлены одним видом и сортом, иногда бывают смешанные посевы), следовательно, фитоценоз агросистемы обладает меньшей адаптированностью и устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, чем естественный, состоящий из разных видов растений;
продукция агроэкосистемы практически полностью изымается из природной среды, в природе остаётся лишь только часть биомассы в виде растительных и корневых остатков.

Устойчивость экосистем определяется соответствием их видового состава условиям жизни и степенью развитости этих систем.

С.С. Шварц писал, что человек создаёт продуктивные системы, а природа стремится создать стабильные системы, их продуктивность природу не «интересует».

Оптимальный подбор злаковых и бобовых компонентов существенно повышает продуктивность посевов, увеличивает выход белка, причем не только за счет зерна бобовых, но и повышения содержания белка в зерне злаковых культур, использующих фиксируемый бобовой культурой экологически чистый атмосферный азот.

Многочисленными исследованиями отечественных и зарубежных ученых конкретизированы оптические свойства почти 1,0 тыс. видов растений и получена средняя спектральная кривая поглощения лучистой энергии. Наименьшее поглощение солнечной энергии «средним» листом (до 20 %) наблюдается в диапазоне длины волн 0,75 – 1,30 мкм, а наибольшее поглощение – до 70 % в диапазонах 0,30 – 0,70; 1,8 % – 2,1 % и 2,23 – 2,5 мкм.

Энергетический баланс экосистемы, меняющийся в зависимости от климатической зоны, объективно обусловливает формирование у экосистемы приспособленности к «оптимальному» поглощению лучистой энергии, возможному в конкретных условиях. Адаптированность энергетического баланса в эко- и агроэкосистемах, соответствующая энергозатратам на теплообмен и транспирацию, повсеместно определяет продукционную эффективность как природных, так и сформированных человеком ценотических образований. Энергетические особенности различных зон планеты позволяют выделить 5 основных агроэкосистем: тропическую, субтропическую системы, умеренного, аридного и арктического поясов. На территории РФ главенствующими являются агроэкосистемы умеренного пояса. При организации искусственных экосистем важно обеспечить более полноценное использование солнечной энергии.

Для большинства типов растительного покрова КПД поглощенной фотосинтетически активной радиации (ФАР) составляет в среднем 1 – 2 %. У пустынных кустарников КПД ФАР – 0,03 %, а лесных экосистем 2 – 4 %. В целом растительный покров РФ имеет КПД ФАР 0,75 %, в агроэкосистемах, занятых светолюбивыми и высокопродуктивными культурами, он может достигать 5 – 7 %. При применении орошения данный показатель возрастает до 10%. В целом же КПД РФ даже на фоне хорошего посева в течение вегетационного периода остаётся на уровне 1 – 4 % (а в среднем 2,5 %).

При организации агроэкосистем путь повышения продуктивности  это создание многоярусной агроэкосистемы (подобная природной в виде многоярусного фитоценоза), в которой по вертикальному профилю световая ниша занята соответствующей низкорослой и более теневыносливой культурой. Переход от моновидовых агроэкосистем к поликультурным является одним из перспективных направлений оптимизации природопользования. Растениям энергия нужна не только для обеспечения фотосинтеза, но и для всякого процесса, совершающегося в неорганическом и органическом мире, нуждающегося в энергии, и реализуется только при наличии в необходимых количествах и в доступной форме. Массо- и энергообмен на Земле включает разнообразные процессы вещественных и энергетических превращений и перемещений в литосфере, гидросфере и атмосфере. С появлением энергии эти круговороты и потоки заметно интенсифицировались, претерпев существенные качественные изменения в результате развития биогенной миграции.

Разносторонняя хозяйственная деятельность человека вносит некоторые коррективы в процессы массо- и энергообмена, затрачивая и изменяя их территориальные и временные характеристики. Агроэкосистемы тоже поддаются этим изменениям (иногда в значительной степени), способствуя, в частности, разомкнутости круговоротов веществ и др. Так, например, вследствие круговорота азот под воздействием химизации агроэкосистем накапливается в воде и почве, и около 100 млн т азота не возвращается в атмосферу. Избыток биогенных веществ является причиной загрязнения вод, развития негативных процессов в почвах и т.д. Нарушение естественного круговорота веществ – не единственное последствие вмешательства человека в природные циклы. Интенсивная аграрная деятельность изменяет круговорот веществ и потоков энергии, их интенсивность, направление и перемещение. Особенно опасно вовлечение в круговорот искусственно синтезированных вредных веществ, в том числе таких, как ксенобиотики.

В пределах территориальных участков, находящихся под воздействием формирующихся и функционирующих агроэкосистем, складываются свои особенности развития и перемещения миграционных потоков веществ, что не одинаково сказывается на состоянии природных комплексов и их компонентов и требует нестандартных решений при рассмотрении природоохранных мероприятий. В природных системах внутренний круговорот питательных веществ по своему объему значительно превышает их поступление из атмосферы и потери при вымывании из педасферы.

Управляемое в агроэкосистеме распределение питательных веществ меняется, что проявляется в снижении их переноса от первичных продуцентов к потребителям (консументам), а также в последующем закономерном изменении режима поступления этих веществ к редуцентам (деструкторам). Такого рода обстоятельства вызваны, в первую очередь, применением в агроэкосистемах ядохимикатов, осуществлением агротехнических мероприятий (регулирующего фактора). Характерно, что после заделки в почвенную толщу растительных остатков при последующей обработке активность редуцентов значительно повышается благодаря созданию для них более оптимальных условий жизни. В результате управления агроэкосистемой наблюдается изменение обычного (консервативного) круговорота питательных веществ в сторону ускорения их перехода из органического состояния в неорганическое. В агроэкосистемах изменяются или подавляются присущие природным системам свойства саморегулирования, что ведет к снижению биотической устойчивости. Все экосистемы функционируют на основе прохождения биогеохимических циклов – эволюционно сложившихся универсальных природных процессов.

В соответствии с принципами гомеостаза (равновесия) заметные изменения любого из формирующих экосистему функциональных компонентов могут послужить первопричиной существенных изменений других компонентов; при этом нарушается прежнее внутреннее строение системы (состав растительных и животных сообществ, доминирование органического вещества и т.д.). Стабильность эко- и агроэкосистемы сохраняется в том случае, если она переходит на новый уровень гомеостаза. Если же исключается или становится неэффективным любой из функциональных компонентов, система может разрушиться под действием абиотических факторов (например, под воздействием эрозии и т.д.).

Основное производство продуктов питания обеспечивают агроэкосистемы: пашня, пастбища, сенокосы. Площадь пашни в мире на сегодняшний день составляет примерно 10% суши (1,5 млрд га), но распределение по странам на душу населения заметно различается. Например, в Северной Америке на душу населения приходится пахотных земель 1,62 га, в СНГ – 0,82; Западной Европе – 0,2; Западной Азии – 0,2; Восточной Азии – 0,32, РФ – 0,80 га. Средняя продуктивность в этих странах соответственно составляет 10,0; 9,3; 30,0; 22,0 и 14,5 Гдж/га (табл.3.3). В то же время на площади примерно 30 млн км²пастбищ кормится более 3,0 млрд голов разного скота, а на фермах выращивают до 3 млрд штук различной птицы.

Таблица 3.3. Приблизительная первичная и вторичная продуктивность различных экосистем (сухая биомасса)

Тип экосистем	Площадь млн км²	Общая биомасса растений, млн т	Общая биомасса животных млрд т	Общая первичная продукция, млрд т в год	Продук- тивность животных, млн т в год
Влажные тропические леса Тропические сезонные леса Вечнозеленые леса умеренного пояса Листопадные леса умеренного пояса Тайга Лесокустарниковые сообщества Саванна Луговая степь Тундра и высокогорье Пустыни и полупустыни Культивируемые земли Озера и водотоки Материковые экосистемы в целом Открытый океан Морские экосистемы в целом Прочие экосистемы В целом на Земле	17,0 7,5 5,0 7,0 12,0 8,5 15,0 9,0 8,0 18,0 14,0 2,0 149 332 361 75 510	765 260 175 210 240 50 60 14 14 13 14 0,05 1837 1,0 3,9 34,4 1841	330 90 50 110 57 40 220 60 60 8 6 10 1005 800 997 213 2002	37,4 12 6,5 8,4 9,6 6,0 13,5 5,4 1,1 1,6 9,1 0,5 115 41,5 55 18,8 170	260 72 26 42 38 30 300 80 3 7 9 10 909 2500 3025 567 3934

3.10. Популяция и её свойства

Под популяцией понимается любая, способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированная в пространстве и во времени от других аналогичных совокупностей того же вида.
По Б.А. Быкову, популяция ─ это совокупность особей одного вида, воспроизводящих себя теми или иными способами размножения, функционирующих в одном или нескольких биоценозах в течение большого числа поколений или популяций (популюс – население, народ). В экологии под популяцией подразумевают группу особей одного вида, находящихся во взаимодействии между собой и совместно населяющих общую территорию. Члены одной популяции оказывают друг на друга не меньшее воздействие, чем физические факторы окружающей среды или другие, совместно обитающие виды организмов. В популяциях в той или иной степени проявляются все формы связей, характерные для межвидовых отношений, но наиболее ярко выражены здесь мутуалистические и конкурентные. Специфические внутривидовые взаимосвязи – это отношения между особями разных полов, между родительскими и дочерними поколениями, которые объединены воспроизводством потомства. Если в какой-то популяции перекрестное оплодотворение отсутствует, а преобладает вегетативное, партеногенетическое или другой способ размножения, то генетические связи в данном случае становятся очень слабыми, и популяция будет представлять собой только систему клонов или чистых линий, совместно использующих среду.

Во всех случаях в популяциях действуют законы, которые позволяют использовать ограниченные ресурсы природной среды таким образом, чтобы обеспечить продолжение потомства.

Популяции многих видов обладают свойствами, позволяющими им регулировать свою численность. Поддержание оптимальной в данных условиях численности особей называют гомеостазом популяции. Популяции как групповые объединения обладают рядом специфических свойств, которые не присущи отдельно взятой особи. К таким свойствам относят рождаемость, численность и плотность популяции. Численность – это общее количество особей на выделяемой территории или в каком-то объеме.

Плотность популяции
определяется количеством особей, приходящихся на единицу площади или объема (км², га, м³). Важно различать среднюю плотность, т.е. численность или биомассу на единицу всего пространства, и удельную, или экологическую численность, или биомассу на единицу обитаемого пространства, доступной площади, объёма, которые фактически могут быть заняты популяцией.

Распределение популяций на территории различают равномерное (1), случайное (2), групповое (3) (рис. 3.9).

Распределение популяций по
территории

. . . . . . . . . . . .

.   .   .   .   .   .

. . . . . . . . . . . .

.   .   .   .   .   .

   .                    .

. . .              . . .

    .                    .

1                                2                                     3
Рис.3.9. Распределение популяций по территории
Знание типа распределения организмов имеет большое значение при оценке их плотности методом выборки (S²), которая определяется по формуле

,

где
m
─ среднее число особей в выборке;

n ─ число выборок; x ─ общее количество особей; S² ─ плоность организмов.

Знание типа распределения организмов имеет большое значение при оценке их плотности методом выборки (S²), которая определяется по формуле

,

где
m
– среднее число особей в выборке; n – число выборок; x – общее количество особей; S² – плотность организмов.

При равномерном распределении особей по территории S² = 0. Для популяций, характеризующихся резкими колебаниями численности, характерен пульсирующий тип пространственной структуры. Известно, что в период резкого падения численности некоторые животные собираются на наиболее благоприятных для жизни участках. Так, например, полёвки-экономки в лесостепи в засушливые годы заселяют, в первую очередь, заболоченные берега озёр.

Циклический тип пространственной структуры популяций оседлых животных характеризуется закономерным попеременным использованием территории в течение года, например, летом и зимой.

Рождаемость ─ это число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения, или способность популяции к увеличению своей численности. В природе различают два вида рождаемости – абсолютную и удельную. Абсолютная рождаемость характеризуется общим числом родившихся особей. Например, если в популяции из 100 голов копытных появилось 20 голов молодняка, то это число выражает абсолютную рождаемость: R
=
N
∙
T. Удельная рождаемость – это изменение количества поголовья на одну взрослую особь за определенный интервал времени, т.е. в данном случае один новорожденный приходится на пять взрослых членов популяции за год . Любая популяция теоретически способна к неограниченному росту численности, если её не лимитируют факторы внешней среды.

Напряженность жизни в биосфере выражается в росте и размножении организмов, происходящем по закону геометрической прогрессии (при сравнении двух поколений число потомков превышает число предков). Данная закономерность размножения была использована Ч. Дарвиным в учении о естественном отборе организмов. Он писал: «Не существует ни одного исключения из правила, по которому любое органическое существо размножается в столь быстрой прогрессии, что при неистреблении потомство пары скоро заняло бы всю землю». Смена поколений за единицу времени дает представление о скорости размножения. Наиболее высокая скорость размножения характерна для бактерий: в сутки у них сменяется до 60 – 65 поколений, т. е. каждое поколение образуется по истечению 20 – 24 мин. Значительно медленнее размножаются крупные млекопитающие, животные и растения. Зная скорость размножения организмов и их размеры, можно вычислить время заселения организмами всей поверхности Земли при отсутствии преград для их размножения. К таким преградам следует отнести: неприемлемые термодинамические условия, недостаток источников питания, изменения внешней среды в результате деятельности самих же организмов, борьбу за существование как один из факторов эволюционного процесса. Например, без учёта преград для размножения время заселения суши дрожжевыми клетками составляет несколько часов, некоторыми бактериями – 1,25 – 1,80 сут., отдельными видами насекомых – 203 – 392 сут., растениями – 11 лет, рыбами – 4 – 12 сут., курами – 15 – 18 лет, млекопитающими, крысами – 8 лет, а индийскими слонами – более 1000 лет. В таком гипотетическом случае скорость роста популяции будет зависеть только от величины биотического потенциала. Понятие биотического потенциала введено было в экологию в 1928 г. Р. Чемпеном. Данный показатель отражает теоретический максимум потомков от одной пары (или одной особи) за единицу времени, например, за год или за весь жизненный цикл особи. При расчетах его чаще всего выражают через R и вычисляют как максимально возможный прирост популяции ∆ N за отрезок времени ∆t, отнесенный к одной особи при начальной численности популяции    N_o:

Величина биотического потенциала у разных видов различна. Например, у самки косули она составляет 10 – 15 ягнят, у рыбы-луны ─ 3 млрд икринок (длина рыбы 2,5 м, масса 500 кг). Имеются исторические сведения, что в Шуйском уезде, Иваново-Вознесенской губернии в одной крестьянской семье родилось 69 детей, но нет сведений, сколько из них выжило. Но биотический потенциал на самом деле еще больше, так как часть развивающихся яиц и зародышей погибает до рождения. Если бы все зародыши сохранялись и все выживали, то численность любой популяции через определенные интервалы времени увеличивалась бы в геометрической прогрессии. Это хорошо видно на росте популяции простейших пресноводных организмов – туфелек (рис. 3.10).

В природе биотический потенциал популяции никогда не реализуется полностью. Его величина обычно складывается как разность между рождаемостью и смертностью.

Смертность это показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определенный интервал времени. То есть смертность – величина, обратная рождаемости:

где ∆ N_m – численность погибших особей в единицу времени.

Различают три типа (вида) смертности.

1. Первый тип смертности характеризуется одинаковой смертностью во всех возрастных группах, что бывает крайне редко (только во время военных действий и эпизоотий).

2. Второй тип смертности характеризуется гибелью особей на ранних стадиях развития и свойственен большинству животных и растений, в том числе человеку.

3. Третий тип – смерть естественная, от старости.

Число особей	900
	800
	700
	600				2
	400
	500		1
	300
	200
	150
		1		2		3	4

Рис.3.10. Рост популяции простейших: реальная численность (2), теоретическая численность (1)
Рождаемость и смертность напрямую связаны с возрастной структурой популяции. Популяция состоит из разных по полу и возрасту особей. Различают три типа экологического возраста: предрепродуктивный (ранний, недозрелый для воспроизводства потомства), репродуктивный (тот возраст, когда особь способна воспроизводить потомство) и пострепродуктивный (глубокая старость). Нормальной, полночленной, называют популяцию, которая состоит из особей всех возрастных групп. Имеются виды с очень простой возрастной структурой популяций, которые состоят практически из представителей одного возраста.

Половые группировки внутри популяций формируются на базе различной морфологии (формы и строения тела) и экологии различных полов. Отличие самцов от самок затрагивает не только строение и функцию половой системы, но и морфологию в целом (рога у самцов и отсутствие их у самок; крылатые самцы и бескрылые самки у некоторых насекомых; яркое оперение самцов и скромное самок, по характеру и виду пищи). Так, у многих комариных самцы питаются нектаром или соком растений, а самки – кровью жертв. Разный пищевой рацион самцов и самок имеет место у ряда млекопитающих, птиц, рыб.

Генетическая структура популяции определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, частотами вариаций отдельных генов – аллелей, а также разделением популяции на группы генетически близких особей, между которыми при скрещивании происходит постоянный обмен аллелями. Для каждой популяции характерен также определённый уровень фенотипического полиморфизма, то есть разнообразия признаков организма, находящихся под совместным контролем генов и экологических факторов. Один и то же генотип в разных условиях способен привести к появлению различных фенотипов. Разнообразие генотипов зависит от размера популяции и внешних факторов, влияющих на её структуру. Чем выше генетическая разнородность популяции, тем больше её экологическая пластичность – возможность приспосабливаться к меняющимся условиям среды. В небольших изолированных и стабильных популяциях закономерно возрастает частота близкородственного скрещивания, что уменьшает генетическое разнообразие и увеличивает угрозу вымирания.

Генетический механизм определения пола обеспечивает расщепление потомства по полу в соотношении 1:1, так называемое соотношение полов. Но не следует из этого делать вывод о том, что такое же соотношение характерно для популяции в целом. Признаки, связанные с полом, часто определяют значительные различия в физиологии, экологии и поведении самцов и самок. В силу разной жизнеспособности мужского и женского организмов первичное соотношение нередко отличается от вторичного и особенно от третичного – характерного для взрослых особей. Так, например, у человека вторичное соотношение полов составляет 100:106, т.е. на 100 девочек приходится 106 мальчиков, но к 16 – 18 годам это соотношение из-за повышенной смертности особей мужского пола выравнивается и становится 100:100, а к 70 – 80 годам оно уже соответствует 1: 0,5. В РФ это соотношение значительно больше – 1: 0,3.

Рост популяции и кривая роста.

Если рождаемость в популяции превышает смертность, то популяция растет:

Пр =
R
–
C
>
O
,

Пр – прирост популяции;

R
– рождаемость;

С – смертность.

Это можно проследить на примере одиночной бактериальной клетки, помещенной в питательную среду и находящейся в условиях, оптимальных для размножения (рис.3.11). При лаг – фазе бактерии адаптируются к новой среде обитания и поэтому максимальной скорости роста они не достигают. Логарифмическая фаза – это такая фаза, при которой бактерии растут с максимальной скоростью. Число клеток увеличивается почти экспоненциально, а кривая роста практически идет прямолинейно. Затем рост стабилизируется, а через некоторое время происходит его замедление (убыль).

Такой тип роста ещё называют зависимым от плотности популяции, истощения пищевых ресурсов и накопления токсичных продуктов в субстрате, что отрицательно действует на увеличение численности. Это можно выразить следующей формулой:

где К_мр – максимальное число организмов, которое может поддерживаться в данных условиях среды;

К – поддерживающая ёмкость среды. Если N
>
K – рост популяции отрицательный; К > N
– рост положительный;
К = N – роста нет. Темп роста – это средний прирост особей за единицу времени.

Согласно концепции саморегуляции любая популяция способна ограничивать рост численности, когда из-за высокой плотности начнут сказываться неблагоприятные изменения среды. Это возможно потому, что по мере увеличения плотности популяции меняется не только и не столько качество среды, сколько качество образующих эту популяцию особей.

Логариф.числаживых бактерий		Логарифмическая фаза	Снижение роста
Логариф.числаживых бактерий	Лаг-фаза		Кривая S-образной формы или сигмоидной

Время

Рис.3.11. Размножение бактериальной клетки
Систему взаимоотношений между членами одной популяции, называют этологической или поведенческой структурой популяции.

Этологическая структура популяций у особей и видов бывает разной формы:

одиночный образ жизни ведут ежи, щуки, сомы и др.;

семейный образ жизни, когда оба родителя участвуют в воспитании молодняка – кабаны, волки и т.д.;

колонии – чайки, грачи, гагары и т.д.;

колонии-семьи –   пчёлы, муравьи, термиты;

стая – волчьи стаи (для зимней охоты); стадо – многие копытные животные;

стадный образ жизни – крупные копытные животные.

Популяционный уровень – каждый биологический вид в природе представлен всегда несколькими, часто многими популяциями.

Популяция – элементарная форма существования вида в природе. Популяции эволюцинируют и являются единицами эволюции видов и видообразованияю. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенной из природной среды, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Только в искусственных условиях или в специальном эксперименте можно иметь дело с «чистой» популяцией, например, культурой микроорганизмов, посевом растений, приплодом животных и т.д.

Биомы

Наземные экосистемы, относящиеся к одной природно-климатической зоне, которые имеют общую структуру доминирующей растительности и поэтому могут рассматриваться как один большой биогеоценоз – биом или формация.

Биом – это макросистема, совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности.

Биомы являются основными объектами экологической географии. Они различаются по климату, по многим особенностям флоры и фауны, по биологическому разнообразию, но в пределах каждого биома можно встретить множество схожих по приспособлению форм животных и растений, хотя происхождение их различно.

Биомы можно подразделить на три основные группы, приуроченные к наземным, морским и пресноводным местообитаниям. Важными факторами являются: циркуляция воздуха, распределение солнечного света, сезонность климата, высота и ориентация гор, гидродинамика водных систем. Наземные формации в основном определяются растительностью, так как растения теснейшим образом зависят от климата и именно они формируют основную часть биомассы.

По Ю. Одуму (1986 г.), биом – крупная региональная и субконтинентальная экосистема, характеризующаяся каким-либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.

Ю.Одум предложил следующую классификацию природных экосистем биосферы (мировое распределение биомов):

I. Наземные биомы.

Тундра: арктическая, альпийская. Бореальные хвойные леса. Листопадающий лес умеренной зоны. Степь умеренной зоны. Тропические степи и саванны. Чиппораль – районы с дождливой зимой и засушливым летом. Пустыня: травянистая и кустарниковая. Вечнозелёный тропический лес: выраженный влажный и сухой по сезонам. Вечнозелёный дождевой тропический лес.

II. Типы пресноводны экосистем.

Лентичные (спокойные, стоячие): озёра, пруды и т.д. Лотические (омывающий): реки, речки, родники. Заболоченные угодья: болота, болотистые леса.

III. Типы морских экосистем.

Морские биомы в меньшей степени зависят от климата, чем наземные. Они формируются в зависимости от глубины водоёма и вертикального размещения организмов. Важнейшее значение имеет то, что фотосинтез возможен лишь в поверхностных горизонтах воды.

Морские биомы располагаются следующим образом. Прибрежное океаническое мелководье, ограниченное с одной стороны берегом, а с другой – гребнем континентального склона (до 600 м), называется континентальным шельфом. Площадь шельфа составляет около 8 % от общей площади Мирового океана. В области шельфа расположена литоральная зона (прибрежная), которая, в свою очередь, подразделяется на супралитораль, собственно литораль и сублитораль. Небольшие глубины (до 500 м), близость к материкам, приливы и отливы определяют её богатство питательными веществами, высокую продуктивность и разнообразие организмов. Здесь производится около 80 % всей биомассы океана и сконцентрирован Мировой океанический промысел. От нижнего края шельфа над континентальным склоном до глубины 2 – 3 тыс. м простирается батиальная зона (глубокая). Площадь этой зоны чуть более 15 % от всей площади океана. По сравнению с литоралью фауна и флора заметно беднее: общая биомасса не превышает 10 % биомассы Мирового океана. От подножия континентального склона до глубины 6 – 7 тыс. м находится абиссальная зона (зона бездны) океана. Она занимает площадь 75 % дна океана. Содержание биомассы 0,5 – 7 % г/м³, отличается низким видовым разнообразием. В абиссальной части встречаются впадины до 11 км, площадь которых около 2 % от общей площади дна.

Водные организмы с экологических позиций можно классифицировать и по месту обитания в водоёме таким образом.

Бентос – организмы, прикреплённые ко дну, живущие в илистых осадках и просто покоящиеся на дне.

Перифитон – животные и растения, прикреплённые к листьям и стеблям водных растений или к другим выступам над дном водоёма.

Планктон – организмы плавающие, зоопланктон даже активно может перемещаться сам, но в целом они перемещаются с помощью течения воды.

Нектон – свободно перемещающиеся в воде организмы – рыбы, амфибии и др.

Ареал вида (по Н.Ф. Реймерсу, 1990 г.) – это область географического распространения (территория или акватория) особей рассматриваемого вида вне зависимости от степени постоянства их обитания в данной местности, но исключая их места случайного попадания (заноса, залёта, захода, заплыва и т.д.) в соседние регионы.

3.11.
Круговорот веществ и энергии
в эко - и агроэкосистемах

Окружающая нас среда представлена разнообразием естественных и преобразованных экосистем. Общим свойством для них является автотрофность, то есть процесс фотосинтеза при участии солнечной радиации, благодаря которой синтезируется органическое вещество. Для растений составляющие потоки энергии (спектр излучения) Солнца имеют существенное значение, благодаря пространственно-временным изменениям они воздействуют на ход физиологических процессов в организмах. Для всех растительных объектов аккумуляция энергии сопровождается формированием или накоплением биомассы, служит структурным материалом для образования органов растений и энергетическим материалом для биосинтеза, обеспечивающего существование не только отдельного растения, но и всей сложной биологической структуры биосферы.

Рост и развитие растений начинается только после формирования оптико-фотосинтетической системы листа и при осуществлении реакции фотосинтеза. Это уникальный процесс на планете, в результате которого накопление и превращение энергии из простых неорганических веществ обеспечивается при помощи поглощения солнечной энергии хлорофилловым зерном.

Фотосинтез ─ это процесс синтеза первичными продуцентами органического вещества, в котором происходит трансформация двуокиси углерода в воду и окисления воды до молекулярного кислорода с помощью лучистой энергии Солнца.

Ежегодно в процессе фотосинтеза усваивается примерно
300 млрд т двуокиси углерода (100 млрд т углерода), с растительным опадом и корнями растений консервируется в почве около 10 млрд т и при этом выделяется в атмосферу около
145 млрд т кислорода. Ежегодный расход кислорода в настоящее время по некоторым оценкам составляет 2,16∙10¹⁰ т/год, а общий приход соответствует примерно 1,55∙10⁹т/год. Общее же количество накопленного кислорода в атмосфере составляет приблизительно 1,18∙10¹⁵ т. По разнице прихода и расхода видно, что в атмосфере происходит постепенное снижение содержания кислорода.

Существуют и другие оценки, согласно которым растения ежегодно накапливают 1842∙10¹⁵кДж энергии. За этот же период растения выделяют в атмосферу примерно 123 млрд т кислорода и поглощают около   170 млрд т диоксида углерода.

Основную реакцию фотосинтеза можно представить в следующем виде:

                                                                 Хлорофилл

6CO₂ + 8 H₂O + CP С₆Н₁₂О₆ + 5O₂ + 2H₂O.
Наивысшая продуктивность экосистем (как и агроэкосистем), то есть максимальное формирование биомассы в виде различных вегетативных и репродуктивных органов растений, определяется адаптацией оптического аппарата листа к солнечной радиации. Одним из признаков адаптации является максимальное аккумулирование энергии, т.е. интенсивный рост фитомассы растений за единицу времени.

Растения благодаря солнечной энергии формируют около 95 – 97 % органического вещества, представленного растительной биомассой. Остальная часть приходится на другие фотосинтезирующие микро- и макроорганизмы. Но часть накопленной энергии Солнца в биомассе расходуется на процесс дыхания самого организма в тот период, когда не протекает процесс синтеза органического вещества (рис.3.12).
Лучистая энергия                                                   Равновесие: атмосфера-вода

Рис.3.12. Схема стадий круговорота углерода (по Дажо, 1975 г.)
Внутри экосистемы вещества, содержащие энергию, создаются автотрофными растениями, а сама фитомасса служит пищей для многих травоядных и гетероторофных организмов. Известно, что пищевая цепь – это механизмы передачи энергии от одного организма к другому. Типичный этому пример: растительноядное животное поедает растения, а это травоядное животное, в свою очередь, может стать пищей для других животных ─ хищников. Таким путем происходит перенос энергии через ряд организмов, где каждый последующий питается предыдущим, поставляющим сырье и энергию. На основе этой передачи энергии строятся экологические пирамиды.

Экологическая пирамида. Внутри каждой экосистемы трофические сети характеризуются природой и количеством представленных на каждом уровне различных пищевых цепей, имеющих хорошо выраженную структуру. Экологическая пирамида выражает трофическую структуру экосистемы в геометрической форме. Она строится в виде прямоугольника одинаковой ширины, но длина прямоугольника должна быть пропорциональна значению измеряемого объекта.

Отсюда можно получить пирамиду численности, биомассы и энергии. Экологическая пирамида отражает характеристику любого биоценоза, когда она показывает структуру пищевой цепи:

·         высота должна быть пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, то есть числу содержащихся в ней трофических уровней;

·         форма – более или менее точно отражать эффективность превращений энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (рис.3.13).

            Пирамида численности. В тех трофических цепях, где передача происходит в основном через связи «хищник - жертва», справедливо правило пирамиды чисел: общее число особей, которые участвуют в цепях питания, с каждым последующим звеном уменьшается.

Экспериментально установлено основное правило: «В любой среде растений всегда больше, чем травоядных животных; травоядных животных больше, чем плотоядных; насекомых всегда больше, чем птиц и т.д.»

Пирамида численности представляет собой наиболее простое изучение трофической структуры экосистемы. При её построении проводится подсчёт численности организмов, сгруппированных по трофическим уровням на данной территории, и они могут быть представлены в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной местности.

В природе для всякого хищника существует нижний и верхний пределы размеров их жертв. Верхний предел определяется тем, что хищник не в состоянии одолеть животное, которое превышает его по размерам. Нижний предел определяется тем, что при слишком малом размере добычи охота за ней теряет для хищника какой-либо смысл.

            Пирамида численности отражает плотность организмов на каждом трофическом уровне. При построении различных пирамид численности отмечается довольно большое их разнообразие. Нередко они имеют перевёрнутую форму, что можно наблюдать при создании пирамиды численности лесного биоценоза; там всегда больше насекомых, чем деревьев.

Пирамида биомассы. Пирамида биомассы отражает наиболее полно пищевые взаимоотношения в экосистеме, учитывая суммарную биомассу организмов каждого трофического уровня. Прямоугольники в пирамиде биомассы отображают массу организмов каждого трофического уровня, отнесённую к единице площади или объёма. Форма пирамиды биомассы нередко бывает схожей с пирамидой численности. Характерной её чертой является уменьшение биомассы на каждом последующем трофическом уровне. Пирамида биомассы по своей форме может быть не только прямой, но и часто обратно перевернутой, как пирамида численности. Перевернутая пирамида биомассы свойственна в некоторые отрезки времени водным экосистемам, в которых первичные продуценты, например фитопланктонные водоросли, несмотря на очень быстрое размножение по массе уступают их консументам (зоопланктонные ракообразные), которые гораздо крупнее, и размножаются они в более длительный период (рис.3.13)

                       Мальчик

4,5

   1

(а)
         Телята                                                          4,5

Люцерна                                                         2 * 10⁷



^{1                               10                                100}

Мальчик                 48 кг

      Масштаб

Телята                                                       1035 кг

(б)

Люцерна                                                                            8211 кг

     ^{1                               10                                100}

Ткани человека       34,75кДж

      Масштаб

Телята                                              4,982 * 10⁴ кДж

(в)

Люцерна                                                            6,24 * 10 ⁴ кДж



^{1                               10                                100}



Масштаб
Рис.3.13. Пирамиды чисел (а), биомасс (б), энергии (в), представляющие упрощенную экосистему: люцерна–телята–мальчик 12 лет (Одум, 1986)

Пирамида энергии. Рассматривая поток энергии в экосистемах, легко понять, почему с повышением трофического уровня биомасса снижается. Здесь проявляется третий основной принцип функционирования экосистем: чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень, или иначе: на конце длинных пищевых цепей не может быть большой биомассы.

Наиболее наглядным способом отображения связей между различными организмами на разных пищевых уровнях считается пирамида энергии. Она иллюстрирует эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей и строится подсчётом количества энергии (Дж, ккал), аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне. Следовательно, здесь можно легко определить количество энергии, накопленной в биомассе, но сложнее оценить её общее количество, поглощенной на каждом трофическом уровне. Что же происходит с энергией при передаче через пищевую цепь? Установлено, что солнечная энергия, поступающая к растению, только частично используется для процесса фотосинтеза. Фиксированная в углеводах энергия представляет собой валовую продукцию экосистемы (П_в). Углеводы идут на построение клеточной протоплазмы растений и их рост. Часть этой энергии затрачивается на дыхание (Д₁). Чистая продукция (П_ч) в данном случае определяется по формуле

П_ч = П_в – Д₁.

Следовательно, поток энергии, проходящий через биомассу продуцентов, или валовую продукцию, можно представить в виде

П_в = П_ч + Д₁.

Определённое количество созданных продуцентами веществ служат питанием для фитофагов. Остальная часть отмирает и перерабатывается редуцентами. Ассимилированный фитофагами корм (А₂) лишь частично используется для образования их биомассы (П₂). В основном он затрачивается на обеспечение энергией процессов дыхания (Д₂) и протекания биохимических процессов, и в определенной степени выводится из организма в виде выделений и экскрементов. Поток энергии, проходящий через второй трофический уровень, выражается формулой

А₂ = П₂ + Д₂.

Консументы второго порядка (хищники) потребляют не всю биомассу своих жертв, но и то её количество, которое они поедают, также частично используется на создание собственной биомассы. Остальная её часть затрачивается на энергию дыхания и выделяется с экскретами и экскрементами. Поток энергии, прошедший через трофический уровень консументов второго порядка (плотоядные), рассчитывается по следующей формуле:

А₃ = П₃+ Д_3.

Р. Линдеман в 1942 г. сформулировал закон пирамиды энергий, который называют законом 10 %. Согласно данному закону с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой уровень переходит в среднем не более 10 % энергии (у свиней до 20 %, у деструкторов до 40 %).

Поток энергии, выраженный количеством ассимилированного вещества по цепи питания, на каждом трофическом уровне заметно уменьшается и протекает по следующей схеме:

100 %П₁           ^{10 %}П₂^{1,0 %}П₃^{0,1 %} П₄   .

3.12. Устойчивость современных
косистем к техногенезу

Мы не унаследовали Землю наших отцов, взяли её в долг у наших детей и должны её сохранить и приумножить, и это – наш долг перед ними.

Из материалов ООН

Непрерывно изменяя и преобразовывая вещества и предметы природной среды, люди обеспечивают себе благоприятные условия существования. В конечном итоге каждый продукт труда представляет собой результат совместного действия природы и людей, а уровень развития производительных сил общества отражает масштабы такого взаимодействия. По мере роста производительных сил использование природно-ресурсного потенциала неуклонно расширяется, степень участия природной среды в системе общественного производства значительно возрастает, что вызывает постоянное усиление разностороннего антропогенного воздействия на природные комплексы и их компоненты. Прямым следствием такого воздействия является интенсификация производственной деятельности. Она заключается в преобразовании биосферы, вызываемой совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью человека по извлечению из окружающей природной среды полезных веществ, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений. В результате промышленной и сельскохозяйственной многосторонней деятельности общества возникает техногенная миграция различных веществ, большинство из которых являются опасными загрязнителями для окружающей природной среды, а также для животных организмов и человека (табл.3.4; 3.5;).
Таблица 3.4. Масса загрязняющих веществ, образующихся в процессе хозяйственной деятельности на душу населения и 1 км² территории

Единица измерения

Атмосферы

Сточных вод

Воды

Твердых отходов

Всего

Вредные

Всего

Вредные

Всего

Вредные

т/год на
1 чел.

