Лекція 2

 

Тема: Поняття про біосферу. Природні та антропогенні забруднення біосфери

План:

1. Поняття про біосферу. Загальні властивості біосфери
2. Поняття про середовище існування та екологічний фактор
3. Забруднення довкілля та їх класифікація
4. Показники, що характеризують концентрації та рівні забруднення довкілля
5. Характеристика найпоширеніших забрудників довкілля

 

1. ПОНЯТТЯ ПРО БІОСФЕРУ. ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ БІОСФЕРИ

 

Біосфера (гр. bios – життя, + sphaira – куля) – область поширення на Землі організмів та продуктів їх життєдіяльності.

Біосфера – оболонка Землі, склад, структура і енергетика якої в сучасних рисах зумовлені минулою або сучасною діяльністю живих організмів.

Поняття про біосферу не раз змінювалось з часу появи цього слова. Початок вчення про біосферу пов’язують з іменем відомого французького натураліста Ж.Б. Ламарка (1802), який запропонував термін “біологія” для всіх живих організмів, що населяють Землю. Визначення біосфери як особливої оболонки Землі та її назва були запропоновані відомим австрійським геологом Е. Зюссом (1875) у його праці з геології Альп. Окремі факти і положення про біосферу знаходимо у працях А. Гумбольдта, В. Докучаєва, Я. Молешотта та інших дослідників.

Детально розробив вчення про біосферу український вчений В.І. Вернадський – перший президент Української Академії наук.

Біосфера, за Вернадським, - це оболонка Землі, де жива речовина відіграє домінуючу роль, значно впливає на всі процеси, що в ній відбуваються. Вернадський дав таке визначення біосфери: “Біосфера являє собою оболонку життя – область існування живої речовини”.

У численних своїх працях В.І. Вернадський виклав вчення про біосферу як особливу оболонку Землі, яка включає як область поширення живої речовини, так і саму речовину, в якій життєдіяльність організмів (утому числі людини) проявляється як могутній геохімічний фактор планетарного масштабу і значення.

Біосфера включає нижню частину атмосфери (7 км на полюсах і 18 – 20 км на екваторі), всю гідросферу (11 км), і верхню частину літосфери (до глибини 3 км на суші та 0,5…1 км під дном океану).

За В.І. Вернадським, нижня межа життя в земній корі визначається температурою 100°С, яка спостерігається до глибини 2,5…3,5 км.

Але в 70-х та 80-х роках в нафтогазоносних водах були знайдені мікроорганізми на глибині 4,5…6 км. Якщо включити в біосферу шари атмосфери, де спостерігається перенесення живих організмів, зачатків організмів, то межі по вертикалі будуть становити 25…40 км.

Об’єм біосфери – 10·109 км³ (0.4% об’єму Землі), маса біосфери 3·1018 т – близько 0,05% маси землі (5,96·1027 г).

Компоненти біосфери:

1. жива речовина – сукупність живих організмів, біота;
2. біогенна речовина – органічні та органомінеральні речовини, які утворилися за участю живих істот протягом геологічної історії. Джерела потужної потенціальної енергії (кам’яне вугілля, бітуми, вапняки, нафта тощо);
3. косна речовина – тверда, рідка, газоподібна (камінь, вода, повітря) - речовини, у відтворенні якої не беруть участі живі організми.
4. біокосна речовина – утворена одночасно живими організмами і косними процесами (океанічна та річкова вода біосфери, ґрунт, кора вивітрювання).
5. радіоактивна речовина, що розпадається.
6. речовина космічного походження (космічний пил, метеори тощо).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для біосфери є характерним те, що вона включає речовину у твердому, рідкому і газоподібному станах, тобто вона трифазна. Основним джерелом всіх процесів, які в ній відбуваються є сонячна енергія. У зв’язку з цим для біосфери характерний постійний кругообіг речовини та енергії, в якому найактивнішу роль відіграють живі організми. Область існування живої речовини охоплює атмосферу (до тропопаузи), літосферу (кору вивітрювання), всю гідросферу, тобто біосфера триярусна. Літосфера, гідросфера, атмосфера і жива речовина співвідносяться між собою так, як, наприклад, кам’яна чаша, масою 51,26 кг, вода, масою 45,36 г, копійка і поштова марка.

