Хохлова О.Н. (сост.) Введение в химическую экологию. Химия окружающей среды. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ВВЕДЕНИЕ
В ХИМИЧЕСКУЮ ЭКОЛОГИЮ
Часть I
Химия окружающей среды
Учебное пособие
Составитель О.Н. Хохлова
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2008
2
Утверждено научно-методическим советом химического факультета 6 марта
2008 г., протокол № 4
Рецензент В.Н. Попов
Учебное пособие подготовлено на кафедре аналитической химии химиче-
ского факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов 3–4 курсов химического факультета.
Для специальности: 020101 – Химия
3
СОДЕРЖАНИЕ
От составителя...........................................................................................4
Введение ......................................................................................................5
1 Экосистема – основное понятие экологии .............................................8
2 Учение В.И. Вернадского о биосфере......................................................12
2.1 Строение биосферы..............................................................................13
2.2 Функции живого вещества в биосфере ..............................................15
3 Основные законы экологии......................................................................16
3.1 Основные законы экологии Б. Коммонера ........................................16
3.2 Правила существования видов............................................................17
3.3 Реакции экосистем на внешнее воздействие .....................................18
4 Биогеохимические циклы химических элементов................................20
4.1 Цикл кислорода ....................................................................................22
4.2 Цикл углерода.......................................................................................24
4.3 Цикл азота.............................................................................................27
4.4 Цикл серы..............................................................................................32
4.5 Цикл фосфора .......................................................................................34
5 Химия атмосферы ......................................................................................36
5.1 Состав и строение атмосферы.............................................................36
5.2 Функции атмосферы ............................................................................39
5.3 Некоторые химические реакции, протекающие в атмосфере ..........39
6 Химия гидросферы......................................................................................48
6.1 Состав гидросферы ...............................................................................48
6.2 Химия Мирового океана.......................................................................50
6.3 Химия пресных вод...............................................................................53
7 Химия литосферы и почвы .......................................................................56
7.1 Строение и состав литосферы..............................................................56
7.2 Почва как внешний компонент литосферы.........................................58
Заключение......................................................................................................66
Список литературы........................................................................................67
4
ОТ СОСТАВИТЕЛЯ
Данная работа является первой в цикле учебных пособий под общим
названием «Химическая экология». Изучение этой дисциплины студента-
ми многопланово: на начальном этапе необходимо познание химии окру-
жающей среды – качественного и количественного состава компонентов
природной среды, естественных процессов превращения, накопления и
транспорта веществ, протекающих в биосфере; на втором этапе необходи-
мо познание антропогенного воздействия на окружающую среду – источ-
ников и результатов этого воздействия – нарушение экологической обста-
новки локального и глобального характера; на третьем этапе важно изуче-
ние основ мониторинга окружающей среды и методов ее охраны. Цен-
тральным моментом в этих разделах является химизм всех явлений и про-
цессов в окружающей среде как в естественных условиях, так и под дейст-
вием антропогенного фактора. Завершающим этапом изучения дисципли-
ны является рассмотрение Человека не как источника воздействия на био-
сферу, а как вида, живущего в естественных условиях окружающей среды
и подвергающегося воздействию неблагоприятной экологической обста-
новки. Каждому разделу посвящено отдельное учебное пособие.
О.Н. Хохлова
5
ВВЕДЕНИЕ
Экология (от гр. Оikos – дом, жилище, местопребывание и logos –
слово, учение) – наука об отношениях организмов и образуемых ими со-
обществ между собой и окружающей средой. Экология – это раздел биоло-
гии, изучающий взаимосвязи между организмами и их средой обитания, о
круговороте веществ в природе и потоках энергии, делающих возможной
саму жизнь на Земле.
Экология как наука сформировалась в середине ХIХ века, когда воз-
никло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и их
взаимоотношения со средой обитания подчинены определенным законо-
мерностям. Немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919), который в
1866 г. в двухтомной монографии «Общая морфология организма», дал
следующее определение этой науки: «Это познание экономики природы,
одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органиче-
скими и неорганическими компонентами среды, включая непременно не-
антагонистические и антагонистические взаимоотношения животных и
растений, контактирующих друг с другом. Одним словом, экология – это
наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе,
рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование».
Э. Геккель относил экологию к биологическим наукам и наукам о природе,
которые изучают все стороны жизни биологических организмов.
В рамках биологии различают:
– аутоэкологию, или собственную экологию, изучающую внутриви-
довые взаимосвязи;
– синэкологию, которая рассматривает взаимоотношения организмов
между собой (межвидовые взаимосвязи);
– демэкологию, изучающую динамику популяций.
Если в период своего возникновения экология изучала взаимоотноше-
ния организмов с окружающей средой и была составной частью биологии,
то с середины ХХ века, в связи с усилившимся воздействием на природу,
экология приобрела особое значение. Экология – наука об антропогенном
воздействии на окружающую среду, научная основа рационального приро-
допользования и охраны живых организмов.
