Амирханова Н.А., Белоногов В.В., Беляева Л.С. и др. Лабораторные работы по экологии: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Экологическая пирамида - изображение продуктивности экосистем на

разных уровнях трофической цепи в виде пирамиды.

Закон пирамиды энергий Р. Линдемана: с одного трофического уровня

экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более

10 % энергии.

Экологическая сукцессия - постепенные изменения экосистем под

влиянием внутренних или внешних условий. Это последовательная смена

одного биогеоценоза другим. Например: процессы зарастания озер, скал,

насыпей дорог, изменение лугов, степей под влиянием выноса и т.п.

Все живые организмы существуют только в форме популяций.

Популяция - совокупность особей данного вида, в течение длительного

времени населяющего определенный участок географического пространства,

связанных между собой определенными взаимоотношениями и

приспособленных к жизни в условиях данного местообитания.

Численность популяций - определенное число особей.

Плотность популяции - численность на единице пространства или

площади.

Рождаемость - численно выраженная способность популяции к

размножению.

Смертность - количество особей, погибших за определенное время.

Экологическая ниша - это место, которое занимает каждый вид

организмов в среде, где он обитает, обусловленное его потребностью в пище,

территории, воспроизводстве. Для каждого вида характерна своя

экологическая ниша. Если какой-либо вид организмов уничтожается, то его

место занимает вид с близкой экологической нишей. По мнению Ю. Одума

под нишей подразумевается «профессия животного», его специализация в

отношении характера пищи, способа ее добывания, времени суточной и

сезонной активности и т.п.

Модель экологической ниши - часть многомерного пространства,

положение которого определяется совокупностью координат - факторов

среды. «Среда - это адрес, по которому проживает данный организм, а ниша

дополнительно указывает на его занятия, его профессию» (Вигерт, Лаглер).

Адаптация - однонаправленное приспособление к условиям

окружающей среды. Эти приспособления закрепляются в процессе эволюции

и естественного отбора на генетическом уровне. Адаптация - эволюционно

выработанные и наследственно закрепленные особенности организмов,

обеспечивающие их нормальную жизнедеятельность в условиях изменения

экологических факторов.

Экологическая валентность (пластичность) - способность

адаптироваться к отдельным факторам или их комплексу.

Загрязнение - привнесение в среду новых, не характерных для нее

физических, химических и биологических агентов или превышение

естественного среднемесячного уровня этих агентов в среде. Загрязнение -

неблагоприятное изменение окружающей среды, являющееся полностью или

в основном побочным результатом деятельности человека.

Ксенобиотики - вещества, которые получены в результате ис-

кусственного синтеза и не входят в число природных соединений. Такие

вещества трудно вовлекаются в биологические циклы и опасны для здоровья

человека и других организмов.

Экологические законы Барри Коммонеза.

1. Все связано со всем (закон об экосистемах и биосфере).

2. Все надо куда-то девать (закон об антропогенном влиянии на

биосферу; отходы от деятельности человека неизбежны и нужно думать об

уменьшении отходов и исключении их из биосферных циклов).

3. За все надо платить (всеобщий закон рационального природо-

пользования: платить энергией за очистку отходов, удобрениями за

повышение урожая; санаториями и лекарствами за ухудшение здоровья

человека и т.п.).

4. Природа знает лучше (нельзя покорять природу, а нужно сот-

рудничать с ней, не забывать: человек - дитя природы, а не ее властелин).

1. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Воздействие жизнедеятельности человечества на природу с каждым

годом возрастает и становится соизмеримым с действием природных

факторов. Часть вредных веществ включается в круговорот, а большая часть

накапливается в биосфере. Накопление промышленных отходов приводит к

ухудшению свойств экологической системы, а в некоторых случаях и к

гибели, исчезновению отдельных видов животных и растений.

Знание качества окружающей среды (атмосферы, гидросферы и

литосферы) необходимо для разработки замкнутых ресурсосберегающих

технологических процессов, приносящих наименьший ущерб окружающей

среде.

Определение возможности устойчивого существования и развития

экологической системы возможно при знании качества окружающей среды.

