СХЕМИ КРУГООБІГУ ПОЖИВНИХ РЕЧОВИН. МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ У ВОДІ РОЗЧИННОГО КИСНЮ, АМОНІЙНОГО АЗОТУ, АЗОТУ НІТРИТІВ І НІТРАТІВ.
Екологія як біологічна та медична наука вивчає організацію життя рослин, тварин та людини, займається вивченням взаємодії живих організмів з оточенням, умовами їх існування та способом життя.
Отже, предметом екології є детальне вивчення за допомогою кількісних методів основ структури і функціонування природних та створених людиною систем.
Тому до основних завдань екології відносять:
— дослідження особливостей організації життя, в тому числі у зв’язку з антропогенним, що є результатом людської діяльності, впливом на природні системи;
— створення наукових основ раціональної експлуатації біологічних ресурсів;
— прогнозування зміни у навколишньому середовищі внаслідок впливу діяльності людини;
— збереження середовища існування людини;
— вивчення за допомогою кількісних методів основ структури та функціонування природних і створених людиною екологічних систем.
Сучасну екологію прийнято поділяти:
— за розмірами об’єктів вивчення: на географічну (ландшафтну) та глобальну екологію;
— за предметом вивчення: на екологію мікроорганізмів, грибів, рослин, тварин, людини, сільськогосподарську, прикладну, інженерну та загальну екологію;
— за середовищем та компонентами: на екологію суші, прісних водоймищ, морську, високогірну, хімічну тощо;
— за підходами до предмета вивчення: на аналітичну та динамічну екологію;
— за часовими ознаками: на історичну та еволюційну екологію.
Область існування живих організмів на Землі називають сферою життя або біосферою. Процеси, які відбуваються в ній, підтримуються, з одного боку, космічними, з іншого – земними факторами, що пов’язані з особливостями Зeмлі як планети.
Слід підкреслити, що угрупування організмів пов’язані з неорганічним середовищем тісними матеріально-енергетичними зв’язками: і, отже, утворюють з ними певну систему, в якій потік речовин, що викликаний життєдіяльністю організмів, має тенденцію замикатися у певний кругообіг. Будь-яка сукупність організмів і неорганічних компонентів, в якій може існувати кругообіг речовин, називають екосистемою. Саме такий термін був запропонований у 1935 році англійським вченим-екологом А. Теслі, який вказував, що у разі використання подібного підходу неорганічні та органічні чинники виступають як рівноправні компоненти і неможливо відділити організми від конкретного навколишнього середовища.
Отже, екосистема – це просторова система, що охоплює історично сформований комплекс живих істот, пов’язаних між собою трофічними зв’язками, та негативних компонентів середовища їх існування, які залучаються в процесі обміну речовин та енергії.
Екосистеми, як правило, мають дві основні складові частини: біотоп та біоценоз.
Біотоп – це ділянка поверхні Землі з більш-менш однотипними умовами існування (рунтом, мікрокліматом, тощо).
Біоценоз – це історично сформована сукупність рослин, тварин та мікроорганізмів, що населяє біотоп. Відповідно до цього кожний біоценоз складає з фітоценозу (угруповання рослин), та мікробіоценозу (угруповання мікроорганізмів).
Кожна екосистема має два головних компоненти:
— автотрофний компонент, тобто організми, що створюють органічні речовини з неорганічних у процес синтезу, використовуючи сонячну енергію;
— гетеротрофний компонент, тобто організми, які одержують енергію за рахунок харчування автотрофними організмами або іншими органічними речовинами.
Для підтримки кругообігу речовин у системі необхідно мати запас неорганічних молекул у засвоюваній формі, а також 3–х функціонально відмінні екологічні групи організмів, а саме: організми-продуценти, організми-консументи та організми-редуценти.
Продуценти – автотрофні організми, які можуть будувати свої тіла за рахунок неорганічних сполук.
Консументи – гетеротрофні організми, які вживають органічну речовину продуцентів або інших консументів та трансформують її в нові форми.