Главная задача современной экологии – изучение и прогнозирование
антропогенных изменений в среде обитания, обоснование и разработка ме-
тодов ее сохранения и улучшения в интересах человечества.
Таким образом, говоря, например, об экологии Черного моря, можно
подразумевать взаимосвязи живых организмов между собой и морской
средой обитания, а можно подразумевать антропогенное воздействие (ис-
пользование ресурсов моря, загрязнение и др.), его последствия, возмож-
ность избежания этих последствий (то есть охрана моря).
6
Современная экология охватывает чрезвычайно широкий круг вопро-
сов и тесно переплетается с целым рядом смежных наук таких, как геогра-
фия, геология, физика, химия, генетика, математика, медицина, агрономия,
архитектура. Приставка эко- появляется у многих естественных и общест-
венных наук.
Таким образом, современная экология – комплексная наука, имеющая
большое практическое значение. Не будет преувеличением утверждение о
том, что от прогресса этой науки, возможно, будет зависеть само сущест-
вование человека.
О месте химической экологии в иерархии экологических наук
В рамках сочетания двух понятий «экология» и «химия», а также при-
менимо к объектам исследования (особь, экосистема, биосфера) рассмот-
рим существующие научные дисциплины.
Вещества, входящие в состав организма, их структуру, распределе-
ние, превращение и функции изучает наука биохимия.
С точки зрения биологии в рамках экосистемы существует поня-
тие химической экологии – это наука о химических взаимоотноше-
ниях живых организмов между собой и с живой и неживой природой.
Предмет химической экологии – это химизм и принципы взаимодейст-
вия животных и растительных организмов между собой и неорганиче-
ской средой посредством взаимно перекрещивающегося действия раз-
личных молекул.
Природные вещества в биосфере, их превращение и транспорт в
естественных условиях и под воздействием антропогенного фактора изу-
чает экологическая химия. Однако иногда особо выделяют антропоген-
ное химическое воздействие на процессы в биосфере посредством действия
любых химических веществ – продуктов деятельности человека (напри-
мер, СО
2
) и действия веществ не свойственных природе (например, пести-
циды) и называют этот раздел экологической химией, однако такое пред-
ставление слишком узко.
В настоящее время понятия «Химическая экология» и «Экологи-
ческая химия» в общественном и научном сознании отождествляются,
но однозначного определения этой науки нет. Чаще всего биологиче-
ская составляющая химической экологии опускается, и под этими тер-
минами подразумевается наука о процессах трансформации и миграции
химических соединений природного и антропогенного происхождения в
биосфере.
На рисунке 1 схематически представлены области исследования хи-
мической, биологической и экологической наук и их взаимосвязь.
7
Рис. 1. Связь химических, биологических и экологических наук
Роль химической экологии в общей системе экологических знаний и
природоохранной деятельности возрастает по нескольким причинам:
1. Среди факторов, нарушающих природные равновесия, химические
вещества различного происхождения имеют первостепенное значение.
2. Химические факторы более заметны и легче поддаются анализу,
чем, например, изменения биологического или географического фактора.
3. Химическим методам и средствам (химической технологии) при-
надлежит ведущая роль в охране окружающей среды.
Задачи химической экологии как любой науки – это описание, объ-
яснение тех или иных процессов в системе и предсказание поведения сис-
темы в заданных условиях. В случае химической экологии объектом вни-
мания является конкретная экосистема или биосфера в целом. Для этого
необходимо:
1. Изучение естественных круговоротов веществ в природе и влияние
на них антропогенного фактора.
2. Исследование закономерностей накопления, пространственно-
временного распределения и физико-химических превращений загряз-
нителей окружающей среды под действием различных природных фак-
торов и антропогенного воздействия.
3. Разработка методов и средств анализа, мониторинга и защиты ок-
ружающей среды.
4. Создание научных основ для изменения старых и создания новых
экологически чистых и ресурсосберегающих технологий.
5. Предсказание и предотвращение экологических кризисов на основе
анализа человеческой деятельности в конкретном регионе или биосфере в
целом.
8
В задачи химика-эколога, владеющего теоретическими основами эко-
логической химии и методами анализа объектов окружающей среды, входит:
1. Выявление в результате химико-аналитического контроля конкретных
действующих предприятий (технологических процессов), загрязняющих сре-
ду обитания.
2. Теоретическая оценка отрицательных последствий деятельности су-
ществующих производств и предсказание воздействия проектируемых пред-
приятий на состояние окружающей среды.
