Экологические факторы, их классификация и влияние на живые организмы

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Экологические факторы, их классификация и влияние  на живые организмы.  Закон  эквивалентности(толерантности) экологических  факторов

 

Окружающая организм среда - это природные тела и явления, с которыми она находится в прямых или косвенных отношениях. Условия среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются экологическими факторами. Существует несколько классификаций экологических факторов среды. Наиболее простой и ставшей классической является классификация, по которой экологические факторы среды делятся на две категории: абиотические факторы (факторы неживой природы) и биотические факторы (факторы живой природы).

К абиотическим факторам относятся климатические - свет, температура, влага, движение воздуха, давление; эдафогенные (почвенные) - механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность; орографические - рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона; химические - газовый состав воздуха, солевой состав среды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов.

К биотическим факторам относятся фитогенные (растительные организмы), зоогенные (животные), микробиогенные (вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии) и антропогенные (деятельность человека).

Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А.С. Мончадский (1962), исходя из того, что приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды определяются степенью постоянства этих факторов. Это:

- первичные периодические факторы (температура, свет), зависящие от периодичности вращения Земли и смены времен года;

- вторичные периодические факторы (влажность, осадки, динамика растительной  пищи, содержание растворенных газов  в воде, внутривидовые взаимодействия) как следствие первичных периодических;

- непериодические факторы (эдафические  факторы, взаимодействие между разными  видами, антропогенные воздействия, почвенно-грунтовые факторы), не  имеющие правильной периодичности.

Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы выражается в существовании некоторых верхних и нижних границ амплитуды допустимых колебаний отдельных факторов (температура, соленость, рН, газовый состав и др.), то есть определенный режим существования. Чем шире пределы какого-либо фактора, тем выше устойчивость, или, как ее называют, толерантность, данного организма.

Лимитирующим фактором развития растений является элемент, концентрация которого лежит в минимуме. Это определяется законом, называемым законом минимума Ю.Либиха (1840). Либих, химик-органик, один из основоположников агрохимии, выдвинул теорию минерального питания растений. Урожай культур часто лимитируется элементами питания, присутствующими не в избытке, такими как СО2 и Н2О, а теми, которые требуются в ничтожных количествах. Например: бор - необходимый элемент питания растений, но его мало содержится в почве. Когда его запасы исчерпываются в результате возделывания одной культуры, то рост растений прекращается, если даже другие элементы находятся в изобилии. Закон Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния. Необходимо учитывать и взаимодействие факторов. Так, высокая концентрация или доступность одного вещества или действие другого (не минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в минимальном количестве. Иногда организм способен заменять (частично) дефицитный элемент другим, более доступным и химически близким ему. Так, некоторым растениям нужно меньше цинка, если они растут на свету, а моллюски, обитающие в местах, где есть много стронция, заменяют им частично кальций при построении раковины.

Экологические факторы среды могут оказывать на живые организмы воздействия разного рода:

1) раздражители, вызывающие приспособительные  изменения физиологических и биохимических функций (например, повышение температуры воздуха ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и к охлаждению тела);

2) ограничители, обусловливающие невозможность  существования в данных условиях (например, недостаток влаги в  засушливых районах препятствует проникновению туда многих организмов);

3) модификаторы, вызывающие анатомические  и морфологические изменения  организмов (например, запыленность  окружающей среды в индустриальных  районах некоторых стран привела  к образованию черных бабочек березовых пядениц, сохранивших свою светлую окраску в сельских местностях);

4) сигналы, свидетельствующие об  изменении других факторов среды.

В характере воздействия экологических факторов на организм выявлен ряд общих закономерностей.

Закон оптимума - положительное или отрицательное влияние фактора на организмы - зависит от силы его воздействия. Недостаточное или избыточное действие фактора одинаково отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия экологического фактора называется зоной оптимума. Одни виды выносят колебания в широких пределах, другие - в узких. Широкая пластичность к какому-либо фактору обозначается прибавлением частицы «эври», узкая - «стено» (эвритермные, стенотермные - по отношению к температуре, эвриотопные и стенотопные - по отношению к местам обитания).