т/год на км²

13
66

0,24
1,60

500
4500

0,30
2,50

53
700

17,7
230,0

Таблица 3.5. Количество некоторых опасных загрязняющих веществ, приходящихся на 1 чел. РФ в 1989 г. [Лосев К.С. и др.(108)]

Атмосфера

Вода

Оксид углерода

Углево-

дороды

Свинец

Ртуть

Бенз(а) пирен

Фториды

Фенол

ТМ

60 кг

40 кг

23 г

170 мг

100 мг

90 г

30 г

14 г

На долю аграрного сектора в 90-е годы прошлого столетия приходилось более 39 % отходов различного свойства. Это необходимо учитывать при разработке природоохранных мероприятий, поскольку данные процессы часто объясняются энергетическими, промышленными и транспортными воздействиями. Из-за структурной специфики сельскохозяйственных отходов и их своеобразия, а также последующих трансформационных процессов осуществляется их постоянное взаимодействие с природными компонентами (почвой, водой, атмосферой и т.д.).

Материалы табл. 3.4, 3.5 дают нам наглядное представление о присут-ствии загрязняющих веществ в эко- и агроэкосистемах. Только на одной трети площади суши не проявляется антропогенная деятельность. По странам континентов загрязнение ориентировочно составляет, %: в Северной Америке – 37,5; странах СНГ – 33,6: Австралии и Океании – 27,8; Африке – 27,5; Южной Америке – 20,8; Азии – 18,6; Европе – 2,8 % от общей площади.

По мнению В.Л. Лапина и др., степень экологического неблагополучия, вызванная хозяйственной деятельностью, носит отчетливо региональный характер. Загрязнением в узком смысле слова считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для неё физических, химических и биологических агентов или превышение естественного среднемноголетнего уровня содержания этих агентов в среде. Загрязнение может быть как в результате естественных причин (природное), так и под влиянием антропогенной деятельности. С экологических позиций загрязнение означает не просто привнесение чуждых компонентов в окружающую среду, в любом случае конкретным объектом загрязнения является элементарная структурная единица биосферы – биогеоценоз или в целом экосистема. Наличие чужеродных веществ вызывает изменение эволюционно сложившихся режимов экологических факторов, что ведёт к нарушению обменных и продуционных процессов, а следовательно, продуктивности биогеоценозов (и агроценозов) в целом.

Загрязнение представляет собой комплекс «помех» в экологических системах, приводящих их к деградации, что следует из доклада Белого дома (1965 г.) «Чтобы восстановить качество окружающей среды»: «Загрязнение есть неблагоприятное изменение окружающей среды, которое целиком или частично является результатом человеческой деятельности, прямо или косвенно, или через сельскохозяйственные ресурсы, через воду или другие биологические продукты (вещество). Они могут также воздействовать на человека, ухудшая физические свойства предметов, находящиеся в его собственности, условия отдыха на природе и обезображивать её саму. По своей сути загрязнение является нежелательной потерей веществ, энергии, труда и средств, используемых при добыче и заготовке сырья и материалов, которые превращаются в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере».

Загрязнение становится причиной необратимого разрушения экологических систем, которое воздействует на глобальные физико-химические параметры среды: в результате загрязнения происходит потеря плодородных земель, падает продуктивность экологических систем и биосферы в целом; вследствие загрязнения непосредственно или опосредованно ухудшается физическое и моральное состояние самого человека.

В соответствии с материалами Международной конвенции по оценке воздействия на окружающую среду к экологически опасным отнесены следующие виды производств и объектов:

─ атомная промышленность (установки, предназначенные для производства обогащённого ядерного топлива, регенерации отработанного ядерного топлива или сбора, удаления и переработки радиоактивных отходов);

─ энергетика (атомные тепловые электростанции, крупные установки для сжигания топлива);

─ черная и цветная металлургия (установки для доменного и мартеновского производств, предприятия черной и цветной металлургии, машиностроительные и металлообрабатывающие предприятия);

─ нефтехимия, нефте - и газопереработка;

─ химическая промышленность (химические комбинаты, производства асбеста, стекла, минеральных удобрений, пестицидов и т.д.);

─ добыча полезных ископаемых (включая нефть и газ);

─ транспортировка нефти и газа, продуктов их переработки;

─ производство целлюлозы, бумаги, картона;

─ транспортировка, хранение, утилизация и захоронение токсичных и ядовитых отходов;

─ производство и хранение, транспортировка и уничтожение боеприпасов, взрывчатых веществ и ракетного топлива;

─ крупные склады для хранения нефтяных, нефтехимических, химических продуктов, пестицидов;

─ строительство дорог, автострад, трасс для железных дорог, аэропортов с длиной посадочной полосы более 2 км;

─ сельскохозяйственные объекты (животноводческие комплексы, птицефабрики, мелиоративные системы);

─ крупные водозаборы поверхностных и подземных вод;

─ крупные плотины и водохранилища, вырубка лесов на больших площадях;

─ легкая промышленность (фабрики по очистке, отбеливанию шерсти, кожевенные заводы, красильные фабрики).

К этим загрязнителям следует отнести огромный парк автотранспорта (более 800 млн ед.), газовые выбросы которого сравнимы с выбросами крупных промышленных предприятий и который ежегодно заметно увеличивается.

Агроэкосистемы, ставшие неотъемлемой составной частью современной биотехносферы, как и естественные экосистемы, испытывают постоянные техногенные воздействия, подвергаются влиянию разного рода загрязнений локального, регионального и глобального характера. В агроэкологических системах проявляется это в изменении количественных и качественных характеристик, составляющих их природных компонентов, снижении устойчивости и падении продуктивности, а также в качестве продукции культивируемых растений.

Действие загрязняющих веществ на растения во многом зависит от их вида и концентрации, длительности воздействия загрязнителей, относительной восприимчивости отдельных растений к ним, стадии физиологического развития, в котором находится растение или его часть. Сельскохозяйственные растения обладают разной устойчивостью к токсикантам. Постоянное воздействие некоторых токсичных газов оценивается по степени снижения продуктивности фитомассы или других функций растений, в разной степени опасно для агрокультур.

Вопросы для самоконтроля

Что понимается под средой обитания и адаптацией?

Какие виды адаптации Вы знаете?

Что нужно понимать под термином экологический фактор?

Какие типы реакций организмов существует в природе?

Что Вы можете рассказать о толерантности и лимитирующих факторах внешней среды?

Что представляет собой фитоценоз и какими свойствами обладает?

Какими свойствами обладает биоценоз и какие связи существуют в   нём?

Что понимается под термином биогеоценоз и какие взаимоотношения в нём существуют?

Кто ввел в экологию понятие «экосистема», что она из себя представляет, какими свойствами обладает? Её качественная оценка. Какие виды энергии существуют в экосистеме?

10. Что понимаем под термином сукцессии и каково их происхождение?

11. Как происходит круговорот веществ и энергии в экосистемах?

12. Что представляет собой агроэкосистема и каким образом происходит ее регулирование?

13. Как строятся экологическая пирамида, пирамида численнсти, биомассы и энергии?

14. Что понимается под устойчивостью экосистем и какие производства отнесены к опасным для этих систем?
ГЛАВА 5. ПРИРОДНО-РЕСУРСНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

Труд не есть источник всякого богатства. Природа в такой же мере источник потребительских стоимостей, как и труд, который сам есть лишь проявление одной из сил природы, человеческой рабочей силы.

К. Маркс

5.1. Природно-ресурсный потенциал

Природные ресурсы (естественные ресурсы) –это часть всей совокупности природных условий и важнейших компонентов природной среды, которые используются для удовлетворения потребностей общества, поддержания условий существования человечества и повышения качества его жизни. Они проявляются главным образом в природопользовании, и природные богатства подлежат к рациональной эксплуатации в интересах нынешнего и будущих поколений людей.

Основные направления природопользования включают: ресурсопотребление, конструктивное преобразование, воспроизводство природных ресурсов, охрану среды обитания и природных ресурсов, управление и мониторинг. Эти направления дифференцируются главным образом по видам природопользования. При этом процесс эксплуатации должен сочетаться с деятельностью по сохранению и улучшению качества природной среды, с комплексным решением многих важных проблем охраны природы в целом.

Как известно, первый, и главный, фактор экономического роста – это сами люди, население – источник основных производительных сил и трудовых ресурсов. Второй фактор экономического роста –это созданные людьми средства производства: индустрия, транспорт, энергетика, строительство и сельское хозяйство. Третий фактор –сами природные ресурсы (земля, почва, климат, воды, богатство недр, флора и фауна).

Классификация природных ресурсов. Природные ресурсы условно подразделяют на неисчерпаемые и исчерпаемые, возобновляемые и невозобноляемые (рис.5.1).

По отношению к тем или иным компонентам природы различают следующие виды и группы природных ресурсов: геологические, минеральные, климатические, водные земельные, биологические и т.д.

В зависимости от характера использования ресурсов в производственной или непроизводственной сферах выделяют минерально-сырьевые, топливо-энергетические, промышленные, сельскохозяйственные, продовольственные, оздоровительные, ландшафтно-куротные, рекреационные и другие природные ресурсы. Познавательный и практический интерес, особенно с экологических позиций, представляет характеристика природных ресурсов по местонахождению и источникам. При этом различают следующие: атмосферные, газовые, энергетические, водные и почвенные ресурсы, ресурсы растений-продуцентов, консументов, редуцентов, климатические, рекреационные, познавательно-информационные, пространства и времени.

Природные ресурсы



Атмосферный воздух, вода генетический фонд животных и растений

Рис.5.1. Классификация природных ресурсов
К отличительным признакам природных ресурсов
относятся:

─ способность некоторых видов в определенных пределах и условиях к самовоспроизводству (саморегулированию) количественного и качественного состояния;

─ способность переходить от одного исходного качественного состояния в другое в результате естественной эволюции или под воздействием производственной деятельности человека;

─ связь конкретных состояний и оценок природных ресурсов с условиями жизнедеятельности человека, зависимость качественных состояний от технологического процесса, характера, интенсивности производственной и непроизводственной деятельности людей;

─ зависимость (количественная и качественная) одного природного ресурса от другого.

            Основополагающими принципами рационального использования природных ресурсов являются следующие:

соответствие характера и способов их применения в конкретных местных условиях;
предвидение и предотвращение негативных последствий в природопользовании;
повышение интенсивности освоения;
сохранение научных и эстетических ценностей в природных ландшафтах;
соблюдение целесообразной и экономически обоснованной очерёдности хозяйственного механизма использования природных ресурсов;
комплексное их использование;
уменьшение или устранение потерь на всех этапах хозяйственной деятельности при природопользовании;
всемерная экологизация производственных и технологических процессов.

Природный потенциал. От природных ресурсов следует отличать природные условия, к которым относятсясовокупность объектов, явлений и факторов природной среды. Природные условия имеют существенное значение для материально-производственной и непроизводственной деятельности человека, но непосредственно в неё они не вовлекаются. Человек может в определённой мере изменять или целенаправленно корректировать природные условия (но только отдельные компоненты). Нерегулируемая антропогенная деятельность приводит как положительным изменениям природных условий, так и к негативным последствиям; при этом изменения могут охватывать значительные пространства (например, опустынивание).

Сочетание природных условий и ресурсов формирует природно-ресурсный и природный потенциал.

Природный потенциал – это потенциальная способность какой-либо природной системы (территории, биогеоценоза, экосистемы, природного объекта и др.) удовлетворять многообразные потребности человеческого общества.

Применительно к территориям о природно-ресурсном потенциале судят главным образом по степени разнообразия и набору природных условий: количественному и качественному составу и доступности природных ресурсов, степени соответствия показателей качества среды принятым нормам и стандартам. Экологический потенциал территории – это способность природной среды воспроизводить определенный (заданный) уровень качества обитания в течение длительного периода. Экологический потенциал – часть природно-ресурсного потенциала.

В сельскохозяйственное производство прямо или косвенно вовлечены все виды природных ресурсов. При этом выделяют группу базовых ресурсов, куда, в первую очередь, входят климатические (агроклиматические), водные, земельные, биологические и генетические. Кстати, агроклиматический потенциал производства аграрной продукции России оценивается в целом 1,05 ед., в основных земледельческих районах – 1,50, в то же время в странах Западной Европы он соответствует примерно – 2, США – 2,4, Индии – 4, Бразилии – 4,5–5.

Водные ресурсы. Значение воды на всех производствах народного хозяйства очень велико. Предотвращение истощения и загрязнения водных ресурсов призвано обеспечить экологизацию промышленного, сельскохозяйственного производств и городского хозяйства, очистку природных и сточных вод, а также мелиоративные мероприятия.

Для экологизации производственной деятельности и сохранения водных ресурсов следует:

─ размещать новые объекты в соответствии с наличными водными ресурсами и допустимыми экологическими нагрузками на природную среду (в том числе на перспективу);

─ сокращать удельное водопотребление;

─ переходить к системам оборотного водоснабжения и последовательного использования воды для нужд других предприятий;

─ совершенствовать технологию производства (замена водяного охлаждения воздушным);

─ внедрять раздельные системы очистки сточных вод;

─ применять меры экономического воздействия (вводить плату за потребляемую воду и сбрасывание неочищенных вод).

Особое место в предотвращении истощения и загрязнения природных вод принадлежит мелиоративным мероприятиям, но осуществление большинства из них требует значительных средств и времени. При проведении мелиорации необходимо в совершенстве знать все природные процессы, степень и масштабы антропогенного воздействия.

К важнейшим мелиоративным мероприятиям по сохранению и рациональному использованию водных ресурсов относят:

уменьшение потерь воды на фильтрацию, испарение и на непроизводительные сбросы;
улучшение водоприёмников с осуществлением комплекса природноохранных мероприятий;
развитие польдерных систем осушения;
поддержание в реках необходимых санитарных норм и обеспечение им самоочищающей способности;
рациональное использование водохранилищ и поддержание в них воды надлежащего качества, многоцелевое использование мелководий; осуществление комплексной программы по борьбе с вредным воздействием вод (наводнения, селевые потоки, оползни, размыва берегов, водная эрозия и т.д.);
создание комплексных мелиоративных систем с учётом интересов водоснабжения, рыболовства, рекреаций и т.п, а также систем, обеспечивающих утилизацию межотраслевых отходов и производств;
проведение лесоохранных мер, направленных на количественное и качественное регулирование водных ресурсов.

Естественные биологические ресурсы.     Для поддержания среды обитания человека – обеспечения должного качества необходимых для жизни газового состава атмосферы, химического состава среды, водного баланса, биологической продуктивности и т.д. – нужно сохранить генофонд всех живых организмов. Живые организмы служат источником удовлетворения потребностей общества в продуктах питания, одежде, лекарственном и промышленном сырье, строительных материалах и т.д. Возобновляемость ресурсов живой природы обеспечивает принципиальную возможность бесконечного использования их без истощения.

Сохранению подлежат все виды и подвидовые формы живых существ не только в качестве незаменимых частей механизма обмена веществом и энергией в биосфере, но и как носители уже используемых или потенциально полезных для общества свойств.

Огромное значение сохранение генофонда живых организмов имеет для функционирования сельского хозяйства. Живые организмы, обеспечивая процессы обмена веществ и энергии в биосфере, поддерживают необходимые для аграрного производства условия ─ плодородие почв, формирование местного климата, гидрологический режим почв, регулирование численности вредителей.

Генофонд живых организмов также служит исходным материалом для введения в культуру и «одомашнивания» новых форм растений и видов животных. Особую ценность представляет фонд диких сородичей культурных растений. Многие дикие виды культурных растений и сегодня не потеряли своего значения для селекции. При скрещивании с культурными растениями они дают начало более жизнеспособным, продуктивным и стойким к заболеваниям сортам. На земном шаре насчитывается около 2000 видов диких растений: например, существуют 43 вида груши, 26 – вишни и смородины, 24 – люцерны, 18 – лука и яблонь, 9 – ржи, 8 – пшеницы и лещины, 3 – ячменя и т.д.

Для охраны генофонда диких животных и растений применяют различные методы: объявление вида охраняемым (запрет или строгое ограничение использования); сохранение семян и тканей в специализированных хранилищах; расселение за пределы естественного ареала; взятие под охрану отдельных экземпляров (генотипов). Однако перечисленные методы не гарантируют бессрочного сохранения наследственного материала. Перенесение в новые условия (питомники) расселения ведёт к утрате специфичности вида растений, семена не сохраняют при длительном хранении в полной мере свою жизнеспособность.

Кроме того, если рассчитывать на длительную перспективу, то растения, выращенные из семян, собранных много лет назад и пересеваемых на одном агрофоне, могут оказаться неприспособленными к изменившимся условиям среды. Запрет добычи сам по себе без сохранения условий обитания ничего не даёт. Если будут разрушены места обитания, то исчезнут свойственные для данных условий растения, животные и микроорганизмы.

Единственный метод, гарантирующий бессрочное сохранение генофонда – это сохранение живых организмов в их естественной среде обитания, т.е. в заповедниках. В данном случае сохраняется вся система взаимосвязей популяций вида с условиями обитания. Тем самым обеспечивается соответствие сменяющих друг друга поколений к среде, свойственной именно этому виду, которая формировалась в процессе эволюции.

При этом сохраняются специфические свойства того или иного организма, которые и являются ценными для общества, что вызывает необходимость их сохранности. Основными причинами утраты генофонда считаются: прямое уничтожение, разрушение и уничтожение мест обитания, физико-химическое загрязнение, генетическое загрязнение, интродукция (внедрение) чуждых организмов. Грамотное комплексное использование природно-ресурсного потенциала – важнейшая предпосылка его экологизации. При этом необходимы соответствующие материально-технические обеспечения, организация определенной производственной и социальной инфраструктуры.

5.2.
Взаимодействие природы и общества.

Ресурсные циклы

Взаимодействие природы и общества. При рассмотрении биосферных проблем основное внимание обычно обращают на исследования природных систем и происходящих в них процессов, а также на их последствия для человечества. Деятельность же человека в данной связи рассматривается преимущественно в форме внешнего воздействия. Между тем для достижения необходимой сбалансированности в развитии природы и общества необходимо исследовать характер и направленность взаимодействия между этими специфическими разнокачественными системами, все более глубоко проникающим друг в друга. При всём многообразии форм и сторон взаимодействия природы и общества главенствующая роль среди них принадлежит процессу обмена веществ, который связывает человека с окружающей средой. Активным началом в этом процессе является человек, который своим я опосредствует обмен веществ между собой и природой.

Ф. Энгельс в книге «Диалектика природы» писал: «… в природе ничто не совершается обособленно. Каждое явление действует на другое обратно, и в забвении факта этого всестороннего движения и взаимодействия и кроется в большинстве случаев то, что мешает нашим естествоиспытателям ясно видеть даже простые вещи. Любое вызванное человеком изменение в природе неизбежно скажется на других элементах и, в конечном итоге, на обществе. Людям, которые в Месопотамии, Греции, Малой Азии и других местах выкорчёвывали леса, чтобы добыть таким путём пахотную землю, было невдомёк, что они этим положили начало нынешнему запустению этих стран, лишив их вместе с лесами центров скопления и сохранения влаги. Когда Альпийские итальянцы вырубали на южном склоне гор хвойные леса, они не предвидели, что этим подрезают корни высокогорного животноводства в своей области. Ещё меньше они предвидели, что этим большую часть года оставляют свои горные источники, а в период дождей эти источники могли изливать на равнину мощные потоки».

Поскольку человек в этом взаимодействии выступает не просто как биологическая особь, а как член общества, то и процесс обмена веществ приобретает форму взаимодействия между природой и обществом. Очевидно, что со становлением и развитием общества связано не просто появление еще одной ветви биологического круговорота, а формирование специфического общественного звена в общем круговороте веществ на Земле. Речь идёт именно о звене общего круговорота, так как люди, извлекая из природной среды необходимые вещества и придавая им пригодную для потребления форму, возвращают их в природу в том или ином трансформированном виде и, как правило, не на бывшее место локализации, а на совершенно иные территории.

Удерживается здесь лишь только часть извлекаемого природного материала в виде орудий труда или многократно используемого оборотного фонда (лом металлов, вода оборотная, семена растений и т.д.). «Продукты возврата», присущие различным стадиям многообразных производственных процессов, являются, по сути, веществами, загрязняющими окружающую природную среду.

Основываясь на учении о взаимосвязи и взаимозависимости предметов и явлений в природе и обществе, экология как наука рассматривает конкретные взаимосвязи и взаимообусловленности в природе с учётом влияния человека, давая им качественные и количественные оценки, необходимые для управления, организации рационального использования, охраны и воспроизводства природных ресурсов, планомерного преобразования природы.

Наиболее крупной системой связей здесь является соотношение общества с живой и неживой природой (рис.5.2).

Ресурсно-экологичес-

кий потенциал

Население

Промышленное

производство

Сельскохозяйственное

производство

Рис.5.2. Обобщённая модель взаимодействия общества и природы:
+ - положительная связь; - отрицательная связь.
Каждый из взаимодействующих элементов связан с другими прямыми обратными связями. Таким образом, не только общество действует на природу, но и неживая природа действует на общество, иногда в сильной степени, замедляя или ускоряя общественное развитие, вызывая в прошлом даже гибель государств. Природа, изменяемая в современных условиях в худшую сторону, стимулирует возникновение ряда общественных явлений. Постановка проблемы охраны окружающей среды и приобретение ею первостепенного значения свидетельствует о существенном влиянии природы на общество. Кратко связь и взаимозависимость живой и абиотической среды может быть выражена таким образом: неживая природа в процессе своего развития привела к возникновению живой природы, находящейся в непрерывающейся необходимой связи с первой. Живая природа стала важнейшим фактором развития неживой природы Земли и обусловила появление людей, деятельность которого стала определять эволюцию всей биосферы. Отсюда следует, что судьба природы как местообитания человечества находиться в руках самого человека.

Понятие ресурсного цикла. Для анализа оптимизации и прогнозирования обмена веществ между обществом и природой И.В. Комаром была разработана концепция ресурсных циклов. Обмен веществ между обществом и природой носит хорошо выраженный характер полициклического процесса. Суммарный поток можно расчленить на отдельные ресурсные циклы.

Ресурсный цикл – это совокупность превращений и пространственных перемещений определенного вещества (или группы веществ), происходящих на всех этапах использования его человеком (включая выявление, подготовку к эксплуатации, извлечение из природной среды, переработку, потребление, возвращение в природу) и протекающих в рамках общего данного вещества (или веществ) на Земле
. Ресурсные циклы различаются по виду главного участвующего в них вещества или их сочетаний. Причем каждый цикл обычно «обрастает» рядом сопутствующих и побочных подциклов, которые развиваются на базе разностороннего использования основного ресурса и дополнительно вовлекаемых в хозяйственный оборот первичных природных материалов. Слово «цикл» подразумевает замкнутость процесса. В природе, как известно, все вещества циркулируют в замкнутых биохимических циклах. Ресурсный же цикл, который называют еще и «антропогенным круговоротом вещества», фактически не замкнут, на каждом этапе неизбежны значительные потери вещества и заключенного в нём энергии.

Виды ресурсных циклов. Различают 6 основных ресурсных циклов со следующими подциклами:

цикл энергоресурсов и энергии с энергохимическим и гидроэнергетическим подциклами;
циклы металлорудных ресурсов и металлов с коксохимическим подциклом;
цикл неметаллического ископаемого сырья с группой подциклов ─ горнохимическим, минеральных строительных материалов, особенно ценных редких нерудных полезных ископаемых;
цикл лесных ресурсов и лесоматериалов с лесохимическим подциклом;
цикл почвенных и климатических ресурсов и аграрного сырья;
цикл ресурсов фауны и флоры с серией подциклов, формирующихся на базе биологических ресурсов, вод, ресурсов охотничьего хозяйства и полезных дикорастущих растений.

Среди перечисленных ресурсных циклов важнейшее место принадлежит циклу почвенных и климатических ресурсов и аграрного сырья, который обеспечивает жизнь человека как биологического вида, поставляя продукты земледелия и животноводства (с заключенной в их органическом веществе энергией), именно эти ресурсы необходимы человеку как биологическому существу – это один из древнейших по времени возникновения циклов.

Функционирование этого и других циклов (лесных ресурсов, фауны и флоры), базирующихся на возобновляемых природных ресурсах, осуществляется при очень низком коэффициенте полезного использования первичных веществ и энергии. В целом же совершенствование каждого ресурсного цикла на всех этапах ─ основа охраны окружающей природной среды, использования ресурсов без их истощения.

5.3.
Эффективность использования

природных ресурсов

Совершенствовать приемы освоения природно-ресурсного потенциала – это значит повышать эффективность использования природных ресурсов по всей цепи, соединяющей природные ресурсы и продукцию, получаемую на их основе, и конечные стадии технологических процессов, связанных с преобразованием природного вещества. Важный показатель эффективности использования природных ресурсов ─ природоемкость. На макроуровне, на уровне всей экономики, природоемкость (Е_м) рассчитывают как отношение затрат используемых природных ресурсов или ресурса (Р) к валовому внутреннему продукту (ВВП) или национальному доходу (НД):

.

Расход природных ресурсов (ресурса) на единицу валового внутреннего продукта (национального дохода) выражают в стоимостной форме (т/руб) и т.д. На отраслевом уровне природоемкость (Е_о) рассчитывают как расход природного ресурса (Р_р) на единицу конечной продукции (Д), произведённой при использовании этого ресурса (например, количество земли, необходимой для получения 1 т зерна, количество древесины, требуемого для производства 1 т бумаги и т.д):

.

Чем меньше природоёмкость, тем эффективнее процесс преобразования природного вещества в продукцию, меньше отходов и загрязнения. Известен также показатель природной ресурсоотдачи (О), который является обратным показателем к затратам природных ресурсов (табл.5.1):

.

Пиродоёмкость рассчитывают на уровне предприятий, фирм, концернов и т.п. Важнейшая задача при производстве продукции – снижение природоёмкости, то есть минимизация:
Е_{м (о)} min, т.к в условиях экстенсивного развития при сохранении старого технологического уровня происходит постепенное истощение и деградация ресурсов, что ещё в большей степени обостряет экономическую и экологическую ситуацию.
Таблица 5.1. Количество вывезенной древесины (м³) в расчёте на 1 т производства бумаги

Страна	1 м³
Россия США Швеция Финляндия	32 7 6 5

Для уменьшения природоёмкости, с одной стороны, следует сокращать или стабилизировать потребление природных ресурсов, а с другой — увеличивать выпуск продукции за счёт совершенствования технологий, внедрения малоотходного и ресурсосберегающего производства, использования вторичных ресурсов и отходов. Таким образом, должен формироваться природосберегающий вид хозяйственной деятельности
(табл. 5.2).
Таблица 5.2. Показатели природоёмкости в странах мира

Страна	Энергоёмкость (т. нефт./экв/1000 $ США)	Выбросы SO_x (кг/1000 $ США ВВП)	Выбросы СО₂ (кг/100 $ США ВВП)
Япония Германия Франция Норвегия Великобритания Канада США Россия	0,17 0,21 0,21 0,22 0,20 0,36 0,28 0,61	0,3 1,1 0,9 0,3 1,8 4,1 2,3 6,0	0,42 0,52 0,31 0,52 0,49 0,73 0,58 1,54

Наряду с рассмотренными положениями представляют интерес и другие показатели. Экологичность (Э) – это уровень воздействия вредных веществ на окружающую среду (О_с) в расчёте на единицу полезной продукции или услуги (П_у), получаемой с помощью данного процесса:

.

Ресурсоёмкость процесса – расход энергии, воды, воздуха, земных и иных природных ресурсов (Р_р) в расчёте на единицу полезной продукции или услуги, получаемой на основе данного процесса:

.

По содержанию ресурсоемкость близка к отраслевой (продуктовой) природоёмкости. Существует такое понятие, как коэффициент экологичности объекта, который представляет собой отношение чисто полезного эффекта (П_у–Н_н) к израсходованным природным ресурсам:

.

Коэффициент экологичности при материально-энергетическом подходе к определению параметров экологической эффективности характеризует степень замкнутости данного технологического процесса. Так, при К_э ≤ 1 происходит разрушение природного потенциала без какого-либо полезного эффекта.

5.4.
Особо охраняемые природные территории и их роль в сохранении экологического

равновесия в биосфере

Одной из центральных проблем выживания человечества в совремённом мире является сохранение биологического разнообразия на нашей планете, что невозможно без организации особо охраняемых природных территорий. Важнейшее место здесь занимает природно-заповедный фонд. Под природно-заповедным фондом понимается совокупность природных объектов, имеющих экологическое, правоохранительное, научное и культурное значения, которые полностью или частично изъяты из хозяйственного или иного использования в целях сохранения генетического фонда растений и животных, типичных или редких ландшафтов, эталонов природной среды.

Наряду с традиционными формами заповедников, стали организовываться новые формы в виде национальных природных парков, памятников живой и неживой природы, биосферных заповедников, дендрологические парки и ботанические сады.

Современный природно-заповедный фонд РФ включает пять объектов: заповедники, заказники, парки, памятники природы, редкие исчезающие виды, занесённые в Красную книгу.

Объединяет их следующее: они государственные, природные и заповедные. Особо охраняемые природные территории (ООПТ) – это участки земной или водной поверхности и атмосферного пространства над ними, где расположены природные комплексы и объекты, имеющие особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, изъятые решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования, для которых установлен режим специальной охраны.

Основным законодательным актом, регулирующим отношения в области организации, охраны и использования особо охраняемые природные территории является ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях», принятый 15 февраля
1995 г.

Одними из первых заповедников, основанных в 1916 г., стали заповедники на озере Байкал и на острове Камчатка. К началу 2000 г. в систему ООПТ входило 1600 государственных заказников, 8000 памятников природы, 34 национальных парка и 99 заповедников.

Государственный природный заповедник (или полный резерват) считается наиболее жёсткой формой территориальной охраны природы. Представляет собой: во-первых, территорию, полностью изъятую из хозяйственного использования; во-вторых – научно-исследовательские учреждения, перед которыми стоит цель сохранения и изучения естественного хода природных процессов и явлений (например, «Русский лес» в Подмосковье, «Тургояк» в Челябинской области и др.), Приокско-Террасный – репрезентативный участок хвойно-широколиственных лесов.

В заповедникахразрешена только научная, охранная и контрольная деятельность, а в исключительных случаях – организация учебно-экологических маршрутов. Иногда запрещается даже уборка поваленных и сухостойных деревьев, уборка которых может нарушить естественное развитие природных процессов. Из заповедников особый статус имеют биосферные, входящие в международную систему биосферных резерватов и осуществляющие глобальный экологический мониторинг.

Биосферные заповедники входят в состав ряда государственных заповедников и используются в целях комплексного изучения участков нетронутой природы и сходных по природным условиям участков, эксплуатируемых человеком.

Биосферные заповедники выполняют четыре важные функции:

─ сохранение генетического разнообразия нашей планеты;

─ проведение научных исследований;

─ слежение за фоновым состоянием биосферы;

─ экологическое образование и международное сотрудничество.

Функции биосферного заповедника шире, чем функции охраняемых природных территорий любого иного типа. Они служат своеобразными международными стандартами, эталонами окружающей природной среды. На планете создана единая глобальная сеть из более чем 300 биосферных заповедников (в РФ их было 11). Все они работают по согласованной программе ЮНЕСКО, проводя постоянные наблюдения за изменением среды под воздействием антропогенной деятельности. В РФ данным статусом обладают около 20 % заповедников, в том числе Приокско-Террасный.

Национальный парк – это обширная территория (до нескольких миллионов гектар), включающая как полностью заповедные зоны, так и зоны, предназначенные для отдыха, оздоровления, ближнего туризма, пропаганды экологических знаний. Сюда можно отнести «Лосиный остров», «Валдайский», «Русский север», «Марий Чодра», Марийский лес, сосновые боры и широколиственные леса. Живут там более 56 видов млекопитающих (бурундуки, медведи, зайцы, лисицы, лоси и т.д.) и другие. В парке живут более 64 видов птиц (беркут, змееяды, орлан белохвостый, прилётные белые лебеди и т.д.; из обитателей водной среды - выхухоль, американская норка, ондатра. Гордость парка – дуб времён Ем. Пугачёва.

Заказник – это природный комплекс, который предназначен для сохранения одних видов природных ресурсов при ограниченном использовании других. На участках, занимаемых заказниками, постоянно или временно запрещены отдельные виды хозяйственной деятельности. Например, запрещена любая деятельность, нарушающая природный ландшафт, но может быть разрешена охота или рыбная ловля. Очень часто создаются временные охотничьи заказники для сохранения и восстановления численности отдельных видов животных и рыб. Существуют следующие виды заказников: ландшафтные, лесные, ихтиологические, орнитологические и др.

Памятники природы – это отдельные природные объекты, имеющие научное, эстетическое, культурное или воспитательное значение. Ими могут быть: какой-то необычный родник, водопад, овраг с редкими видами растений, древние деревья, бывшие «свидетелями» каких-либо событий (например, дубы в усадьбе Коломенское, сохранившиеся со времён Ивана Грозного, каскад водопадов «Кивач» на реке Суше в Карелии).

Заказники и памятники природы, хотя и играют определённую положительную роль в деле поддержания экологического климакса, но кардинально решить проблему не смогут –сохранить можно лишь системные природные совокупности, а не отдельно взятые компоненты.

Дендрологические парки и ботанические сады – они созданы человеком в целях сохранения биоразнообразия и обогащения растительного мира и в интересах науки, учёбы и культурно-просветительской работы. В них часто проводят работы, связанные с интродукцией и акклиматизацией новых видов растений. За нарушение режима особо охраняемых природных территорий законодательством Российской Федерации установлены административная и уголовная ответственность.

Вопросы для самоконтроля

В чём суть природно - ресурсного потенциала?
Что из себя представляют ресурсные циклы?
В чём заключается эффективность использования природных ресурсов?
Какова роль особо охраняемых природных территорий для сохранения биоразнообразия?
Назовите известные Вам особо охраняемые природные территории. В чём их ценность?

ГЛАВА 6. СУЩНОСТЬ И ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

6.1. Понятия, виды, формы и основы

рационального природопользования

Академик А.В. Сидоренко, формулируя задачи, стоящие перед наукой в области охраны окружающей среды, писал: «Некоторые «охранители природы» выступают за сохранение природы в девственном состоянии, за то, чтобы оставить неприкосновенной природу в условиях непрерывно развивающейся созидательной деятельности человека. На самом деле необходимо найти такие методы ведения хозяйства, которые учитывали бы природные равновесия в сторону либо минимальных вредных последствий, либо приводили бы к улучшению природного потенциала».

Развивая данную мысль, можно далее сформулировать саму сущность понятия рационального природопользования таким образом. Рациональное природопользование – это система мер и мероприятий, направленных на поддержание рационального взаимодействия между хозяйственной деятельностью человека и окружающей природной средой, обеспечивающих сохранение и восстановление природных ресурсов (богатств), предупреждающих прямое или косвенное негативное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье населения.

Более короткое и ёмкое понятие природопользования звучит следующим образом. Под природопользованием понимают возможность обществом (человеком) использовать полезных свойств окружающей природной среды – экологических, экономических, культурных, рекреационных и оздоровительных.

Для построения гармоничных отношений между природой и обществом необходимо предварительно решить три важные задачи.

Первая задача состоит в формировании нового типа социального и экономического мышления, которое должно базироваться на новых моральных критериях общественного развития, исключающих чисто утилитарный подход к природе.

Вторая задача состоит в обеспечении широкой гласности и освещения социально-экологических проблем, сопровождающих развитие человечества. Скрывая от людей информацию об условиях их существования, например, о степени загрязнения среды обитания, органы власти не могут в полной мере рассчитывать на общественность при необходимости решения крупных экономических и экологических вопросов.

Третьей задачей является построение такого хозяйственного механизма природопользования, который обеспечивал бы наиболее полное согласование индивидуальных, коллективных и государственных интересов в деле охраны окружающей среды и рационального природопользования.

Одной из основных причин создавшегося положения является очень низкая эффективность использования природных ресурсов, что приводит к очень низким темпам развития отраслей, составляющих фонд потребления по сравнению с отраслями, формирующими фонд накопления.

Исходя из определения, содержание природопользования включает три формы: экономическую (или ведущую), экологическую и культурно-рекреационно-оздоровительную. Природопользование осуществляется в виде: общего и специального природопользования.

Общее природопользование не требует специального разрешения. Оно осуществляется гражданами на основе принадлежащих им естественных (гуманитарных) прав, которые сложились в результате рождения и жизни (пользования, воздухом и т.д.).