Редуценти – організми, що живуть за рахунок мертвої органічної речовини, переводячи її у неорганічні сполуки.
За своїми масштабами екосистеми поділяються на мікроекосистеми, мезоекосистеми, макроекосистеми та глобальні екосистеми.
У мікросистемах (мурашники, мертві стовбури дерев тощо) невеликі, тимчасові біоценози, що мають назву синузії, перебувають в обмеженому просторі.
Найбільш поширеними серед екосистем є мезоекосистеми або біогеоценози, в яких біоценози займають однотипні ділянки земної поверхні з однаковими фізико-географічними умовами, межі яких збігаються з межами відповідних фітоценозів.
Макроекосистеми (екосистеми лісів, тайги, пустелі, саван тощо) охоплюють величезні території або акваторії, які визначаються характерними для них макроелементами і відповідають цілим природним зонам. Біоценози таких екосистем мають назву біоми.
Прикладом глобальної екосистеми є біосфера нашої планети.
За ступенем трансформації внаслідок виконання певної людської діяльності екосистеми поділяються на природні, антропогенні та антропогенно–природні.
За рівнем стійкості екосистеми можуть бути: стійкими, які відрізняє наявність характерних відмітних особливостей протягом тривалого періоду та короткочасними.
Слід відмітити, що у межах кожної екосистеми існують певний видовий склад, чисельність організмів, біомаса та певні трофічні групи.
Основними типами наземних екосистем є біоми, які відрізняються один від одного характером рослинності. Виділяють такі основні типи біомів.
Пустелі, що мають два основних підтипи – пустелі тропіків і пустелі помірного клімату.
Луки, підтипами яких є: тропічна савана; луки помірного поясу (прерія, степ); високотравні; низькотравні; полярні (арктична і альпійська тундра) луки.
Ліси, що включають наступні підтипи: тропічні вологі; тропічні сухі; листяні помірного поясу та бореальний ліс або тайга.
Водні екосистеми, що поділяють на прісноводні та морські.
Серед прісноводних екосистем розрізняють сильно зволожені землі; озера; ріки; штучні водосховища, серед солоних або морських екосистем – естуарії, прибережні зволожені зони, коралові рифи, океанічну мілину (шельф), континентальний схил; океанічні глибини і бентосні екосистеми, екосистеми підводних гідротерм рифових долин.
До складу екосистем, як правило, відносять:
— неорганічні речовини;
— органічні речовини;
— кліматичні умови;
— продуценти-автотрофи (зелені рослини і деякі бактерії);
— фаготрофи або гетеротрофи (тварини);
— сапрофіти (бактерії та гриби).
Головною умовою існування та нормального функціонування будь-якої екосистеми є наявність усіх, необхідних ланок трофічного ланцюга, тобто, ланцюга живлення.
В екосистемах мають місце такі явища:
— коменсалізм, якщо для одного партнера співіснування є вигідним, а для іншого є нейтральним;
— мутуалізм, якщо співіснування організмів є взаємовигідним;
— нейтралізм, якщо співжиття організмів не має ані позитивних, ані негативних наслідків.
Найголовнішою формою функціонування екосистем є кругообіг речовин, енергії та інформації, тобто процес багаторазової участі речовин (біогенних і абіогенних) в явищах циклічного характеру, що відбуваються в атмосфері, гідросфері та літосфері.
Фактори, які впливають на життя екосистем, можуть бути:
1. Фізичними: характер географічної та ніші перебування, висота над поверхнею Землі, діапазон температур, вітер, синоптичні фактори, тип рунту, кількість світла, кількість завислого матеріалу у водних середовищах, тощо.
2. Хімічними: солоність води, концентрація поживних речовин, розчинених у поверхневих водах та опадах, природні і штучні токсини, розчинені у воді, ступінь насиченості води киснем.
3. Природними катастрофічними: пожежі, повені, засухи, епідемії, землетруси.
4. Природними поступовими: еміграція та іміграція видів, кліматичні зміни, пристосування та еволюція видів, евтрифікація водойм, сукцесія.