Поэтому определение качества окружающей среды, позволяющее

эффективно оценить уровень загрязнения и выявить его источники, является

весьма актуальным. К числу задач инженеров производств относится охрана

природы.

Первая лабораторная работа по циклу экологии посвящена определению

качественных характеристик среды: ПДК, БПК, ХПК. Ознакомившись с

методами анализа сточных вод, студенты научатся определять качество

сточной воды, устанавливать соответствие требованиям стандартов.

1.1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с основными понятиями экологии, связанными с

оценкой качества окружающей среды, методами анализа экологических

объектов, овладение навыками экспериментального определения загрязнений

в промышленных сточных и природных водах.

1.2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.2.1. Критерии качества окружающей среды

Качество окружающей среды - состояние естественных и

преобразованных человеком экологических систем, сохраняющее их

способность к постоянному обмену веществ и энергии, воспроизводству

жизни.

Качественной оценкой окружающей среды являются характеристики

отдельных компонентов биосферы: воздуха, воды, почвы и т.д. В качестве

критерия оценки разработана система стандартов.

Стандарты качества окружающей природной среды - единые требования

и нормативы, предъявляемые к состоянию окружающей среды и дея-

тельности производственно-хозяйственных объектов. Данные требования

составлены на основе современного уровня научно-технических процессов,

соотношения экологических и экономических интересов.

В зависимости от методики установления требований качества

окружающей среды основные стандарты подразделяются на экологические и

производственно-хозяйственные.

Экологические стандарты определяют предельно допустимые

нормативы вредного антропогенного воздействия на окружающую среду,

превышение которых создает угрозу сохранению оптимальных условий

существования человека и его окружения.

Основной величиной экологического нормирования содержания

вредных химических соединений в компонентах природной среды является

предельно допустимая концентрация (ПДК).

С позиции экологии ПДК представляют собой верхние пределы

лимитирующих факторов среды, при которых их содержание не выходит за

допустимые границы экологической ниши человека.

С другой стороны, ПДК можно определить как максимальную

концентрацию примеси, которая при периодическом воздействии или на

протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного влияния,

включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом.

ПДК загрязняющих веществ для воздуха, воды, почвы, для пищевых

продуктов и кормов устанавливаются в законодательном порядке или

рекомендуются компетентными учреждениями.

В настоящее время установлены ПДК большого количества вредных

веществ для воздушной и водной среды и сравнительно недавно начаты

исследования по разработке ПДК загрязняющих веществ для почвы.

1.2.1.1. ПДК вредных веществ в атмосфере

Для санитарной оценки воздушной среды используется несколько

видов предельно допустимых концентраций вредных веществ, в том числе

ПДК для рабочей зоны (р. з.), максимально-разовая (м. р.) и среднесуточная

(с. с.) ПДК, которые установлены на основе рефлекторных реакций

организма человека на присутствие в воздухе токсикантов.

ПДК

Р.З.

– предельно допустимая концентрация вредного вещества в

воздухе рабочей зоны, мг·м

-3

. Эта концентрация не должна вызывать у

работающих, при ежедневном вдыхании в течение 8 часов, за все время

рабочего стажа каких-либо заболеваний или отклонений от нормы в

состоянии здоровья, которые могли бы быть обнаружены современными

методами исследования непосредственно во время работы или в отдаленные

сроки. При этом рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м

над уровнем пола или площадки, на которой расположены места

постоянного или временного пребывания работающих.

ПДК

М.Р.

- максимальная разовая концентрация вредного вещества в

воздухе населенных мест, мг·м

-3

, которая не должна вызывать

рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК

С.С.

- среднесуточная предельно допустимая концентрация

вредного вещества в воздухе населенных мест, мг·м

. Эта концентрация

вредного вещества не должна оказывать прямого или косвенного, вредного

воздействия на организм человека в условиях неопределенно долгого

круглосуточного вдыхания.

В настоящее время действуют «ПДК вредных газов, паров и аэрозолей в

воздухе рабочей зоны», установленные для 445 загрязняющих веществ, и

«ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест»,

включающие 109 загрязняющих веществ, наиболее распространенные из

которых приведены в табл. 1 Приложения.