Специальное природопользование осуществляется физическими и юридическими лицами на основании разрешения уполномоченных государственных органов. Такое природопользование носит целевой характер и по видам используемых объектов подразделяется на землепользование, пользование недрами, лесопользование, водопользование, пользование животным миром и рыбными запасами, использование атмосферного воздуха. Специальное природопользование связано с проблемами природных ресурсов. В этой части оно соотносится через правовое регулирование с отраслевыми природоресурсными законодательствами РФ: Земельным кодексом, Основами лесного законодательства, Законом о недрах, Водным кодексом, Законом об использовании и охране животного мира, Законом об охране атмосферного воздуха.

6.2. Лицензия на право потребителя
природных ресурсов

Лицензирование природопользования – это система оплачиваемых государственных разрешений на эксплуатацию природных ресурсов.

Лицензирование природопользования – это регулирование административно-правовым путём экологических отношений методами запрета, разрешения и уполномочивания.

Предоставление лицензий природопользования регулируется постановлением Правительства РФ от 27 мая 1993 г.

По своей сущности лицензия на природопользование имеет три важных признака:

а) во-первых, она является актом собственника природного ресурса либо его владельца (фондодержателя);

б) во-вторых, является формой проявления контроля государства за рациональным использованием природного ресурса;

в) в-третьих, является средством регулирования рационального природопользования.

Лицензия выдаётся на каждый вид деятельности сроком действия на один год. Количество лицензий по отдельным видам в силу экологических требований, местоположения и других факторов может ограничиваться. Лицензии могут быть выданы по заявкам соискателей, в том числе и на конкурсной основе. Несоблюдение установленного порядка пользования лицензией, передача её другим лицам, нарушение санитарных, экологических и торговых правил влекут за собой лишение лицензии по постановлению органа, который её выдал. Отказ в выдаче лицензии, лишение права на лицензию (в случае возникновения спорного вопроса) могут быть обжалованы в суде общей юрисдикции или арбитражном суде. Контроль за соблюдением лицензионных условий ведёт территориально-отраслевой орган администрации субъекта РФ или города федерального значения.

Существуют следующие виды лицензий природопользования.

Природоресурсовая лицензия – это разрешение на ведение определённого вида деятельности, которое связано с использованием какого-либо природного ресурса. В этой лицензии сконцентрированы две функции:

- контроль за законностью и рациональностью деятельности по использованию и соблюдению экологических и санитарных норм;

- нормированного потребления соответствующего природного ресурса. Следовательно, в области природопользования одновременно решаются две взаимосвязанные задачи – охрана и регулирование.

Лицензия выдаётся уполномоченными на то государственными органами экологического управления. Такими органами являются Министерство природных ресурсов (МПР) России, его территориально-отраслевые департаменты в республиках, краях, областях, городах и районах. Компетенция этих органов на лицензирование определяется видом использования природного ресурса.

Лицензирование на использование земель выдаётся администрацией района, города в виде отводного земельного акта на основе решения о предоставлении земель определённому субъекту или продаже земельного участка на основе купли-продажи по результатам конкурса или аукциона и т.д.

Земельный акт об отводе выдаётся для использования земель строго по целевому назначению – ведения крестьянского хозяйства, сельскохозяйственного производства, садоводства, городского хозяйства, разведки полезных ископаемых и другие.

Лицензия на использование недр выдаётся (в соответствии с ФЗ РФ о недрах и Положением Верховного совета РСФСР о порядке лицензирования на пользование недрами) администрацией республики, области, края совместно с территориально-отраслевым органом Комитета по геологии и по использованию недр (Роскомнедра) на геологическую разведку недр, добычу полезных ископаемых, строительство и эксплуатацию подземных вод, для создания особо охраняемых территорий гражданам РФ, в том числе иностранным гражданам.

Лицензия на использование вод. Водный кодекс РСФСР различает общее и специальное, а также обособленное водопользование. На специальное и обособленное водопользование по поверхностным водам лицензии выдаются администрацией и органами Роскомвод РФ. Они удостоверяют право водопользования водными объектами в определённых границах и в соответствии с указанной целью на установленный срок при соблюдении требований и условий, предусмотренных в лицензии.

Водное законодательство РФ устанавливает некоторые атрибуты лицензии, а именно: цели пользования, пространство, лимиты, сроки, условия платежей, требования рационального использования и охраны вод. Организация системы лицензирования возлагается: по подземным водам - на Роскомнедра, а по поверхностным водам – на Роскомвод. Выдача лицензий осуществляется исполнительным органом власти соответствующей территории совместно со специально уполномоченным органом по водным ресурсам (Роскомвод или Роскомнедра).

По водным объектам федерального значения лицензия выдаётся органами Федерации, по объектам республиканского, краевого, областного значения – соответствующими исполнительными органами.

Выданные лицензии могут быть пересмотрены или аннулированы органами управления, если произойдёт изменение экологической обстановки, угрозы нанесения вреда окружающей природной среде и здоровью населения.            Право пользования лицензией может быть досрочно прекращено или ограничено по субъективным или объективным причинам.

Субъективные причины – это нарушение условий лицензии, невыполнение мер по охране водного объекта и т.д.

Объективными причинами могут быть: изменения условий водопользования, угроза населению в связи со стихийным бедствием и другие. Законодательство предусматривает применение мер административной ответственности за самовольное пользование водными ресурсами.

Лицензия на использование лесов. Основы лесного законодательства РФ предусматривают два вида лесопользования: основное и побочное.

Основное лесопользование – это заготовка древесины и живицы (смолы хвойных деревьев). Побочное лесопользование – сбор ягод, грибов, орехов, заготовка сена, охота и т.д.

Основное лесопользование осуществляется в плановом порядке. Для этого органы лесного хозяйства и Правительство РФ разрабатывают следующие мероприятия:

1) определяют потребности в древесине как внутри страны, так и на экспорт (для продажи в другие государства);

2) устанавливают расчётную лесосеку по отдельным регионам и лесхозам, определяют лимит вырубки леса на год на соответствующем участке леса с учётом ежегодного прироста древесины;

3) определяют общий объём древостоя, подлежащего вырубке в различных регионах;

4) на основе данных лесосечного фонда и утверждённых нарядов лесхоз выписывает лесорубочные билеты.

Лесорубочный билет – это разновидность лицензии, принимаемой в лесном хозяйстве. В нём указывают: объём древесины, подлежащей вырубке; способ рубки; породы деревьев, подлежащих вырубке; место; сроки начала и завершения работ.

Лесной билет – есть разновидность лицензии в лесном хозяйстве, который выдаётся на заготовку смолы, сырья, сенокошение, пастьбы скота, промысловой заготовки грибов, ягод и плодов.

Контроль по выполнению условий лесопользования возлагается на лесхоз соответствующего района или города.

При лицензировании лесопользования закон требует соблюдения основных правил ведения лесного хозяйства и норм охраны лесов.

К их числу относят принцип неистощимости использования лесов: рациональное использование земель государственного лесного фонда, постоянное повышение климаторегулирующих, водоохранных функций леса, охраны и воспроизводства лесных ресурсов.

Одной из гарантий реализации этих требований является соблюдение деления лесов на группы по их хозяйственному и экологическому значению. Важной гарантией, позволяющей соблюдать принцип неистощимости лесов, служит расчётная лесосека. Большое значение имеет требование лесного законодательства о необходимости соблюдения расчётной лесосеки на уровне одного лесхоза, то есть о недопустимости замены и компенсации недоруба леса в одном регионе за счёт переруба в другом.

Лицензия на использование животного мира

Закон РСФСР об охране и использовании животного мира определяет следующие виды лицензионной деятельности: рыболовство, охоту на птиц и животных, использование продуктов жизнедеятельности и полезных свойств животных, пользование животным миром в научных, культурно-просветительных, воспитательных и эстетических целях. Всё это охватывается лицензированием. Лицензии на их пользование выдают органы охраны и использования животного мира. В частности, по диким животным – органы охотнадзора, по лову рыбы – органы рыбнадзора.

Лицензии выдаются и в случае продажи диких животных или продуктов их жизнедеятельности за пределы государства. На вывоз диких животных и продуктов их жизнедеятельности лицензию выдаёт МПР России, на вывоз лекарственного сырья – Минздрав России.

Лицензирование на пользование атмосферным воздухом

Атмосферный воздух как экологический ресурс используется при складировании газообразных отходов или выбросов вредных веществ и их примесей. Суть лицензирования в этой системе сводится к следующему:

а) инвентаризация выбросов вредных веществ по отдельным производственным объектам;

б) определение на основе действующих предельно допустимых концентраций (ПДК) и предельно допустимых норм выбросов (ПДВ) вредных веществ по конкретному объекту;

г) установление суточного, квартального и годового лимита выбросов вредных веществ в атмосферу для того или иного объекта;

д) выдача разрешения на выброс, где указываются лимит и норма выбросов вредных веществ и срок их действия.

Лимиты и нормативы выбросов для объекта устанавливаются органами МПР РФ. Их невыполнение или нарушение влечёт за собой уголовную или административную ответственность.

6.3. Лимитирование природопользования

Лимиты на природопользование – это система экологических ограничений по территориям. Такие ограничения представляют собой объёмы предельного изъятия природных ресурсов, которые установлены предприятиям – природопользователям на определённый срок, а также выбросов или сбросов в окружающую природную среду загрязняющих веществ и размещения отходов производства. Данные лимиты устанавливаются для предприятий-природопользователей государственными органами охраны окружающей природной среды с учётом необходимости поэтапного достижения нормативных объёмов по использованию природных ресурсов.

Лимиты, как и лицензии, являются эффективным средством охраны окружающей среды. Лимитирование вызвано, как и лицензирование, ограниченностью запасов природных ресурсов и необходимостью их более рационального использования и воспроизводства.

Лимитирование природопользования осуществляется в соответствии с теми направлениями, по которым осуществляется само природопользование, а именно:

- изъятие природного вещества из природной среды;

- привнесение антропогенного вещества в природную среду.

Следовательно, лимиты устанавливаются на предельно допустимые нормы изъятия, выемки, использование природного вещества, либо на предельно допустимые выбросы, сбросы вредных веществ и размещение отходов в природной среде.

Лимиты на изъятие природного вещества при использовании природной среды устанавливаются и реализуются общей концепцией рационального использования и воспроизводства природных ресурсов. Они распределяются по соответствующим природным объектам: действуют нормы отвода земель для автомобильных и железных дорог, для аэропортов, магистральных трубопроводов, мелиоративных систем, газовых и нефтяных скважин, предприятий рыбного хозяйства, линий связи, электросетей и т.д. Нормы по отводу земель утверждает Госстрой РФ.

В настоящее время установлены нормы передачи земель в собственность граждан на льготных условиях для ведения сельского хозяйства, садоводства, подсобного хозяйства, жилищного строительства; по водным объектам применяются утверждённые органами водного хозяйства лимиты потребления вод для орошаемого земледелия, животноводческих комплексов, промышленного потребления, эксплуатации системы ЖКХ (водоснабжение и канализации); в области охраны, использования и воспроизводства лесов главным лимитирующим показателем является расчётная лесосека, определяющая равенство между количеством ежегодного прироста леса и вырубаемой в порядке заготовок древесины. Есть и другие показатели, устанавливаемые органами лесного хозяйства: количество граждан на пребывание в лесу; число той или иной популяции животных, от которых зависит состояние леса (лосей, поедающих молодую поросль, кабанов, разрушающих корни деревьев в поисках пищи и т.д.); в области охраны и использования животного мира разрабатываются лимиты по отстрелу, отлову животных, птиц и рыбы. Лимиты утверждаются на сезон и на отдельные периоды охоты, рыболовства, в целом по водоёму или охотничьим угодьям, отдельным лицам или охотничьим и рыболовным хозяйствам.

Цель установления этих и подобных им лимитов двойная – природоохранная и экономическая: сбор платы за нормативное и сверхнормативное потребление ресурсов. Средства, полученные от пошлины за потребление ресурсов, идут на их воспроизводство и рациональное использование.

Предельно допустимые сбросы, выбросы, размещение отходов (вредных веществ) также представляют собой вид природопользования. В этом случае лимитирование решает природоохранные задачи путём экономического стимулирования источника загрязнения к сокращению отходов (используют экологические фонды, которые аккумулируют средства, поступающие за выбросы, сбросы и захоронение вредных веществ).

6.4. Договорно-арендные отношения
в области природопользования

Аренда природных ресурсов осуществляется в форме срочного возмездного пользования ресурсами в условиях, необходимых арендатору для самостоятельного осуществления хозяйственной и иной деятельности.

Передача природных ресурсов в возмездное или безвозмездное пользование относится к распорядительной деятельности органов управления, равно как и установление в соответствии с их компетенцией народнохозяйственного и природоохранного статуса ресурсов, квалификация их ценности. Изготовленная в процессе природопользования продукция является собственностью производителя. Ограничения по её использованию связаны только с выполнением договорных обязательств и регулируются на республиканском, краевом или областном уровнях вводимым механизмом платного природопользования и налогообложения.

Аренда природных ресурсов осуществляется на платной основе. Плата за право пользования природными ресурсами, платежи возмещения затрат на охрану и воспроизводство природных ресурсов могут взиматься в составе арендной платы, если не предусмотрены иные формы.

Наибольшее развитие получил тип отношений договор-аренда. Предметом договорно-арендных отношений в природопользовании является характер использования земельных, водных, лесных, рекреационных и других ресурсов. По договору на аренду природных ресурсов одна сторона – арендодатель – обязуется передать другой стороне – арендатору – для целевого хозяйственного использования конкретно определенные виды природных ресурсов (земельные, лесные, лечебно-оздоровительные, водные, рыбохозяйственные, охотничьи) на установленный договором срок.

Арендатор обязуется вносить обусловленную договором арендную плату и соблюдать правила рационального использования и охрану природных ресурсов. Сторонами в договоре аренды природных ресурсов выступают: в качестве арендодателя – владелец либо собственник природных ресурсов. Арендатором в договоре аренды природных ресурсов может быть любое правоспособное физическое или юридическое лицо, в том числе и иностранные граждане.

Содержание арендных отношений по договору аренды природных ресурсов являются права и обязанности сторон (прежде всего арендатора) по экономическому или экологическому использованию отданных ему природных ресурсов.

Несмотря на многообразие природных ресурсов как объектов договора аренды и различия в целях их использования, все права и обязанности арендатора сводятся к следующим основным положениям:

─ целевое использование ресурса;

─ выполнение обозначенных договором мероприятий по охране и воспроизводству ресурса и его неистощения и неразрушения;

─ соблюдение экологических требований;

─ уважение прав и интересов других соседствующих природопользователей;

─ возмещение причинённых убытков;

─ своевременная плата за пользование природным ресурсом.

            Для получения в аренду природного ресурса обязательными являются следующие условия:

■ подача заявки заинтересованной организацией или гражданином с указанием цели аренды природных ресурсов;

■ изучение возможностей использования природных ресурсов для обозначенных целей (здесь не исключена экологическая экспертиза);

■ изучение возможностей заявителя реализовать данную цель на условиях договора;

■ проведение конкурса или аукциона;

■ оформление заявки по результатам конкурса или аукциона и заключение договора-аренды.

Срок аренды оговаривается также в договоре – срок зависит от использованного природного ресурса: аренда земли обычно носит долгосрочный характер, на охотничьи угодья аренда заключается сроком от 2 до 5 лет.

При невыполнении сторонами своих договорных обязательств стороны вправе расторгнуть досрочно договор аренды. Виновная сторона оплачивает убытки пострадавшей стороне добровольно или взыскивается через арбитражный суд или суд общей юрисдикции.

Договор аренды комплексного природопользования

Существование подобного договора предусмотрено ст. 18 Закона ФЗ «Об охране окружающей среды». Комплексное природопользование является одним из принципов охраны окружающей среды (ст. 3), а заключение такого договора продиктовано необходимостью реализации принципиальных основ природопользования.

Под комплексным природопользованием понимается использование одного или нескольких природных ресурсов одновременно с учётом охраны окружающей природной среды и соблюдением требований рационального использования и воспроизводства природных ресурсов.

Договорные обязательства при оформлении комплексного природопользования обусловлены тем, что практически всегда использование одних природных ресурсов неизбежно затрагивает интересы охраны и рационального использования других. Так, например, лицензия на разработку недр в целях добычи полезных ископаемых не регулирует выбросов и охраны земель, вод, лесов. А эти вопросы должны быть решены при развёртывании добычи полезных ископаемых, иначе хозяйственная деятельность такого рода неизбежно приведёт к разрушению природной среды, поэтому заключение и исполнение договора по комплексному природопользованию позволит устранить данный пробел. Заключению договора-аренды должно предшествовать разрешение всех вопросов, связанных с пользованием конкретными ресурсами и конечными последствиями такой эксплуатации и только при разрешении этих вопросов завершающим этапом может служить выдача лицензии на использование природного ресурса.

Договор возлагает на природопользователя обязанности по рациональному использованию природных ресурсов и соблюдению требований охраны окружающей природной среды, в том числе норм экологической безопасности. За невыполнение условий договора или нарушение их природопользователь несёт ответственность и обязан полностью возместить нанесённый природной среде причинённый ущерб.

6.5. Основные положения рационального
природопользования

Согласно теории Н.Ф. Реймерса (1990 г.), рациональное природопользование – это система деятельности, призванная обеспечить экономную эксплуатацию природных ресурсов и условий, и наиболее эффективный режим их воспроизводства с учётом перспективных интересов развивающего хозяйства и сохранения здоровья людей.

Отсюда следует, что рациональное природопользование – это высокоэффективное хозяйствование, которое не приводит к резким изменениям природно-ресурсного потенциала и к глубоким изменениям в окружающей природной среде или сводит до минимума нарушения естественных круговоротов веществ (рис.6.1).



Рис.6.1.   Круговорот вещества в биоэкономической системе
Несмотря на тесную связь экологии с природопользованием, эти термины ни в коем случае нельзя смешивать. Природопользование (имеется в виду только рациональное), основываясь на экологических законах и принципах, является в большей степени одной из сфер экономики, постоянно требующих новых подходов для решения назревших проблем.

Основные принципы рационального природопользования показаны на рис.6.2. Это изучение, охрана, освоение и преобразование (Ю.К.Ефремов и др.,1981).

Рациональное природопользование

Рис.6.2. Основные принципы рационального природопользования
Следует обратить внимание на то, что в современных условиях экономия сырья и топлива по всё большему числу позиций становится предпочтительнее, чем дальнейшее экстенсивное наращивание объёмов их производства. Примером здесь может служить Япония, где после нефтяного кризиса в 1973 г. главной задачей правительства стала экономия энергетических ресурсов. Благодаря этому потребности энергии возросли к 1984 г. всего лишь на 7 – 8 % по сравнению с 1973 г., в то время как валовой национальный продукт увеличился более чем в 2 раза.

Современное общество в целом пока опирается на экстенсивный тип природопользования, при котором рост производства осуществляется за счёт возрастающих нагрузок на окружающую среду и которые растут заметно быстрее по сравнению с увеличением масштабов производства. Общая нагрузка на природные системы, вызванная хозяйственной деятельностью, стала превышать их потенциал самовосстановления (самоочищения), что во многих случаях затронуло природные системы общепланетарного уровня и все важнейшие экологические системы планеты: Мировой океан, атмосферу, почвы, речные системы, леса, животный мир. Всё это вместе определяет необходимость перехода к экологически сбалансированному природопользованию, когда общество контролирует все стороны своего развития для того, чтобы совокупная антропогенная нагрузка на природную среду не превышала самовосстановительного потенциала природных систем.

Совершенствование ресурсных циклов базируется на ряде общих принципов, на основе которых строится природопользование в любой отрасли производства. К таким принципам следует относить:

Принцип системного подхода, который предусматривает комплексную всестороннюю оценку воздействия производства на окружающую природную среду и её ответных реакций. С позиции системного подхода ни один природный ресурс не может использоваться или сохраняться независимо друг от друга. Например, повышение продуктивности пашни за счёт проведения мелиоративного орошения (путём строительства оросительных систем) может привести к уменьшению пресных водных ресурсов или повышению уровня грунтовых вод, а это, в свою очередь, приводит к заболачиванию, что необходимо заранее предвидеть и предупредить. Сбросы сточных вод в реку должны оцениваться не только по влиянию их на рыбную популяцию и другую ихтиофауну, но и на биохимию данного водного объекта или на всю систему водообеспечения всего бассейна, где протекает данная река, включая водоём или водоток, куда она впадает.

Принцип оптимизации природопользования заключается в принятии наиболее целесообразных решений в использовании природных ресурсов и природных систем на основе одновременного экологического и экономического подхода, прогноза развития различных отраслей и географических регионов. В соответствии с этим принципом наиболее целесообразным будет перемещение некоторых лесоперерабатывающих предприятий в Восточные районы страны, ближе к древесным запасам, что поможет снизить нагрузку на истощённые запасы древесины в Европейской части. Например, карьерные способы разработки полезных ископаемых имеют ряд преимуществ перед шахтной добычей по степени максимального использования сырья, но приводят к утрате плодородных почв. Оптимальным при этом считается сочетание открытых разработок с полной рекультивацией земель, пригодных для дальнейшего хозяйственного использования.

Принцип опережения темпов заготовки и добычи сырья с темпами выхода полезной продукции основан на снижении количества образующихся отходов в процессе производства, то есть на более полном использовании одного того же объёма сырья. Данный принцип предполагает прирост продукции не за счёт вовлечения в пользование новых масс природных ресурсов, а за счёт более полного их использования путём ресурсосбережения и совершенствования технологий и технологических процессов.

Принцип гармонизации отношений природы и производства решается на создании и эксплуатации природно-технических, геотехнических или эколого-экономических систем, представляющих собой совокупность какого-либо производства и взаимодействующих с ним элементов природной среды, которые обеспечивают, с одной стороны, высокие производственные показатели, а с другой – поддерживают в зоне своего влияния благоприятную экологическую обстановку, а также максимально возможное сохранение и воспроизводство естественных ресурсов.

В таких системах предусматривается прогнозирование нежелательных и опасных ситуаций, а также реализация мер по их предотвращению. Система имеет службу управления, задачей которой является своевременное выявление возможных вредных воздействий и внесение необходимых коррективов в тот или иной компонент системы (в производство или в окружающую среду). Если замечено ухудшение состояния окружающей производство естественной природной среды, то служба управления принимает решение в необходимости приостановить или остановить производственный процесс, снизив при этом объёмы выбросов и сбросов.

Своевременное и точное обнаружение опасных ситуаций достигается непрерывным сбором информации о состоянии природной среды. Наблюдение за её изменениями, вызванными антропогенными воздействиями, позволяет прогнозировать их развитие. Такие системы носят название мониторинга (впередсмотрящий - от греч. monitor
). Самые простые функции этих систем заключаются в контроле загрязнения воздуха, почвенного покрова, воды, в наблюдениях за состоянием живых организмов, а непосредственно на предприятии – в контроле стоков и пылегазовых выбросов. Получаемая информация анализируется соответствующими службами предприятия и при необходимости принимаются технические или организационные решения.

Принцип комплексного использования природных ресурсов и концентрации производства заключается в том, что на базе имеющихся в данном экономическом районе сырьевых и энергетических ресурсов создаются территориально-производственные комплексы, которые позволяют более полно использовать указанные ресурсы и тем самым снизить вредную нагрузку на окружающую среду.

Такие комплексы имеют специализации, которые сконцентрированы на определённой территории, обладают единой производственной и социальной инфраструктурой (потоками сырья, энергии, коммуникациями, системой здравоохранения и культурной сферой), и общими усилиями они обеспечивают охрану окружающей природной среды.

Территориально-производственные комплексы создают предпосылки для развития энерго- и ресурсосберегающих производств в целях максимально возможной утилизации отходов и использования вторичных продуктов производства. Эти конгломераты также оказывают вредное воздействие на природную среду, но за счёт комплексного использования ресурсов на основе концентрации производства, оптимизации природопользования и гармонизации взаимодействия техники с окружающей средой данное негативное воздействие существенно снижается. В этом случае увеличиваются вложения в компенсационные мероприятия для обеспечения качества окружающей среды и снижения ущерба, наносимого природной среде.

Бурное развитие научно-технического прогресса сопровождается интенсивным использованием невозобновляемых ресурсов, к которым относятся большинство полезных ископаемых недр:

- топливно-энергетические (нефть, газ, уголь, торф, сланцы, урановые руды);

- рудные ресурсы (железная и марганцевая руда, бокситы, хромиты, медные, свинцово-цинковые, никелевые, вольфрамовые, молибденовые, оловянные руды, руды благородных металлов);

- природные строительные материалы – известняк, доломит, глины, песок, мрамор, гранит, яшма, агат, алмазы;

- горно-химическое сырьё – апатиты, фосфориты, поваренная и калийная соль, барит, бром-и йодосодержащие растворы;

- гидроминеральные ресурсы – подземные пресные и минерализованные воды;

- минеральные ресурсы, расположенные в недрах под морями и океанами.

Вопросы для самоконтроля

1.                   Какие существуют формы и основы рационального природопользования?

2.                   Что такое природопользование?

3.                   Что представляет собой лицензия и что она даёт приобретателю лицензии?

4.                   В чём суть лимитированного природопользования?

5.                   На чём основываются договорно-арендные отношения?

6.                   Что представляют собой основные положения рационального природопользования?

ГЛАВА 7. ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ, ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКА

Вчера прогрессивность технологии определялась двумя факторами ─ техническими и экономическими, сегодня мы обязаны выдвинуть на первый план самый важный фактор ─ экономический.

Акад.Б.Н.Ласкарин

7.1. Классификация и основные направления природоохранныхи природозащитных
мероприятий

Защита окружающей природной среды – это комплексная проблема, которая может быть решена только совместными усилиями специалистов разных отраслей науки и техники. Наиболее эффективной формой защиты окружающей природной среды от вредного и опасного воздействия промышленных предприятий является переход к малоотходным и безотходным технологиям, экологически чистым процессам, в условиях сельскохозяйственного производства к экологическим методам защиты растений от болезней, вредителей и сорняков.

Экологизация промышленного производства должна развиваться по следующим направлениям: совершенствование технологических процессов и разработка нового оборудования с меньшим количеством выбросов вредных веществ, примесей и отходов в окружающую среду; широкое внедрение экологической экспертизы всех видов производств и промышленной продукции: замена токсичных и неутилизируемых отходов на нетоксичные и утилизируемые; широкое использование дополнительных методов и средств защиты окружающей среды.

В качестве дополнительных средств защиты природной среды применяется различное очистное оборудование, к которому относятся аппараты и системы очистки газовых выбросов, сточных вод, глушителей шума при сбросе газов в окружающую среду и другие.

Вышеназванные мероприятия позволят значительно уменьшить выброс вредных веществ в окружающую природную среду и тем самым более полно и рационально использовать природные ресурсы.

Инженерно-экологические мероприятия предполагают создание такой природно-промышленной системы, которая позволила бы обеспечить эффективное использование и охрану природных ресурсов в процессе работы того или иного производства.

В инженерно-экологические мероприятия входят три группы: инженерные, экологические и организационные.

Инженерные мероприятия направлены на совершенствование существующих и разработку новых технологических процессов, машин, механизмов и материалов, используемых в производстве в целях исключения или смягчения негативных воздействий предприятий на природную среду. Мероприятия, которые входят в инженерную группу, делятся на организационно-технические и технологические (рис.7.1).

Организационно-технические мероприятия включают ряд конкретных действий, направленных на соблюдение технологического регламента производства, процессов очистки отходящих газов и сбросных сточных вод, контроль за исправностью оборудования и своевременного проведения их капитальных ремонтов. Наиболее рациональны и устойчивы укрупнённые производства, так как они работают непрерывно и более стабильно, и позволяют выдерживать заданные режимы процессов, дозированный расход материалов, исключают «залповые» выбросы вредных веществ. Эти производства более оперативно и легко управляемы, чем разрозненные и рассредоточенные на больших территориях. На таких производствах имеется больше возможностей для совершенствования технологий в направлении снижения выбросов и применении более совершенных очистных сооружений и оборудования.

Технологические мероприятия
позволяют изменить показатели и характеристики источников воздействия, определяющие их интенсивность. Для реализации инженерных мероприятий необходимо предусматривать дополнительные затраты на модернизацию производства, на улавливание, очистку и предотвращение выбросов вредных веществ в окружающую среду или доведения их до такого количества, чтобы обеспечивалось самовосстановление компонентов биогеоценозов и не наносился ущерб природной среде.

Рис.7.1. Классификация инженерных мероприятий, направленных на охрану окружающей среды (по Э.А. Арустамову и др. 2001)
Экологические мероприятия обеспечивают самоочищение (при загрязнении) природной среды или самовосстановление (при её нарушениях). Экологические мероприятия делятся на две подгруппы: абиотическую и биотическую.

Подгруппа абиотических мероприятий основана на использовании естественных физических и химических процессов, протекающих во всех составляющих биосферы, которые способствуют снизить опасность вредного антропогенного воздействия или исключить его последствия.

Подгруппа биотических мероприятий основана на использовании живых организмов, обеспечивающих функционирование экологических систем в зоне влияния производства. К ним относятся биологическая рекультивация земель и биологическая очистка сточных вод, ликвидация загрязнения почв с помощью специальных растений или микроорганизмов, способных извлекать и перерабатывать загрязняющие вещества. Биотическим мероприятием считается также самозарастание сильно нарушенных земель.

Группа организационных мероприятий связана с управлением, структурой и функционированием создаваемых или действующих природно-промышленных систем и подразделяется на плановые и оперативные.

Плановые мероприятия рассчитаны на длительную перспективу с учётом развития производства и непроизводительной инфраструктуры крупных природно-промышленных систем.

Их основу составляют мероприятия, обеспечивающие рациональное взаимное расположение структурных единиц природно-промышленного комплекса. К ним относятся: выбор местоположения новых производств с учётом розы ветров и взаимного расположения других источников загрязнений; передислокация предприятий из городов и посёлков с высокой интенсивностью вредного воздействия, выбор месторасположения отвалов и свалок; перемещение рекреационных территорий, выведение объектов культурного назначения из зон влияния предприятия в чистые зоны; изменение путей и режимов движения транспорта; устройство санитарно-защитных зон. К плановым мероприятиям относят мероприятия, которые связаны с межотраслевыми проблемами использования отходов.

К оперативным относят мероприятия, применяемые в экстремальных ситуациях, возникающих на производстве или в природной среде. Экстремальные ситуации на производстве обычно сопровождаются авариями, взрывами, пожарами, разрывами трубопроводов, приводящим к «залповым» выбросам и сбросам загрязняющих веществ в окружающую среду. Неблагоприятные ситуации в природной среде возникают при воздействии на неё различных антропогенных процессов (промышленное и сельскохозяйственное производство, охота, рыболовство и т.д.) и снижают способность природных компонентов биогеоценозов противостоять этим воздействиям. Для преодоления такого отрицательного влияния требуются оперативные природоохранные мероприятия. При реализации данных мероприятий очень часто возникает большая необходимость для привлечения квалифицированных специалистов различных научных и технических направлений.

7.2. Очистка газопылевых выбросов

Основной физической характеристикой примесей, находящихся в атмосфере, является концентрация – масса (мг, г) – вещества в единице объёма (м³) воздуха при нормальных условиях. Концентрация примесей (мг/м³) определяет физическое, химическое и другие воздействия вещества на окружающую природную среду и человека и служит основным параметром при нормировании содержания примесей в атмосферном воздухе.

Процесс очистки газов от твёрдых и капельных примесей в различных аппаратах характеризуется многими параметрами, в частности общей эффективностью их очистки:

,

где С_ВХи С_ВЫХ- массовые концентрации примесей в газе соответственно до и после пылеуловителя, мг/м³;

- эффективность очистки (КПД), %.

Если очистка ведётся в системе последовательно соединённых аппаратов, то общая эффективность очистки будет выглядеть таким образом:

где эффективность очистки 1,2… n – аппаратов.

В ряде случаев используют понятие фракционной эффективности очистки:

где С_ВХ_I_,C_ВЫХ_i – массовые концентрации i фракции загрязнителя до и после пылеуловителя.

Для оценки эффективности процесса очистки также используют коэффициент проскока (К) частиц через пылеуловитель:

_.

Коэффициент проскока и эффективность очистки связаны соотношением .

При сравнительной оценке задерживающей способности пылеуловителей различных типов кроме общей и фракционной эффективности очистки используют понятие «Медианной d₅₀ тонкости очистки». Она определяется размерами частиц, для которых эффективность осаждения в пылеуловителе составляет 0,50.

Классификация пылеулавливающего оборудования основана на принципиальных особенностях механизма отделения твёрдых частиц от газовой фазы. Пылеулавливающее оборудование очень разнообразно и может быть разделено на 4 типа (рис.7.2). Наиболее простыми и широко распространёнными являются аппараты сухой очистки воздуха и газов от крупной неслипающей пыли. К их числу относят разнообразные по конструкции циклоны, принцип действия которых основан на использовании центробежной силы, воздействующей на частицы пыли во вращающемся потоке воздуха или газа (рис.7.3).

Газы, подвергаемые очистке, вводятся через патрубок по касательной к внутренней поверхности корпуса. За счёт тангенциального подвода происходит закрутка газопылевого потока. Частицы пыли отбрасываются к стенке корпуса и по ней ссыпаются в бункер.

Газ, освободившись от пыли, поворачивает на 180⁰и выходит из циклона через трубу. Циклон такой конструкции предназначен для улавливания сухой пыли для аспирационных систем.

Их рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед фильтрами или электрофильтрами. Для очистки газа от пыли используются цилиндрические (ЦН-11, ЦН-15, ЦН-24, ЦП-22) и конические (СК-ЦН-34, СК-ЦН-34М и СКД-ЦН-33) циклоны.

Рис.7.2. Классификация пылеулавливающего оборудования

Рис.7.3. Схема работы циклона: 1 – корпус; 2- патрубок; 3 – труба; 4 – бункер
Для очистки больших масс газов используются батарейные циклоны, состоящие из большого числа параллельно установленных циклонных элементов, расположенных в одном корпусе и имеющих общий подвод и отвод газов. Эффективность работы батарейных циклонов на 20 – 25 % ниже, чем одиночных, что объясняется перетеканием газов между циклонами и элементами. Для разделения газового потока на очищенный и обогащённый пылью используются жалюзийные пылеотделители (рис.7.4).

Рис.7.4. Жалюзийный пылеуловитель: 1 – решётка

На жалюзийной решётке поток газа, подаваемого на очистку, делится на два потока: очищенный с расходом
Q₁= (0,8-0,9)Q и обогащённый пылью Q₂ = (0,1-0,2)Q. Отделение частиц пыли от основного газового потока на жалюзийной решётке происходит под действием инерционных сил, которые заставляют частицы пыли двигаться вдоль жалюзийной решётки, а также за счёт отражения частиц от поверхности решётки при соударении. Очищенный от пыли поток воздуха проходит через отверстия жалюзийной решётки, а обогащённый пылью газовый поток направляется в циклон, где очищается от пыли, и подводится в очищенный поток газа за жалюзийной решёткой. Жалюзийные пылеуловители отличаются простотой конструкцией, хорошо компонуются в газоходах и обеспечивают эффективность очистки, равную 0,8 (или 80 %) для частиц пыли размером более 20 мкм. Они применяются в основном для очистки дымовых газов от крупнодисперсной пыли при температурах + 450 – 600⁰С.

Ротационные пылеуловители предназначены для очистки воздуха от частиц размером более 5 мкм и относятся к аппаратам центробежного действия, которые одновременно с перемешиванием воздуха очищают его от пыли. Принципиальная конструкция простейшего ротационного пылеотделителя представлена на рис.7.5.

Вентиляционное колесо обеспечивает подачу содержащего пыль воздуха или газа, причём частицы пыли, обладающие большой массой, под действием центробежных сил отбрасываются к стенке спиралеобразного кожуха и движутся вдоль неё в направлении пылеприёмного отверстия, через которое они отводятся в пылевой бункер, а очищенный газ поступает в отводящий патрубок.

Рис.7.5. Пылеотделитель ротационного типа: 1 — вентиляторное колесо;
2 – пиральный кожух; 3 – пылеприёмное отверстие; 4 – отводящий патрубок
Аппараты ротационного типа отличаются компактной конструкцией, где вентилятор и пылеуловитель совмещены в одном корпусе, и обеспечивают достаточно высокую эффективность очистки воздуха или газа, содержащие сравнительно крупные частицы пыли размером более 20 – 40 мкм.

Аппараты мокрой очистки газов или скрубберы имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки мелкодисперсной пыли размером более 0,3 – 1,0 мкм, а также возможностью очистки от пыли горячих и взрывоопасных газов.