5. Антропогенними сільськогосподарськими або промисловими: винищення лісів, регулювання річкового стоку, меліоративні роботи, виснаження та ерозія ґрунтів, перехімізація ґрунтів, знищення хижаків, забруднення всіх типів вод, забруднення повітря.
6. Антропогенними соціально-економічними: значний вилов риби, браконьєрство, надінтенсивний туризм, розведення екзотичних, невластивих для певної місцевості, видів, несумісна рекреаційна діяльність, епізоотії серед домашніх тварин та інфекції серед рослин. Кожна жива екосистема є саморегульованою, має власну програму розвитку й здатна фіксувати в пам’яті всі позитивні та негативні зовнішні впливи на стан її функціонування і розвитку. Система може вибирати таку форму реакції на зовнішні впливи, яка забезпечує їй найефективніший варіант захисту від дії екологічного фактора.
Утворення живої речовини та її розклад – це дві сторони єдиного процесу, який називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Отже, життя – це кругообіг елементів між організмами та середовищем.
Причина кругообігу – обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів. Біологічний кругообіг – це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері. У зв’язку з цим, біосферу визначають як область Землі, де протікають три основних процеси: Кругообіг вуглецю, азоту та сірки, в яких беруть участь п’ять хімічних елементів (H, O2, C, N, S), що рухаються через атмосферу, гідросферу, літосферу.
Кругообіг вуглецю. Кількість вуглецю в біосфері складає понад 12000 млрд. тонн. Це пояснюється тим, що сполуки вуглецю безперервно виникають, змінюються і розкладаються. Кругообіг вуглецю відбувається фактично між живою речовиною та двоокисом вуглецю. У процесі фотосинтезу, здійснюваного рослинами, вуглекислий газ і вода за допомогою енергії сонячного світла перетворюється на різні органічні сполуки. Щорічно вищі рослини і водорості при фотосинтезі поглинають 200 млрд. тонн вуглецю. Якби вуглець не повертався в атмосферу, його запас у ній (700 млрд. тонн) швидко б вичерпався. Відмерлі рослини і тваринні організми розкладаються грибами і мікроорганізмами на СО2, — який теж повертається в атмосферу. Повний цикл обміну атмосферного вуглецю здійснюється у 300 років. Проте частина вуглецю вилучається у вигляді торфу, нафти, вугілля, вапняку, мармуру, викопних відкладень та осадових порід.
Кругообіг кисню. Щорічно лісові масиви виробляють 55 млрд. тонн кисню, який використовується живими організмами для дихання і бере участь в окисних реакціях, що відбуваються в атмосфері, літосфері і гідросфері. Циркулюючи через біосферу, кисень перетворюється або на органічну речовину, або на воду, або на молекулярний кисень. Весь кисень атмосфери кожні 2 тисячі років проходить через живу речовину біосфери. За час свого існування людство безповоротно втратило близько 273 млрд. тонн кисню. У наш час щорічно на спалювання вугілля, нафтопродуктів і газу витрачається величезна кількість кисню. Інтенсивність цього процесу збільшується щороку.
Кругообіг азоту, фосфору та сірки. Діяльність людини прискорює кругообіг цих елементів. Головна причина прискорення – використання фосфору у мінеральних добривах, що призводять до евтрифікації, при якій відбувається бурхливе розмноження водоростей – своєрідне “цвітіння” води. Це призводить до зменшення кількості розчиненого у воді кисню. Продукти обміну водоростей знищують рибу та інші організми. Сформовані екосистеми при цьому руйнуються. Індустрія і двигуни внутрішнього згорання щорічно викидають в атмосферу багато нітратів і сульфатів. Потрапляючи на землю разом з дощами, вони засвоюються рослинами.