У межах біосфери існують області, в межах яких активне життя неможливе. Так, у верхніх шарах тропосфери, а також в найбільш холодних і жарких районах земної кулі організми можуть існувати лише в стані спокою. Сукупність таких областей біосфери називають парабіосферою (Хатчінсон, 1972)

Але і в інших областях біосфери, де організми можуть існувати в активному стані, життя розподілене нерівномірно. Неперервний шар живої речовини, як його назвав В.І. Вернадський, займає водну товщу, і вузькою смугою простягається на межі літосфери, і тропосфери, де включає ґрунт з корінням рослин, грибами, мікроорганізмами і тваринами, а також включає приземну частину тропосфери, в якій розміщені частини рослин і переноситься основна маса пилку, спор, насіння. Цей шар В.Б. Сочава (1944) назвав фітосферою, а Е.М. Лавренко (1949) – фітогеосферою. Потужність фітогеосфери найбільша в океанічних областях, де вона досягає 11 км, по суші вона може досягати 100…150 м.

Під живою речовиною Вернадській розумів сукупність всіх живих організмів, виражену через масу, енергію або хімічний склад. Жива речовина складає близько 0,01 – 0,02 % від маси всієї біосфери. Загальна маса живої речовини становить (2,4 – 3,6)х1012т (у сухій масі).

Властивості живої речовини біосфери

 

1. Висока хімічна активність завдяки біологічним каталізаторам (ферментам).

В живих організмах при низьких температурах протікають реакції між речовинами, які за звичайних умов у навколишньому середовищі не взаємодіють. Живі організми, наприклад, здатні фіксувати в своєму тілі молекулярний нітроген атмосфери за нормальних атмосферних умов, що в промислових умовах вимагає температури близько 500 ºС і тиск 300-500 атмосфер.

2. Висока швидкість протікання реакцій.

Вона на декілька порядків вища, ніж в неживій речовині. Наприклад, деякі личинки метеликів споживають за день кількість їжі, яка в 100-300 разів більше ваги їх тіла; дощові черв'яки, сукупна маса яких в 10 разів більше біомаси всього людства, за 150-200 років пропускають через свої організми весь однометровий шар ґрунту; бабаки, ховрахи і т.п. в результаті своєї діяльності створюють своєрідний ландшафт місцевості; практично всі осадові породи (шар 3 і більше кілометрів) на 95-99 % перероблені живими організмами; вся вуглекислота проходить через живі організми в процесі фотосинтезу за 6-7 років, вся вода Землі - за 5-6 млн років.

3. Висока швидкість оновлення живої речовини.

В середньому для біосфери вона складає 8 років, для суші - 14 років, а для океану - 33 дні (тут переважають організми з коротким періодом життя). За всю історію існування життя загальна маса живої речовини, що пройшла через біосферу, приблизно в 12 разів перевищує масу Землі.

4. Здатність швидко займати весь вільний простір.

Вернадській назвав це "всюдністю життя". За словами Вернадського, “жива речовина - сукупність організмів, - подібно масі газу, розтікається по земній поверхні і чинить певний тиск в навколишньому середовищі, обходить перешкоди, що заважають його руху, або ними опановує, їх покриває. Цей рух досягається шляхом розмноження організмів”. Саме ця властивість дозволила зробити висновок про постійність кількості живої речовини у всі епохи. Деякі мікроорганізми могли б освоїти всю земну кулю за декілька годин або днів, якби не було чинників, що стримують їх потенційні можливості. Так, наприклад, чисельність деяких бактерій подвоюється кожні 22 хвилини.

5. Активність руху всупереч принципу зростання ентропії.

Вся історія життя є наслідком боротьби з ентропією, тобто з силами руйнування. Життя чинить опір природному ходу подій, направленому на встановлення рівноваги в природі. Дуже показовими в цьому плані є такі приклади, як рух риб проти течії річки, рух птахів проти сили тяжіння і повітряних потоків і т.п.

6. Стійкість за життя і швидке розкладання після смерті.