Неоднозначность действия фактора на разные функции. Каждый фактор неоднозначно влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может быть неблагоприятным для других. Например, температура воздуха более 40°С у холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных процессов в организме, но тормозит двигательную активность, что приводит к тепловому оцепенению.

Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо из факторов среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Так, жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе. Угроза замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную погоду. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Дефицит тепла в полярных областях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью в летнее время. Для каждого вида животных необходим свой набор экологических факторов.

Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые организмы. Абиотические факторы создают условия обитания растительных и животных организмов и оказывают прямое или косвенное влияние на жизнедеятельность последних. К абиотическим факторам относят элементы неорганической природы: материнская порода почвы, химический состав и влажность последней, солнечный свет, теплота, вода и ее химический состав, воздух, его состав и влажность, барометрическое и водное давление, естественный радиационный фон и др. Химическими компонентами абиотических факторов являются питательные вещества, следы элементов, концентрация углекислого газа и кислорода, ядовитые вещества, кислотность (рН) среды.

Большинство организмов не выносят колебаний величины рН. Обмен веществ у них функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотности-щелочности. Концентрация водородных ионов во многом зависит от карбонатной системы, которая является важной для всей гидросферы и описывается сложной системой равновесий, устанавливающихся при растворении в природных пресных водах свободного СО2, по реакции:

СО2 + Н2О + Н2СО3+ Н+ + НС .

Именно эта реакция является причиной того, что рН пресных природных вод редко бывает теоретически нейтральной, то есть равной 7. Чаще всего рН чистой воды колеблется от 6,9 до 5,6. В природе приведенное выше равновесие в чистом виде не существует, так как на природные воды оказывает действие многочисленные факторы: температура, давление, содержание в атмосфере кислорода, аммиака, диоксида и триоксида серы, азота, состав пород по которым протекает река или расположено озеро. рН сравнительно легко измерить, поэтому его изучили во многих водных местообитаниях. Если рН не приближается к крайнему значению (от 6,5 до 8,5), то сообщества способны компенсировать изменения этого фактора и толерантность сообщества к диапазону рН, встречающемуся в природе, весьма значительна. Так как изменение рН пропорционально изменению количества СО2, рН может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества (фотосинтеза и дыхания). В воде с низким рН содержится мало биогенных элементов, в связи с чем продуктивность здесь мала. рН сказывается и на распределении водных организмов. Растения растут в воде с рН ниже 7,5 (Isoetes и Sparganium), от 7,7 до 8,8 (Potamogeton и Elodea canadensis), от 8,4 до 9,0 (Typha angustifolia). Развитие сфагновых мхов стимулируют кислые воды торфяников, в которых очень редки моллюски, ввиду отсутствия извести, зато часто встречаются личинки двукрылых из рода Chaoborus. Рыбы выносят рН в пределах от 5,0 до 9,0, но некоторые виды способны приспосабливаться к значению рН до 3,7. При рН > 10 вода гибельна для всех рыб. Максимальная продуктивность вод приходится на рН между 6,5 и 8,5.

 

Задание 42

 

Определить эффективность работы очистных сооружений по всем видам указанных загрязняющих веществ, если известно, что сброс сточных вод осуществляется в водоем для санитарно-бытового водопользования.

Исходные данные: коэффициент смешения γ = 0,51, средний расход воды Q = 2,7, концентрации загрязняющих веществ С: никель 60,4, свинец 50,8, хром 70,4, толуол 13,2, взвешенные вещества 142,4, расход сточных вод q = 0,08

Фоновые концентрации загрязняющих веществ С: никель 0,0002, свинец 0, хром 0, толуол 0, взвешенные вещества 42,3.

Решение. Распределяем загрязняющие вещества стоков по группам лимитирующего показателя вредности для рыбохозяйственного водопользования.