Кругообіг води. Вода покриває 3/4 поверхні Землі. За одну хвилину під дією сонячного тепла з поверхні водойм Землі випаровується 1 млрд. тонн води. Після охолодження пари утворюються хмари, випадає дощ і сніг. Опади частково проникають у ґрунт. ґрунтові води повертаються на поверхню землі через коріння рослин, джерела, насоси тощо. Швидкість циркуляції води є дуже великою: вода океанів поновлюється за 2 млн. років, ґрунтова вода – за1 рік, річкова – за 12 діб, пара в атмосфері – за 10 діб. Двигуном кругообігу є енергія Сонця.
Щорічно для створення первинної продукції біосфери використовують при фотосинтезі 1% води, що потрапляє у вигляді опадів. Людина тільки для забезпечення побутових і промислових потреб використовує
Підтримка життєдіяльності організмів та кругообіг речовин в екосистемах можливий лише при постійному припливі енергії. Організми будь-якого виду є потенційною їжею багатьох других видів.
Зокрема, енергетичний баланс консумента може бути визначена за формулою (1):
Р = П + Д + Н; (1)
де Р – раціон консумента;
П – продукція, тобто енерговитрати, пов’язані з процесами росту та диференціювання;
Д – витрати на дихання, тобто підтримку обміну речовин;
Н – енергія незасвоюваної їжі, яка виділяється у вигляді екскрементів.
Коефіцієнт використання їжі, що споживається на зріст розраховують за допомогою формули (2):
К = П / Р ; (2)
де К – коефіцієнт використання їжі, що споживається на зріст;
П – продукція, тобто енерговитрати, пов’язані з процесами росту та диференціювання;
Р – раціон консумента.
Трофічні ланцюги, які починаються з фотосинтезуючих організмів називаються ланцюгами споживання, а ланцюги, які починаються з відмерлих залишків рослин, трупів та екскрементів тварин – детритними ланцюгами.
Отже, потік енергії, який входить в екосистему, можна поділити на 2 русла: надходження до консументів через живі тканини рослин (1 русло) або через запаси мертвої органічної речовини, джерелом яких є фотосинтез (2 русло).
Таким чином, майбутній лікар–фармацевт повинен усвідомити, що в сучасних природних та штучних екосистемах:
— екологічні чинники створюють прямий або опосередкований вплив на організм, протягом певного етапу індивідуального розвитку;
— екологічні можливості організму залежать від спадкової норми реакції на кожний чинник середовища, тому мінімальне або максимальне значення фактору для кожного організму є індивідуальним;
— відхилення від оптимальної інтенсивності одного чинника може знизити рівень витривалості організму до впливу інших;
— жодний з необхідних чинників не може бути замінений іншим, тому чинник середовища, найбільш віддалений від оптимуму знижує можливість існування особи і виду в конкретних умовах, незважаючи на оптимальні комбінації решти чинників;
— у ході еволюційного розвитку можуть з’являтися нові абіотичні та біотичні чинники, а також змінюватися інтенсивність їх впливу;
— зміни форм біотичних зв’язків, можуть призвести до появи невідомих раніше паразитарних хвороб людини;
— з розширенням кола господарів розширюються ареали популяції паразитарних форм існування;
— взаємодія традиційних чинників середовища з новими може привести до створення невідомих раніше екологічних ситуацій та екосистем;
— завдяки кумулятивним властивостям певних організмів у змінених екологічних ситуаціях вони не можуть використовуватися людиною як продукти харчування.
Безперервність життя на Землі забезпечується унікальною здатністю живих істот створювати і підтримувати внутрішнє середовище, здійснювати обмін речовин з навколишнім середовищем і передавати ці властивості за спадковістю своїм нащадкам.
Середовище – одне з основних екологічних понять; що являє собою комплекс природних тіл і явищах, з якими організм знаходиться у прямих або опосередкованих зв’язках.
Внутрішнє середовище будь-якої істоти якісно відрізняється від зовнішнього середовища. Якісна самостійність внутрішнього середовища організму регулюються механізмами гомеостазу.