В будь-якому живому організмі, у тому числі і в організмі біосфери, життя і смерть не можуть обходитися один без одного. Ми живемо тому, що в нас безперервно щось вмирає і замінюється новим, а що народжується через розвиток приходить до своєї загибелі. Будь-яка підсистема організму після смерті повинна повернути речовину в кругообіг життя. Це забезпечує нескінченність життєвого процесу.

7. Висока пристосовна здатність (адаптація).

Наприклад, деякі організми витримують температури, близькі до абсолютного нуля, інші зустрічаються в термальних джерелах з температурою до 140 ºС, в жерлах вулканів, в надглибоких западинах океану, у водах атомних реакторів, безкисневому середовищі і т.п.

 

Функції живої речовини в біосфері

 

• Енергетична – акумуляція енергії і її перерозподіл по харчових ланцюгах.

•Окислювально-відновна

•Газова

• Деструктивна – руйнування загиблої біоорганіки і кісткових речовин.

•Розсіювальна

•Концентраційна

•Транспортна

•Середовищеутворювальна

•Інформаційна

 

 

1. ПОНЯТТЯ ПРО СЕРЕДОВИЩЕ ІСНУВАННЯ ТА ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКТОР

 

Середовище існування – це та частина біосфери, яка оточує живий організм  і з якою він безпосередньо взаємодіє.

Для сучасної людини з можливостями комунікації і транспорту – це вся планета Земля, для рибок – акваріум з компресором і підігрівачем…

Виділяють 4 середовища існування:

1. Водне
2. Ґрунтове.
3. Повітряно-наземне.
4. Тіло іншого організму.

Пристосування організмів до умов середовища називається адаптаціями. Здатність до адаптацій – одна з найважливіших властивостей живого, оскільки вона забезпечує саму можливість виживання організмів у мінливих умовах середовища.

Середовище існування впливає на живі організми посередництвом екологічних факторів (факторів середовища).

Екологічний фактор – це будь-яка умова середовища, на яку реагує організм пристосувальними реакціями (за межами здатності пристосування настає смерть). За своїми особливостями вони досить різноманітні, мають різну природу і специфіку дії. Екологічні фактори діляться на 3 великі групи: біотичні, абіотичні і антропогенні.

 

                                                           Екологічні фактори

 

 

 

 

 

 

 

Вплив діяльності людини – це промисел і вплив на місце проживання

Ф-ри живої природи (вплив живих організмів)

Ф-ри неживої природи (температура, тиск, світло, солоність )

                        Абіотичні                             Біотичні                       Антропогенні

 

 

 

 

 

Абіотичні фактори — це комплекс умов неорганічної природи, які впливають на організм До абіотичних факторів відносяться кліматичні (світло, вологість повітря, температура, атмосферні опади тощо), едафічні (структура, хімічний склад ґрунтів, циркулюючі в ґрунті речовини – гази, вода, органічні і мінеральні елементи та інші), орографічні (рельєф, нахил схилу, експозиція), гідрофізичні та гідрохімічні (включають всі фактори, які пов'язані з водою).

Біотичні фактори — це різноманітні форми впливу на організм життєдіяльності інших живих істот: тварин, рослин, грибів, мікроорганізмів. Між особинами різних видів можуть виникати різні зв’язки, які дозволяють їм співіснувати в угрупованні.

Антропогенні фактори – це вплив діяльності людини, яка найчастіше проявляється у формі промислу (вилов риби, полювання, вирубування дерев тощо) або зміні місця проживання живих істот (осушення боліт, розорювання земель, вирубка лісів). Крім цього, може бути опосередкований антропогенний вплив (шумове, світлове забруднення, глобальне потепління тощо).

Екологічні фактори можуть залишатися практично незмінними (сила тяжіння, сонячна стала, солоність океану) або ж змінюватись постійно.

Зміни факторів у часі бувають:

1. Регулярно-періодичні (змінюють силу впливу у зв’язку з часом доби, порами року, припливу й відпливу).
2. Нерегулярні (без чіткої періодичності) зміна погоди у різні роки, катастрофи, бурі, урагани.
3. Направлені протягом певного часу: глобальне потепління,  похолодання, заболочення, засолення тощо

Результатом впливу екологічного фактору може бути:

1. Зміна географічного поширення виду.
2. Зміна плодовитості і смертності виду.
3. Поява адаптивних (пристосувальних ) модифікацій.