Токсикологический: никель, свинец

Санитарно-токсикологический: хром

Органолептический: толуол

Рыбохозяйственный: взвешенные вещества

Определить ПДК каждого из этих веществ в речной воде:

ПДК: никель 0,01, свинец 0,1, хром 0,001, толуол 0,5, взвешенные вещества 0,75

По формуле (1) рассчитаем С, мг/л загрязняющих веществ в стоке без учета их влияния в водоеме.

Никель: С = 0,51*2,7/0,08 (0,01 – 0,002)+0,01 = 0,14

Свинец: С = 0,51*2,7/0,08 (0,1 – 0)+0,1 = 1,82

Хром: С = 0,51*2,7/0,08 (0,001 – 0)+0,001=0,01

Толуол: С = 0,51*2,7/0,08 (0,5-0)+0,5=9,1

Взвешенные вещества: С = 0,51*2,7/0,08 (42,3-0,75)+42,3 = 672,8

Учитывая, что в токсикологическую группу веществ входят по нескольку ингредиентов, рассчитываем ожидаемую концентрацию каждого из загрязняющих веществ в створе реки по формуле (2)

Никель: С=0,08*0,14+0,51*2,7*0/0,08+0,51*2,7 = 0,007

Свинец: 0,08*1,82+0,51*2,7*0/0,08+0,51*2,7 = 0,09

Провести проверку по данной группе веществ на соответствие нормам по формуле (4):

0,007/0,01+0,09/0,1=1,8

Так как суммарная величина больше 1, снижаем С каждого компонента

0,0007/0,001+0,009/0,01 = 0,9

По формуле (5) определяем допустимую концентрацию мг/л загрязняющих веществ в стоках после очистки с учетом совместного влияния веществ в каждой группе лимитирующего показателя вредности

С = 0,007*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 0,12

С = 0,09*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 =1,63

С=0,01*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 0,18

С= 0.91*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*0/0,08 = 1,657

С = 0,6728*(0,08+0,51*2,7) – 0,51*2,7*42,3= 0,62

Определяем эффективность работы очистного оборудования по формуле (6):

Э = 60,4-0,12/60,4=0,99=99%

Э = 50,8-1,63/50,8=0,96=96%

Э=70,4-0,18/70,4=0,99=99%

Э=13,2-1,657/13,2=0,87=87%

Э=142,4-0,62/142,4 = 0,99=99%

 

Задание 60

 

Рассчитать предотвращенный экономический ущерб в результате работы биоочистных сооружений предприятия (юг Хабаровского края) при условии, что биоочистные системы (поля орошения) работают при температуре окружающей среды +10˚С

Вид, начальные и конечные концентрации загрязнителей стоков представлены в таблице 1.

Таблица 1

Вид загрязнителя	С1 начальная	С1 конечная	ПДК
Нитрит ион	5	0,1	0,08
Нефтепродукты	22	0,1	0,05
Сульфаты	250	120	100
Свинец	3,4	0,2	0,1
Взвешенные вещества	150	30	25

Рассчитаем фактическую массу для каждого загрязнителя:

Нитрит ион: m = 5-0,1= 4,9мг

Нефтепродукты: m = 22 – 0,1 = 21,9 мг

Сульфаты: m = 250 – 120 = 130 мг

Свинец: m = 3,4-0,2 = 3,2 мг

Взвешенные вещества: m = 150-30 =120 мг

Определим степень токсичности каждого загрязнителя в стоках:

Нитрит ион: А=1/0,08=12,5 г/м3

Нефтепродукты: А = 1/0,05 = 20 г/м3

Сульфаты: А = 1/100 = 0,01 г/м3

Свинец: А = 1/0,1 = 10 г/м3

Взвешенные вещества: А = 1/25 = 0,04 г/м3

Определим приведенную массу годового сброса загрязнителей, г/м3

ΣАm = 4,9*12,5+21,9*20+130*0,01+3,2*10+120*0,04=537,35

Рассчитаем Э, при условии, что р=0,15

Э =1440*0,15*200 – 537,35=42662,65р/год

 

Задание 92

 

Рассчитать ПДВ конкретных загрязняющих компонентов от нагретого источника, определить их фактический выброс, необходимость установки улавливающего оборудования, плату за выброс.