Принцип их действия основан на осаждении частиц пыли на поверхности капель или плёнки жидкости, в качестве которой используются либо вода (при очистке от пыли), либо химический раствор (при улавливании одновременно с пылью вредных газообразных компонентов). Такая комплексная очистка газов является важным достоинством аппаратов мокрой очистки – полых форсуночных скрубберов (рис.7.6).

Рис. 7.6. Полый форсуночный скруббер: 1 – корпус; 2 – форсуночные пояса; 3 – патрубок
Наиболее простыми по конструкции являются полые или форсуночные скрубберы, в которых запылённый газовый поток по патрубку направляется на зеркало жидкости, на которой осаждаются крупные частицы пыли. Затем запылённый газ, равномерно распределённый по сечению корпуса, поднимается навстречу потоку капель жидкости, подаваемой в скруббер через форсуночные пояса, образующих несколько завес из распылённой на мелкие капли оросительной жидкости. Аппараты этого типа работают по принципу противотока, где очищенный газ движется навстречу распыляемой жидкости. Эффективность очистки в форсуночных скрубберах невысока и составляет
0,6 – 0,7 (или 60 – 70 %) для очистки частиц размером более
10 мкм. Одновременно с очисткой газ, проходящий через полый форсуночный скруббер, охлаждается и увлажняется до состояния насыщения.

Наряду с полыми скрубберами широко используются насадочные скрубберы (рис.7.7), представляющие собой циклоны, заполненные специальными насадками, в виде колец или шариков, изготовленных из пластмассовых или керамических элементов, или крупный шлак или щебень. Насадка может распределяться в виде отдельных регулярных слоёв или беспорядочно. За счёт насадки скруббер обладает хорошо развитой поверхностью контакта между газом и орошаемой жидкостью. Плёнка, которая образуется на элементах насадки, постоянно разрушается при перетекании с одного элемента на другой.

Насадочные скрубберы используются в основном для предварительного охлаждения газа, улавливая туман или хорошо растворимую пыль, например, сульфат натрия, присутствующий в дымовых газах содорегенерационных котлоагрегатах.

Для мокрой очистки нетоксичных или невзрывоопасных газов от пыли применяют центробежные скрубберы (рис.7.8), в которых частицы пыли отбрасываются на плёнку жидкости центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счёт тангенциального расположения входного патрубка в корпусе. Плёнка жидкости толщиной не менее
0,3 мм создаётся подачей воды через распределительное устройство и непрерывно стекает вниз, улавливая частицы пыли.

Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра корпуса аппарата, скорости газа во входном патрубке и дисперсности пыли.

Наиболее распространёнными аппаратами мокрой очистки газов являются скрубберы Вентури (рис.7.9, 7.10), которые состоят из оросительной форсунки, трубы Вентури и каплеуловителя.

Труба Вентури состоит из ссужающегося участка (конфузора), в который подаётся очищенный газ из расширяющегося участка (диффузора). Жидкость для орошения подаётся при помощи форсунок, распылённой в мелкокапельном виде и движется со скоростью 30 – 40 м/с. В трубе Вентури происходит осаждение этих частиц пыли на каплях жидкости, которое зависит от площади поверхности капель и относительной скорости частиц жидкости и пыли в диффузорной части. Степень очистки в значительной мере зависит от от равномерности распределения капель жидкости по сечению конфузорной части трубы Вентури. В диффузорной части поток газа снижается до 15 – 20 м/с и подаётся в каплеуловитель. Каплеуловитель обычно представляет собой прямоточный циклон. Скрубберы Вентури обеспечивают высокую эффективность очистки аэрозолей до 99 % со средним размером частиц 1 — 2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м³.

Рис. 7.8. Насадочный скруббер: 1 — орошающее устройство; 2 — насадка
.

Рис. 7.9. Скруббер Вентури: 1 — орошающая форсунка; 2 — труба Вентури;3 — каплеуловитель

Рис.7.10. Центробежный скруббер: 1 — распределительное устройство; 2 — плёнка жидкости; 3 — корпус; 4 — бункер; 5 — входной патрубок

К мокрым пылеуловителям относятся и барбатажно-пенные пылеуловители с провальной и переливной решётками (рис.7.11; 7.12; 7.13).

Рис. 7.11. Барботажно-пенный пылеуловитель с переливной решёткой: 1 — корпус; 2 — слой пены; 3— переливная решётка
В таких аппаратах очищаемый воздух подаётся под решётку и проходит через слой жидкости, очищаясь от частиц пыли. При малых скоростях очищаемого воздуха или газа не превышающих 1 м/с последний проходит через слой орошающей жидкости в виде отдельных пузырьков. Такой режим работы аппарата называется барбатажным.

Дальнейший рост скорости очищаемого газа в корпусе аппарата до 2,0-2,5 м/с приводит к возникновению пенного слоя под слоем жидкости, что повышает эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли до 95 – 96 %.

Рис. 7.12. Скруббер Вентури: 1 — орошающая форсунка; 2 — труба Вентури; 3 — каплеуловитель

Рис.7.13. Туманоуловитель УУП; 1 — корпус; 2 — блок электродов; 3 — высоковольтные электроиэоляторы с клеммами; 4 — источник напряжения; 5 — каплеуловитель; 6 — воронка; 7 — сетка;
8 — распределительная решетка

К недостаткам работы мокрых пылеуловителей следует отнести:

- образование большого количества стоков, содержащих шлам, для обработки которых необходимо специальное оборудование;

- наличие в очищенных газах капель жидкости с частицами пыли, которые забивают газоходы, дымоходы и вентиляторы.

Рис.7.14. Каркасный рукавный фильтр с импульсной продувкой:
1 — сопло; 2 — подвод сжатого воздуха; 3 — соленоидный клапан;
4 — струя сжатого воздуха; 5 — рукав; 6 — каркас; 7 — бункер
Аппараты фильтрационной очистки предназначены для тонкой очистки газов за счёт осаждения частиц пыли на поверхности пористых фильтрующих материалов. Осаждение частиц в порах фильтрующих элементов происходит в результате совокупного действия эффекта касания, диффузного, инерционного и гравитационного процессов.

Классификация фильтров основана на типе фильтровальной перегородки, конструкции фильтра и его назначения, тонкости очистки и т.д.

Большинство промышленных фильтрующих установок работает в двух режимах – фильтрации и регенерации. Регенерация повышает степень использования фильтрационных материалов и удешевляет процесс очистки. Регенерация фильтров производится путём их встряхивания, периодической продувкой или промывкой.

В системах промышленной газоочистки широкое распространение получили рукавные фильтры непрерывного действия с импульсной продувкой, с цилиндрическими рукавами из шерстяной или синтетической ткани. Скорость прохождения газа через поры тканей, то есть скорость фильтрации, невысока и составляет от 0,02 до 0,2 м/с.

Очистка (регенерация) фильтрационной ткани, из которой изготовлен рукав, производится периодической импульсной продувкой сжатым воздухом каждого рукава по очереди.

Аппараты электрофильтрационной очистки предназначены для больших объёмов очистки газа от пыли и масленого тумана, в частности, дымовых газов содорегенерационных котлоагрегатов.

Конструкция таких агрегатов отличается большим разнообразием, но принцип действия их одинаков и основан на осаждении частиц пыли в электрическом поле (рис.7.15).

Рис.7.15. Типы электрофильтров: а — вертикального трубчатого однозонного однопольного; б — горизонтального пластинчатого сднозонного однопольного; в — горизонтального двухзонного однопольного;
1 — агрегаты электропитания; 2 — изоляторы; 3 — коронирующие электроды; 4 — осадительные электроды; 5 — отрицательные электроды ионизатора; 6 — положительные электроды ионизатора
Очищаемые газы проходят через систему коронирующих и осадительных электродов. На коронирующие электроды подаётся ток высокого напряжения (до 60 тыс. В), благодаря коронному разряду происходит ионизация частиц пыли, которые приобретают электрический заряд. Заряженные частицы двигаются в электрическом поле в сторону осадительных электродов и оседают на них. Осевшую пыль с сухих электродов удаляют при помощи встряхивания, а с мокрых путём – промывки.

В однозонных электрофильтрах ионизация и осаждение частиц осуществляется в одной зоне. Для такой очистки газа наиболее эффективными являются двухзонные электрофильтры, в которых ионизация частиц происходит в специальном ионизаторе.

Электрофильтры могут состоять из одной или нескольких секций, в каждом из которых создаётся своё электрическое поле. Электрофильтры с последовательным соединением в секции называются многопольными, а с параллельным - многосекционными (или многокамерными).

Достоинством электрофильтров является высокая эффективность очистки при соблюдении оптимальных режимов работы, сравнительно низкие затраты энергии, а недостатками – большая металлоёмкость и крупные габариты.

7.3. Очистка газовых выбросов от газо- и
парообразных загрязнителей

В настоящее время для очистки промышленных газов парообразных загрязнителей используются два типа газо- и пароулавливающих установок.

Первый тип установок обеспечивает санитарную очистку выбросов без последующей утилизации уловленных примесей, количество которых невелико, но они даже в малых концентрациях очень опасны для здоровья человека.

Второй тип установок предназначен для промышленной очистки выбросов для больших количеств вредных примесей с последующей их концентрацией и дальнейшим использованием в качестве исходного сырья в различных технологических процессах. Установки второго типа являются составляющими элементами разрабатываемых перспективных малоотходных и безотходных технологических процессов.

Методы очистки промышленных выбросов от газообразных загрязнителей по характеру протекания физико-химических процессов делят на следующие основные группы: промывка растворителями примесей (адсорбция); промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемсорбция); поглощение примесей с помощью каталического превращения; термический метод (прямое и термическое окисление).

Оборудование для очистки газов данными методами классифицируется следующим образом (рис. 7.16).

Метод абсорбции обеспечивает очистку газовых выбросов путём разделения газовоздушной смеси на составные части за счёт поглощения одной или нескольких вредных примесей, содержащихся в этой смеси, жидким поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора.

Для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый или фтористый водород в качестве жидкого поглотителя применяется вода. Растворимость этих вредных веществ в воде составляет сотни граммов на 1 кг воды. Растворимость в воде сернистого ангидрида или хлора не превышает сотни долей грамма на 1 кг воды, поэтому при обработке газовых примесей, содержащих эти вредные газы, требуются большие объёмы воды. В качестве абсорбентов используются и другие жидкости; раствор сернистой кислоты для улавливания водяных паров; вязкие масла для улавливания ароматических углеводородов из коксового газа

Рис.7.16. Классификация оборудования для очистки от газо-и парообразных загрязнителей

Контакт очищаемых газов с абсорбентом осуществляется путём пропускания газа через насадочную колонну либо распылением поглощающей жидкости, либо барбатажем через её слой.

В зависимости от способа контакта газ - жидкость различают аппараты: насадочные башни; форсуночные и центробежные скрубберы; скрубберы Вентури; барбатажно-пенные; тарелочные и другие.

Очищенный газ обычно отводится в атмосферу, а жидкость, содержащую вредные растворимые вещества (примеси), подвергают регенерации с целях отделения вредных веществ, после чего возвращают в аппарат или отводят в качестве отхода.

Метод хемсорбции заключается в поглощении вредных газовых и паровых примесей, содержащихся в газовых выбросах, твёрдыми или жидкими поглотителями с образованием малолетучих или малорастворимых химических соединений. Применение этого метода наиболее выгодно при небольших концентрациях вредных примесей в отходящих газах.

Методом хемсорбции осуществляется очистка газовоздушной смеси от сероводорода с использованием мышьяково-щёлочного, этаноламинового и других растворов. Сероводород при этом связывается в соответствующей хемсорбенту соли, находящейся в водном растворе, регенерация которого осуществляется кислородом, содержащимся в очищенном воздухе, с образованием серы, она может быть использована как сырьё.

Очистка газов с помощью хемсорбции осуществляется в насадочных башнях, пенных и барбатажных скрубберах, распылительных аппаратах типа труб Вентури и в аппаратах с различными механическими распылителями.

Хемсорбция широко применяется для очистки отходящих газов от окислов, образующихся при сжигании топлива, выделяющихся из ванн для травления и других технологических процессов.

Очистка осуществляется в скрубберах с использованием в качестве хемсорбента известкового раствора. Эффективность очистки от окислов азота составляет до 86 % и от паров кислот – 95 %.

Достоинство методов абсорбции и хемсорбции заключается в непрерывности ведения технологического процесса и экономичности очистки больших количеств газовых выбросов.

Недостаток – громоздкость оборудования и необходимость создания систем жидкого орошения. В процессе очистки газы подвергаются охлаждению, что снижает эффективность их рассеяния. В процессе абсорбционных аппаратов образуется большое количество отходов, состоящих из смеси пыли, поглощающей жидкости и вредные примеси, которые подлежат транспортировке и утилизации, что усложняет и удорожает процесс очистки.

Адсорбционный метод очистки газов основан на поглощении содержащихся в них вредных примесей поверхностью твёрдых пористых тел с ультрамикроскопической структурой, вызываемых адсорбентами. Эффективность процесса адсорбции зависит от пористости адсорбента, скорости и температуры очищаемых газов.

Поглощающая способность адсорбента определяется наличием в его объёме большого количества пор различного диаметра: микропоры, переходные и макропоры. Переходные поры выполняют роль каналов, подводящих поглощаемые примеси к микропорам, их удельная поверхность может составлять от 10 до 400 м²/г. Чем больше пористость адсорбента и выше концентрация примеси, тем интенсивней протекает процесс адсорбции.

В качестве адсорбентов широко применяют активированный уголь, удельная поверхность которого составляет 100 – 1000 м²/г. Применяют для очистки газов от органических паров, поглощения неприятных запахов и газообразных примесей, содержащихся в небольших количествах в промышленных выбросах.

Кроме активированного угля используются активированный глинозём, монооксид алюминия, селикагель и синтетические целиолиты или молекулярные сита, которые наряду с активированным углём обладают высокой адсорбционной способностью и избирательностью поглощения определённых газов, механической прочностью и способностью к регенерации. Последнее свойство очень важно, так как позволяет при снижении давления или повышении температуры удалять из адсорбента поглощённые газы без изменения их химического состава и тем самым повторно использовать адсорбент и адсорбируемый газ.

Аппараты адсорбируемой очистки работают периодически или непрерывно и выполняются в виде вертикальных, горизонтальных или кольцевых ёмкостей, заполненных пористым адсорбентом, через который проходит поток очищаемого газа.

Выбор конструкции определяется расходом очищаемого газа, размером частиц адсорбента, требуемой очистки и другими факторами. Вертикальные адсорберы отличаются небольшой производительностью, у горизонтальных и кольцевых она достигает десятков и сотен тысяч кубических метров в час. Наиболее распространены адсорберы периодического действия, в которых период очистки газов чередуются с периодом регенерации твёрдого адсорбента.

Адсорберы непрерывного действия представляют вертикальную многосекционную колонну с движущимся сверху вниз адсорбентом, который проходит зоны охлаждения, поглощения, ректификации, нагрева и десорбции, и вновь возвращается в исходное положение. Газ поступает в зону поглощения и движется навстречу адсорбенту. На рис.7.17представлена схема адсорбционной установки для удаления SO₂ из горячих топочных газов. В качестве адсорбента в установке служит активированный уголь, которым заполняется адсорбер. Горячие топочные газы, проходя через теплообменник, подогревают воздух, поступающий в топку для обогрева десорбера, и подаются в нижнюю часть адсорбера, в котором при температуре +150 – 200⁰С происходит улавливание оксида серы.

Рис.7.17. Адсорбционная установка для удаления SO₂ из горячих дымовых газов: 1 — адсорбер; 2 — теплообменник; 3 — десорбер;
4 — бункер
Очищенный дымовой газ выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Адсорбент после насыщения переводится в десорбер, а с помощью нагретого в теплообменнике газа температура воздуха поддерживается на уровне 300 – 600⁰С, из адсорбента выделяется сернистый ангидрид, который отводится из десорбера и затем используется на необходимые процессы. Регенированный адсорбент поступает в бункер, а затем подаётся в верхнюю часть адсорбера. Такие установки отличаются конструктивной простотой, но имеют некоторые недостатки: низкие скорости газа и большие энергетические затраты на его прокачку.

В этих установках непрерывного действия с подвижным слоем адсорбента полнее используется адсорбционная способность адсорбента, обеспечивается процесс десорбции, однако имеются значительные его потери за счёт ударов частиц адсорбента друг о друга и истирания о стенки аппарата.

Термическая нейтрализация обеспечивает окисление токсичных примесей в газовых выбросах до менее токсичных при наличии свободного кислорода и высокой температуры газов. Этот метод применяется при   больших объёмах газовых выбросов и концентрациях загрязняющих примесей, превышающих 300 частей на миллион частей газов.

Различают три схемы термической нейтрализации газовых выбросов: прямое сжигание   в пламени, термическое окисление при температурах + 600 – + 800⁰С и каталитическое сжигание +250 – +450⁰С. Выбор схемы нейтрализации определяется химическим составом загрязняющих веществ, их концентрацией, начальной температурой газовых выбросов, объёмным расходом и ПДВ вредных веществ.

Прямое сжигание следует использовать только в тех случаях, когда отходящие газы содержат достаточно тепла, необходимого для осуществления процесса и составляющего более 50 % от общей теплоты сгорания. В процессе прямого сжигания температура пламени достигает +1300⁰С, что при наличии достаточного избытка воздуха и продолжительном времени нахождения газа в зоне высокой температуры образуются оксиды азота. В результате прямого сжигания одних вредных примесей происходит образование других загрязняющих веществ. Прямое сжигание может осуществляться как непосредственно в открытом факеле, так и в замкнутых камерах. Системы прямого сжигания обеспечивают эффективность очистки на 90 – 99 %, если время пребывания вредных примесей, органических отходов, окислов азота, токсичных газов, например, цианистого водорода в высокотемпературной зоне 0,5 сек, а температура газов, содержащих углеводороды, не менее +500 – 650⁰С, оксид углерода – 660 – 750⁰С.

Термическое окисление применяется тогда, когда отходящие газы имеют высокую температуру, но в них нет достаточного количества кислорода либо в том случае, когда концентрация горючих примесей настолько низка, что они не обеспечивают подвод теплоты, необходимой для поддержания пламени.

Если отходящие газы имеют высокую температуру, то процесс дожигания происходит в камере с подмешиванием свежего воздуха. Так, например, осуществляется дожигание оксида углерода и углеводородов, образующихся при работе автомобильного двигателя. Наоборот, если отходящие газы имеют недостаточную для процесса окисления температуру, то они предварительно подогреваются в теплообменнике, а затем поступают в рабочую зону, в которой сжигают природный или высококалорийный газ.

При этом горючие компоненты отходящих газов доводят до температуры, превышающей точки их самовоспламенения, и они сгорают в среде кислорода, присутствующего в отходящих газах. Основное преимущество термического окисления – относительно низкая температура процесса, что позволяет сократить расходы на изготовление камеры сжигания и исключить образование оксида азота.

Каталитический метод предназначен для превращения вредных примесей, содержащихся в отходящих газах промышленных выбросов, в вещества безвредные или менее вредные для окружающей среды с использованием специальных веществ – катализаторов. Катализаторы изменяют скорость и направление химической реакции, например, реакции окисления. В качестве катализаторов используются: платина, палладий и другие благородные металлы или их соединения: окислы меди, марганца и другие. Каталитические методы очистки широко используются для вредных примесей, содержащихся в газовоздушных выбросах цехов окраски, а также для нейтрализации выхлопных газов автомобилей.

Для расчёта циклонов необходимы следующие исходные данные:

-     количество очищаемого газа при рабочих условиях (Р, кг,м³);

- динамическая вязкость газа при рабочей температуре,
Пас ^{– 1};

- дисперсный состав пыли, задаваемый параметрами газа
(С_ВХ, г/см³,плотность частиц (Р_гⁱ кг/м³);

-    требуемый эффект очистки газа.

Теоретическую скорость осаждения частиц рассчитывают по формуле

,

где – W г окружная скорость циклона, м/с^-1;

d_r – диаметр циклона, м.

Диаметр циклона определяется допустимой запылённостью газов. Если диаметр циклона составляет 800 , 600, 500, 400, 300, 200, 100 мм, то допустимая концентрация частиц будет составлять соответственно 2,5; 2,0; 1,5; 1,2; 1,0; 0,8; 0,6 кг/м³.

7.4. Очистка сточных вод

Для очистки сочных вод используются специальные очистные сооружения.

В зависимости от типа процессов, протекающих в очистных сооружениях, различают механическую, физико-химическую и биологическую очистку сточных вод. На очистных сооружениях образуются большие массы осадков, которые в последующем подготавливают для дальнейшего использования: обезвоживают, обезвреживают, обеззараживают и сушат. При необходимости сточные воды, прошедшие полную биологическую очистку, подвергают доочистке. После очистки, перед сбросом в водоём сточные воды должны обеззараживаться в целях уничтожения патогенных микроорганизмов.

Механическая очистка предназначена для задержания нерастворённых в воде примесей. К сооружениям для механической очистки относятся: решётки и сита (для задержания крупных примесей), песколовки (для улавливания минеральных примесей и песка), отстойники (для медленно оседающих и плавающих примесей) и фильтры (для мелких нерастворённых примесей). Специфические загрязнения производственных сточных вод удаляются с помощью жироловок, нефтеловушек, масло- и смолоуловителей и др.

Очистные сооружения располагаются по высоте обычно таким образом, чтобы вода из одного сооружения в другое поступала самотёком. Механическая очистка – это, как правило, предварительная ступень очищения перед биологической очисткой.

В некоторых случаях ограничиваются только механической очисткой: например, если небольшое количество сточных вод сбрасывается в очень мощный водоём, или если вода после механической очистки повторно используется на предприятии в технологическом процессе. При механической очистке удаётся задерживать до 60 – 80 % нерастворённых примесей (рис.7.18).

Физико-химические методы очистки применяются в основном для производственных сточных вод. К этим методам относятся: реагентная очистка (нейтрализация, коагуляция, озонирование, хлорирование и др.), сорбция, экстрация (извлечение), эвапорация (выпаривание), флотация, элекродиализ и другие.


                                                                                      Сточная вода

Дробилка

Решётка

Отбросы

Дробленные отбросы

Песковые площадки

Песколовка

Песчаная

пульпа

Сырой

Хлораторная

осадок

Контактный

резервуар

Дренажная вода

Выпуск
Рис. 7.18. Технологическая схема очистной станции с механической чисткой сточных вод

Наибольшее распространение получили методы реагентной очистки с применением коагулянтов, в качестве которых используют серно-кислый алюминий Al₂ (SO₄)₃, хлорное железо FeCl₃, сернокислое железо Fe (SO₄)₃, известь CaCO₃ и другие. Соли-коагулянты способствуют укрупнению частиц, образуя хлопья, что даёт возможность для дальнейшего осаждения и фильтрования мелких нерастворённых, коллоидных и частично растворённых примесей.

В ряде случаев физико-химическая очистка обеспечивает такое глубокое удаление загрязнителей, что последующая биологическая очистка не всегда требуется (рис.7.19).

Биологическая очистка сточных вод основана на использовании микроорганизмов, которые в процессе своей жизнедеятельности разрушают находящиеся в воде органические соединения – происходит их минерализация. Микроорганизмы используют органическое вещество в качестве источника питательных веществ и энергии. Сооружения биологической очистки условно делят на два типа: сооружения, в которых процессы протекают в условиях, близких к естественным, и на сооружения, в которых очистка протекает в искусственно созданных оптимальных условиях.

                                              Сточная вода

Дробилка

Решётка

Склад реагента

Выпуск
Рис.7.19. Технологическая схема очистных станций с физико-химической очисткой сточных вод (Л.М. Цветковой и др., 1999)

К первым относятся поля фильтрации и биологические пруды, ко вторым – биофильтры и аэротенки.

Поля фильтрации – это земельные участки, искусственно разделённые на секции (участки), по которым равномерно по трубам или открытым каналам распределяется сточная вода, фильтрующаяся проходя через поры грунта (лучше для таких целей использовать песчаные и супесчаные почвы). Профильтрованная вода собирается в дренажных трубах или каналах и стекает в водоёмы.

Уклон поля должен быть не менее 0,002, но не более 0,003 мм/ 100 м длины. По истечении некоторого времени на поверхности почвы образуется биологическая плёнка из аэробных микроорганизмов, способных минерализовать органическое вещество.

Кислород через лёгкие грунты может проникать до глубины 40 – 50 см: глубже этих значений минерализация осуществляется в результате жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Следовательно, очищение воды на полях фильтрации осуществляется в аэробных и анаэробных условиях. Пруды сооружаются как для первичной биологической очистки, так и для доочистки сточных вод после биофильтров и аэротенков. Насыщение воды кислородом происходит вследствие естественной атмосферной аэрации и фотосинтеза, но может применяться и принудительная аэрация с помощью воздушных насосов.

Биофильтры – это сооружения, в которых создаются условия для интенсификации естественных биохимических процессов. Они представляют собой резервуары с фильтрующим материалом и устройством для распределения воды. Сточная вода с помощью распределительных устройств периодически разливается по поверхности фильтрующего материала, где профильтровывается и отводится во вторичный отстойник. На поверхности фильтра постепенно формируется биологическая плёнка, состоящая из различных видов микроорганизмов, которые выполняют ту же самую функцию, что и на полях фильтрации, то есть минерализуют органическое вещество, находящееся в воде. Отмершая биологическая плёнка смывается с поверхности водой и задерживается во вторичном отстойнике.

Аэротенк – резервуар, в который поступает сточная вода после механической очистки, куда подаётся активный, и происходит непрерывная подача воздуха. Образующиеся при этом хлопья активного ила представляют собой биоценоз аэробных микроорганизмов-минерализаторов (бактерий, простейших, червей и т.д.). Постоянная аэрация воды в аэротенке способствует нормальной жизнедеятельности микроорганизмов. Из аэротенка сточная вода в смеси с активным илом поступает во вторичные отстойники, где ил осаждается. Затем основную массу ила возвращают повторно в аэротенк, а очищенная вода подаётся из него в контактные резервуары для хлорирования – обеззараживания (рис.7.20).

Иногда требуется доочистка сточных вод, если по условиям отведения перед сбросом в водоём необходимо дополнительно снизить концентрацию взвешенных в ней веществ: азота, фосфора, БПК и др. Кроме того, доочистка нужна ещё при повторном использовании сточных вод в технологических процессах водоотведения.

Сточная вода

Газгольдер

Дробилка

Решётка

О
тбросы

Песковые площадки

Песок

Газ

Машинное

здание

Преаэратор

Сжатый Избыточный активный ил

воздух

Метантенк

Илоуловитель

Первичный

отстойник

Сырой

осадок

Циркулирующий активный ил

Сброженный осадок

Хлораторная

Хлорная

вода

                               Выпуск
Рис.7.20. Технологическая схема очистной станции биологической очистки сточных вод
Для доочистки от взвешенных веществ применяют следующее оборудование: микрофильтры, фильтры с плавающей загрузкой, установки для пенной флотации и другие.

Для снижения БПК используют коагуляционные, сорбционные и озонаторные установки в сочетании с фильтрами. Доочистку от азота и фосфора применяют для предотвращения эвтрофирования (зарастания) водоёмов и обрастания трубопроводов и аппаратов водорослями. Для удаления фосфора широко практикуют реагентный метод с использованием извести, сульфатов алюминия и железа.

Минеральные соединения азота (нитраты, нитриты и соли аммония) удаляют с помощью физико-химических методов: обдувкой аммиака, ионного обмена, адсорбции, электролиза, озонирования, обратного осмоса, электродиализа, дистилляции и т.д; используют и биологические методы – нитрификацию и денитрификацию (микроорганизмов-нитрификаторов и денитрификаторов).

Обеззараживание является заключительным этапом очистки сточных вод перед сбросом их в водоём. Наибольшее распространение получил способ дезинфекции воды путём хлорирования газообразным хлором Cl₂ или хлорной известью Ca Cl (OC). Применяют также электролизные установки для получения гипохлорита натрия Na ClO из поваренной соли. Возможно обеззараживание и другими бактерицидными веществами.

Обработка осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод, проводится в целях снижения их влажности и объёма, обеззараживания и подготовки к утилизации. В первом сооружении на решётках задерживаются грубые крупные отбросы (тряпки, бумага, остатки продуктов и т.д.), которые вывозятся на свалки или после дробления их направляют в специальные сооружения. Песок из песколовок поступает на песковые площадки для обезвоживания, затем вывозится для дальнейшего использования или применяется повторно по назначению. Для обработки осадков из отстойников используют самостоятельную группу сооружений: иловые площадки, метантенки, аэробные стабилизаторы, установки для обезвоживания и сушки. В практике наиболее широкое распространение получили матантенки.

Метантенки – это герметически закрытые резервуары, где анаэробные (микроорганизмы, способные к интенсивной деятельности без свободного кислорода воздуха, кислород для своей жизнедеятельности освобождают из химических соединений) бактерии в термофильных условиях (+30 – 43⁰С) «срабатывают» сырой осадок из первичных и вторичных отстойников. В процессе брожения выделяются газы: СН₄(метан), Н₂ (водород), углекислый газ (СО₂), аммиак (NH₃) и другие, которые затем могут использоваться для разных целей, в том числе в котельной для производства тепла.

Осадки сточных вод, выгружаемые из метантенков, имеют влажность   97 % и неудобны для утилизации. Для уменьшения их объёма применяют обезвоживание на иловых площадках или вакуум-фильтрах, центрифугах и других аппаратах и сооружениях. В результате обезвоженный осадок уменьшается в объёме в 7 – 15 раз и имеет влажность 50 – 60 %.

Аэробная стабилизация осадков осуществляется в резервуарах, где органическая часть длительное время минерализуется аэробными микроорганизмами при постоянной продувке тёплым воздухом.

Сжигание осадков используется в том случае, если они не подлежат другим видам обработки и утилизации. Мировой опыт показывает, что 25 % образующихся на очистных сооружениях осадков используется в сельском хозяйстве для производства органических удобрений, около 50 % размещаются и хранятся на полигонах и 25 % сжигаются. В связи ужесточением санитарных требований к качественному состоянию осадков, значительно уменьшается возможность их использования в сельском хозяйстве. Специалисты всё больше обращаются к процессу сжигания осадков, который осуществляется в печи при температуре +850⁰С.

При внедрении установок по сжиганию осадков сточных вод решаются следующие эколого-экономические задачи:

- прекращается вывоз необеззараженного осадка на свалочные полигоны, что позволяет сократить площади под полигонами, это, в свою очередь, уменьшает вырубку лесов для новых площадей складирования осадка и занятия сельскохозяйственных угодий;

- в печах в качестве топлива используются сухие органические осадки сточных вод (природный газ необходим только для розжига печей);

- тепловая энергия, образующаяся при сжигании осадков рекуперуется (возвращается) в котлах-утилизаторах и используется для производственных нужд мусоросжигающих заводов или производства тепла, или электроэнергии;

- годовые эксплуатационные расходы на сжигание осадков сточных вод в 1,9 раза меньше, чем на обработку 10 тыс. м³ осадка на полигонах;

- для производства оборудования для мусоросжигающих заводов задействуются многие промышленные предприятия разных отраслей;

- образующаяся после сжигания зола используется при изготовлении строительных материалов (если она подходит по санитарно-гигиеническим нормам) или производства материала для дорожного покрытия и на другие цели.

Серьёзной проблемой является очистка сточных вод на атомных электростанциях, так как они загрязнены радиоактивными веществами. Для их очистки используются специальные очистные сооружения, обеспечивающие приемлемую по санитарным нормам (для данных производств) очистку вод (рис.7.21).

Рис.7.21.Схема переработки жидких радиоактивных отходов

7.5. Утилизация и ликвидация
твёрдых отходов

Обезвреживание и утилизация твёрдых бытовых и промышленных отходов делятся на ликвидационные (решают санитарно-гигиенические задачи) и утилизационные (решают задачи экологии и экономики). Выделяют биологические методы (разрушение органической части микроорганизмами), термические (сжигание на мусороперерабатывающих предприятиях и пиролиз), химические (гидролиз), механические (прессование с применением связующих препаратов на полигонах).

Выбор метода для конкретного предприятия и города зависит от местных условий и осуществляется на основе технико-экономического сравнения с учётом охраны окружающей природной среды. Большая часть твёрдых отходов токсична, поэтому хоронить их необходимо в толще глины, чтобы не было гравитационной фильтрации воды почвой. Особо вредные промышленные отходы принимают на полигон в герметически упакованных металлических контейнерах и их хоронят в глубоких котлованах (желательно с низким уровнем стояния грунтовых вод). При захоронении опасных и особо опасных производственных отходов предприятие обязано представить для захоронения их следующие документы: технологический паспорт для каждой партии отходов и два акта.

В технологическом паспорте указывается их токсичное действие и срок распада, класс опасности. В одном акте подтверждается герметичность упаковки контейнера, а в другом указываются название отходов, их количество и причины списания с учёта. Контейнеры автокраном опускают на дно котлована. Каждый контейнер со всех сторон засыпают 0,5 м слоем глины и трамбуют. Сверху размещают следующий ряд контейнеров, и так это продолжается до полного заполнения котлована. Размеры котлованов по низу составляют 104 м в глине, сверху после заполнения они также засыпаются слоем глины (рис.7.22).
Слой глины 0,5 м

Ряды контейнеров в котловане

4 м

0,5м

                                                               10м

Рис 7.22. Схема захоронения вредных и опасных отходов в земляной выемке
Существуют и другие методы утилизации опасных твёрдых отходов – путём сжигания (термический метод). Таким способом, например, утилизируют хлорсодержащие пестициды, промышленные и бытовые отходы. При их сжигании происходит образование вторичных токсичных и канцерогенных веществ. Самыми опасными веществами, образовавшимися в этом процессе, являются соединения группы диоксинов. Наиболее опасными в токсикологическом плане считаются 2.3.7.8 – ТХДД и 2.3.7.8 – ТХДФ. Их ПДК по стандартам ЕС должна быть на уровне 0,4 нг/Нм³. Поэтому с точки зрения экологии, чтобы снизить их негативное воздействие, при термической утилизации (сжигание на мусоросжигающих заводах) должны решаться три основные задачи:

1.         Полнота удаления токсичных соединений из препаративной формы соединений.

2.         Полнота разрушения токсичных соединений до безвредных или представляющих товарную ценность.

Предупреждение образования вторичных токсикантов типа диоксинов.

Переработка отходов пластмасс в строительный материал – звукоизоляционные изделия при создании пористо-ячеистой структуры изделий при термической обработке 220 – 240⁰С. Полученный таким образом материал обладает следующими динамическими свойствами: предел прочности при сжатии
0,30 МПа, коэффициент звукоизоляции при частоте 2000 Гц – 0,42, средняя плотность – 36 кг/м³. Данный способ переработки отходов пластмасс позволяет получать материал с повышенными звукоизоляционными свойствами, утилизировать отходы пластмасс переменного состава, загрязнёнными нефтепродуктами, цементом, клеями и т.д., способствует охране окружающей среды от загрязнения неразлагаемыми отходами. Переработка отходов пластмасс – это необходимая мера, нацеленная на сокращение постоянно растущего объёма ТБО.

7.6. Малоотходные и безотходные производства

Для кардинального решения проблемы экологии, снижения ресурсоёмкости и энергоёмкости производства необходимо обеспечить кругооборот сырья, утилизовать вторичные ресурсы, полностью использовать всё, что добывается из недр земли и океана, на основе комплексной переработки. Производство необходимо перестроить таким образом, чтобы технологии стали максимально безотходными, экологически чистыми и экономически выгодными. Эти технологии должны заимствовать природные принципы: отходы одних организмов являются важнейшим ресурсом для других.

Академик А.Е. Ферсман ещё в 30-х годах ХХ столетия, имея в виду идею ресурсных циклов, под комплексным использованием сырья подразумевал такую организацию производства, при которой не пропадал бы ни 1 грамм добываемой горной массы, не было бы отходов. Пока же формирующиеся циклы представляют собой главным образом стадии последовательной переработки сырья.

Такие циклы называют простыми, линейными. Например, связи по вертикали: лесозаготовка – вывозка леса – лесопиление – деревообработка. Данные циклы уже обеспечивают существенный эффект по сравнению с одиночно расположенными (точечными) предприятиями, и в то же время этот результат будет несоизмеримо выше при развитии не только вертикальных, но и горизонтальных связей. Данные связи могут развиваться на каждой стадии цикла, где образуются отходы. На базе этих отходов формируются производства (лесохимии, производство древесно-стружечных плит и др.). Такой цикл называется сложным. При кооперировании и комбинировании сокращаются экономические издержки производства, а главное достигается комплексность использования сырья. Динамика их развития может быть представлена следующим образом (рис.7.23).