 

Екологічні фактори не можна поділити на добрі і  погані, тому що часто фактори, сприятливі для одних видів, негативні для інших. Крім цього, нерідко один і той же фактор може бути як корисним, так і шкідливим у різні періоди життя одного й того ж організму.

 

 

Кожний фактор має певні межі позитивного впливу на організм. Як недостатня, так і надлишкова дія фактору шкідливо впливає на життєдіяльність особини.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            МВ                                                                            МВ

 

 

Найсприятливіші умови життєдіяльності особин називається  оптимальними, а відповідне значення фактора оптимумом. Чим сильніше значення фактора відхиляється від оптимальних, тим більше пригнічується життєдіяльність особин. Діапазон значень фактора, у межах якого організм почувається пригнічено, називається песимум або зона пригнічення.

Значення фактора, за межами якого життєдіяльність особин стає неможливою, називається межею витривалості (МВ).

Здатність організмів пристосуватися до змін умов існування називається екологічною валентністю (толерантністю). За екологічною валентністю організми поділяють на дві групи  стенобіонти та еврибіонти.

Стенобіонти – організми, що мають вузьку екологічну валентність (орхідеї, форель).

Еврибіонти – організми, що мають широку екологічну валентність (вовки, пацюки, людина)

Виходячи с цього, розрізняють еври-  і стенобатні організми (за відношенням до тиску),  еври- і стенотермні (за відношенням до температури), еври- і стеногалинні (за відношенням до солоності) і т.д.

 

Закон мінімуму.

Сформульований німецьким фізіологом і хіміком Лібіхом у 1840р:

Ріст рослини обмежується елементом, концентрація якого лежить у мінімумі.

 

Як показали пізніші дослідження, розвиток живого організму зумовлений не тільки недостатністю того чи іншого фактора, але також і їх надлишком. Отже, кожен організм має свої межі, які коливаються між мінімумом та максимумом, тобто оптимум, котрий забезпечує існування організму. У кожного виду — свої межі. Поняття про лімітуючу роль максимуму і мінімуму та необхідність оптимальних умов для існування виду ввів В.Шелфорд (1913). Його принцип більш відомий як закон толерантності:

 

Природним обмежуючим чинником існування організму може бути як мінімальний, так і максимальний екологічний вплив, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до цього чинника.

 

Наслідок: результуючу витривалість особин визначає найслабша ланка її потреб, тобто той чинник, значення якого потрапляє в зону пригнічення або смерті. Правильне і своєчасне визначення лімітуючого фактора надзвичайно важливе для складання точного екологічного прогнозу та усунення проблеми

 

1. ЗАБРУДНЕННЯ ДОВКІЛЛЯ ТА ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

 

До недавнього часу (прибл. до 13 ст., коли чисельність населення становила 300-350 млн. чол.), природа активно переробляла всі надходження речовин у біосферу, тобто відбувалося її самоочищення. Продукти життєдіяльності всіх організмів, у т.ч. і людини, були переважно органічного походження. Знаряддя праці чи предмети вжитку, що мали неорганічну природу, використовувались у невеликій кількості і це не становило загозу для навколишнього природного середовища. Проте, в подальшому, людство для задоволення все зростаючих поьреб, почало залучати багато нових речовин (порох, кислоти, луги, солі). Вони були не властиві природі, а значить не включалися у природні процеси кругообігу речовин. Це призвело до їх накопичення в біосфері і стало завдавати значної шкоди екосистемам загалом і самій людині зокрема.

 

Забруднення – це внесення у навколишнє середовище будь-яких уже відомих або виникнення в ньому нових, не характерних для природи речовин, агентів (хімічних чи біологічних), які чинять шкідливий вплив і яких природа не здатна позбутися самоочищенням. Речовини, які спричиняють забруднення навколишнього середовища, називають забрудниками або полютантами.