Многие токсичные вещества обладают эффектом суммации (эффектом

суммированного действия), т. е. их смеси оказывают более токсичное

воздействие на живые организмы, чем отдельные компоненты. Это можно

сказать о смесях ацетона и ацетофенона; триоксида и диоксида серы и

оксидов азота; сильных минеральных кислот (НСl, НNО

, Н

);

валериановой, капроновой и масляной кислот; диоксида серы и

фтороводорода; диоксида серы и фенола и многих других.

В этом случае необходимо учитывать совместное воздействие

примесей на человека и окружающую среду.

Качество окружающей среды будет соответствовать установленным

нормативам при условии, что:

ПДК

...

ПДКПДК

≤+++

СС

где С

, С

,…,С

- концентрации вредных веществ, обладающих эффектом

суммации; ПДК

, ПДК

, ..., ПДК

- предельно допустимые концентрации

соответствующих загрязнений.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе

устанавливают, как правило, экспериментально, с использованием

подопытных животных.

Установление ПДК каждого отдельного вещества требует

продолжительных экспериментальных исследований, тогда как новые

химические соединения и их комбинации получают, синтезируют и внедряют

в производство значительно быстрее. Для устранения этого разрыва во

времени используют расчетные методы определения ПДК, которые

позволяют прогнозировать токсическое действие химических соединений,

исходя из их физико-химических характеристик и результатов простейших

токсикологических исследований. Для многих веществ, загрязняющих

воздух, ориентировочные значения ПДК, рассчитанные с помощью

регрессионного анализа, оказались весьма близки к нормативным,

определенным экспериментально.

Для расчета ПДК вредных веществ в воздухе производственных

помещений рекомендованы формулы, выведенные на основании

регрессионного анализа с использованием показателей их токсичности и

некоторых физико-химических констант этих веществ, например:

lg ПДК

р.з.

= 0,91 ЛК

+ 0,1 М,

где ЛК

— летальная концентрация вещества, вызывающая при вдыхании

гибель 50 % подопытных животных, мг · л

–1

. Значения ЛК

выражают также

в миллимолях на литр (ммоль · л

–1

); М – молярная масса вещества.

Для атмосферного воздуха населенных мест существующий принцип

нормирования предусматривает установление двух типов ПДК:

максимально-разовых и среднесуточных (ПДК

М.Р.

и ПДК

С.С.

соответственно).

Для их расчета также предложены уравнения, включающие в качестве

независимой переменной порог обоняния для наиболее чувствительных

людей, порог световой чувствительности глаза или порог действия на

биоэлектрическую активность коры головного мозга, например:

lg ПДК

М. Р

= 0,96 lg X

– 0,51,

где X

- порог обоняния для наиболее чувствительных людей, мг · м

lg ПДК

С. С.

= 0,62 lg ПДК

Р. З.

– 1,77.

Полученные по этой формуле величины ПДК

М. Р

и ПДК

С. С.

хорошо

совпадают с узаконенными, установленными экспериментально.

Приведенные выше уравнения могут быть использованы для

предварительной оценки токсичности химического загрязнения атмосферы.

Разумеется, расчетные методы не могут заменить экспериментальное

обоснование величин ПДК, в особенности для веществ, обладающих

выраженным специфическим действием, но совершенствование

математических методов установления ПДК и привлечение к

регрессионному анализу большего числа исходных показателей повысит его

роль в прогнозировании допустимых пределов содержания в воздушной

среде опасных для здоровья химических ингредиентов.

Производственно-хозяйственные стандарты качества окружающей

среды определяют предельно допустимые параметры производственно-

хозяйственной деятельности конкретных объектов с точки зрения

экологической защиты природной среды. К ним относятся нормативы

предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ, химических и

биологических воздействий и др. ПДВ - это объем (количество)

загрязняющего вещества, выбрасываемого отдельным источником за

единицу времени, превышение которого ведет к превышению ПДК в среде,

окружающей источник загрязнения, и, как следствие, к неблагоприятным

последствиям в окружающей среде и риску для здоровья людей.