3. Оптимизация технологических процессов с целью уменьшения вред-
ного воздействия на окружающую среду за счет:
– замены вредных веществ на менее вредные;
– изменения отдельных этапов производства на более безопасные;
– очистки от загрязняющих веществ выбросов в атмосферу, сточных
вод и утилизации отходов производства.
1 ЭКОСИСТЕМА – ОСНОВНОЕ ПОНЯТИЕ ЭКОЛОГИИ
Экология рассматривает взаимодействие живых организмов и нежи-
вой природы. Это взаимодействие, во-первых, происходит в рамках опре-
деленной системы (экологической системы), и, во-вторых, оно не хаотич-
но, а определенным образом организовано, подчинено законам.
Экосистема – единый природный комплекс, образованный живыми
организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и др.), в ко-
тором живые и косные компоненты связаны между собой обменом веще-
ства и энергии. Термин «экосистема» ввел английский фитоцентолог
А. Тенсли в 1935 г.
Биотическая структура экосистемы – это совокупность организмов
различных категорий, пути взаимодействия их между собой и окружаю-
щей средой. Схема биотической структуры экосистемы представлена на
рисунке 2. Выделяют:
Автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из
неорганических соединений с использованием энергии Солнца. Проду-
центы – комплексы автотрофных организмов, обеспечивающих органиче-
скими веществами, следовательно, и энергией все остальные организмы
(растения и фотосинтезирующие бактерии).
Гетеротрофы – организмы, питающиеся готовыми органическими
веществами. Консументы – комплексы гетеротрофных организмов (жи-
вотные, бесхлорофилльные растения).
Первичные консументы – животные, которые питаются непосредствен-
но продуцентами (например, кролик ест морковку) – растительноядные.
Вторичные консументы – животные, которые питаются первичными
консументами (лиса, питающаяся кроликом) – плотоядные.
9
Бывают консументы более высокого порядка, бывают виды животных,
относящиеся к разным уровням (медведь ест малину – первичный консу-
мент, медведь ест рыбу – вторичный консумент).
Редуценты или деструкторы – комплексы организмов, разлагающих
органические соединения до минерального состояния (бактерии, грибы,
простейшие – редуценты, а также организмы, которые питаются мертвыми
органическими веществами – грифы, раки, муравьи – детритофаги).
Абиотическое окружение – весь комплекс неживой природы, откуда
биоценоз черпает средства для существования и куда выделяет продукты
обмена.
Здесь же необходимо рассмотреть пищевые цепи. В биологической
структуре экосистем к числу важнейших взаимоотношений между орга-
низмами относятся пищевые. Можно проследить бесчисленные пути веще-
ства в экосистеме, при которых один организм поедается другим, тот
третьим и т. д. Ряд таких звеньев называется пищевой цепью. Но в эколо-
гической системе практически все пищевые цепи соединены между собой
и образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений. Продуценты, пер-
вичные, вторичные и т. д. консументы и детритофаги – разные уровни этой
общей сети. Эти уровни называют трофическими, что означает пищевые.
Рис. 2. Биотическая структура экосистемы
10
Таким образом, экосистема – совокупность продуцентов, консумен-
тов и детритофагов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей
их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким
образом, что эта единая система сохраняет устойчивость в течение про-
должительного времени.
Таким образом, для естественной экосистемы характерны три признака:
1) экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и
неживых компонентов;
2) в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с соз-
дания органического вещества и заканчивая его разложением на неоргани-
ческие составляющие;
3) экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени,
что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических
компонентов.
Понятие «экосистема» применяется к природным объектам различной
сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или березовая
роща, биосфера в целом. Более простые экосистемы входят в более сложно
организованные. При этом реализуется иерархия организации систем, в
данном случае экологических.
Важным следствием иерархической организации экосистем является
то, что по мере объединения компонентов в более крупные блоки, которые,
в свою очередь, объединяются в системы, у этих новых функциональных
единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне.
Таким образом, устройство природы следует рассматривать как сис-
темное целое, состоящее из вложенных одна в другую экосистем, высшей
из которых является уникальная глобальная экосистема – биосфера. В ее
рамках происходит обмен энергией и веществом между всеми живыми и
неживыми составляющими в масштабах планеты.
В рамках экосистемы необходимо отметить влияние окружающей
среды на организм, которое происходит в результате действия так назы-
ваемых экологических факторов.
Экологический фактор – любое условие среды, на которое живое
реагирует приспособительными реакциями.
Иначе – экологический фактор – это любой элемент среды, оказы-
вающий прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на
протяжении одной из фаз их развития.
По своей природе экологические факторы делят по крайней мере на
три группы:
– абиотические факторы – влияния неживой природы;
– биотические факторы – влияния живой природы.
– антропогенные факторы – влияния, вызванные деятельностью человека.
Нередко экологические факторы подвергают и более детальной клас-
сификации, когда надо указать на какую-то конкретную группу факторов.