Одиночное

предприятие

по добыче

одного

ресурса

Рис.7.23. Развитие ресурсного цикла
Таким образом, ресурсные циклы будут постепенно преобразовываться (трансформироваться) на основе тех же принципов, что и естественные циклы – взаимосвязи и замкнутости. Данная организация ресурсных циклов получила название безотходных производств, понимаемых как совокупность технологических процессов, из которых отходы одних используются в качестве сырья для других производств и тем самым обеспечивается их полная утилизация. Реальным же является переход к малоотходным производствам, характеризующимся максимально возможной утилизации выбросов.

Так, например, украинскими учёными разработана технология извлечения графита из копоти металлургических заводов; её применение позволяет полностью отказаться от добычи графитовых руд, исключить складирование отходов производства и самое главное улучшить состояние атмосферы.

Одним из методов снижения выбросов СО₂ является связывание его в химические соединения. Наиболее перспективное направление – это получение метанола. В производстве метанола используются СО, СО₂ и Н₂. Таким образом, снизить выбросы в атмосферу и повысить степень использования сырья можно за счёт создания совместных производств метанола и водорода, метанола и аммиака, которые по степени связывания оксидов углерода в метанол делятся на производства с полным или частичным использованием СО и СО₂. Широкое распространение получили на сегодняшний день совместные производства с частичным использованием монооксида и диоксида углерода. Суммарные реакции получения метанола из оксидов углерода и водорода описываются следующими уравнениями:

СО + 2Н₂= СН₃ОН; СО₂+ 3Н₂ + СН₃ОН + Н₂О.

Благодаря связыванию оксидов СО и СО₂ заметно уменьшается их выброс в атмосферу и дополнительно получается сырьё для производств химических продуктов, в том числе синтетическое топливо для двигателей внутреннего сгорания, которое является менее вредным и более дешёвым.

Нестандартным решением вопроса утилизации ТБО является получение из него водорода с использованием технологии плазменной переработки путём высокотемпературного пиролиза их органической составляющей. Образующийся пиролизный газ содержит до 40 % водорода, 35 % оксида углерода и малое количество примесей других углеводородов. Это даёт возможность получать до 150 кг водорода из 1 т ТБО. Таким образом, решаются две проблемы: получение экологически чистого топлива и утилизация ТБО.

Наиболее рациональным решением проблемы охраны водоёмов от загрязнения сточными водами является создание замкнутых систем водоснабжения и водоотведения промышленных предприятий, то есть использование очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения. При этом свежая вода забирается из источников только для питьевых целей. Городские сточные воды также можно использовать на предприятиях разных отраслей после предварительной очистки. Использование биологически очищенных сточных вод в оборотных системах водоснабжения позволяет частично или полностью отказаться от свежей воды. Доля сточных вод в подпитке оборотных систем водоснабжения может составлять от 50 до
100 %. Замкнутые и оборотные системы водоснабжения – основа бессточных предприятий с локальными очистными установками, повторным использованием сточных вод и рекупераций отходов (рис.7.24).

Конечная цель безотходного и малоотходного производства достигается при прохождении нескольких ступеней переработки отходов всех видов. Система малоотходна, если на n-й стадии производства выделяемые отходы незначительно воздействуют на окружающую среду. Система считается безотходной, когда отходы n-й стадии вновь поступают в производство или становятся безвредными.

Отходы

Производство

Продукция n –й стадии
Отходы

Производство

Продукция II стадии

Производство

Продукция I –й стадии

Малоотходная система Безотходная система

Рис. 7.24. Схема малоотходной и безотходной технологических систем производства

7.7. Биотехнологии и их значение для
защиты окружающей среды

Одним из важных путей экологизации производства является расширение использования биологических технологий – применения живых организмов в биологических процессах для получения полезных продуктов и очищения окружающей природной среды.

Экологизация производства требует, чтобы естественные биологические процессы не подавлялись и не вытеснялись техногенезом, а наоборот, занимали всё большее место в разных областях хозяйства, в том числе и в промышленном производстве. Создание сбалансированных природно-технических систем невозможно без производственных циклов, органично вписывающихся в природную систему. Естественные биологические процессы по сравнению с техногенными процессами не только более экологичны, но и более экономичны. Эволюция природы давно нашла оптимальные варианты в метаболизме живых существ, обеспечив высокую экологичность их функций.

Промышленные биотехнологии вносят существенный вклад в увеличение производства продуктов питания, кормов для животных, в повышение плодородия почв и т.д. Биологизация открывает новые возможности для качественного роста промышленного производства и развития сельского хозяйства.

В настоящее время с помощью микроорганизмов человек научился получать разнообразные органические вещества: этиловый, метиловый, бутиловый, изопропиловый спирты, ацетон и др. Микробы дают нам ценные кормовые и пищевые добавки, белки, аминокислоты, антибиотики, ферментные препараты, витамины, гормоны и множество других важных веществ. Специализированные микроорганизмы осуществляют гидролиз отходов растениеводства и животноводства и могут давать при этом дешёвое топливо – биогаз, в основном состоящий из метана. В то же время существуют так называемые метилтрофные дрожжеподобные организмы, которые образуют ценную биомассу (кормовой белок), используя метан в качестве источника питания и энергии. Другие бактерии – метанокисляющие – эффективно превращают этот газ в метиловый спирт, который служит сырьём для получения разнообразных полезных веществ, в том числе полноценного белка.

Очень важную роль играют микроорганизмы в очистке вод от отходов молочной и целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве красителей и удобрений, в обеззараживании вредных газов. Микробы разлагают и выводят из окружающей среды различные пластмассы, полимеры, моющие средства, помогают избавляться от загрязнения почвы и воды нефтью и продуктами её переработки, разными пестицидами. Некоторые микроорганизмы, в том числе микроскопические водоросли, способны улавливать и накапливать в относительно большом количестве редкие и драгоценные металлы.

Всё большее развитие получают биотехнологии, непосредственно связанные с защитой окружающей природной среды. К ним, например, можно отнести биодеградацию нефтяных загрязнителей в технологических стоках. В последнее время большое внимание привлекают биологические методы очистки природных загрязнённых нефтью вод и производственных стоков, основанные на применении гетеротрофных микроорганизмов, использующих нефть в качестве единственного источника углерода и энергии. Речь идёт о углеводородокисляющих микроорганизмах, которые выступают в роли основных минерализаторов нефти и нефтепродуктов. Биодеградацию нефти и нефтепродуктов в природных сточных водах можно осуществлять в результате:

1)       стимуляции естественной нефтеокисляющей микрофлоры природных вод путём внесения различных питательных элементов, включая источники минерального питания азота, фосфора и др.;

2)       интродукции активных отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) в загрязнённую нефтепродуктами экосистему (создание оптимальных условий для их развития и стимуляции жизнедеятеятельности целенаправленным применением сопутствующих органических и неорганических соединений);

3)       использования иммобилизованных клеток УОМ, обладающих высокой деструктирующей способностью нефти, нефтепродуктов и ксенобиотиков, и создание на их базе высокоэффективных бактериальных препаратов промышленного образца, обладающих широким спектром окисления различных классов углеводородов от н– алканов до асфальтенов и смол включительно.

Экологическая биотехнология – это специфическое применение биотехнологических методов для решения проблем окружающей среды.

К сфере экологической биотехнологии относятся следующие направления:

● биологическая очистка сточных вод;

● биообработка твёрдых отходов (утилизация, переработка ТБО, обезвреживание и ликвидация опасных промышленных отходов, очистка сточных вод);

● биологическая очистка воздуха от ароматических веществ;

● биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде;

● биологическая рекультивация земель, почв, загрязнённых отходами органической химией и нефтью:

● обеспечение возобновляемыми источниками энергии и сырья на основе органических отходов и биомассы (получение биогаза и других видов вторичного топлива, трансформация органических удобрений и др.);

● создание безопасных и эффективных средств биологической борьбы с болезнями и вредителями аграрных культур, альтернативных химическим пестицидам и гербицидам.

Но следует помнить, что каковы бы ни были усилия и старания человека защитить окружающую среду от собственной грязи с помощью технических средств, они ничтожны по сравнению со средорегулирующей и средоочищающей функцией биосферы.

Вопросы для самоконтроля

1.       Как классифицируются основные направления природоохранных и природозащитных мероприятий?

2.       В чём заключается суть очистки газопылевых выбросов и экозащитная техника?

3.       Какими методами производится очистка газовых выбросов от газо- и парообразных загрязнителей?

4.       Какие способы очистки сточных вод Вам известны?

5.       В чём проблема утилизации и ликвидации твёрдых бытовых отходов? Что Вы могли бы предложить?

6.       Что из себя представляют малоотходные и безотходные производства?

7.       Где биотехнологии используется в полной мере в целях улучшения состояния окружающей среды?

ГЛАВА. 8. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

Не спрашивай никогда, по ком звонит колокол: он звонит по тебе.

Джон Дон

8.1. Состояние биосферы и болезни населения

Человек – это очень лишь незначительная часть биосферы. На протяжение всей жизни человек стремился не столько приспособится к природной среде, сколько сделать её удобной для своего существования. Только теперь люди осознали, что, подчиняя себе природу, они опасно изменяют условия обитания всех живых существ, включая самих себя. Химические, физические, биологические и другие загрязнения оказывают вредное воздействие, прежде всего, на организм человека.

Здоровье населения – понятие статистическое, описываемое комплексом таких демографических показателей, как:

1)       рождаемость и смертность, в том числе младенческая (до года);

2)       сроки продолжительности жизни;

3)       возрастно-половой состав;

4)       физическое развитие;

5)       заболеваемость.

Проблема ухудшения здоровья населения и формирования здорового образа жизни в наши дни является актуальной: за 1992 – 2002 гг. общая заболеваемость взрослого населения увеличилась на 26 %, общая заболеваемость детей и подростков (17 лет) - на 55 %.

Численность населения в России за последние 10 лет за счёт естественной убыли сократилось на 9 – 10 млн человек. Наиболее распространена среди населения болезнь органов дыхания, 1/3 от всех заболеваний. Второе место занимают болезни нервной системы и органов чувств, далее следуют сердечно-сосудистая, органов пищеварения, несчастные случаи, травмы и отравления. Такая болезнь, как сахарный диабет увеличилась вдвое. Растёт число вирусных заболеваний, в том числе СПИД.     В нашей стране количество здоровых детей составляет 3 – 8 %. К призывному возрасту здоровых юношей, которые могут служить в армии, остается только 20 % от общего числа молодых людей призывного возраста. У женщин чаще возникает гипертоническая болезнь, холецистит, неврозы, у мужчин – язвенная болезнь, инсульт, травмы, инфаркт миокарда до 32 тыс. человек ежегодно умирает от туберкулёза. Продолжительность жизни в РФ не превышает в среднем 66 лет. По мнению демографов, исходя из этой ситуации, население России к 2060 г. не будет превышать 65 – 69 млн чел.

На здоровье человека влияет множество экологических факторов: болезнетворные организмы, загрязнение воды, воздуха, почвы, питание, погода и другие условия окружающей среды. Охрана здоровья людей – это та проблема, которая приобрела глобальный характер раньше других экологических проблем. Ещё в эпоху средневековья и раннего капитализма распространялись грозные повальные и всенародные эндемии (чума, холера, оспа и др.) и пандемии, против которых потребовались согласованные международные действия.

До сих пор не удалось получить эффективных вакцин против малярии, гриппа, стафилококков, венерических болезней, рака и СПИДа. Появились новые болезни. Есть факты, говорящие о том, что некоторые ядовитые выбросы в воздух и в водоёмы негативно влияют на наследственность. Растёт число новорождённых с генетическими отклонениями от нормы. Несмотря на серьёзные достижения медицины, очень велика детская смертность.

В биосфере ежегодно появляются десятки тысяч новых химических соединений, действие которых на организм человека пока не изучено. Наивно надеяться, что загрязнение окружающей среды может продолжаться бесконечно долго без глобальных последствий для человечества. По мнению многих учёных, уровень цивилизованности государства на сегодняшний день определяется не развитием техники, а продолжительностью жизни населения, и чтобы не погибнуть, человечество должно принять срочно адекватные меры.

Причины «средовых болезней» и опасных отклонений в здоровье людей очень разнообразны. Статистика говорит, что 60 – 90 % наиболее грозных раковых заболеваний у человека вызывается факторами окружающей среды: загрязнением канцерогенами воздуха, воды, товаров: качеством питания и лекарств, табаком, наркотиками, алкоголем и т.д. Рак – общечеловеческая проблема: около 2,9 млн случаев ежегодного заболевания в развитых странах и 3,0 – развивающихся. Велика угроза здоровью со стороны бактериального загрязнения воды и воздуха. Опасно влияние на здоровье разнообразных вредных веществ: ртути, кадмия, нитратов, пестицидов, асбеста и многих других соединений. С увеличением концентрации дыма в атмосфере способствовало появлению таких болезней, как аллергический ринит (поллиноз), бронхиальная астма (астматический статус), заболеваний крови и кроветворных органов и развитие анемии и эндокринной системы. Особенно резко это проявляется в период внутриутробного развития плода у новорождённых.

ВОЗ отмечает, что ежегодно по экологическим причинам погибают более 13 млн чел, из них 4 млн – дети. Сегодня 24 % случаев инфекционных заболеваний, отмечаемых в мире, вызваны экологическими причинами, прежде всего это диарея, респираторные заболевания, малярия, рак, заболевания лёгких, сердечно-сосудистой системы.

Страшно то, что воздействие большинства так называемых средовых загрязнителей, отдельный человек почти не может контролировать. Примерами могут служить асбест и другие строительные материалы, радиация, загрязнение воздуха при выработке электроэнергии и т.д. Факторы, влияющие на здоровье людей, можно подразделить на биологические, химические, физические и факторы добровольного риска.

8.2. Факторы, вызывающие негативные воздействия на население

Биологические факторы

В окружающей человека природной среде обитает огромное число микроорганизмов, в том числе антропогенного происхождения, вызывающих различные болезни. Их можно отнести к основной группе биологических факторов, влияющих на здоровье людей.

Инфекционные заболевания характерны для слаборазвитых стран, где существует голод и нищета. До недавнего времени в Азии, Африке и Латинской Америке были распространены практически забытые в развитых странах оспа, чума, холера, саркома, жёлтая лихорадка, малярия. Сегодня благодаря успехам медицины и фармакологии ситуация изменилась в лучшую сторону – например, побеждена полностью такая болезнь как, как оспа. Пока ещё остаются малярия, корь, столбняк, дифтерия, туберкулёз, полиомелит, проказа, чума, шистозоматоз, сонная болезнь, лептоспироз (водяная лихорадка) и другие.

В конце 1980-х годов около 270 млн жителей Земли болели малярией, 200 млн – шистозоматозом, 12 млн – проказой и т.д. Основная территория этих болезней – тропическая Африка. На территории СССР и США были зарегистрированы случаи заболевания чумой. О ликвидации чумы говорить трудно, так как в природе носителем её являются 260 видов грызунов и мелких хищников. Ежегодно в мире регистрируется 500 – 600 случаев чумы. Во многих странах, в том числе РФ, серьёзная проблема – гепатит, а наиболее массовой инфекцией остаётся грипп.

«Чумой» ХХI века считается синдром приобретённого иммунодефицита – СПИД. К 1990 г. эпидемия СПИДа охватила 156 стран, расположенных на всех континентах. Сейчас в мире зарегистрировано больных СПИДом около 45 – 50 млн человек.

Во многих странах мира уже действуют общенациональные программы борьбы со СПИДом. Эта болезнь поражает иммунную систему человека, делает её не способной сопротивляться вирусным заболеваниям. Создание вакцины против этой болезни осложняется отсутствием живой модели, то есть животных, обладающих иммунной системой, сходной с иммунной системой человека. Основной способ борьбы со СПИДом – это профилактика.

Химические факторы

Последствия химического загрязнения биосферы для человека могут быть различными, в зависимости от природы, концентраций и времени действия. Реакция организма на загрязнение зависит от возраста, пола и состояния здоровья. Наиболее уязвимы маленькие дети, пожилые и больные люди. При систематическом поступлении в организм человека небольших количеств токсичных веществ могут наступать хронические отравления, признаками которых являются: нейропсихические отключения, утомление, сонливость и бессонница, апатия, ослабление внимания, забывчивость, колебания настроения и др. Сходные признаки наблюдаются и при радиоактивном загрязнении среды, превышающем нормы. Высокотоксичные соединения приводят к хроническим заболеваниям различных органов и нервной системы: действуют на внутриутробное развитие плода, вызывая различные отклонения у новорождённых. Медики устанавливают прямую связь между ростом числа больных аллергией, бронхиальной астмой, раком с ухудшением экологической обстановки в регионе.

Канцерогены вызывают особую озабоченность у населения. Установлено, что многие вещества (хром, никель, бериллий, бенз(а)пирен, диоксин, асбест, табак и др.) являются канцерогенами. Ещё в начале прошлого века рак был почти неизвестен у детей, сейчас он встречается среди них довольно часто. В США основное число заболеваний раком лёгких приписывается курению, меньше – в работе некоторых отраслях промышленности. Воздух, вода и пища также могут содержать токсичные и канцерогенные вещества, представляющие опасность для организма человека. Примерная доля заболеваний раком от разных причин (по данным П. Ревель и Ч. Ревеля, 1945) приведена в табл.8.1.
Таблица 8.1. Заболевание раком от разных причин (П. Ревель и Ч. Ревель, 1995)

Причина заболевания

Доля от числа заболевших, %

Курение

Пища

Условия работы

Спиртные напитки

УФЛ, природные рентгеновские и космические лучи, загрязнение воздуха и воды

Лекарства и рентген

Пищевые добавки

Пенопласт, асбест, аэрозоли, красители для волос и другие потребительские товары

Причины, не связанные с окружающей средой (травмы, инфекции, беременность, роды)

30

35

5

3
2
1

1

1
17

Интересно, что количество заболеваний той или иной формой рака различно в разных регионах и группах населения. Например, на северо-востоке США высока доля раковых заболеваний ротовой полости, горла, пищевода, гортани и мочевого пузыря, но преимущественно у мужчин, что связано с высокой концентрацией химических производств, на которых работают в основном мужчины, в Японии обычен рак желудка, рак печени – проблема в Африке и юго-восточной Азии (но редко встречается в других частях мира). Многие канцерогены могут вызвать необратимые изменения в генах, называемые мутацией.

Сегодня фактически отсутствуют надёжные способы для испытания 9 тыс. производимых синтетических веществ (их количество ежегодно увеличивается примерно на 500 – 1000). В США, например, по данным национального института профессиональной безопасности и здоровья, каждый четвёртый рабочий, то есть почти 22 млн человек, может подвергаться действию токсичных веществ: ртути, свинца, пестицидов, асбеста, хрома, мышьяка, хлороформа и др. Не составляют исключения и служащие, которые подвергаются воздействию вредных веществ в воздухе, так и семьи рабочих, контактирующих с этими веществами через рабочую одежду.
8.3. Химические соединения и физические
факторы, опасные для здоровья человека

Диоксины.
Диоксины – это группа органических веществ, которую в последние годы считают наиболее экологически опасной. В группу диоксиноподобных соединений входят супертоксиканты – универсальные клеточные яды, поражающие всё живое. Пик выброса их пришёлся на 60-70-е годы ХХ века. Диоксины не производятся промышленно, они образуются при производстве других химических веществ: например, при синтезе гексахлорфенолов, гербицидов и др. Источниками диоксинов являются также сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной, металлообрабатывающей, электронной, радиопромышленности и др., использующих для обеззараживания хлорорганические растворители. Кроме того, они попадают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей, при хлорировании питьевой воды, горении древесины, сжигании галогенсодержащих и бытовых отходов и т.д. Загрязнения среды возникают и при промышленных авариях. Известна авария в г. Севезо (Италия) в 1976 г. с большим выбросом диоксинов в результате нарушения правил захоронения отходов. Исследователи Миланского университета наблюдали 37 тыс. жителей этого города – среди них был зарегистрирован 891 случай рака.

Диоксины способны воздействовать на репродуктивную систему человека. У рабочих, занятых в производстве хлорфенолоксигербицидов, отмечается импотенция, а у их жён – повышенная частота выкидышей. Сегодня мы не знаем и не представляем реальных масштабов диоксиновой опасности. Они относятся к классу полихлорированных полициклических соединений. Под этим названием объединено более 200 веществ ─ дибензодиоксинов и дибензофуранов. Основным элементом диоксинов является хлор, кроме того, они содержат кислород, углерод и водород. Диоксины являются типичными и очень стойкими ксенобиотиками, т.е. веществами, неприемлемыми для живых организмов. Они способны легко проникать в ядро клетки живых организмов, вызывая, с одной стороны, ускоренное разрушение гормонов, витаминов, лекарств и др., а с другой ─ активизацию канцерогенов, нейротоксичных ядов и даже превращение многих безвредных соединений в чрезвычайно токсичные. Видимо, этим объясняется крайне высокая чувствительность пораженного диоксином организма к стрессовым воздействиям физической, химической, биологической природы, также и к психическим факторам. При хроническом отравлении малыми дозами отмечается дискомфорт, снижается трудоспособность, появляется авитаминоз и развитие иммунодефицита, происходит нарушение нервной и психической деятельности и репродуктивных функций. Опасностьдиоксинов как веществ, относящихсяк разряду супертоксикантов, приобрела общепланетарные масштабы. Угрозу человечеству от этой группы веществ можно сравнить с последствиями применения ядерного оружия. Особенно опасны для окружающей среды и человека главным образом тетразамещенные диоксины –2,3,7,8-ТХДД (тетрахлорбензо-n-диоксин), который входит в состав пестицидов комплексного действия в качестве микропримеси. Наиболее важные химические характеристики – их чрезвычайная стабильностьв сильнокислых и щелочных растворах, высокая устойчивость к окислителям. Период полураспада диоксинов в почве составляет около 10 лет, в воде –1 - 2 года. Диоксины прочно связываются с частицами почвы, поэтому плохо вымываются нисходящими токами воды. Их подвижность резко снижается с увеличением содержания в почве органического вещества, они концентрируются в основном в наиболее активном слое почвы, на глубине от 5 до 15 см.

Накопление диоксинов осуществляется главным образом по пищевым цепям. Большинство этих веществ легко попадают в живые организмы через желудочно-кишечный тракт, а также кожные покровы. Они очень медленно выводятся из живого организма, а из организма человека практически не выводятся. Даже при очень малых концентрациях диоксины вызывают нарушение адаптационной способности у организмов к изменяющимся условиям внешней среды, что приводит к резкому подавлению жизнедеятельности, особенно сильно действуют при поступлении в организм человека через пищевую цепь.

Данные вещества наиболее активно концентрируются в организмах рыб и дойных коров, а с рыбной продукцией, молоком и мясом диоксины попадают в организм человека. В молоке коров, содержащихся на фермах, расположенных вблизи мусоросжигательных печей, химических, целлюлозно-бумажных и металлургических заводов, аккумулируется повышенное количество диоксинов. Вблизи этих объектов ими загрязняются корма и вода.

Диоксины — яды беспорогового действия (считаются сильными канцерогенами), поэтому они не должны присутствовать ни в продуктах питания, ни в воздухе, ни в питьевой воде населенных пунктов. Однако достичь этого практически невозможно, когда в биосфере уже их циркулирует огромное количество.

Суточное попадание в организм этих соединений не должно превышать 0,1 пг/кг массы тела (1 пг = 10^–12 г). Принято считать непригодными для проживания человека районы, где содержание данных веществ выше 1 мкг Д_э в 1 кг почвы.

В России, по данным НИИ человека и гигиены окружающей среды имени А.Н. Сысина РАМН, только 15 % горожан проживают на территориях с допустимым уровнем загрязнения атмосферы. Наряду с другими факторами это приводит к дефициту кислородного обеспечения организма, в первую очередь детского, что оказывается на нормальной деятельности всех его систем, особенно иммунной, которая определяет в основном уровень как острой, так и хронической заболеваемости. Загрязнением атмосферы обусловлено около 20 – 30 % общих заболеваний населения промышленных центров. На состоянии здоровья населения промышленных центров отражается неблагоприятное влияние на окружающую среду предприятий основных отраслей промышленности (табл.8.2).

Бенз(а)пирен. Количество увеличивающихся онкологических заболеваний населения объясняется значительным воздействием на здоровье человека факторов окружающей среды. Среди органических веществ, загрязняющих природную среду, широкое распространение получили полициклические ароматические углеводороды, в их числе 3, 4 – бенз(а)пирен (БП). Бенз(а)пирен обладает высокой активностью и считается индикатором загрязнения окружающей среды полициклическими ароматическими углеводородами. Поступление БП и других представителей этой группы в окружающую среду связано в основном с хозяйственной деятельностью человека. Это вещество образуется при неполном сгорании топлива и при некоторых видах термической переработки органического сырья, протекающих при температуре +400–600⁰С (коксование углей, крекинг нефти и т.д.).

Бенз(а)пирен в некоторых случаях может попасть в почву при поливе возделываемых культур сточными водами коксохимических и нефтеперерабатывающих предприятий. Важными источниками загрязнения БП считается автотранспорт, при этом загрязняется не только пашня, но и другие угодья, а точнее произрастающие на них культуры. Выделяемый с выбросами
Таблица 8.2.Загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями и возможные нарушения здоровья человека (по И.П. Герасимому)

Загрязнители	Нарушение здоровья человека
Тепловые электростанции
Пыль, зола, содержащая свободный оксид кремния и соединения практически всех металлов, в том числе мышьяка, ванадия, ртути, свинца Мышьяк, ванадий, ртуть, свинец Сажа, являющаяся носителем смолистых веществ, в том числе бнз(а)пирена Сернистый ангидрид, оксид серы	Уменьшение вентиляционной способности и ёмкости лёгких, повреждение слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Фибриозные изменения в лёгких. Накопление в организме диоксида кремния, силикоз. Повышенная смертность от рака легких и кишечника Раздражение и повреждение кожи. Отравления. Абсорбция солей мышьяка в желудочно-кишечном тракте, лёгких и коже. Раздражение слизистой оболочки верхних дыхательных путей, повышение заболеваемости тонзиллитом, ринитом, отёки верхних дыхательных путей. Снижение гемоглобина. Раздражение кожных покровов. Повышенное содержание мышьяка в волосах Повышение заболеваемости раком лёгких Общее отравление организма, проявляющееся в изменении состава крови, поражения органов дыхания, повышении восприимчивости к инфекциям, нарушения обмена веществ, повышении артериального давления у детей. Ларингит, бронхит, конъюнктивит, ринит, ринофарингит, эмфизема, бронхопневмония, астма, аллергические реакции, острые заболевания верхних дыхательных путей и системы кровообращения. При кратковременном загрязнении – раздражение слизистой оболочки глаз, слезотечение, затрудненное дыхание, головные боли, тошнота, рвота. Повышение уровней общей заболеваемости и смертности. Повышенная утомляемость, ослабление мышечной силы, снижение памяти, замедление восприятия, ослабление

Продолжение табл. 8.2

Загрязнители	Нарушение здоровья человека
Тепловые электростанции
Оксиды азота	функциональной способности сердца, изменение бактерицидности кожи Резкое раздражение легких и дыхательных путей, возникновение в них воспалительных процессов, образование метгемоглобина, понижение кровяного давления
Автомобильный транспорт
Углеводы, в том числе бенз(а)пирен	Раздражение дыхательных путей, появление тошноты, головокружения, сонливость, эйфории, расстройства дыхания и кровообращения. Действие на электрическую активность головного мозга. Понижение иммунологической активности организма, возникновение авитаминоза у детей, злокачественные новообразования. Блокирование гемоглобина в крови с образованием карбогемоглобина и снижением способности крови к переносу кислорода из лёгких к тканям тела. Приступы коронарной недостаточности, стенокардии и даже инфаркт миокарда. При концентрации карбоксигемоглобина 3 – 4 % - нарушение зрительного восприятия, повреждение нервной системы. Нарушение обменных процессов организма, функционального состояния центральной нервной системы (психические отклонения, угнетения тканевого дыхания). У пешеходов в часы пик общее недомогание, психомоторные нарушения, функциональные расстройства мозга. Резкое раздражение лёгких и дыхательных путей и возникновение в них воспалительных процессов, образование метгемоглобина, понижение кровяного давления, головокружение, потеря сознания, рвота, одышка; в случае диоксида азота – кашель, насморк, слюноотделение. У детей – снижение дыхательной функции, повышение респираторной заболеваемости. Раздражение слизистой оболочки глаз, хронические изменения в лёгких и воспалительные процессы в них,

Продолжение табл. 8.2

Загрязнители	Нарушение здоровья человека
Автомобильный транспорт
Пыль, бенз(а)пирен	комбинации с действием микроорганизмов – ускорение развития лёгочных опухолей. Головная боль, быстрая утомляемость. Свинцовая интоксикация (если он есть как присадка в бензине), вплоть до летального исхода. Неврологические расстройства. У детей – замедленный рост, анемия, гиперактивность, характеризующаяся повышенной моторной активностью, повышенной раздражительностью, вялостью. Тонкие и грубые нарушения моторных функций: неправильная походка, нарушение равновесия, мышечная слабость. Такие дети отстают в учёбе Заболевания верхних дыхательных путей, глаз, пневмокониоз (силикоз), рак.
Предприятия по производству асфальта
Пыль, сажа, содержащая бенз(а)пирен, пары битумов, сернистых газ	Повышенная заболеваемость раком
Предприятия по производству пестицидов
Пары ртути, мышьяк, фосген, синильная кислота, кадмий, свинец, селен, гексахлоргексан, хлор, бензол, карбофос, метафос, хлорбензол	Повышение заболеваемости верхних дыхательных путей: хронический тонзиллит, фарингит, ринит, гиперемия слизистой оболочки носа, зева, глотки, отёк слизистой верхних дыхательных путей. Повышенная заболеваемость раком органов дыхания, лёгких, лимфатической системы

автотранспорта в атмосферу БП оседает на поверхность почвы и принимает активное участие в физико-химических и биологических процессах, протекающих в окружающей среде. Вблизи дорог формируются значительные зоны загрязнения. БП переносится на расстояние 3–25 км от источников выброса, загрязнение территории этим веществом в основном носит региональный характер.

Очень высокая стойкость БП и его производных в окружающей среде ведёт к постоянному накоплению в почве, воде, воздухе и других объектах природы. Загрязнение почвы приводит к аккумуляции БП в тканях растений. Однако в почве присутствуют микроорганизмы, способные разрушать данное вещество с помощью окислительных ферментов, поэтому существует действенный путь биологической очистки почвы, загрязненной бенз(а)пиреном. Фоновое количество БП в почвах колеблется в пределах 0,2–12,8 мкг/кг почвы.

Одной из мер снижения содержания бенз(а)пирена в растительной продукции считается промывание её в течение
30 мин горячей проточной водой. При этом снижается его содержание в 1,5 – 2 раза по сравнению с исходным содержанием.

Полихлорбефинилы (ПХБ). Полихлорированные бефинилы (акрохлоры, канифоли, соволы, фенохлоры, хлорофены) нашли широкое применение с конца 20-х гг. ХХ в. Они используются в качестве улучшающего компонента для масел, смазок, гидравлических жидкостей, адгезинов и типографических красок, также их применяют при производстве пластмасс и в электропромышленности. Мировое производство ПХБ превышает 4 млн т в год. Из этого объема лишь 53 % ПХБ производятся и используются в закрытых технологических системах, выпуск которых можно контролировать. 400 тыс. т из общей массы бенифенилы в той или иной форме циркулируют в глобальной экосистеме.

На открытом воздухе период полураспада ПХБ может составлять
10–100 лет, в почве примерно ─ 5 лет. ПХБ выявлены в организме рыб, морских животных, птиц, в маргарине, материнском молоке и в жировых тканях человека. У человека ПХБ вызывает поражение печени, селезёнки и почек, помутнение хрусталика глаз, изменение пигментации и нервные расстройства. Токсичное действие ПХБ усиливается при взаимодействии с ДДТ. Воздействие ПХБ на человека возникает обычно при отсутствии надлежащих мер безопасности в процессе работы с химической продукцией. Это может происходить при изготовлении трансформаторов, конденсаторов и других электротехнических устройств. Медиками установлено, что голодание и охлаждение стимулирует кратковременное, но значительное повышение содержания ПХБ в крови, что может стать причиной повреждения печени. Кардинальное решение проблемы защиты окружающей среды от ПХБ – использование его только в замкнутых производственных системах (циклах).

Регуляторы роста растений. Регуляторы роста растений – это химические соединения с высокой биологической активностью. Их применяют в небольших количествах (от 1 мг/га до 1 кг/га), для того чтобы повлиять на рост и жизнедеятельность растений, для облегчения уборки урожая, улучшения его качества и сохранности. Регуляторы роста делятся на природные и синтетические. Природные регуляторы ─ это соединения, присущие растениям и выполняющие роль фитогормонов (абцизовая кислота, ауксины, гиббереллины, цитоксины, этилен и др.). Названные соединения не опасны для человека, поскольку в процессе эволюции у него выработались механизмы их биотрансформации. Синтетические регуляторы производят химическим или микробиологическим путём. В основном они являются малостойкими веществами с периодом полураспада около одного месяца. Установлено, что синтетические регуляторы изменяют процесс синтеза белка, приводящий к появлению дефектных белков. Ученые не исключают их отрицательное воздействие на организм человека, что связано с нарушением внутриклеточного обмена и образованием токсичных соединений. Остаточное содержание в продовольственном сырье и в готовых пищевых продуктах питания этих веществ может способствовать проявлению супертоксичных свойств.

Лекарственные средства. Пищевые продукты загрязняются различными лекарственными веществами, применяемыми для лечения и профилактики заболеваний животных, регуляции беременности, улучшения усвояемости кормов, ускорения роста, сохраняемости продуктов и т.д. Некоторые из этих веществ достаточно долго сохраняются в продуктах животноводства, а затем попадают в организм человека, представляя угрозу для его здоровья. Особенно опасны антибиотики, нитрофураны, сульфаниламидные и гормональные препараты. Остаточное содержание антибиотиков в пищевых продуктах вызывают аллергические реакции, дисбактериоз и подавление ферментов.

Всемирной организацией здравоохранения предложены нормативы по содержанию антибиотиков в продуктах животноводства (табл. 8.3).

Таблица 8.3. Нормативы содержания антибиотиков в животноводческих продуктах, мг/кг и мг/л

Антибиотики	Содержание антибиотиков в продуктах
Антибиотики	Яйцо	Молоко	Мясо
Пенициллин	0,06	0,006	0,018
Стрептомицин	1	0,2	0,5
Неомицин	0,5	0,15	0,2
Хлортетракциклин	0,05	0,02	0,05
Окситетрациклин	0,25	0,1	0,3
Тетрациклин	0,5	0,1	0,3
Эритромицин	0,3	0,04	0,3
Олеандомицин	0,3	0,15	0,1
Новобицин	0,5	0,15	0,1
Нистатин	7,1	1,1	4,3

Практиками замечено, чем чаще применяют разнообразные антибиотики, тем менее эффективно они действуют на увеличение количества устойчивых штаммов микроорганизмов, что прямо пропорционально повышению применения антимикробных средств.

Продукты жизнедеятельности вредителей

Вредители не только снижают продуктивность растительности, но и существенно ухудшают качество производимой продукции. При этом изменяются её химический состав и вкусовые качества. Они способствуют распространению вредной микрофлоры, а иногда переносят возбудителей болезней человека или сами вызывают болезни человека и животных. Например, гусеницы плодожорки, пожирая плоды яблони, выделяют экскременты, в составе которых содержатся вещества, обладающие канцерогенным действием, называемые инсектотоксинами.

Инсектотоксины ─ этопродукты жизнедеятельности вредителей, выделяемые ими при поражении растений и обладающие токсичным (канцерогенным) действием для человека и животных. Например, амбарный долгоносик поражает зерно злаковых и их продукты переработки. Повреждённые им продукты непригодны в пищу, так как могут вызвать расстройства органов пищеварения, воспаление кишечника. При поражении зерна хлебным хрущаком мука приобретает неприятный запах, она опасна для потребления как человеком, так и животными, и подлежит уничтожению. Широко распространенный вредитель гороха – гороховая зерновка, личинка которой   внедряется в горошину и развивается там до взрослого жука. Повреждённое личинкой и заполненное её экскрементами зерно непригодно для использования в пищу человеку и даже на корм скоту, в нём содержится вредный алкалоид – кантаридин.