ПДВ рассчитывают по методам, разработанным Госкомгидрометом и

стандартизованным ГОСТ 17.2.3-02–78. При его установлении для каждого

предприятия принимается во внимание перспектива развития

промышленного производства в этом районе, расположение уже

действующих предприятий и жилой застройки, географические и

климатические условия местности, расположение санитарно-защитных и

рекреационных зон.

За состоянием воздуха в стране наблюдает общегосударственная

служба. Качество воздуха регламентируется Санитарными нормами (СН

245–71), которые содержат ПДК

М. Р

и ПДК

С. С.

. Наряду с ПДК для контроля

за промышленными выбросами пользуются рядом дополнительных

характеристик, в том числе ДОК (допустимое остаточное количество), ОБУВ

(ориентировочный безопасный уровень воздействия), ОДК (ориентировочная

допустимая концентрация).

1.2.1.2. ПДК вредных веществ в водной среде

В нашей стране нет единых общегосударственных норм качества воды,

поскольку её пригодность определяется конкретными требованиями

отдельных видов водопользования.

Качество поверхностных вод нормировано для хозяйственно-

питьевого, культурно-бытового и рыбохозяйственного водопользования. Для

первых двух категорий определяющими являются санитарно-гигиенические

нормы (см. табл. 1.1).

Для воды установлены предельно допустимые концентрации более чем

960 химических соединений, которые объединены в три группы по

следующим лимитирующим показателям вредности (ЛПВ): санитарно-

токсикологическому (с.-т.); общесанитарному (общ.); органолептическому

(орг.).

ПДК некоторых вредных веществ в водной среде представлены в табл.

2 Приложения.

Таблица 1.1

Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов,

используемых для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых целей

I категория II категория Показатели

Хозяйственно-

питьевое назначение

Культурно-бытовое

назначение

Взвешенные вещества

По сравнению с природными условиями

содержание взвешенных веществ не должно

увеличиваться при сбросе сточных вод больше

чем на:

0,25 мг · л

-1

0,75 мг · л

-1

Плавающие примеси На поверхности воды не должно быть пленок

нефтепродуктов и скоплений других примесей.

Запахи и вкусы Интенсивность более 2 баллов не допускается.

Окраска Не должна обнаруживаться в столбике воды:

20 см 10 см

Температура Летняя температура в результате спуска

сточных вод не должна повышаться более чем

на 3 ºС по сравнению со среднемесячной

температурой в самый жаркий месяц за

последние 10 лет

Водородный показатель рН Не должен выходить за пределы 6,5- 8,5 рН

Минерализация воды Не должна

превышать по

сухому остатку 1000

мг · л

-1

, в том числе

хлоридов

350 мг · л¯

сульфатов 500

мг · л¯

Нормируется по

показателю «привкусы».

Растворенный кислород Не менее 4 мг · л¯

в любой период года в

пробе, отобранной до 12 ч дня.

Биохимическое потребле-

ние кислорода (БПКполн)

При 20 ºС не должно превышать:

3 мг · л¯

6 мг · л¯

Возбудители заболеваний Не допускаются

Ядовитые вещества Не должны содержаться в концентрациях,

оказывающих прямо или косвенно вредное

влияние на здоровье людей.

Самые высокие требования предъявляются к питьевой воде.

Государственный стандарт на воду, используемую для питья и в пищевой

промышленности (ГОСТ 2874 - 73), определяет благоприятные для человека

органолептические показатели воды: вкус, запах, цвет, прозрачность, а также

безвредность ее химического состава и эпидемиологическую безопасность.