Види забруднювачів довкілля:

За часом взаємодії з довкіллям:

• стійкі
• середньотривалі
• нестійкі

За способом впливу:

• прямі
• непрямі

За характером виникнення:

• Навмисні
• супутні
• аварійно-випадкові

За типом походження (1):

• механічні (тверді частки та предмети)
• хімічні
• фізичні (зміни теплових, електричних, світлових, радіаційних полів)
• біологічні (шкідливі організми, бактеріологічна зброя)

За типом походження (2):

• матеріальні (атмосферні забруднення, стічні води, тверді відходи)
• енергетичні (теплові викиди; шуми; вібрації; ультразвук, інфразвук; електромагнітні поля; світлове, лазарне, ІЧ, УФ випромінювання; іонізація)

 

1. ПОКАЗНИКИ, ЩО ХАРАКТЕРИЗУЮТЬ КОНЦЕНТРАЦІЇ ТА РІВНІ ЗАБРУДНЕННЯ ДОВКІЛЛЯ

Людство викидає у навколишнє середовище понад 20 000 шкідливих речовин, але тільки на 2000 з них вироблено показники, що дають уявлення про чисельні показники рівня шкідливості їх для людини та інших живих організмів (на 700 – для атмосфери, 1200 – для природних вод, 200 – для ґрунтів). Одним з найважливіших серед таких показників є ГДК (гранично допустимі концентрації).

ГДК – це максимальна концентрація якої-небудь речовини у повітрі, воді, ґрунті чи їжі, яка не шкодить здоров’ю людини, не погіршує її самопочуття та не знижує працездатності у разі постійного контакту, а також не викликає негативних наслідків у нащадків. Під час визначення ГДК враховують також ступінь впливу на рослин, тварин, гибів, мікроорганізмів та природні угруповання в цілому.

 

Законодавством встановлено 2 нормативи ГДК:

 

1. Максимальна разова ГДК – викликає рефлекторні реакції (наприклад, запах) у результаті 20-хвилинної дії на людину
2. Середньодобова ГДК – не має шкідливого впливу на людину у разі тривалої дії.

 

ГДК визначають за допомогою високочутливих тестів, експериментів у лабораторіях, за даними спостережень за здоров’ям людей на шкідливих виробництвах, за даними експериментів на тваринах тощо. При цьому до певного порогу шкідливості додають коефіцієнт запасу, щоб знизити дію токсиканта в кілька разів. ГДК виражається: у повітрі – у мг/м3, у воді – у мг/л, у їжі – у мг/кг. При дослідженні шкідливого впливу певних речовин на живі організми виявлено ефект синергізму – підсумовування негативного впливу токсикантів, які діють паралельно. При цьому шкоди можуть завдавати значно нижчі концентрації хімічних речовин.

ГДВ – гранично допустимі викиди – це кількість шкідливих речовин , викинутих у довкілля за одиницю часу, щоб концентрація забруднень не перевищувала ГДК. Для того щоб, за законом про охорону довкілля, контролювати якість димогазових викидів різних підприємств і об'єктів, здійснюються обов'язкова інвентаризація всіх джерел забруднення атмосфери, їх екологічна паспортизація й періодична екологічна експертиза.

 

Для пом’якшення впливу шкідливих викидів підприємствами створюють спеціальні території – санітарно-захисні зони. СЗЗ – це ділянки землі навколо підприємств,  які створюють з метою зниження шкідливого впливу на здоров’я людей. Виділяють 5 класів СЗЗ:

1. 1000 м (хімічні, нафтопереробні, целюлозно-паперові, металургійні та ін.)
2. 500 м  (цементні, акумуляторні ,гіпсові, азбестові виробництва)
3. 300 м (керамзитові, скловатові виробництва, ТЕЦ)
4. 100 м (металообробні, машинобудівні)
5. 50 м (легкої промисловості)

 

У виняткових випадках СЗЗ можуть мати величину до 3000 м.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА НАЙПОШИРЕНІШИХ РЕЧОВИН, ЩО ЗАБРУДНЮЮТЬ ДОВКІЛЛЯ

 

СО – чадний газ. Газоподібні речовина без кольору і запаху. Утворюється внаслідок неповного згорання органічних речовин – кам’яного вугілля, газу, деревини, нафти, бензину. Утворює стійку сполуку з гемоглобіном, позбавляючи еритроцити здатності транспортувати кисень. Це викликає кисневе голодування тканин, головний біль, нудоту, шум у вухах, параліч дихальних шляхів і смерть. Основні джерела: опалювальні системи будинків, вихлопні гази автомобілів, промисловість.