Афлотоксины и другие микотоксины. Микотоксины ─ это токсичные продукты жизнедеятельности различных видов микроскопических грибов. Микотоксины относятся к классу природных токсинов, способных вызывать тяжёлые заболевания у животных и человека.

В результате поражения грибком ежегодно при хранении портится до    30 % производимого зерна. При этом испорченное зерно зачастую используют на корм скоту, что часто приводит к негативным последствиям. Так, в 60–х годах прошлого века в Англии погибло 50 % поголовья индеек в результате заболевания, вызванного продуктами жизнедеятельности плесневого гриба Aspergilens flavus, которыми были поражены корма. Эти вещества не только токсичны, но и обладают канцерогенным свойством.

Среди известных микотоксинов лучше всего изучены афлотоксины – токсины, которые накапливаются в тканях и органах отдельных видов растений, особенно произрастающих в тропическом поясе. Известны два основных афлотоксина, названных В₁ (обладает большой канцерогенностью) и Ст₁. Аккумулируются они в продуктах питания, изготовление которых тесно связано с концентрированием белков.

Грибные токсины –яды экзогенного действия, они выделяются и находятся в субстрате, на котором растеё гриб, а в не структуре гриба. Они обладают очень высокой устойчивостью к нагреванию, длительному ультрафиолетовому облучению, некоторые из них устойчивы даже к действию кислот и щелочей. Микробные токсины вредны для клеток в незначительных концентрациях, их ПДК составляет 0,5 мг/кг массы тела.

Механизм действия микотоксинов заключается в блокировке жизненно важных аминокислот (аланина, тирозина, триптофана) и в образовании в организме аминосоединений (аминов). Последние даже в незначительных количествах могут очень сильно воздействовать на кровеносные сосуды.

Остаточные количества микотоксинов в продуктах вызывают канцерогенный, мутагенный и терратогенный эффекты. Среди микотоксинов широко известен стеригматоцистин, который способен вызывать заболевания печени.

Продукты питания. До 20 % летальных исходов от рака можно связать с питанием или приготовлением пищи. Даже обжаривание мяса может приводить к образованию канцерогенных веществ. Излишний жир иногда стимулирует выработку гормонов, способствующих возникновению рака молочной железы. Избыточное потребление соли приводит к появлению гипертонии, избыток сахара – к порче зубов и т.д. Добавки и загрязнения, присутствующие в продуктах, косметических товарах, способны также вызывать различные заболевания.

В США было испытано около 450 химических добавок,
80 % из которых были объявлены безвредными, 14 % – вероятно безвредными и около 5 % –сомнительными. В 1978 г. центр «Наука в интересах общества» (США) опубликовал перечень пищевых добавок с оценкой их безопасности.

Нижеприводимую индексацию можно встретить на этикетках почти всех американских и западноевропейских товаров. Многие продовольственные товары, выпускаемые на Западе, укладываясь в международные стандарты качества, тем не менее могут содержать в своём составе вредные для здоровья компоненты, о чём производитель предупреждает потребителя. А покупатель волен решать – купить ему сомнительного качества товар подешевле или приобрести безупречный продукт подороже. Ниже приводим перечень вышеупомянутых индексов.

Е 101 – опасен                   Е 220 – разрушает витамин В

Е 102 – запрещён               Е 210 – Е 217 – канцероген

Е 104 – сомнителен            Е 221 – Е 226 – нарушает деятельность желудочно-кишечного тракта

Е 106 – запрещён                Е 110 – опасен

Е 230, Е 231, Е 233 – нарушает функцию кожи

Е 111 – запрещён                Е 239 – канцероген

Е 120 – опасен                     Е 240, Е 241 – сомнителен

Е 121 – запрещён              Е 250, Е 251 – противопоказан при гипертонии

Е 122 – сомнителен             Е 301, Е 312 – вызывает сыпь

Е 123 – очень опасен        Е 320, Е 321 – содержит много холестерина

Е 124 – опасен                     Е 330 – канцероген

Е 125 – запрещён                Е 338, – нарушает пищеварение

Е126 – запрещён                Е 340 – нарушает пищеварение

Е 126 – запрещён                Е 341 – нарушает пищеварение

Е 127 – опасен                     Е 407 – нарушает пищеварение

Е 130 – опасен                     Е 450 – нарушает пищеварение

Е 131 – канцероген              Е 461 – нарушает пищеварение

Е 141 – сомнителен             Е 462 – нарушает пищеварение

Е 142 – канцероген              Е 463 – нарушает пищеварение

Е 150 – сомнителен             Е 465 – нарушает пищеварение

Е 151 – сомнителен             Е 468 – нарушает пищеварение

Е 152 – запрещён                Е 477 – нарушает пищеварение

Е 161 – сомнителен

Е 173 – сомнителен

Е 180 – сомнителен

Е 181 – запрещён

Использование пищевых красителей также возможно только в соответствии с утверждёнными списками. Даже некоторые витамины (особенно А и Д) при передозировках могут накапливаться в организме до токсичных уровней. В 1982 г. Комитет по питанию и раку (США) дал следующие рекомендации по питанию:

1) уменьшение количества жиров в рационе в среднем на 30 %;

2) включение в рацион овощей, фруктов, особенно богатых витамином С (цитрусовые) и - каротином (желто-оранжевы листовых овощей и капусты), крупяных продуктов;

3) употребление консервированных продуктов, солений, овощей свести к минимуму;

4) спиртных употреблять только в «меру» (особенно курильщикам) из-за угрозы рака, цирроза печени, гипертонии и тяжёлых последствий для новорождённых детей.

Физические факторы

Воздействие физических экологических факторов на здоровье человека имеет не меньшее значение, чем влияние химических соединений.

Действие вибрации на организм человека зависит от её физических параметров, дозы, места приложения, а также от биологических свойств человеческого тела как колебательной системы. Особенно опасны резонансные вибрации с отдельными частями или органами тела. Они оказывают неблагоприятное действие на нервную и сердечно-сосудистую системы, нарушают обмен веществ, вызывают изменения в вестибулярном аппарате. Длительное влияние интенсивных вибраций в сочетании с сопутствующими неблагоприятными факторами (охлаждение, шум, большие мышечные нагрузки и нервно-эмоциональное напряжение) может приводить к стойким патологическим нарушениям в организме человека и развитию опасного трудно излечимого заболевания – виброболезни.

Воздействие шума носит комплексный характер. Шум угнетает центральную нервную систему, повышает утомляемость и снижает умственную активность, приводит к психическим стрессам, неврозам, возникновению гипертонии, ослаблению иммунитета, ухудшению зрения. Обследование детей школьного возраста, проведённые в районах аэропортов, выявило ухудшение умственной работоспособности на 10 – 46 %, увеличение заболеваемости органов дыхания – на 6 –13 %, нервной системы – на 26 – 27 %.

Инфразвуковые колебания также оказывают неблагоприятное действие на организм человека. При частотах порядка 6 – 10 Гц и при уровнях звукового давления от 110 до 150 дБ наблюдаются как неприметные субъективные ощущения, так и реактивные изменения в центральной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах. Известно влияние инфразвука на вестибулярный анализатор и снижение слуховой чувствительности. Кроме того, возникает утомление, снижается внимание и работоспособность, отмечаются жалобы на сонливость, головные боли и головокружение: может появиться чувство растерянности и страха.

Всё большее количества населения охватывается неблагоприятными воздействиями электромагнитных полей (ЭМП). Особенно сильные изменения происходят в организме человека в электромагнитной среде, получившее название микроволнового смога. Эти изменения тесно связаны с мощными источниками сверхвысокочастотных радиоизлучений радиолокационными и радиорелейными станциями. Кратковременное воздействие на живые организмы ЭМП радиочастотного диапозона связано в основном с их тепловым и аритмическим эффектом. Тепловой эффект возникает вследствие поглощения энергии ЭМП. В случае превышения теплового порога (при
ППЭ > 10 мВт/см²) организм не справляется с отводом избыточной теплоты и температура тела повышается.

Хроническое действие ЭМП небольшой интенсивности
(ППЭ<1 мВТ/см²), не дающего явного теплового эффекта, приводит к различным нервным и сердечно-сосудистым расстройствам (головная боль, изменение пульса и кровяного давления). На ранних стадиях нарушения здоровья носят, как правило, обратимый характер. Однако многолетнее постоянное воздействие высокочастотного ЭМП вызывает хронические заболевания с поражениями нервно, сердечно-сосудистой и кроветворной систем.

Ионизирующее излучение состоит из рентгеновских лучей, гамма-лучей и космических лучей. Эти виды лучей обладают энергией, достаточной для превращения атома в ионы с высвобождением электронов. Воздействием этих ионов и вызваны изменения в клетках организма. Распад ядер радиоактивных элементов также порождает ионизирующее излучение, состоящее из и – лучей. Наиболее опасно
(гамма)-излучение, так как оно проходит через свинцовую защиту в несколько сантиметров. Опасность рентгеновских лучей возрастает на больших высотах. Люди подвергаются действию ионизирующих излучений при рентгене, радиоактивном распаде элементов и из космоса. Доза облучения чаще всего измеряется в бэрах (1 бэр эквивалентен по биологическому воздействию дозы 1 рентген).

Если исключить воздействие источников, созданных человеком, то уровень излучения будет соответствовать естественному радиационному фону. Максимальная допустимая доза облучения составляет 5 мбэр/год, а средняя – до 1 % от природного, то есть до 1 – 1,5 мбэр/год.

Если эти нормативы выполняются, то они не опасны для людей. Следует обратить внимание на то, что некоторые радиоактивные элементы могут аккумулироваться в пищевых цепях. Около половины всех излучений поступает от природных источников. Одну треть в этом естественном фоне составляют космические лучи, вторую треть – природные радиоактивные элементы в почвах и горных породах, оставшаяся треть приходится на радиоактивные элементы (калий – 40 и др.), присутствующие в организме человека. Грунтовая вода или природный газ могут содержать радиоактивный элемент радон. Некоторые стройматериалы (камень, фосфогипс и др.) также могут быть источником излучений.

Из антропогенных источников излучений наибольшая доля принадлежит радиоактивным выбросам, рентгеновским процедурам, радиоактивным медикаментам. Табачный дым также содержит радиоактивные частицы. Значительная доля излучений приходится на радиоактивные осадки. Серьёзную опасность представляют отходы новых рудников, так как иногда радиация от них в 500 раз превышает природный фон. Последствия облучения для здоровья людей можно разделить на две категории:

- острые симптомы после интенсивной кратковременной экспозиции, возможной в аварийных ситуациях и во время атомного конфликта;

- последствия длительного облучения малыми дозами, которые выявляются спустя годы.

Ионизирующее излучение может вызывать рак молочной и щитовидной желёз, лёгких, желудочно-кишечного тракта, костей, лейкемию, лейкоз. Помимо рака последствиями могут быть генетические повреждения, то есть мутации, которые передаются будущим поколениям.

Для профессионального риска установлен предел –
5 бэр в год, а для населения – 1 бэр/год, то есть 1 % от природного радиационного фона. Но и природные фоновые излучения могут вызывать до 2 % генетических болезней.
8.4. Нитраты и их влияние на организм человека

Возрастание антропогенного давления на агроэкосистемы, связанное с интенсификацией продуционного процесса растений, вызывает накопление в продуктах растениеводства различных токсичных веществ, особенно нитратов. Их чрезмерная аккумуляция в растениях может быть вызвана существенным поступлением азота из почвенных ресурсов в растение, но в большей степени при повышенном использовании средств химизации, когда азот полностью не используется на формирование азотсодержащих соединений.

Темпы накопления нитратов в почве зависят от температурного режима, увлажнения и физико-химических свойств почвы. При избыточном содержании азота в почве возрастают газообразные формы, повышается заболеваемость растений и полегаемость посевов, снижается качество продукции; устранение излишнего количества азота требует использования других агрохимикатов и в больших количествах (рис.8.1). Для экологически безопасного функционирования агроценозов важно оценить

Повышает

опасность

Содержание биологически ценных питательных веществ

Понижает Понижает
Рис.8.1. Схема некоторых последствий недостаточного или избыточного внесения азотных удобрений

суммарный вклад средств химизации и отдельных факторов с возможностью регуляции процессов накопления нитратов в растениях.

Основные блоки воздействия на растения по степени их влияния на процесс нитратонакопления можно расположить в следующем порядке: удобрение > физиологически активные вещества > почва.

Но растениеводческая продукция без содержания нитратного и аммиачного азота в природе не может существовать, поскольку они являются источниками питания растений и входят в состав белковых соединений. Потребность растений в азоте зависит от многих факторов: сорта, погодных условий, свойств почвы и количества удобрений в почве. Содержание в продукции сельского хозяйства нитратного азота тесно связано с низкой культурой земледелия сельскохозяйственных товаропроизводителей.

При хорошей агротехнике возделывания полевых культур, повышения плодородия почвы, применения невысоких доз органических и минеральных удобрений заметно снижается накопление нитратного азота в продукции полеводства.

Несвоевременное применение азотных и органических удобрений в больших количествах ведёт к тому, что лишний азот из почвы интенсивно поступает в растение, который не используется полностью для формирования биомассы и накапливаются впрок в тканях растений в виде N – NO₃. Нитраты
(NO₃^-) – это соли азотной кислоты, нитриты (NO₂^-) –соли азотистой кислоты. В последние годы в связи с возросшим вниманием охраны окружающей природной среды всё чаще объектами контроля при производстве аграрной продукции становится экологическое состояние почвы, вода, вносимые удобрения и сами растения.

Содержание нитратов определяют по нитратному азоту (N-NO^-₃), нитрат-иону (NO^-₃) или по нитрату натрия (NaNO₃). Для этого используют коэффициенты его пересчета (табл.8.4).
Таблица 8.4. Коэффициент пересчёта азота

Форма соединений	Коэффициент пересчёта
N-NO₃ NO₃	4,427
NO₃-N- NO₃	0,226
Na NO₃ – N NO₃	0,165
N-NO₃ Na NO₃	6,068
NO₃ Na NO₃	1,371
Na NO₃ NO₃	0,730

В природных условиях содержание нитратов в растениях обычно незначительно (1–30 мг/кг сухой массы). Они практически полностью тратятся на формирование органического вещества (белков, аминокислот и т.д.), которое находится в почве, воздухе и в воде, а также в других средах. Нитраты сами по себе характеризуются невысокой токсичностью, однако под воздействием микроорганизмов или в процессе химических и биологических реакций восстанавливаются до нитритов – соединений опасных для теплокровных животных и человека.

Всемирная организация здравоохранения своим решением определила для человека ежесуточную дозу приема нитратов с пищей от 3,65 до 5,0 мг на   1 кг веса. В организме теплокровных нитраты участвуют в образовании более опасных соединений ─ нитрозимов, которые обладают канцерогенными свойствами.

По способности накапливать нитраты овощи можно разделить на несколько групп:

I – больше 5 г нитратов на 1 кг продукции ( все виды салата, включая и кресс - салат, петрушку, редис);

II –до 5 г /кг фитомассы (зеленый лук, капуста, кольраби, редька, столовая свекла, шпинат);

III – до 4 г/кг зеленой массы (белокачанная капуста, морковь, репчатый лук);

IV –до 3 г/кг (лук порей, ревень, укроп);

V –до 2 г/кг фитомассы накапливает тыква;

VI –менее 1 г/кг продукции (арбузы, дыни, баклажаны, огурцы, помидоры, картофель).

У свеклы нитраты в большей степени сконцентрированы в верхней части корнеплода, у моркови – в центральной желтой части, у капусты – самые опасные части –кочерыжка и толстые черешки. Мелкие клубни картофеля содержат намного больше нитратного азота, чем крупные, значительная часть этих соединений в картофеле сосредоточена под кожурой.

Нитриты. Нитрит-ион (NO^-2) является составной частью азотистой кислоты (HNO₂), которая существует в виде разбавленного водного раствора на холоде, в обычных условиях легко распадается на составные части. В почве нитриты образуются в результате деятельности нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов в качестве промежуточного продукта окисления аммиака до восстановления нитратов. В обычных условиях их содержание в растениеводческой продукции и в воде незначительно. Но при хранении продуктов (особенно свежих) при комнатной температуре может происходить микробиологическое превращение нитратов в нитриты, в результате этого содержание их повышается до 3600 мг/кг сухого вещества.

Количество нитритов резко возрастает при оттаивании замороженной продукции, при комнатной температуре в течение длительного времени. Нитриты (нитрит натрия) широко используют при производстве и консервировании колбасных и мясных изделий, рыбной продукции в целях предотвращения ботулизма, вызываемого токсинообразующими штаммами бактерий Clostridium botulimum, которые присутствуют в сыром мясе и сохраняются в мясных продуктах даже после термической и кулинарной обработки. Допустимые концентрации нитритов в пищевых продуктах не представляют опасности для здоровья взрослых и детей старшего возраста. Во многих странах добавление нитритов в мясо и в мясные продукты, сыр и рыбопродукты регламентируется соответствующим законодательством. Из существующих нитросоединений нитрозамины являются наиболее опасными соединениями, способные в длительное время циркулировать в окружающей среде, загрязняя почву, воду, корма, продукты питания, производимые в растениеводстве. Кроме того, нитрозамины могут образоваться и в самих растениях при наличии предшественников: аминов, амидов, нитратов, нитритов и некоторых других аминокислот.

В разной растениеводческой продукции нитритов накапливается неодинаковое количество – их много в капусте, моркови, свекле кормовой.

Нитриты и их производные вещества обладают токсичными льное время циркулируютщныхтисвойствами и очень опасны для здоровья человека. Например, большую известность получило заболевание, именуемое метгемоглобинемия, оно особенно опасно для грудных детей. Это заболевание связано с нитрат-ионом (NO^-₃), который взаимодействует с гемоглобином крови, образуя метгемоглобин, при этом кровь теряет способность транспортировать кислород, что приводит к удушью.

При поступлении больших количеств нитритов и его производных в организме человека начинает проявляться цианоз (темно-синяя или синяя окраска слизистой оболочки и кожного покрова), понижается кровяное давление, наблюдается сердечная и легочная недостаточность. Первые признаки заболевания отмечаются при содержании в крови 7 – 8 % метгемоглобина. Легкая форма болезни начинает ощущаться при содержании в крови 10 – 20 % нитритного вещества, средняя – 20 –
40 % и тяжелая – более 40 % (возможен и летальный исход). При повышенных концентрациях нитраты и нитриты могут влиять на активность ферментов пищеварительной системы, метаболизм витамина А, деятельность щитовидной железы, работу сердца, на центральную нервную систему. Хроническая интоксикация нитратами снижает содержание в организме витаминов А, Е, В₁, В₆. Как выявлено, большое влияние на образование нитрозаминов оказывает содержание в продукции витамина С. При соотношении витамина С и нитритного азота 2:1 нитрозамины не формируются, некоторые медики утверждают, что аскорбиновая кислота оказывает ингибирующее действие на образование метгемоглобина.

8.5. Тяжёлые металлы и их воздействие
на организм человека

В Российской Федерации утвержден и действует
ГОСТ 17.4.02─83, в соответствии с которым химические элементы, в том числе и тяжелые металлы по степени токсичного действия, подразделены на три класса опасности.

При попадании в организм человека в больших количествах тяжелые металлы начинают накапливаться в почках и печени. Коэффициент концентрации (К_к) их определяется отношением его реального содержания в почве (Ср) к фоновому (Сф):

К_к = Ср / Сф .

Необходимо отметить, что тяжелые металлы играют важную роль в биосфере. Металлы, присутствуя в живых организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ. Соотношение концентраций металлов в организмах выработалось на протяжении всего хода эволюции органического мира. Значительные отклонения от этих соотношений вызывают отрицательные, а часто губительные, последствия для живых организмов. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, они могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни раз превышает среднепланетарные уровни. Наконец, являясь одним из главных природных ресурсов, непременным условием поддержания и развития современной цивилизации, металлы образуют группу наиболее опасных загрязнителей биосферы.

К тяжелым металлам относится более 40 химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет от 45 и выше атомарных единиц. Эта группа элементов при содержании в организме в микрофазе активно участвует в биологических процессах, входя в состав многих ферментов. Поэтому группу «тяжелых металлов» в некоторых случаях можно отнести к понятию «микроэлементы». Для экзогенных повышенных концентраций элементов термин «микроэлементы» непригоден, в таких случаях обычно применяют термин «тяжелые металлы». Таким образом, под термином «тяжелые металлы» понимают такие элементы, как свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий и т.д.

Источники поступления тяжелых металлов делятся на природные (выветривание горных пород, минералов, эрозийные процессы, вулканическая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта и т.д.). Часть техногенных выбросов, поступающих в окружающую среду в виде аэрозолей, переносится на значительные расстояния и тем самым вызывает глобальное загрязнение.

Интенсивная хозяйственная деятельность создает зоны местного загрязнения тяжелыми металлами или охватывает значительные площади сельскохозяйственных угодий, например, при химизации сельского хозяйства. По количеству содержания примесных элементов в почве определяются уровни их накопления в растениях. Существует тесная положительная корреляция между содержанием элемента в растении и его подвижностью в почве. По степени уменьшения коэффициента накопления тяжёлые металлы образуют следующий ряд: кадмий > никель > цинк > медь>свинец > кобальт. Значение коэффициента накопления для различных растений заметно варьирует, что связано с почвенными условиями и биологическими особенностями возделываемых аграрных культур. Хотя пестициды содержат в своём составе тяжёлые металлы: цинк, медь и железо, – они не представляют большой опасности для природной среды из-за малообъёмного их расходования на проведение защитных мероприятий.

Оценка уровня загрязнения почв ТМ основывается на сопоставлении данных их фонового и валового содержания на незагрязненных почвах, не вызывающего отрицательного биологического эффекта и повышения ПДК.

По абсолютному содержанию ТМ в растениях их можно разделить на 3 группы: элементы повышенной концентрации –Cr, Mn, Zn; средней –Cu, Ni, Pb, Cr; низкой – Hg.

При выборе вида растений для проведения детоксикации необходимо учитывать два фактора:

·                    толерантность различных видов растений по отношению к избытку содержания токсичных веществ в почве и размеры их накопления;

·                    воздействие не только на живые организмы, обитающие в почвенной толще, но и на культивируемые сельскохозяйственные растения. Высокая концентрация тяжелых металлов, находящихся в лабильном состоянии в почвенном растворе, способствует их поступлению через корневую систему в вегетативные органы возделываемых растений, что отрицательно сказывается на их состоянии. При большом накоплении тяжелых металлов в клетках сначала растения начинают вянуть, а затем погибают.

Показателем негативного воздействия многих элементов и соединений на живые организмы является их токсичность.

Токсичность и канцерогенность ─ это свойства элементов и соединений, отрицательно влияющие на живые организмы и приводящие к уменьшению продолжительности жизни. Количество, при котором химические ингредиенты становятся опасными для окружающей среды, зависит не только от степени загрязнения ими биосферы, то также от химических особенностей этих ингредиентов и от деталей их биохимического цикла. Для сравнения степени токсилогического воздействия химических ингредиентов на различные организмы пользуются молярной токсичностью, на которой основан ряд токсичности, отражающий увеличение молярного количества металла, необходимого для проявления эффекта токсичности при минимальной молярной величине, относящейся к металлу с наибольшей токсичностью.

Глобальный перенос токсикантов происходит через атмосферу и большие реки, несущие воды в океаны, землю, а ложи рек, морей и океанов служат резервуаром для их накопления. Факторами окружающей среды, влияющими на токсичность, являются температура, растворенный кислород, рН, жесткость и щелочность воды, присутствие хелатообразующих агентов и других загрязнителей в воде. Устойчивость живого организма по отношению к токсикантам может быть достигнута:

1) при уменьшении их поступления;

2) увеличении коэффициента его выделения;

3) переводе токсиканта в неактивную форму в результате его изоляции или осаждения.

Токсичность тяжелых металлов для живых организмов определяется как свойствами и уровнем концентраций элементов, так и их миграционной способностью в различных компонентах экосистемы, а также степенью накопления их в органах и тканях. В настоящее время из 92 встречающихся в природе химических элементов 81 обнаружен в организме животных и человека. При этом многие микроэлементы признаны эссенциальными, то есть жизненно необходимыми. В то же время большинство из них относится к тяжелым металлам, а при высоких концентрациях они проявляют сильную токсичность. Практически каждый элемент в зависимости от концентрации может оказывать положительное или отрицательное воздействие на живые организмы, к которым относится и канцерогенез.

Канцерогенез ─ это способность металла проникать в клетку и реагировать с молекулой ДНК, приводя к хромосомным нарушениям клетки
. Канцерогенными веществами являются никель, кобальт, хром, мышьяк, бериллий, кадмий. Различие в канцерогенной активности определяется биодоступностью металлопроизводных: наиболее потенциально активные соединения содержат ионы канцерогенных металлов, способные легко внедряться в клетки и воздействовать на молекулу ДНК.

По мнению Б.А. Ягодина, для комплексной оценки влияния тяжелых металлов для каждого элемента необходимо различать четыре уровня концентрации:

– дефицит элемента, когда организм страдает от его недостатка;

– оптимальное содержание, способствующее хорошему состоянию организма;

– терпимые концентрации, вызывающие начальную депрессию организма;

– губительное содержание для данного организма концентраций.

Кадмий
. Установлено, что кадмий в ничтожно малых количествах способен стимулировать остроту зрения, активизирует сердечно-сосудистую деятельность, регулирует содержание сахара в крови, но самое незначительное отклонение его от ультрамикродоз отрицательно сказывается на деятельности головного мозга. Он повышает кровяное давление и может быть причиной инсульта и развития онкологических заболеваний. При систематическом потреблении пищи с очень высоким
(1 – 2 мг/кг) содержанием кадмия у больных буквально рассыпаются кости от неосторожного резкого движения, иногда даже глубокой вздох может стать причиной перелома ребра. Повышенное содержание кадмия блокирует сульфогидрильные группы ферментов, нарушает обмен железа и кальция, нарушает синтез ДНК. Избыток кадмия в пище вызывает респираторные заболевания и почечную дисфункцию. В настоящее время установлены мутагенные и терратогенные свойства данного элемента. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) считает предельно-допустимым количеством поступление кадмия 1 мг/кг массы тела в сутки. По чувствительности к кадмию растения располагаются в следующем порядке: томаты < овес < салат< луговые травы < морковь < редька < фасоль <горох <шпинат.

Цинк
. Цинк обнаруживается во всех тканях организма животного, но больше накапливается в костях. Высокое содержание цинка отмечено в коже, волосяном и шерстяном покровах животных. Он ─ составная часть ферментов карбоангидразы, участвующей в связывании и выведении из крови диоксида углерода карбоксипептидазы поджелудочной железы и дегидрогеназы глютаминовой кислоты. Клиническими признаками недостатка цинка у детей и подростков является задержка роста и полового созревания, сухая, шерховатая кожа, долго незаживающие раны, повышенная восприимчивость к инфекциям, сонливость, депрессия, жидкий стул. Пониженное содержание цинка в крови может стать причиной ишемической болезни сердца. Установлено, что потребность в цинке возрастает при беременности, лактации и в подростковый период быстрого роста. Патологии, возникающие при избытке цинка в жизнеобеспечивающих средах, связаны большей частью со вторичным дефицитом кальция и других жизненно необходимых элементов. Избыточное поступление цинка в организм человека и животных сопровождается падением содержания кальция в крови и костях, а также нарушением усвоения фосфора, что приводит к развитию остеопороза. Высокие концентрации цинка могут представлять мутагенную и онкогенную опасность. Вдыхание паров оксида цинка вызывает повышение температуры, боли в суставах и мышцах, озноб, кашель и др. (цинковая лихорадка). Среднее содержание цинка в организме человека составляет
1,4 – 2,3 г. Дневная норма поступления в организм – 10 – 5 мг.

Медь
. Медь относится к группе жизненно необходимых для организмов элементов. В организме животного медь необходима для нормальной пигментации, формирования нервной ткани, воспроизводительной функции, а также участвует в синтезе гемоглобина, в процессах кроветворения. Повышает клеточную проницаемость. Входит в состав или является активатором ряда ферментов, оказывает влияние на процессы углеводного обмена, активность половых гормонов. Однако при высоких уровнях содержания обладает широким спектром токсичного действия с многообразными клиническими проявлениями. Решающую роль в механизме токсичного действия меди играет способность ионов блокировать SH-группы белков, в особенности ферментов, вызывает отравления. Острая интоксикация ионами Cu²⁺ сопровождается выраженным гемолизом эритроцитов. Интоксикации соединениями меди могут сопутствовать аутоиммунные реакции и нарушение метаболизма моноаминов. При малых концентрациях (6–15 мг/кг) меди в почве возможна анемия и заболевание костной системы, а избыток – более 60 мг –поражает печень и вызывает желтуху. Суточное потребление меди человеком должно составлять около 2 мг. Клинические признаки недостатка меди вызывают остеопороз, депигментацию волос и кожи, нарушение деятельности центральной нервной системы. Одной из причин гипертонического криза человека является повышенное содержание меди в сыворотке крови, но в то же время медь способствует заживлению ран, помогает при варикозных расширениях вен.

Молибден. Особо важная роль молибдена заключается в том, что он активизирует процессы связывания атмосферного азота клубеньковыми бактериями, живущими на корнях бобовых культур. Усиливает восстановление нитратного азота до аммония, а без последнего невозможен синтез белковых веществ в урожае. Нижним пределом содержания молибдена для большинства растений считается 0, 01 мг/кг сухого вещества, а для бобовых – 0,40 м/кг. Содержание молибдена ниже этих величин считается недостаточным. При недостатке молибдена в растениях нарушается азотный обмен, в тканях накапливается большое количество нитратов. Он является составной частью фермента ксантинооксидазы, который играет важную роль в обмене пуринов, а также нитратной редуктазы и бактериальной гидрогеназы животного организма. При избытке молибдена в корме у животных наблюдается сильная диарея, ухудшается общее состояние, прекращается рост, снижается молочная продуктивность, а иногда увеличивается ломкость костей. Содержание молибдена в расчете 3–10 мг/кг корма опасно для здоровья животных.

Кобальт. Положительно влияет на азотофиксирующую систему, увеличивает содержание хлорофилла в растениях. Особенно он необходим для бобовых культур и дает больший эффект на окультуренных почвах при содержании этого элемента около 1,0 – 1,1 мг/кг почвы. Очень важно применение кобальта для повышения диетической ценности продукции. Кобальт входит в состав витамина В₁₂. При недостатке этого витамина снижается формирование гемоглобина крови, белков, нуклеиновых кислот и, как следствие, животные заболевают сухоткой, авитаминозом. Малая концентрация кобальта в почве (
2 – 7 мг/кг) приводит к анемии, эндемическому зобу и недостаточному синтезу или к отсутствию витамина В₁₂. При недостатке кобальта у животных появляется тяжелая анемия, потеря аппетита, прогрессирующее истощение. Кобальт долго не задерживается в организме, поэтому отравление этим веществом происходит крайне редко.

Марганец
. Исследованиями установлено положительное воздействие марганца на фотосинтез, он увеличивает содержание сахаров и хлорофилла. Марганец усиливает интенсивность дыхания растений, улучшает отток сахаров, способствует передвижению фосфора из старых листьев к молодым, а также к репродуктивным органам. Он повышает водоудерживающую способность тканей, уменьшает транспирацию, влияет на плодоношение растений. Марганец концентрируется в костях, печени, почках, поджелудочной железе, гипофизе животных, реагирует и активизирует ряд ферментативных процессов, связанных с обменом белков, жиров, углеводов. При недостатке и избытке марганца в человеческом организме возникают некоторые заболевания. Так, атеросклерозу сопутствуют повышенное содержание в крови марганца и железа, а сахарный диабет, наоборот, сопровождается падением концентрации марганца в крови. Содержание марганца в природных водах колеблется от сотых долей до 1 – 2 мг/л.

Хром и литий –
вещества,относящиеся к необходимым микроэлементам для активной жизнедеятельности организма. Ежедневная и достаточная доза хрома обычно для большинства здоровых людей составляет 0,05 – 0,2 мг. Устранение хрома из рациона животных приводит к накоплению глюкозы в крови и моче. Подобная картина свойственна сахарному диабету, когда в организме не вырабатывается инсулин. Клиническим признаком дефицита хрома считается нарушение утилизации глюкозы. Избыток хрома в организме человека вызывает рак легких, злокачественные образования желудочно-кишечного тракта, дерматиты.

Литий регулирует психическую деятельность человека, снимает стрессовое состояние и лечит маниакально-психозные нарушения, шизофрению. Этот элемент принимает участие в метаболизме азотсодержащих веществ, белков и нуклеиновых кислот, способствует увеличению содержания общего и белкового азота, важнейших аминокислот, а также значительно влияет на метаболизм биоколлоидов протоплазмы.

Ртуть. Ртуть обладает широким спектром и большим разнообразием клинических проявлений токсичного действия в зависимости от количества и свойств соединений, в виде которых она попадает в организм, а также пути поступления. В основе механизма действия ртути лежит блокада биологически активных групп белковой молекулы (сульфгидрильных, аминных, карбоксильных) и низкомолекулярных соединений с образованием обратимых комплексов, характеризующихся нуклеофильными лигандами. По степени токсичности различают следующие формы соединений ртути:

металлическую (элементарную);
неорганические соединения;
органические соединения.

Металлическая ртуть представляет большую опасность для человека из-за паров. Острые отравления парами выражаются общей слабостью, головной болью, болями при глотании, металлическим вкусом во рту, повышенной температурой, катаральными явлениями со стороны дыхательных путей (ринит, фарингит, реже бронхит). Затем развивается геморрагический синдром. Присоединяются болезненность десен, резко выраженные воспалительные изменения полости рта, желудочные расстройства, признаки поражения почек, реже воспаления легких. Отмечают нейротоксичность от паров ртути, особенно страдают ею высшие отделы нервной системы.

Неорганические соединения ртути малолетучи, поэтому опасность большей частью представляет поступление во внутрь организма с пищей и водой, а также через кожу. При воздействии на человека даже незначительно превышающих санитарную норму концентраций паров ртути или её солей в течение нескольких месяцев, а иногда и лет возникает хроническое отравление ─ меркуриализм. При хронических отравлениях в первую очередь поражается центральная нервная система, следствием чего является быстрая утомляемость, головные боли, ослабление памяти. Постепенно развивается усиливающееся при волнении дрожание (ртутный тремор) пальцев рук, затем век, губ, в тяжелых случаях ─ ног и всего тела.

Наиболее опасны ртутьорганические соединения, поскольку их токсичное действие проявляется и становится заметным лишь спустя нескольких недель. При этом характерны эмоциональные и психические расстройства. Появляется возбудимость, раздражение, неспособность сосредоточиться, боязливость, чувство усталости, повреждения рассудка, носовые кровотечения, поражения глаз. У взрослых людей при попадании во внутрь организма около 350 мг ртути возможен летальный исход. Метил-ртуть относится к соединениям с ярко выраженным терратогенным действием (уродство).

Величина ПДК, установленная ВОЗ для ртути при поступлении в организм с пищей, равна 5 мкг на 1 кг массы тела за неделю.

Селен. В отдельных районах страны кислые почвы содержат избыточное количество селена, на которых растет ядовитая растительность, опасная для животных. В таких кормах селен замещает серу в аминокислотах–метионине и цистине. Последние, не включаясь в белковый обмен животных, способствуют выпадению волос и ногтей, шерсти и копыт. Такое явление наблюдается при избытке этого микроэлемента в растениях, его содержание не должно превышать 5∙10^–6 %. Ежесуточного поступления селена с кормом для животных до 2 мг вполне достаточно, чтобы вызвать признаки хронической интоксикации. Селен ─ единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека. Известны случаи массовой гибели овец в течение одной ночи, которые паслись в пределах селеновой геохимической аномалии. Из-за высокого содержания селена смертельно ядовитым является гриб бледная поганка, который по уровню своего действия превосходит укус гюрзы. Селен – в высшей степени токсичный элемент и принадлежит к числу биофилов, который обязательно присутствует в любом организме. У животных, не получивших селена, разрушаются красные кровяные тельца. Значительная концентрация его в сетчатке глаза говорит о том, что он необходим для восприятия света.

Мышьяк. Ядовитое высокотоксичное вещество, который вызывает у человека рак легких, кожные болезни, заболевание крови (белокровие). Ингибирует различные ферменты, отрицательно действует на метаболизм.