Одни и те же требования предъявляются к воде из любого источника

водоснабжения независимо от способа ее обработки и конструкции

водозабора и водопровода. Вкус воды обусловлен растворимыми в ней

веществами (см. табл. 1.2). Нередко неприятный привкус и запах сообщают

воде продукты разложения животных и растительных организмов, например

сероводород. Напротив, кислород, диоксид углерода, небольшое количество

гидрокарбоната кальция, растворенные в воде, придают ей приятный,

освежающий вкус. Питьевая вода в любое время года не должна содержать

менее 4 г · м¯

кислорода, а наличие в ней минеральных примесей (мг · л¯

) не

должно превышать: хлоридов (Сl¯ ) - 350; сульфатов (SО

−2

) - 500; железа

(Fe

+ Fe

)- - 0,3; марганца (Mn

) - 0,1; меди (Сu

) -1,0; цинка (Zn

) - 5,0;

алюминия (Al

) - - 0,5; метафосфатов (РО

−

) - 3,5; фосфатов (РО

−3

) - 3,5;

сухого остатка - 1000. Таким образом, вода пригодна для питья, если ее

общая минерализованность не превышает 1000 мг · л¯

. Очень малая

минерализованность воды (ниже 100 мг·л¯

) тоже ухудшает ее вкус, а

вода, вообще лишенная солей (дистиллированная), вредна для здоровья, так

как ее употребление нарушает пищеварение и деятельность желез

внутренней секреции. Иногда по согласованию с органами санитарно-

эпидемиологической службы допускается содержание сухого остатка до

1500 мг · л¯

Таблица 1.2

Предельная концентрация солей, вызывающих вкусовые ощущения

Концентрация соли, мг · л¯

Соли вкус еле ощутимый,

неопределенный

вкус, воспринимаемый

как неприятный

NaCl

MgCl

MgSO

CaSO

KCl

FeSO

MnCl

FeCl

150

100

200

350

1,5

2,0

0,3

500 (соленый)

400 (горький)

500 (горький)

150 (вяжущий)

700 (горький)

5,0 (железистый)

4,0 (болотный)

0,5 (болотный)

Запах воды также зависит от химического состава примесей и от

растворенных в ней газов. Различают запахи естественного происхождения

(от живущих и отмирающих в воде организмов, воздействия почв и грунтов,

срубов колодцев) и искусственного происхождения (от случайного

попадания сточных вод, от реагентов, используемых для обработки воды).

Интенсивность запаха оценивают по пятибалльной системе, причем для

питьевой воды при температуре 20-60 ºС она не должна превышать двух

баллов (см. табл. 1.3).

Запах воды, подвергнутой хлорированию, определяют через 30 мин

после введения хлора.

Разумеется, питьевая вода не должна содержать токсических

химических веществ в концентрациях, вредных для человеческого

организма. Строго регламентированы реакция среды, которая в питьевой

воде должна быть близка к нейтральной (рН 6,5 – 8,5), и температура

питьевой воды в водопроводных сетях. Содержание в питьевой воде

большого количества растворимых солей магния и кальция не только

ухудшает ее вкус, но и обусловливает жесткость воды.

Таблица 1.3

Оценка интенсивности запаха воды

Баллы Интенсивность

запаха

Характеристика запаха

0 Никакого Отсутствие ощутимого запаха

1 Очень слабый Обнаруживаемый опытным исследователем

Слабый

Не привлекающий внимания, но такой,

который можно заметить

Заметный

Запах, легко обнаруживаемый и могущий

вызвать неодобрение

Отчетливый

Запах, обращающий на себя внимание и

делающий воду непригодной для питья

5 Очень сильный Запах настолько сильный, что делает воду

непригодной для питья

Жесткая вода неприменима в ряде отраслей промышленности, в

теплотехнике и неблагоприятна при её бытовом использовании. В ней

труднее развариваются многие продукты и их питательная ценность

уменьшается, резко ухудшается моющая способность и возрастает расход

мыла. Употребление жесткой воды способствует развитию ряда заболеваний.

Допускается жесткость питьевой воды не выше 7 ммоль/л и лишь в

отдельных случаях по согласованию с санитарно-эпидемиологической

службой допускается использование в водопроводных сетях воды с

жесткостью до 10 ммоль/л.

Вопрос доброкачественности питьевой воды решают путем

определения количества кишечных палочек в 1 л воды. Кишечная палочка –

это микроб, постоянно обитающий в кишечнике человека и животных, и,

следовательно, безвредный. Однако ее присутствие в воде свидетельствует о

наличии в ней выделений людей или животных и о возможности загрязнения