СО2 – оксид карбону (ІV), вуглекислий газ. Безбарвний, без запаху. В атмофсері 0,036%. У великих дозах спричиняє втрату свідомості та смерть. За останні 100 років його вміст в атмосфері зріс на 14%. Осн. причини – спалювання органічного палива, вирубування лісів.

SO2 – оксид сульфуру (ІV). При сполученні з водою утворює кислоту. Може проникати глибоко в дихальні шляхи, де спричиняє опіки. У рослин викликає відмирання хлорофілу. Руйнує метали, кольорове скло, фарби, текстиль, папір, шкіру. Основні джерела: горючі корисні копалини, переважно кам’яне вугілля.

Оксиди нітрогену. Подразнюють органи дихання, з водою утворюють азотну та азотисту кислоти. NO – викликає набряк мозку, NO2 – роз’їдає слизові оболонки. Джерела: вихлопні гази автомобілів, ТЕС, хімічна промисловість. При взаємодії з вуглеводнями на світлі може утворювати фотохімічний смог.

Азбест – канцерогенний (рак плеври, черевної порожнини, легенів, особливо у курців).

 

Органічні сполуки:

Бензпірен – канцерогенний. Джерела: вихлопні гази автомобілів, ТЕС, спалювання листя.

Фенол. При попаданні на шкіру фенол викликає хворобливі опіки. Пари отруйні.

Формальдегід – утворюється при згоранні органічного палива або як компонент фотохімічного смогу. Входить до складу багатьох пластмас. Негативно впливає на генетичний матеріал, репродуктивні органи, дихальні шляхи, очі, шкіру. Сильний вплив на нервову систему. Канцероген.

Пил – завислі у повітрі дрібні частинки. Найшкідливіші компоненти: маиш’як, берилій, кадмій, нікель, свинець, селен, хром, ртуть, ванадій, азбест. Джерела: ТЕС, котельні, печі, виробництво будівельних матеріалів, гірничо-добувна промисловість, металургія.

 

Свинець – важкий метал. Викликає втому, недокрів’я, кишкові коліки, блідність шкіри, захворювання зубів, порушення репродуктивної функції. Основне джерело – автомобілі. Органічні сполуки свинцю надходять в організм людини крізь шкіру, слизові оболонки, з водою та їжею, а неорганічні — дихальними шляхами. Сьогодні житель великого міста щодня вдихає близько 20 м3 повітря з вихлопними газами, до компонентів яких належить свинець, отримує його з їжею (до 45 мкг), і в організмі затримується до 16 мкг свинцю, котрий проникає в кров і розподіляється в кістках (до 90 %), печінці й нирках. Іноді загальна кількість свинцю в організмі городянина становить 0,5 г і більше, тоді як його ГДК в крові — 50—100 мкг/100 мл.

Кадмій – захворювання опорно-рухової системи, деформація скелету, ламкість кісток, ураження нирок. Захворювання ітай-ітай у Японії (рис із вмістом кадмію, що перевищував норму у 10 разів. Цей рис вирощувався неподалік гірничодобувного комбінату, який сильно забруднював околиці відходами з умістом кадмію.). За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), у наш час у США щодоби в організм дорослої людини потрапляє майже 50—60 мкг кадмію, у Швеції — 15—20, в Японії — до 80 мкг. Рятує лише те, що основна маса кадмію виводиться з організму дуже швидко, а залишається всього близько 2 мкг (за добу). Підвищений уміст кадмію спостерігається в морських фосфоритах, морських рослинах і кістках риб, у деяких поліметалічних рудах. Нагромаджується він у золі під час спалювання сміття на звалищах.

Ртуть (Нg) — високотоксична речовина, особливо ртутьорганічні сполуки — метилртуть, етилртуть та ін. В довкілля потрапляє з відпрацьованих люмінесцентних ламп, батарейок тощо.