Никель способствует респираторным заболеваниям, астме, нарушению дыхательной защитной системы, появлению рака носа, легких, врожденные пороки, ингибитор оксидаз, обладает мутагенным свойством.

Ванадий приводит к раздражению дыхательных путей, к астме, нервным расстройствам, а также изменению формулы крови.

Таллий вызывает нарушение общего обмена веществ, он сильно токсичен по отношению к растениям и животным.

Избыток бериллия способствует появлению дерматитов, язв, вызывает воспаление слизистых оболочек.
8.6. Болезни человека, связанные с влиянием среды обитания на его психическое состояние

Помимо факторов окружающей среды, воздействие которых мало зависит от отдельного человека, существуют так называемые факторы добровольного риска, которым люди подвергают себя в процессе курения, употребления наркотиков и алкоголя.

Курение – это вредная привычка, которая приводит к дополнительному загрязнению воздуха токсичными веществами. Количество курильщиков, выкуривающих ежегодно 5 триллионов сигарет, уже превысило в мире уже несколько миллиардов.

Табачный дым содержит свыше 4000 химических соединений, более сорока из них вызывает рак, а несколько сотен являются ядами – никотин, цианид, мышьяк, формальдегид, углекислый газ, оксид углерода, синильная кислота и др. В сигаретном дыме присутствуют радиоактивные вещества. Никотин – один из сильнейших ядов. После проникновения сигаретного дыма в лёгкие никотин, попадает в мозг через 7 сек. Постоянное и длительное курение приводит к преждевременному старению. Нарушение питания тканей кислородом, спазм мягких сосудов делает характерной внешность курящего – желтоватый оттенок белков глаз и кожи, преждевременное её увядание.

Воздействие на организм некоторых веществ, которыми курильщики добровольно отравляют себя, показано табл.8.5.

Оксид углерода (СО) взаимодействует с гемоглобином крови, который связывает его 200 раз прочнее, чем кислород. Из-за чего ткани тела получают значительно меньше кислорода. У того, кто выкуривает пачку сигарет в день, 6 % гемоглобина связывается с СО в карбоксигемоглобин. Наличие в пище курильщика нитратов ещё более снижает содержание кислорода, превращая гемоглобин в метгемоглобин, неспособный транспортировать кислород.

Таблица 8.5. Токсичные и канцерогенные вещества в дыме сигарет
(П. Ревель, Ч Ревель, 1995)

Вещества

Характеристика действия

Оксид углерода

Оксид азота

Цианистый водород

Аустальдегид

Кадмий

Мышьяк

Свинец

Формальдегид

Гидрозин

Хлористый

Уретан

- нитропропан

Хинолин

Нитрозамины

Бенз(а)пирен

5-метилхризен

Полоний -210 (радиоактивный)

Висмут (радиоактивный)

Токсичное

Токсичное

Токсичное

Токсичное

Токсичное

Токсичное

Токсичное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Канцерогенное

Никель, мышьяк, кадмий, свинец также попадают в лёгкие с дымом сигарет. Мышьяк и свинец некоторое время использовались как пестициды при выращивании табака. Содержание свинца в сигарете составляет около 13 мкг.

Выкуривая 20 сигарет в день, человек вдыхает около
300 мкг свинца. Свинец и мышьяк, всасываясь в кровь, могут накапливаться и постепенно отравлять организм. В пачке сигарет содержится 30 – 40 мкг кадмия и 85–150 мкг никеля. Кадмий нарушает использование организмом кальция (болезнь суставов), способствует повышению давления и вызывает болезни сердца. По данным страховой компании США (1979 г.), смертность среди курильщиков выше вдвое, чем среди некурящих такого же возраста. Особенно часто подстерегают курильщиков скоропостижные смерти от сердечных приступов и кровоизлияний в мозг, нередки у них и желудочно-кишечные язвы.

Большой вред наносит курение беременным женщинам – у них дети рождаются с малым весом, больше выкидышей и случаев мертворождения. Всё это вызвано недостатком кислорода в крови курящей матери. В первую очередь курение затрагивает лёгкие: эта одна из главных причин эмфиземы и рака лёгких (85 % случаев). Курильщики часто болеют и раком гортани, пищевода, ротовой полости, мочевого пузыря, почек, поджелудочной железы.

При «пассивном курении» (пребывание в сильно прокуренном помещении) некурящие люди за 1 час вдыхают столько никотина и оксида углерода, сколько бы они могли получить, если бы сами выкурили сигарету.

Алкоголизм носит ярко выраженный глобальный характер.

Чарльз Дарвин писал: «… если в народе наблюдается перевес беспечных, порочных и вообще худших членов общества над лучшим классом людей, то нация начнёт регрессировать, как и случалось несколько раз в истории мира».

По данным международной статистики, пристрастившееся к алкоголю человечество, сейчас всё больше и в большей степени становится её жертвой. Наибольший вред здоровью наносят крепкие напитки, содержащие, как правило, сивушные масла. Смертность от злоупотребления алкоголем стоит на третьем месте в мире после сердечно-сосудистых и раковых заболеваний.

Например, в США ежегодно умирает более 100 тыс. алкоголиков, в том числе от цирроза печени – 14 тыс., 20 – 25 тыс. жителей гибнут на дорогах по вине пьяных водителей. Примерно такая же, если не хуже, картина наблюдается в России.

Массовое и регулярное употребление алкоголя может иметь опасные генетические последствия. Всего 90 мл алкоголя в день или однократное применение спиртного в большом количестве во время беременности могут вызвать алкогольный синдром у плода. У таких детей наблюдается замедленный рост, отставание в умственном развитии и другие дефекты. Кроме того, алкоголь взаимодействует с табачным дымом и сильно увеличивает при этом опасность возникновения рака полости рта, гортани, пищевода, желудка. Нельзя забывать и об аллергенах, содержащихся в спиртных напитках: дрожжи, солод, меласса, пряности, сульфаты, рыбный клей.

В настоящее время серьёзной проблемой стал женский алкоголизм. Женский организм быстрее привыкает к алкоголю, чем мужской, из-за меньшего количества защитных ферментов. А самое страшное – это подростковый и детский алкоголизм. В США 91 % шестнадцатилетних учащихся начинают употреблять алкогольные напитки, примерно такая же тенденция в Канаде и Российской Федерации.

Наркомания по определению ВОЗ является состоянием периодической или хронической интоксикации, вредной для организма человека, вызванной употреблением наркотического вещества (естественного или синтетического происхождения). Условия, при которых человека следует считать наркоманом, следующие:

1) непреодолимое влечение к токсиканту;

2) нарастающая толерантность – повышение дозы;

3) невозможность воздержаться от наркотика и его воздействия, внезапное прекращение приёма вызывает тяжёлое физическое, а также невыносимое состояние (так называемую «ломку»).

Привыкание к таким сильнодействующим наркотическим средства, как морфин, кокаин, героин, марихуана и др. обычно сочетается с пристрастием, то есть непреодолимым стремлением больного прибегнуть к новому приёму этих препаратов. При повторном введении таких веществ в организм у больного возникает временное улучшение самочувствия, но это быстро проходит и снова требуется доза. Потребность в наркотиках не проходит и даже не уменьшается; она возрастает – возникает психическая и всё более возрастающая зависимость от наркотика.

Длительное употребление наркотических препаратов приводит к общему истощению, ослаблению организма, нарушениям деятельности желудочно-кишечного тракта, снижению и нарушениям половой функции, ослаблению умственной деятельности, утрате способности к труду, общей слабости и раздражительности. Примерно в 15 % всех случаев наркомании устанавливается наличие психических расстройств.

К факторам, способствующим началу приёма наркотиков относятся:

- доступность наркотиков и их скрытая реклама;

- одобрительное отношение со стороны друзей к приёму наркотических препаратов;

- обилие информации о действии препарата и источниках их получения;

- рост числа не только неблагополучных семей, но и богатых;

- неблагоприятная окружающая среда, действие некоторых мутагенов.

У наркомании есть черта, связанная с тем, что эта болезнь коллективная. Если наркоман попадает в какую-нибудь компанию, то он сможет пристрастить к этому «зелью» и других. Специалисты считают, что закоренелый наркоман до своей смерти успевает приобщить ещё 10 – 15 человек. Наиболее часты случаи наркомании среди лиц эмоционально неустойчивых или истеричных. Эти лица и прибегают к поиску средств, облегчающих их состояние, снимающих их тягостное состояние.

Склонны к приёму наркотических средств личности с психическими чертами, невротики. Особенно часто это пристрастие закладывается в подростковом возрасте, для которых характерны негативное отношение к словесному воздействию и отрицание принятых критериев, авторитетов. В этот период чрезвычайно возрастает значение микросреды, чувства возрастного коллективизма. Влияние «своей группы», стремление не отстать от сверстников, определённая мода, любопытство и зачастую сильное желание получить удовольствие и от скуки, под воздействием которой подросток готов пойти на любое безрассудство – вот основные причины приобщения молодого поколения.

У взрослых наркоманов причина болезни кроется в нежелании изменить образ жизни, избежать трудностей, то есть в потребности уменьшения напряжённости. Действие наркотиков во многом зависит от дозы. Она различна в разных участках мозга. Эффект разных наркотиков также неравнозначен. Употребление лёгкого наркотика неизбежно заканчивается переходом к более сильному. Согласно статистике, время с начала приёма наркотиков до летального случая (при отсутствии клинического лечения) не превышает 10 – 15 лет. Отсюда вывод – старых наркоманов не бывает.

Основным правилом наркомании и токсикомании является госпитализация независимо от того, находится ли больной в состоянии острого отравления или психоза. Профилактика и борьба с наркоманией требует постоянных усилий педагогов, психиатров, наркологов, врачей общемедицинской сети, мировой общественности, работников правоохранительных органов и органов власти.

Наркоманы являются основными носителями ВИЧ-инфекции, а значит, распространителями по всему миру СПИДа. Носителями ВИЧ-инфекции, по последним данным, является более 100 млн человек, а от него уже умерло более 10 млн чел.

Экологический СПИД человечества

Возможности адаптационного механизма человека и человеческой популяции в целом почти неограниченны. Однако если скорость изменения существенных параметров окружающей природной среды (V_опс) окажется больше максимально возможной скорости адаптации популяции (V_ап), то система, согласно исследованиям академика Ю.М. Горского, станет уязвимой. Человечество ныне оказалось перед фактом, что V_опс > V_ап, отсюда невозможность для отдельного человека и систем жизнеобеспечения приспособиться к лавинообразной трансформации внешней среды. При этом специалисты в области генетики указывают на необходимость учёта ещё двух моментов, которые вызваны спецификой наследственного аппарата:

1) патологические сдвиги в иммунной системе не только могут передаваться по наследству, но при неблагоприятных условиях имеют тенденцию к накапливанию;

2) мужская особь вследствие особенностей механизма адаптации будет больше страдать от экономического прессинга.

ВОЗ установила, что здоровье человека на 20 % зависит от его наследственности, на 20 % – от состояния окружающей природной среды, на 50 % от образа жизни и на 10 % от медицины. Из-за лавинообразного нарастания последствий экологического прессинга в ряде регионов РФ специалисты ожидают, что в течение последующих пяти лет роль экологических факторов возрастает до 40 – 45 %, до 30 % увеличится действие генетического фактора – за счёт негативного изменения генетического аппарата.

Всё это уменьшит до 25 % возможности поддержания здоровья за счёт оптимального образа жизни и до 5 % снизить роль медицины. Признаётся, что если повреждение генетического аппарата у новорождённых достигает 10 %, то неизбежно начнётся вырождение нации. Сегодня по экспертным оценкам этот предел в некоторых зонах экологического бедствия России уже превышает в 2 – 3 раза.

Как известно, СПИД (синдром приобретённого иммунного дефицита) вызывается вирусом ВИЧ. Если оценивать это явление с информационных позиций, то СПИД можно рассматривать как снижение эффективности иммунной системы человеческого организма. Исследования показали, что деградация окружающей природной среды вызывает угнетение и даже разрушение последней. Поэтому, по Ю.М. Горскому, нет принципиальной разницы, вызывается подавление иммунной системы вирусом ВИЧ или экологическим прессингом. Это дало ему возможность сформулировать понятие экологического синдрома приобретённого иммунного дефицита (ЭСПИД).

Лавинообразный технократический прогресс вызывает лавинообразную глобальную деградацию природы, а это, в свою очередь способствует лавинообразному снижению иммунного статуса популяции. Интеграция всех этих процессов ведёт к снижению интеллекта популяции и замедлению темпов прогресса.

В современном мире люди в значительной мере страдают от «средовых» болезней, порождённых неблагоприятной экологической обстановкой. Огромный ущерб наносят токсичные вещества, содержащиеся в табаке, наркотиках и алкоголе, воздействию которых человек подвергает себя добровольно.

Можно сделать вывод, что наиболее хрупкими в условиях экологических кризисов и катастроф оказываются иммунная система и интеллектуальный статус человека. Это обстоятельство, если не принять надлежащих мер, способно приблизить начало гибели цивилизации.

Вопросы для самоконтроля

Как влияет состояние биосферы на развитие болезней человека?
Какие химические соединения наиболее опасны для здоровья людей?
В чём заключается опасность воздействия тяжёлых металлов на здоровье населения?
Чем опасны для людей нитраты и их производные?
Какие физические и биологические факторы негативно воздействуют на состояние здоровья человека и в чём их опасность?
Какие болезни Вам известны, которые связаны состоянием среды обитания и психическим состоянием людей?

ГЛАВА 9. ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ЭКОНОМИКИ
И ЭКОЛОГИИ

9.1. Взаимосвязанность экологии и экономики

Не существует никакой стоимости, которая не содержит экологической сущности или в создании которой в той или иной форме не участвуют условия и факторы окружающей среды, не существует труда вне его биологической природы и экологической обусловленности.

До недавнего времени в нашем государстве отсутствовали эффективные экономические рычаги, способствующие сохранению и рациональному использованию окружающей природной среды.

Сегодня в РФ создан и функционирует экономический механизм охраны окружающей среды, который ориентирован на рыночную экономику, соответствующий критериям переходного периода к ней. Главная особенность этого механизма – ориентация не на централизованное плановое финансирование из государственного бюджета, а централизованное и направленное на экономические методы его регулирования.

Новая структура экономического механизма охраны окружающей среды сочетает в себе как ранее действующие нормы и нормативы (природоресурсные кадастры, материально-техническое обеспечение и т.д.) (рис.9.1), так и новые экономические стимулы (экономические фонды, плата за пользование природными ресурсами, экономическое страхование и др.) (рис.9.2).

Кадастры и реестры природных ресурсов и ведущие их организации

Рис.9.1. Перечень основных природных кадастров, реестров и ведущих их организаций

Рис.9.2. Структура экономического механизма охраны окружающей природной среды (по В.В. Петрову)
Согласно ФЗ РФ «Об охране окружающей среды»
(2002 г.) основными задачами экономического механизма охраны окружающей среды являются следующие:

– планирование и финансирование природоохранительных мероприятий;

– установление лимитов на размещение отходов, объёмов выброса и сброса загрязняющих веществ;

– установление нормативов платы и размеров платежей за выбросы и сбросы загрязняющих веществ, размещение отходов и другие виды вредного воздействия на окружающую среду, и здоровье населения;

– предоставление налоговых, кредитных и иных льгот при внедрении.

малоотходных и ресурсосберегающих технологий, нетрадиционных видов энергии и осуществлении других эффективных мер по охране окружающей природной среды;

- возмещение вреда, причинённого окружающей природной среде и здоровью населения.

По мнению многих учёных, главная специфическая особенность нового экономического механизма сделать охрану окружающей природной среды составной частью производственно-коммерческой деятельности, чтобы хозяйственник или предприниматель был заинтересован в ней не меньше, чем он заинтересован в выпуске конкурентоспособной продукции.

9.2. Эколого-экономический учёт природных ресурсов и загрязнителей

Экономические, экологические и некоторые другие показатели природных ресурсов обычно обобщают в виде отдельных кадастров.

Кадастр – это систематизированный свод сведений, количественно и качественно характеризующих определённый вид природных ресурсов или явлений, в ряде случаев с их социально-экономической оценкой.

Кадастры составляют специально уполномоченные органы Госкомэкологии РФ для комплексного учёта природных ресурсов на территории республик, краёв и областей, рационального использования, дифференциации платы за ресурсы и т.д. Различают следующие виды кадастров: земельный, водный, лесной, недр, животного мира, медико-биологический, промысловый и другие.

Земельный кадастр включает данные регистрации землепользователей (собственник, пользователь, арендаторы), учёта количества и качества земель, бонитировки (качественной оценки земель).

Водный кадастр – это свод систематизированных данных о водных объектах, водных ресурсах, режиме, качестве и использования вод, а также о водопользователях. Он включает три раздела:

1)
поверхностные воды;
2) подземные воды; 3) использование вод.

Источником сведений для составления и пополнения водного кадастра служит сеть наблюдательных гидрологических постов и режимных станций. Полученные данные обрабатывают с помощью специальной автоматизированной информационной системы и доводят её до потребителя.

Лесной кадастр – это свод данных о лесах, степени их вовлечения в эксплуатацию, качественном составе, запасах древесины, ежегодного его прироста и т.д. С помощью кадастра оценивают эколого- экономическое значение лесов, решают вопросы охраны лесных ресурсов и другие практические вопросы (выбор лесосырьевых баз и т.д.).

В последнее время встал вопрос о необходимости учёта размещения промышленных отходов по составу и степени токсичности, а также регистрации загрязнений окружающей среды – ксенобиотиков.

При этом объектом регистрации должны служить все опасные и потенциально опасные вещества, как произведенные на территории России, так и ввозимые из-за рубежа.

Красные книги животных и растений являются своеобразными кадастрами по учёту и сохранению биоразнообразия на планете. Красные книги являются официальными документами, которые содержат систематизированные сведения о животных и растениях всего мира, отдельных регионов и стран, состояние которых вызывает опасение за их будущее.

Международный союз природы и природных ресурсов (МСОП), созданный по инициативе ООН в 1948 г., постоянно работает над Красной книгой. Включённые в неё виды подразделяются на пять категорий:

1) исчезающие виды – находящиеся под серьёзной угрозой исчезновения; их спасение невозможно без специальных мер охраны и восстановления (эти виды описаны на красных страницах);

2) редкие виды – находящиеся под прямой угрозой вымирания, но сохранившиеся в небольшом количестве или на ограниченных территориях;

3) виды, находящиеся под угрозой уничтожения – численность которых быстро и неуклонно падает (жёлтые страницы);

4) неопределённые виды – очевидно, находящиеся под угрозой исчезновения, но достоверных фактов о состоянии популяции нет (серые страницы);

5) восстанавливающиеся виды – зелёные страницы.

Занесение в Красную книгу МСОП того или иного вида животных и растений есть признание факта, что этот вид действительно нуждается в постоянной заботе. Более того, каждое государство, на территории которого обитает вид, занесённый в Красную книгу МСОП, несёт моральную ответственность перед всем человечеством за сбережение этого природного сокровища.
9.3. Новые механизмы финансирования
охраны окружающей природной среды

Платность природных ресурсов – важнейший элемент нового механизма финансирования, ориентированного на рыночные реформы. К числу других важных экономических стимулов необходимо отнести экологическое страхование.

Плата за использование природных ресурсов

Плата за выбросы, сбросы, размещение отходов является формой компенсации ущерба, наносимого загрязнением окружающей природной среде. Взимание платы за загрязнение окружающей среды осуществляется во исполнение Закона «Об охране окружающей среды» и в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 12. 06. 2003 г. № 344 «О нормативах платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными и передвижными источниками, сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты, размещение отходов производства и потребления».

Налоговый кодекс РФ предусматривает в дальнейшем замену платы за загрязнение окружающей природной среды налоговым платежом за природопользование. Но пока определены три вида платежей за загрязнение окружающей среды:

в размерах, превышающих установленные природопользователю допустимые нормативы выбросов, сбросов загрязняющих веществ, объемы размещения отходов, уровни вредного воздействия;
в пределах установленных лимитов (временно согласованных нормативов);
за сверхлимитное загрязнение окружающей среды (штрафы).

Порядок разработки и утверждения экологических нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, лимитов использования природных ресурсов, размещения отходов определён Постановлением Правительства РФ «Об утверждении порядка разработки и утверждения экологических нормативов выбросов и сбросов загрязняющих веществ в окружающую природную среду, лимитов использования природных ресурсов, размещения отходов». Экологические нормативы представляют собой установленные предприятиям-природопользователям на определённый срок объемы предельных выбросов, сбросов загрязняющихвеществ в окружающую среду и нормативы размещения отходов производства.

В соответствии с порядком определения платы и её предельных размеров за загрязнение окружающей среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия Министерством природы РФ по согласованию с Министерством экономики были установлены базовые нормативы платы:

за выброс в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников загрязнения в пределах допустимых нормативов выброса и в пределах установленных лимитов (временно согласованных выбросов);
за сбросы загрязняющих веществ в поверхностные и подземные водные объекты в пределах допустимых нормативов сброса и пределах установленных лимитов;
за размещение отходов.

На основе базовых нормативов с учётом коэффициентов, отражающих экологические факторы, органами исполнительной власти субъектов Федерации утверждаются дифференцированные ставки платы.

В соответствии с Постановлением Правительства «Об утверждении положения о составе затрат по производству и реализации продукции (работ и услуг), включаемых в себестоимость продукции (работ и услуг), и о порядке формирования финансовых результатов, учитываемых при налогообложении прибыли», устанавливаются следующие источники платы за загрязнение окружающей природной среды:

─ за счёт себестоимости осуществляются платежи в пределах допустимых нормативных выбросов, сбросов, размещение отходов;

─ за счёт прибыли, остающейся в распоряжении природопользователя, осуществляются платежи за превышение допустимых нормативных выбросов, сбросов, размещения отходов.

В себестоимость продукции (работ и услуг) включаются также текущие затраты, связанные с содержанием и эксплуатацией объектов природоохранного назначения, очистных сооружений, золоуловителей, фильтров и других природоохранных объектов, расходы на захоронение экологически опасных отходов, оплата услуг сторонних организаций за прием, хранение, уничтожение экологически опасных отходов, сточных вод, другие виды природоохранных затрат.

Вопросы перечисления платы за загрязнение окружающей среды регламентируются следующими документами:

порядок направления предприятиями, учреждениями, организациями, гражданами, иностранными юридическими лицами и гражданами средств в государственные внебюджетные экологические фонды, утвержденный Минприроды и Минфином;
порядок перечисления 10%-й платы за загрязнение окружающей среды в доход бюджета РФ, утверждённый Минприроды и Минфином.

Согласно названным документам платежи за загрязнение окружающей среды в экологические фонды и в федеральный бюджет ежеквартально перечисляются предприятиями в плановом порядке. По истечении отчётного квартала производится перерасчёт платежей в соответствии с фактическим загрязнением, произведённым природопользователем. При нарушении сроков внесения платежей предприятие-плательщик уплачивает пени в размере 0,3 % за каждый день просрочки. Плату за загрязнение окружающей среды определяют по всем веществам за квартал, а затем суммируют за год. Для веществ, выбросы которых не превышают разрешенных, расчёты платы П_i, рублей/квартал, рублей/год, ведут по массе М_i            — т/квартал или т/год.

Согласно ст. 20 этого закона плата за природные ресурсы (земля, вода, леса и т.д.) взимается сброс, выброс и хранение отходов в пределах установленных лимитов и при рациональном использовании природных ресурсов, который рассчитывается по следующей формуле:

П_i = Ц_i × К_э × М_i_å ,

где Ц_i – базовая цена выброса 1 т/ руб. (по нормативам, например, СО – 0,6, при превышении лимита –3 NO₂– 152 руб., сверх лимита – 260 руб.; NO – 35 и 175 руб.; SO₂ – 40 и 200 руб., за золу – 103 и 515 руб. и т.д.);

К_э –коэффициент экологической ситуации для данной местности      (К_э – для Центрального района равен 1,9 (в городах 2,28), Уральского – 2 (2,4), Северо-Кавказского – 1,6 (1,92)). Данная плата идёт за счёт себестоимости продукции.

Если выбросы превышают разрешённые, то плата подсчитывается за весь дополнительный выброс и производится за счет прибыли и рассчитывается по следующей формуле:

П_i = Ц_i × К_э × М_пдв_i+ 5 (min) × Ц_i × К_э × (М_i_∑─ М_пдв_i).

За сверхдопустимые лимитные выбросы особо опасных загрязняющих веществ штрафные санкции увеличиваются до
25 раз.
П_i = Пi · К_э· М_ПДВ+ 25 (max) · П_i· К_э· (М_i ─M_ПДВ).

Плата за выброс передвижными источниками определяется:

,

где, П_{П. ИСТ} – удельная плата за допустимые выбросы загрязняющих веществ образующих при использовании 1 т I-го вида топлива, руб;

J – вид топлива; I – вид загрязняющего вещества (I = 1,2,3…n);

Н^{Б АТМ} – базовый норматив платы за выброс 1 т загрязняющего вещества в размерах, не превышающих ПДН выбросов, руб;

М_I^.ТРАНС – масса I-го загрязняющего вещества, содержащегося в отработанных газах технически транспортного средства, отвечающего действующим стандартам и техническим условиям завода-изготовителя, при использовании 1 т J-го вида топлива.

Плата за сохранение и размещение отходов (П₀) определяется по формуле,

где i – вид отхода ( I = 1,2,3…n); C_л_I – ставка платы за размещение 1 т I-ого         отхода в пределах установленных лимитов, руб;

М_л_i – общее количество размещения данного отхода.

Законом РФ «Об охране окружающей среды» предусмотрена плата за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ и размещение отходов как в пределах, так и сверхустановленных лимитов (рис.9.3).

За разрешенные выбросы и сбросы платежи производятся за счёт себестоимости продукции предприятия, за сверхлемитные за счёт прибыли, которая получена предприятием-загрязнителем.

При этом из общей суммы 90 % платежей перечисляют во внебюджетные экологические фонды, а 10 % – в доход федерального бюджета. В случае убыточности предприятия-загрязнителя платежи производятся за счёт всех имеющихся у него средств, на которые может быть обращено взыскание. Территориальные органы Минприроды РФ и органы санэпиднадзора вправе приостановить (или прекратить) деятельность таких предприятий, для которых размер платежей превышает прибыль, оставляемую в их распоряжении.

Рис.9.3. Виды и формы платы за природные ресурсы (по
Т.А. Акимовой и др, 2001 г.)

Поскольку платежи взимаются за счёт себестоимости продукции или прибыли, они должны стимулировать предприятие-загрязнитель к сокращению выбросов (сбросов) загрязняющих веществ и отходов.

Именно в этом должен быть главный ключ экологизации хозяйственной деятельности, благодаря которому можно сделать защиту окружающей среды экономически выгодным делом.

Экологические фонды

Для реализации различных природоохранных задач: восстановления потерь в природной среде, компенсации вреда здоровью граждан, строительство очистных сооружений, материального обеспечения эколого-просветительного направления и т.д. – создана единая система внебюджетных государственных экологических фондов. Фонды функционируют за счёт отчислений предприятий в виде платы за выбросы (сбросы) загрязняющих веществ, реализации конфискованных орудий охоты и рыболовства, других источников. Большая часть средств экологических фондов идёт на реализацию природоохранительных мероприятий.

Экологические фонды способствуют также развитию таких прогрессивных механизмов финансирования природоохранной деятельности как:

1) вложение средств на формирование начального капитала предприятий, создаваемых для производства продукции природоохранного назначения;

2) выдачу гарантий коммерческим банкам по ссудам и кредитам предприятиям на реализацию природоохранных проектов.

Экологическое страхование

По закону ФЗ РФ «Об охране окружающей природной среды» (1991 г.) предприятия, а также граждане имеют право на получение страхового возмещения (при добровольном или обязательном страховании) в случаях техногенных катастроф, аварий и стихийного бедствия. Однако предприятие может быть лишено права на страховое возмещение, если оно неоднократно предупреждалось о возможности аварии, но не приняло никаких предупредительных мер. Таким образом, экологическое страхование выполняет (экономически) стимулирующие функции, побуждая предприятия к сохранению природных ресурсов и охране природной среды (рис.9.3).

Всё более актуальными становятся такие важные природоохранные проблемы, как страхование риска загрязнения окружающей природной среды, страхование инвестиций в экологически рискованные проекты, выбор приоритетных объектов экологического страхования. Развиваются и другие формы экологического страхования.

По А. Голубу (1991 г.), в условиях перехода к рынку комплекс экологических мер по отношению к окружающей природной среде должен носить поэтапный характер. Всего предусматривается 4 этапа.

Первый этап – это освоение выпуска новой природоохранной техники, создание основы службы экологического мониторинга. Первый этап в основном преодолён.

На втором этапе – совершенствование платёжного режима природопользования; формирование рынка экологических услуг; определение приоритетных проблем с точки зрения долгосрочного развития приватизационной части природно-ресурсного потенциала; реформы механизма ценообразования на природное сырьё; усиление службы государственной экологической экспертизы.

На третьем этапе – формирование рынка природоохранного оборудования и экологических технологий. На четвёртом этапе – начало реализации долгосрочной эколого-экономической стратегии.

Экологическая обусловленность экономики

Современная эколого-экономическая ситуация указывает на необходимость замены сложившегося техноцентрического образа экономики на устойчивый экологически сбалансированный тип хозяйственного развития. Необходим пересмотр приоритетов как в макро-, так и в микроэкономике. При этом вся макроэкономика должна быть включена в макроэкологию. Их независимость друг от друга становится всё более мнимой. К этому факту придётся привыкать не только экономистам, но и экологам.

Основу макроэкономики образуют два фундаментальных фактора:

1) материальные потребности людей и всего общества безграничны и неутомимы;

2) материальные ресурсы – эти средства удовлетворения потребностей – ограничены и редки.

Эти факторы охватывают всю проблему экономики, в которой находит своё отражение экономический критерий оптимальности – максимально возможное удовлетворение потребностей при ограниченности ресурсов. Но именно эта основа макроэкономики стала центральной проблемой экологии, так как развитие цивилизации и особенно современной экономики вызвало большой объём надбиологического потребления. А большая часть ресурсов техносферы – небиологических ресурсов – до и после переработки их человеком не пригодна для естественной ассимиляции в экосфере. Данные факторы, умноженные на большую численность людей, которая отчасти также вызвана экономикой, стали главными причинами нарушения природного равновесия и ухудшения качества окружающей среды.

Зависимость экономики от ресурсов биосферы

Уровень благосостояния людей определяется всеми факторами общественной жизни, но прежде всего – первичными, экологически значимыми факторами жизнеобеспечения – пищей, водой, одеждой, жилищем. Они формируют наиболее постоянную, базисную часть структуры потребностей. В расчёте на одного человека эта часть потребления относительно мало связана с экономическим ростом.

Исторически весь экономический рост, относимый к одному человеку, почти полностью вызван нарастанием использования надбиологических ресурсов, источников вторичных средств потребления. Это связано с огромным расширением эксплуатации ресурсов недр. Техносфера разрослась именно на этой основе. Отсюда возникает впечатление роста независимости экономики от ресурсов экосферы. Действительно совокупность отраслей, обеспечивающих первичные потребности: сельское хозяйство, отчасти пищевая, лёгкая промышленность и коммунальное хозяйство – в большинстве развитых стран образуют не самый большой сектор экономики, во всём мире в целом равен 32 % по суммарному вкладу в ВВП. Но на это можно посмотреть совсем по иному: без этого сектора невозможно существование современного общества.

Самые важные потребности человека – это пища, кислород, одежда, вода и жилище – как и тысячелетия, удовлетворяются они в основном продуктами живой природы. Нефть, газ и уголь – это тоже продукт живых организмов, существовавших в геологическом прошлом Земли.

То, что теперь многие из этих продуктов мы получаем не из девственной природы, а на полях и фермах, отражает не столько уменьшение зависимости от естественных биологических процессов, сколько от перераспределения человеческого труда. Благодаря деятельности микроорганизмов из останков обитателей моря и экскрементов птиц сформировались залежи селитры и фосфоритов, из раковин морских существ отложились залежи известняка и доломитов, микробы участвуют в образовании металлов.

Многие отрасли народного хозяйства находятся в большей зависимости от природных ресурсов, формирующихся в ходе экологических процессов (табл.9.4).

Обеспеченность экономики природными ресурсами долгое время не воспринималась как зависимость её от законов экологии. Например, для компенсации 1 % снижения плодородия почвы затраты на сохранение прежней урожайности необходимо увеличить на 10 %. Можно привести для примера ситуацию, связанную стремлением Японии вернуть себе Южные Курилы. Это продиктовано не столько политическими амбициями, сколько привлекательностью акватории этой зоны, где проходят пути миграции тихоокеанских лососей, находятся богатейшие крабовые скопления и скопления стад сайры (Т.А. Акимова и др.).

Можно привести множество примеров того, как экология влияет на экономику. Наиболее значительное влияние вызвано теми изменениями в природе, которые вызваны хозяйственной деятельностью человека. Суммарный экономический ущерб, нанесённый во второй половине ХХ века природным системам, окружающей среде и через них здоровью людей, намного превышает мировой годовой бюджет страны.
Таблица 9.4. 3ависимость объёма производства от современных (А) и связанных с геологическим прошлым Земли (Б) экологических процессов и ресурсов биосферы, % (по Т.А. Акимовой др., 2001)

Отрасли	А	Б
Энергетика Нефтепереработка и угленефтехимия Промышленность строительных материалов Лесопереработка и бумажная промышленность Земледелие Животноводство Рыболовство Пищевая и микробиологическая промышленность Легкая промышленность	9 - 10 100 80 100 100 100 70	78 100 55 - - - - - 30

9.4. Главные слагаемые экологизации экономики

Основные составляющие

Традиции и законы макроэкономики сложились в эпоху, когда общее воздействие антропогенной деятельности на природную среду не превышало границ самовосстановительного потенциала экологических систем. В настоящее время совершенно другая ситуация: по многим параметрам хозяйственная нагрузка превысила предел устойчивости природных комплексов и экосферы в целом. Экономический рост, определяемый предложением и навязчивой стимуляцией спроса на вторичные средства потребления, привёл к тому, что под угрозой оказался природный базис жизнеобеспечения и возможность удовлетворения первичных потребностей человека.

Цивилизация вышла на один из самых важнейших рубежей своей истории, требующей, наряду с изменением демографической ситуации, и смены парадигмы экономики – образа её структуры и функционирования. Необходим переход на новую ступень материальной культуры, совместимой и сбалансированной с уже оскудевшим природным потенциалом планеты. Дальнейшее экономическое развитие по традиционному пути упирается в два серьёзных ограничения:

а) ограничение возможности окружающей среды принимать и ассимилировать отходы производства;

б) конечный характер невозобновляемых природных ресурсов.

Общество должно осознать, что оно чересчур далеко зашло своей природопокорительной экспансией.

Сущность новой стратегии не имеет альтернативы: необходимо подчиниться экологическому императиву и достойно отступить на более низкий количественный уровень, но при этом подняться на более высокий качественный. Одним из основных условий этой стратегии является экологизации экономики.

Экологизация экономики – важнейшее требование времени, это означает, что она должна быть более разносторонней, вместе тем иметь системный подход к окружающему материальному миру, большее осознание роли природы в жизни человека. Экологизация природы – необходимое условие и главная составная часть экологического развития общественного производства (рис.9.4).

Финансовое и материально-техническое обеспечение

Экологические фонды

Рис.9.4.Основные институты экономических механизмов охраны окружающее природной среды (Т.А. Акимова и др.)
Главными слагаемыми экологизации экономики являются:

- кардинальный пересмотр структуры инвестиций в экономику в пользу ресурсосберегающих технологий;

- включение экологических условий, факторов и объектов, в том числе всех возобновляемых ресурсов, в число экономических категорий как равноправных с другими категориями богатств;

- подчинение экономики природных ресурсов и экономики производства экологическим ограничениям и принципу сбалансированного природопользования;

- переход производства к стратегии качественного роста на основе изменения отраслевой структуры и технологического перевооружения под эколого- экономическим контролем;

- существенное расширение и уточнение систем платности риродопользо-вания; переход на новую систему ценообразования, полностью учитывающую экологические факторы – ущербы и риски;

- отказ от остаточно-затратного подхода к охране окружающей среды и включение природоохранных и средозащитных функций непосредственно в экономику производства;

- ослабление диктата предложения и искусственной стимуляции факультатив-ных потребностей;

- уменьшение избыточности ассортимента товаров и услуг при усилении экологического контроля их качества.

Экологизация экономики направлена на снижение природоёмкости производимой продукции.

Вопросы для самоконтроля

1.           Существует ли взаимозависимость экономики и экологии и в чём она заключается?

2.           В чём заключается эколого-экономический учёт природных ресурсов и загрязнителей?

3.           Какие существуют механизмы финансирования охраны окружающей природной среды?

4.           Какие слагаемые экологизации экономики Вы знаете?

ГЛАВА 10. ПРИРОДООХРАННАЯ
ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РФ

10.1. Нормативные документы по охране
природной среды в России

Первые законодательные акты по охране природы в России появились в ХI – ХII вв.. Например, в «Русской правде» Ярослава Мудрого ограничивалась добыча зверей и птицы. Князь Владимир Волынский в ХIII в. заложил основу будущего заповедника Беловежская Пуща.

В ХIV – XVII вв. учреждались «засеки» в военных целях, в которых сохранялась разнообразная флора и фауна. Во второй половине XVII века царём Алексеем Михайловичем были подписаны указы об охоте, где определялись её сроки, запретные зоны, привилегия царя на охоте и штрафные санкции для нарушителей этого указа.

Серьёзное внимание охране природы уделял царь
Петр I. Перво-степенное значение им придавалось охране лесов вдоль берегов рек в 20 – 50 верстовой полосе. Помещикам строго-настрого запрещалось вырубать дубовые рощи, а лесные массивы, принадлежащие заводам, предусматривалось разделять на 25 – 30 лесосек, где разрешалось вырубать только одну лесосеку, но при обязательном лесовозобновлении. Природоохранные указы Петра I касались также водоохранных мероприятий. Так, например, запрещалось сбрасывать с кораблей мусор, засорять корой и щепой воды Невы и других рек. Устав о рыбной ловле запрещал хищнические способы ловли рыбы, охранял места их нерестилищ.

В конце XIX в начале ХХ вв. получило широкое распространение движение учёных России за охрану природы. В
1805 г. были созданы Московское общество испытателей природы и Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии. Первые специальные общества по охране природы возникли в России в начале ХХ в. Такими обществами стали Петербургское общество покровительства животным, Общество по охране природы. По инициативе обществ и частных лиц в конце ХIХ–ХХ вв. создавались первые заповедники. В 1882 г. на частные средства был организован заповедник на Камчатке. В
1916 г. был принят первый в России закон, предусматривающий государственное право организации заповедников в научных и культурных целях.

В 1923 г. был создан Всероссийский комитет по охране природы, в 1930 г. Комитет был преобразован в Межведомственный комитет содействия развитию и охране природных богатств РСФСР, затем в Комитет по заповедникам, переименованный в 1939 г. в Главное управление по заповедникам. В 1941–1945 гг. был принят ряд постановлений Правительства по охране лесов, сохранению и улучшению плодородия почв, созданы новые заповедники. В послевоенный период восстановления и дальнейшего развития народного хозяйства было принято Постановление Правительства о создании лесных полезащитных полос (1949 г.), о Государственной санитарной инспекции, об охране водоёмов, атмосферы и т.д. В 1960 г. был принят закон «Об охране природы РСФСР», отражающий комплексный подход к охране природной среды. По мере роста масштабов применения научно-технического прогресса в сельском хозяйстве появилась необходимость грамотного учета природных составляющих. Научно-техническая революция повысила значимость квалифицированного труда как источника материального богатства, но не смогла учесть природный фактор как источника естественных сил. Земля по-прежнему остаётся основным богатством, хотя в последние десятилетия она становится заметно беднее, но органическая связь аграрного производства с естественными процессами сохраняется. И это естественно, ведь человек в процессе производства может действовать лишь так, как действует сама природа, то есть может изменять лишь формы вещества. Более того, в самом этом труде при формировании вещества он постоянно опирается на содействие сил природы.

При организации аграрного производства необходимо сочетать применение научных достижений с принципами природосообразности, при этом возникает необходимость «экологизации» сельскохозяйственного производства. В 1970 – 1980 гг. во всех областных системах земледелия была отдельно выделена глава «Охрана природы», где рассматривались вопросы применения удобрений и пестицидов, рекультивации нарушенных земель, организации водоохранных зон рек и озер и т.д., предотвращения загрязнения среды производственными и бытовыми отходами. Основой целенаправленных агроэкологических исследований была «Комплексная программа НТП в АПК СССР», имеющая раздел «Воспроизводство природных ресурсов и охрана окружающей среды», нормативные материалы [«Типовое положение РАПО» и «Типовое положение о областном, краевом и республиканском АПО», указания по разработке системы земледелия и землеустройству колхозов и совхозов и других аграрных предприятий РСФСР]. Важную роль в осуществлении природоохранной работы в отрасли АПК играло Всероссийское общество охраны природы (ВООП), которое постоянно ориентировало сельскохозяйственные организации на решение конкретных задач по охране природы.

По инициативе ВООП осуществлялась разработка комплексных программ по охране природы в отдельных хозяйствах. Следующим этапом в развитии процесса экологизации и формировании его научных основ стала Всесоюзная научно-практическая конференция в Брянске 1983 г. «Проблемы охраны природы в Нечерноземной зоне в связи с интенсификацией аграрного производства». Эта конференция была проведена под эгидой ВНИИ природы и ВООП, научных и общественных организаций Брянской области. По инициативе советской ассоциации «Экология и мир» в 1989 г. состоялась Всесоюзная конференция «Экология и сельское хозяйство». Базовым документом, определяющим основные требования к природоохранной работе в сельском хозяйстве, стали «Земельный кодекс», закон «Об охране окружающей среды» и закон «Об обороте земель сельскохозяйственного назначения», которые были приняты в 2002 г. ГД РФ. Закон «Об охране окружающей среды» определяет основные задачи:

охрана окружающей среды;
предупреждение вредного воздействия хозяйственной или иной деятельности;
оздоровление окружающей среды и улучшение её качества.

Основным принципом при решении этих задач является научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов. В этом заключается основная идея закона, содержащего свод правил охраны окружающей среды в условиях хозяйственного развития.

В экологических требованиях по сельскому хозяйству говорится:

1. Предприятия, объединения, организации и граждане, ведущие сельское хозяйство, обязаны выполнять комплекс мер по охране почв, водоёмов, лесов и иной растительности, животного мира от вредного воздействия стихийных сил природы, побочных последствий применения сложной сельскохозяйственной техники, химических веществ, мелиоративных работ и других факторов, ухудшающих состояние окружающей природной среды, причиняющих вред здоровью человека.

2. Животноводческие фермы и комплексы, предприятия, пере-рабатывающие аграрную продукцию, должны иметь необходимые санитарно-защитные зоны и очистные сооружения, исключающие загрязнение почв, поверхностных и подземных вод, поверхностей водосборов, водоемов и атмосферного воздуха. Нарушение указанных требований, причинение вреда окружающей природной среде и здоровью человека влечёт за собой ограничение, приостановление либо прекращение экологически вредной деятельности сельскохозяйственных и иных объектов по предписанию уполномоченных на то государственных органов РФ в области охраны окружающей природной среды и санитарно-эпидемиологического надзора.

Важное значение для всех предприятий и отраслей имеют статьи, где прописан законом экологический механизм охраны окружающей среды. Этот механизм включает планирование и финансирование природоохранных мероприятий, установление лимитов использования природных ресурсов, выбросов и сбросов загрязняющих веществ; установление нормативов платы и размеров платежей за использование природных ресурсов и выбросы; предоставление налоговых и кредитных льгот при осуществлении различных эффективных мер по охране природной среды, возмещение вреда, причиняемого различного рода загрязнителями.

10.2. Основные направления в природоохранной деятельности РФ

В комплекс прав личности на первое место сейчас выдвигается право на жизнь, среду обитания и условия труда, которые не угрожают существованию. Право на жизнь человека – это конституционное право. В статье 2 Конституции РФ записано, что человек, его права и свободы являются высшей ценностью. Признание, соблюдение и защита прав и свобод человека и гражданина – обязанность государства.

В законе «Об охране окружающей среды» сформулированы основные принципы её охраны: приоритет охраны жизни и здоровья человека, обеспечение благоприятных экологических условий для жизни, труда и отдыха населения; научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов общества, обеспечивающих реальные гарантии прав человека на здоровую и благоприятную для жизни окружающую природную среду и т.д.

Указом Президента РФ от 4.02.1994 г. «Основные положения государственной стратегии по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» предусматриваются обеспечение сбалансированного решения задач социально-экономического развития на перспективу и сохранение благоприятного состояния окружающей среды и природоресурсного потенциала в целях удовлетворения жизненных потребностей населения.

Следует напомнить, что согласно первому закону
Б. Коммонера (1974 г.): «Все связано со всем» все экосистемы являются взаимонастраивающимися и взаимоуравновешенными. При каких-либо отклонениях в одном звене экосистемы в целом она постепенно стабилизируется благодаря динамическим самоконтролирующим свойствам. При слишком больших отклонениях может произойти разрушение всей экосистемы. Поэтому охране природы принадлежит весь природный комплекс, а не её отдельные элементы, природоохранные меры должны быть взаимосвязаны. Природоохранные мероприятия делятся на научные, образовательные, пропагандистские, правовые, технические, технологические и организационные.

Для объективной оценки возможности негативного влияния производственного сектора на природную среду важна дифференциация вероятных воздействий в зависимости от отраслей народного хозяйства и их специализации. Например, интенсивное развитие земледелия связано прежде всего с уничтожением естественной растительности и некоторым изменением круговорота веществ, водного режима на данной и сопредельных территориях.

Поэтому воздействие земледелия на окружающую природную среду проявляется в следующем:

─ ликвидации естественной растительности на значительных территориях и замене её культурными растениями;

─ формировании агрофитоценозов вместо естественных биоценозов;

─ превращении малопродуктивных почв и экосистем в высоко-продуктивные аграрные экосистемы посредством мелиоративных мероприятий;

─ уничтожении естественных (девственных) местообитаний животных и птиц;

─ деградации почвенного покрова при нерациональном использовании вновь созданных экосистем (эрозия почвы, засоление, заболачивание, загрязнение агрохимикатами и т.д.);

─ загрязнении поверхностных и грунтовых вод и атмосферы;

─ изменении водного баланса на больших территориях, ведущего к изменению радиационного баланса;

─ образовании бросовых земель при развитии процессов опустынивания и заболачивания;

─ изменении гидрологического режима территории (увеличение поверхностного стока, уменьшение или повышение уровня грунтовых вод при проведении осушения или орошения).

Чрезмерная плотность скота при пастьбе на единицу площади также ведёт к негативным последствиям, а именно:

·         Уничтожению природной растительности на больших массивах. При чрезмерной нагрузке на пастбищах происходит распыление верхней части почвы, что приводит в последующем к дефляции этого слоя;

·         Загрязнению поверхностных вод отходами животноводства вблизи боен и перерабатывающих предприятий, при лагерно-стойловом содержании скота и на водопое в природных водоёмах и реках.

Целенаправленное рациональное использование природно-ресурсного потенциала и охрана окружающей среды в области любого производства могут быть представлены целевыми программами, организационно-хозяйственными планами, комплексными разработками в виде схем и экологическими паспортами.

И.П. Лаптев исходя из концептуальных положений об охране окружающей природной среды в некоторых отраслях народного хозяйства предложил необходимые разработки по следующему алгоритму:

1. Природно-экономические особенности хозяйства

·     Экономическая характеристика и перспективы развития.

·     Население (количество, размещение).

·     Аграрные угодья и другие земли (площади и их соотношение,   использование, антропогенное воздействие на земли, развитие эрозийных процессов).

·     Леса (характеристика, естественное воспроизводство, прямое и косвенное использование, антропогенное воздействие).

· Полезные ископаемые (характеристика, размер запасов, их использование, антропогенные воздействия).

·     Наземные животные (состав, охотохозяйственная характеристика, их использование, антропогенные последствия).

·     Общая характеристика реализуемых мер по рациональному использованию, охране, воспроизводству и улучшению природного комплекса.

2. Прогноз антропогенных изменений природного комплекса и их влияние на развитие хозяйства

·     Изменения, вызванные воздействием на территорию хозяйства.

·     Изменения, вызванные воздействием сопредельных территорий.

·     Экономическая оценка антропогенных изменений и влияние их на темпы и направление развития хозяйства.

·     Оценка влияния антропогенных изменений на условия жизни населения и здоровье.

·         Генеральное направление рационального использования, охраны, воспроизводства и улучшения природного комплекса хозяйства в интересах его устойчивости и ускорения развития.

3. Система мер комплексной охраны природы на территории хозяйства

·         Атмосфера: сохранение и создание зелёных насаждений в населенных пунктах, вдоль дорог; постройка очистных сооружений; усовершенствование технологических процессов и т.д.

·         Водоёмы: охрана и посадка лесных водозащитных насаждений; строительство очистных сооружений; усовершенствование технологий и введение оборотного водоснабжения на производствах; предотвращение смыва пестицидов и удобрений в водоёмы, создание прудов для водоснабжения, поения скота и рекреационных целей.

·     Полезные ископаемые
: рациональное размещение мест добычи общераспространённых полезных ископаемых; рекультивация мест добычи; контроль за выполнением мер охраны природы предприятиями по добыче полезных ископаемых.

·         Почва: меры по экономному использованию плодородных земель под застройку, дороги и для других целей; предотвращение разрушения и уничтожения почвы в ходе строительных работ и освоения целинных участков; меры по предотвращению загрязнения почвы тяжёлыми металлами, агрохимикатами, сточными водами; комплекс мер по предотвращению эрозии почв и ликвидации её последствий; насаждение лесных полос, мелиорация почв, обводнение пастбищ, экономный полив природными и сточными водами; меры по улучшению структуры почвы и предотвращению её деградации.

·     Луга и пастбища: рациональное выделение лугопастбищных угодий, меры по повышению их продуктивности; предотвращение перевыпаса на пастбищах, особенно в лесах и на смывных местах и т.д.

·         Леса: создание оптимального ландшафта и целесообразное размещение лесов и кустарников; степень мер по рациональному использованию угодий дикорастущих растений; посадка лесов и создание полезащитных, лесных водозащитных полос, организация местных лесозаказников и зон рекреации.

·     Болота: пути рационального (прямого и косвенного) использования болот; меры по их охране; меры по предотвращению заболачивания территории, выделение этих участков для осушения.

·     Организация работы по рациональному использованию, охране и воспроизводству, улучшению природных ресурсов и т.д.

Исходными материалами для разработки системы природоохранных мероприятий служат законы, Постановления Правительства РФ и местных органов власти, ВООП и т.д.

10.3. Международное сотрудничество РФ
в области охраны природной среды

В соответствии со статьей 81 Закона «Об охране окружающей среды», «Принципа международного сотрудничества в области охраны окружающей среды» РФ исходит в своей политике в области охраны окружающей природной среды из необходимости обеспечения всеобщей экологической безопасности и развития международного природоохранного сотрудничества в интересах настоящего и будущего поколений и руководствуется следующими принципами:

·         каждый человек имеет право на жизнь в наиболее благоприятных экологических условиях;

· каждое государство имеет право на использование ресурсов своей страны для целей развития и обеспечения нужд своих граждан;

· экологическое благополучие одного государства не может обеспечиваться за счёт других государств без учёта их интересов;

· хозяйственная деятельность, осуществляемая на территории государства, не должна наносить ущерб окружающей природной среде как в пределах, так и за пределами его юрисдикции;

· недопустимы любые виды хозяйственной и иной деятельности, экологические последствия которых непредсказуемы;

· должен быть установлен контроль на глобальном, региональном и наднациональном уровнях за состоянием и изменениями окружающей природной среды и природных ресурсов на основе международно-признанных критериев и параметров;

· должен быть обеспечен свободный и беспрепятственный международный обмен научно-технической информацией по проблемам окружающей природной среды и передовых природосберегающих технологий;

· государства должны оказывать друг другу помощь в чрезвычайных экологических ситуациях;

· все споры, связанные с проблемами охраны окружающей природной среды, должны разрешаться только мирными средствами.

На современном этапе, когда ухудшение среды обитания человека приобрело глобальный характер, особенно важны совместные усилия и сотрудничество всех государств в сохранении биосферы Земли. Международные конвенции и соглашения известны ещё с ХIХ в. Самой первой была Конвенция по ловле устриц, заключенная в 1839 г. между Францией и Великобританией. Соглашение по охране морских котиков было подписано между Россией, США и Японией в 1897 г., а также ряд Конвенций по рыболовству.

В 1959 г. был подписан международный договор об Антарктиде.

Согласно п.1 ст.1 данного договора Антарктида используется только в мирных целях. Запрещаются любые мероприятия военного характера (такие как создание военных баз, проведение военных маневров, испытание любых видов оружия).

Одно из важных положений в ст.9, предусматривающей, что представители договаривающихся сторон будут собираться в целях обмена информацией и взаимных консультаций по вопросам Антарктиды, представляющим общий интерес, а также разработки, рассмотрения и рекомендации своим правительствам мер относительно использования Антарктиды только в мирных целях, охраны и сохранения живых ресурсов этого континента.

В 1965 г. проходившая в Париже специальная межправительственная Конвенция ЮНЕСКО по рациональному использованию и охране ресурсов биосферы приняла широкую научную программу «Человек и биосфера». В 1977 г. в Тбилиси ЮНЕСКО была проведена Межправительственная конференция по образованию в области охраны окружающей среды, принявшая ряд важнейших решений по природоохранному просвещению на всех уровнях. Вопросы комплексного использования и охраны вод, сохранения и восстановления плодородия почв, производительности лесов и ресурсов животного мира, которые находятся под постоянным наблюдением ФАО. Санитарно-гигиеническим вопросам охраны окружающей среды большое внимание уделяет ВОЗ.

Интенсивное формирование экологического права в международном масштабе началось в семидесятых годах прошлого столетия.

В этом периоде были подписаны следующие двусторонние соглашения:

соглашение между правительствами СССР и США о сотрудничестве в области охраны окружающей среды (1972 г.);
конвенция между СССР и Японией об охране перелетных птиц и птиц, находящихся под угрозой исчезновения, и их среды обитания (1973 г.);
соглашение между СССР и Францией о сотрудничестве в области окружающей среды (1974 г.). Аналогичные соглашения были подписаны между СССР и Бельгией (1975 г.), Норвегией (1988 г.), Швецией (1989 г.), Канадой (1989 г.), КНР (1989 г.), КНДР (1987 г.);
меморандум о взаимопониманиях между СССР и Канадой о научном сотрудничестве в области исследований водных систем (1989 г.).

Также подписаны многосторонние соглашения по охране окружающей среды, к которым, в частности, относятся:

·         Конвенция по предотвращению загрязнения морей отбросами отходов и других материалов (1972 г.);

·         Конвенция о водно-болотных угодьях, имеющих международное значение (1971 г.);

·         Конвенция о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения (1973 г.);

·         Соглашение о сохранении белых медведей (1973 г.);

·         Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (1979 г.);

·         Протокол 1985 г. о сокращении выбросов серы или их трансграничных отходов, по крайней мере снижении их на 30 %, к Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (1979 г.);

·         Протокол об ограничении выбросов окислов азота или их трансграничных отходов к Конвенции 1979 г. о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния;

·         Конвенция о биологическом разнообразии (1992 г.);

·         Конвенция об изменении климата (1992 г.);

·         Конвенция о защите Черного моря от загрязнения
(1992 г.);

·         Конвенция о трансграничном воздействии промышленных аварий     (1992 г.).

Особое значение приобретает международное сотрудничество с постсоветскими государствами. Здесь основным правовым актом является международное «Соглашение о взаимодействии в области экологии и охраны окружающей природной среды», подписанное 8.02.1992 г. в Москве между Азербайджаном, Арменией, Белоруссией, Россией, Казахстаном, Киргизией и т.д.

Вторая статья Соглашения гласит:

«Высокие Договаривающиеся Стороны обязуются на своей территории:

─ разрабатывать и принимать законодательные акты, экологические нормы и стандарты в области природопользования и охраны окружающей природной среды;

─ вести учёт природных ресурсов и их использования по количественным и качественным показателям, проводить экологический мониторинг;

─ осуществлять эффективный государственный контроль за состоянием и изменением окружающей природной среды и её ресурсов;

─ принимать меры по воспроизводству биоресурсов, сохранению и восстановлению биологического разнообразия;

─ всесторонне оценивать экологические последствия хозяйственной и иной деятельности, осуществляемой на их территории;

─ создавать и поддерживать специальные силы и средства, необходимые для предупреждения экологических катастроф, бедствий, аварий и ликвидации их последствий и т.д.».

В 1982 г. Генеральная ассамблея ООН одобрила «Всемирную хартию природы», возлагающую на все государства ответственность за сохранение нашей планеты и её природных богатств. В хартии нашли отражение серьезные положения о необходимости сокращения вооружений (особенно ядерного и биологического), избавление человечества от опасности войны, особенно от опасности угрозы ядерной катастрофы.

Специализированные органы ООН ЮНЕСКО, ФАО, ВОЗ также уделяют серьёзное внимание охране природной среды. Одно из главных направлений работы ЮНЕСКО – проведение различных совещаний, симпозиумов и подготовка специалистов в области охраны природы, популизации положительного опыта и новейших методов рационального и комплексного использования природных ресурсов, проведение научных исследований по различным проблемам охраны природы.

Экономический и социальный совет ООН (ЭКОСОС), Международный морской комитет (ИМКО) постоянно обращают внимание на проблемы охраны природы. Среди международных организаций особое место занимает созданный в 1948 г. по инициативе ЮНЕСКО Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП). Эта международная авторитетная организация – основной научный советник и консультант ООН по проблемам охраны живой природы. На 1.01.2001г. в МСОП входило 636 государственных и общественных организаций и 118 стран и 45 международных организаций, в том числе таких как ЮНЕСКО, ФАО, Всемирный фонд охраны природы и др.

В начале ХХ в. по инициативе России было заключено несколько Конвенций и Соглашений по охране перелетных птиц и защите растений от вредителей и болезней. В первые годы советской власти были подписаны соглашения с Финляндией о рыболовстве в пограничных водах, с Афганистаном о совместном использовании водных ресурсов, Конвенция с Турцией о предотвращении занесения эпизоотий, многосторонняя Конвенция с Афганистаном и Ираном по защите растений и в борьбе с саранчой.

Особенно быстро развивалось международное сотрудничество после Второй мировой войны. В этот период было заключено более 250 договоров, соглашений и конвенций, имеющих природоохранные значения. Исключительное место среди них имеет Московский договор (1963 г.) о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, под водой, в космосе, подписанный более 100 государствами.

Огромное значение придается Конвенции о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящихся под угрозой исчезновения, которую подписали в 1973 г. свыше 80 стран. Достигнуто много международных соглашений по охране птиц, в том числе охране мест гнездования, отдыха и зимовок водоплавающих птиц. В 1973 г. между СССР и Японией заключена специальная Конвенция об охране перелетных птиц, позднее такая же Конвенция была подписана с Индией.

Важными являются соглашения, подписанные между СССР и США о сотрудничестве в области изучения и охраны окружающей среды (1972 г.) и Канадой (1973 г.) по проблемам охраны природы. Подписаны соглашения по вопросам охраны природы между Францией, Финляндией, Швецией и рядом других стран. В 1962 г. на XVII сессии Генассамблеи ООН была принята специальная резолюция «Экономическое развитие и охрана природы», в которой подчеркивалось, что охрана природы – непосредственный долг государств – членов ООН и что мероприятия по улучшению использования природных ресурсов должны осуществляться параллельно с экономическим развитием.

В 1972 г. в Стокгольме состоялась конференция ООН, касающаяся вопросов охраны окружающей среды, где была принята Декларация об охране окружающей среды и 5 июля объявлен днем охраны природы, и здесь же впервые были сформулированы принципы международного экологического права по проблемам окружающей среды человека.

Первый принцип (основной
): государства в праве использовать собственные ресурсы согласно своей национальной полите в подходе к проблемам окружающей среды. На них лежит ответственность за то, чтобы деятельность в пределах их юрисдикции или контроля не причиняла ущерба окружающей среде других государств или районов, лежащих за пределами национальной юрисдикции.

Второй принцип исходит из того, что природные ресурсы Земли, включая воздух, воду, землю, флору и фауну, и особенно репрезентативные образцы естественных экосистем должны быть сохранены на благо нынешних и будущих поколений путем тщательного планирования деятельности человека и управления ими по мере необходимости.

Третий принцип заключается в том, что невозобновляемые ресурсы должны разрабатываться таким образом, чтобы обеспечивалась их защита от истощения в будущем, и выгоды от их разработки в международных пространствах получало всё человеческое общество, а не отдельно взятые страны.

Всемирной хартией природы сформулированы важные принципы международного экологического права, которые были одобрены Генеральной ассамблеей ООН 28.10.1988 г.:

1) биологические ресурсы используются лишь в пределах их природной способности к восстановлению;

2) производительность почв поддерживается или улучшается благодаря мерам по сохранению их долгосрочного плодородия и процесса разложения органических веществ при предотвращении эрозии и любых других форм саморазрушения;

3) ресурсы многократного пользования, включая воду, используются повторно или рециркулируются;

4) невозобновляемые ресурсы однократного пользования эксплуатируются в меру, с учетом их запасов, рациональной возможности их переработки для потребления и совместимости их эксплуатации с функционированием естественных экосистем;

5) должны приниматься особые меры в целях недопущения сброса радиоактивных и токсичных веществ;

6) необходимо воздерживаться от деятельности, способной нанести непоправимый ущерб природе;

7) районы, пришедшие в результате деятельности человека в упадок, подлежат восстановлению в соответствии с их природным потенциалом и требованием благосостояния проживающего в этом районе населения.

Человеческий фактор всегда имел двоякое значение: нельзя недооценивать современную роль человека в окружающей среде, но и вред, наносимый им природе, ни в коей мере нельзя упускать из виду. В связи с научно-техническим прогрессом риск причинения ущерба природе возрос в несколько раз, так как интенсифицировались методы воздействия на природные объекты, что в некоторой степени вызвало менее тщательный подход к сохранению их ценных свойств. Восстановление разрушенных территорий – задача как отдельного государства, так и всего мирового сообщества в целом.

С 1973 г. приступила к работе новая организация при ООН (ЮНЕП), которая организует и разрабатывает программы по окружающей среде и координирует исследования в этой области, в частности, создание системы станций слежения (мониторинга) за состоянием биосферы во всем мире. В 1981 г. Генеральная ассамблея ООН по инициативе СССР приняла резолюцию «Об исторической ответственности государств за сохранение природы Земли для нынешнего и будущего поколений», в которой отмечается пагубное последствие для природной среды гонки вооружений.

В соответствии с уставом МСОП содействует сотрудничеству между правительствами, национальными и международными организациями, занимающимися вопросами охраны природы. Эта организация готовит проекты международных соглашений и конвенций. В её задачу входит научная консультация государств, национальных и международных органов по охране природы, в том числе и по правовым вопросам.

Международное сотрудничество России в области природопользования и охраны окружающей среды основывается на принципах и подходах, вытекающих из национальных задач страны и положений, изложенных в таких документах, как доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию «Наше общее будущее», «Региональная стратегия охраны окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов – членов Европейской экономической комиссии ООН на период до 2000 г. и далее».

Рамочная Конвенция ООН об изменении климата была подписана во время работы Конференции, состоявшейся в Рио-де-Жанейро с 3 по 14 июня 1992 г. Там же была принята Декларация по окружающей среде и развитию, которая подтверждает Декларацию Стокгольмской конференции, развивает её положения и преследует цель создания новых уровней сотрудничества между государствами, ключевыми секторами общества и людьми, заключения международных соглашений, обеспечивающих уважение интересов всех народов и защиту целостности глобальной системы окружающей среды.

Признавая комплексный и взаимозависимый характер Земли, Декларация отразила следующие принципы:

─ забота о людях занимает центральное место в усилиях по обеспечению устойчивого развития. Они имеют право на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой;

─ право на развитие должно быть реализовано, чтобы обеспечить справедливое удовлетворение потребностей нынешнего и будущего поколений в областях развития и охраны окружающей среды;

─ для достижения устойчивого развития защита окружающей среды должна составлять неотъемлемую часть процесса развития и не может рассматриваться в отрыве от него;

─ особому положению и потребностям развивающихся стран, в первую очередь, наименее экономически развитых и экологически наиболее уязвимых, придается особое значение. Международные действия в области окружающей среды и развития должны быть также направлены на удовлетворение интересов и потребностей всех стран;

─ государство сотрудничает в духе глобального партнерства в целях сохранения, защиты и восстановления здорового состояния и целостности экосистемы Земли;

─ развитые страны признают ответственность, которую они несут, в контексте международных усилий по обеспечению устойчивого развития с учетом стрессов, которые создают их общества для глобальной окружающей среды, технологий и финансовых ресурсов, которыми они обладают;

─ экологические вопросы решаются наиболее эффективным образом при участии всех заинтересованных граждан на соответствующем уровне;

─ государства принимают эффективные законодательные акты в области окружающей среды. Экологические стандарты, цели регламентации и приоритеты должны отражать экологические условия и условия развития, в которых они применяются;

─ государства должны разрабатывать национальные законы, касающиеся ответственности и компенсации за негативные последствия экологического ущерба, причиняемого деятельностью, которая ведется под их юрисдикцией или контролем, а также районам, находящимся за пределами их юрисдикции;

─ в целях защиты окружающей среды государства в соответствии со своими возможностями широко применяют принцип принятия мер предосторожности;

─ оценка экологических последствий в качестве национального инструмента осуществляется в отношении предполагаемых видов деятельности, которые могут оказать негативное влияние на окружающую природу;

─ национальные власти должны стремиться содействовать интерна-ционализации экологических издержек и использованию экологических средств; загрязнитель должен покрывать издержки, связанные с загрязнением, должным образом учитывая общественные интересы и не нарушая международную торговлю и инвестирование;

─ государство немедленно уведомляет другие государства о любых стихийных бедствиях или других чрезвычайных ситуациях, которые могут привести к неожиданным вредным последствиям для окружающей среды в этих странах;

─ окружающая среда и природные ресурсы народов, живущих в условиях угнетения, господства и оккупации, должны быть защищены;

─ страны разрешают все свои экологические споры мирным путем и надлежащими средствами в соответствии с уставом ООН;

─ мир, развитие и охрана окружающей среды взаимосвязаны и неразделимы и т.д.

Итоговый документ Венской встречи представителей государств – участников «Совещания по безопасности и сотрудничеству в Европе», « Повестка дня на ХХI век», принятая на Бразильской конференции в Рио-де-Жанейро (1992 г.) подписаны главами свыше 100 стран.

Конкретный план международного сотрудничества в области экологии на долгосрочный период был обсужден на конференции ООН по окружающей среде в 1992 г. На этом форуме был подписан ещё один документ «Соглашение по лесам». На выполнение этого плана, по расчетам экспертов, требуется примерно около 600 млрд долларов.

Важный международный экологический документ – «Конвенция о сохранении биологического разнообразия» – не был подписан многими странами, так как экологические интересы развитых и развивающихся стран по этому вопросу слишком различаются. В 1995 г. Совет Европы объявил об открытии нового Европейского года по охране природы, основная цель – защита природы за пределами охраняемой природной территории.

В феврале 2005 г. Российской Федерацией был подписан Киотский Протокол, согласно которому страна берет на себя обязательство по сокращению выбросов парниковых газов (ПГ) в атмосферу. С подписанием Протокола Россия поставила себя весьма в затруднительное положение по сравнению с развитыми странами ЕС.

При полном соблюдении Киотского Протокола из-за технической и технологической отсталости российская промышленность не сможет развиваться поступательно. Без интенсивного всестороннего развития хозяйственной деятельности в будущем российская промышленность обречена на постоянную отсталость от стран ЕС. Продажа энергоресурсов и другого минерального сырья – это решение вопроса недалекого будущего. Придёт время, когда исчерпаемые энергоресурсы иссякнут и неоткуда будет больше получать финансовые ресурсы. Такое положение выгодно лишь только объединенной Европе.

Для развитых Европейских стран Киотский Протокол – важный инструмент для защиты своего внутреннего рынка от конкуренции со стороны России и других постсоветских технически отсталых стран.

Данный Протокол – метод технологического и технического доминирования и гарантийного расширения экспорта из стран ЕС, в том числе устаревших технологий и оборудования. Киотский Протокол для ЕС важен еще как способ контроля за экономическим ростом тех государств, которые включены в режим выполнения обязательств по данному документу. Национальный лимит на выбросы ПГ является лимитом на объем ВВП, поскольку энергоемкость ВВП – параметр не гибкий.

В этих сложившихся условиях также нельзя упускать из виду перспективу воздействия ЕС по навязыванию РФ новых обязательств в рамках переговорного процесса по этому Протоколу.

Поэтому все меры и направления политических решений должны быть рассчитаны на то, чтобы Российской Федерации позволили хотя бы:

─ воспользоваться преимуществами, которые могут дать стране участие в Протоколе;

─ избежать рисков, существующих для России в рамках Протокола;

─ обеспечить соответствие РФ требованиям, предъявляемым к участникам.

Исходя из грамотно построенной политики можно воспользоваться следующими преимуществами:

─ торговля квотами (ст.17);

─ проекты совместного осуществления (ст.6).

Но согласно Протоколу в области торговли квотами нашим корпорациям продажа их напрямую запрещена: что касается межгосударственной торговли, то в будущем возможна покупка квот этими же странами ЕС и Японией.

Для России возможны следующие риски от подписанного Протокола со стороны ЕС:

─ навязывания невыгодных для России обязательств со следующего отчетного периода (с 2013 г.);

─ пересчет объемов антропогенных выбросов на основе новых методо-логий (заниженной оценки выбросов;

─ использование двойных стандартов (не учитывая поглощения СО₂ лесными массивами);

─ превращение России в нетто – покупателя квот в случае превышения ею установленных объемов выбросов;

─ введение ЕС новых ограничений на импорт российских энергоемких товаров (сталь, алюминий и т.д.).

Хотя Россия подписала Протокол, но наши возможности не соответствуют ряду квалификационных требований, предъявляемых к странам- участникам. Несоблюдение этих требований станет причиной применения к РФ предусмотренных в рамках Протокола санкций.

К таким санкциям относятся, прежде всего, приостановление доступа России к рыночным механизмам Протокола: торговле квотами и к проектам совместного осуществления, а также принудительное сокращение на 30 % установленных объёмов национальных выбросов на второй период обязательств.

Эти санкции серьёзно и внимательно заставят отнестись к требованиям Протокола, а они предусматривают следующее:

─ создание не позднее 2007 г. Национальной системы мониторинга источников и поглотителей парниковых газов;

─ переход к инвентаризации антропогенных выбросов ПГ на территории РФ (сегодняшняя инвентаризация не соответствует требованиям Протокола, не создан Национальный кадастр по антропогенным выбросам ПГ);

─ необходимость учёта выбросов новых типов газов: СО₂, NO, перфторуглеводороды, на которые в прошлом в нашей стране не предусматривалось нормирование в силу их нетоксичности; особенностью их учёта является не инструментальный контроль, а расчетные методы, что потребует срочной разработки новых методов учета и контроля.

Для того чтобы обеспечить соответствие указанным требованиям, в законодательство РФ необходимо включить:

─ изменения некоторых принятых законов и принять новые, разработать новые Постановления Правительства о создании системы мониторинга источников и поглотителей ПГ, создании Национального кадастра и архива данных по антропогенным выбросам и поглощению ПГ, различных нормативных актов;

─ ежегодное проведение национальной инвентаризации выбросов, поглощений и сокращений ПГ;

─ отдельный учёт ограничений, сокращений и поглощений ПГ в рамках Федеральных целевых программ.

Все эти мероприятия могут дать эффект, будучи сведёнными только в единую систему, объединенную механизмами координации и контроля, обеспечивая в полном объеме материальными и финансовыми ресурсами, однако не маленькими и не единовременными. Только в этом случае Россия может соответствовать требованиям ЕС.

В целом соблюдение этого Протокола для биосферы в данный момент времени является благом, но в будущем он может стать при развитии национальной экономики отсталых стран ( в т.ч. РФ) сильнейшим тормозом.

Вопросы для самопроверки

Какие существуют нормативные документы по охране природной среды в РФ?
Каких направлений придерживается РФ в природоохранной деятельности?
Какие вопросы рассматривались на конференции В Рио–де–Жанейро в 1992 г?
В чём суть Киотского Протокола: его плюсы и минусы для РФ?

Bukvasha