Гомеостаз організму – це стан внутрішньої динамічної рівноваги, який забезпечується взаємодією складних процесів регуляції і координації біохімічних реакцій за принципом зворотного зв’язку. Гомеостаз може встановлюватися тільки за певних умов навколишнього середовища. Поза межами цих умов автономність організму порушується і він гине, а його внутрішнє середовище ототожнюється із зовнішнім. Сили, що діють з боку навколишнього, називають факторами або чинниками.
Організм як елементарна частинка живого організму свого існування знаходиться в умовах одночасного впливу кліматичних та біотичних факторів, які разом називаються екологічними.
Екологічний фактор – це будь-який елемент середовища, що здатний справляти прямий або опосередкований вплив на живі організми, хоча б протягом однієї фази їх розвитку.
Фактори навколишнього середовища забезпечують існування у просторі і часі. Засвоєння і використання факторів здійснюється організмом через адаптацію.
Адаптація – це пристосування або засоби, за допомогою яких організм здійснює взаємодію з середовищем перебування для підтримання гомеостазу і забезпечує безперервність існування в часі через потомство. Залежно від кількості та сили дії один і той самий фактор може мати протилежне значення для організму. Наприклад, підвищення або зниження температури за межі пристосувальної здатності організму призводить до його загибелі. Адаптивні можливості різних організмів розраховані на різні значення фактора. Так, більшість прісноводних риб гине, потрапивши у морську воду, а морські риби гинуть у разі зниження солоності води.
Наявність того чи іншого фактора може бути життєво необхідним для одних видів і не мати ніякого значення для інших. Наприклад, світло для зелених рослин – це джерело енергії, а для різних мешканців ґрунту – зайвий або навіть небезпечний фактор.
Залежно від сили дії того чи іншого фактора умови існування особин виду можуть бути оптимальними, неоптимальними або відповідати проміжному рівню.
Здатність організму витримувати певну амплітуду коливання фактора називають екологічною валентністю. Для життя організмів велике значення має не тільки абсолютна величина фактора, але й швидкість його зміни.
За екологічною валентністю організми поділяються на еврибіотних з широкими пристосувальними можливостями (сірий пацюк, горобець, кімнатна муха) і стенобіотних, які можуть існувати лише у відносно сталих умовах (байбак степовий, журавель степовий, качкодзьоб). Реакція організму та його адаптивні можливості відповідно до показників фактора залежать від поєднання дії різних факторів. Мряка та вітер при плюсовій температурі, мороз при ясній та тихій погоді сприймаються по різному. У даному випадку реакція організму на температурний фактор залежить від супровідної дії вологості і вітру, тобто від поєднаної дії факторів.
Для нормального існування організму необхідний певний набір факторів. Якщо хоч один із життєво-необхідних факторів відсутній або дія його недостатня, організм не може існувати, нормально розвиватися і давати потомство. Це явище називають законом мінімумe, або законом Лібіха, а фактор, дія якого недостатня для забезпечення нормального життя – лімітуючим.
Організми, як свідчать численні дослідження, не є рабами фізичних умов середовища. Вони пристосовуються самі і змінюють умови середовища таким чином, що можуть послабити лімітуючий вплив температури, світла, води та інших факторів. Такий вплив організмів є дуже відчутним і ефективним на рівні угрупування. Зв’язок організму з середовищем має тривалий та нерозривний характер, причому організм не може існувати поза середовищем. На Землі можна розрізнити чотири типи життєвого середовища: водне, наземне (повітряне), рунтове та тіло іншого організму.
Екологічні фактори можуть бути об’єднані за природою їх походження або залежно від динаміки їх дії на організм.
За характером походження розрізняють абіотичний, біотичний та антропогенний фактор:
— абіотичні фактори, що зумовлюються впливом неживої природи і поділяються на кліматичні (температура, світло, сонячна радіація, вода, вітер, кислотність, солоність, вогонь, опади тощо), орографічні (рельєф, нахил схилу, експозиція) та геологічні;
— біотичні фактори, що зумовлюються впливом одних організмів та інші, включаючи всі взаємовідносини між ними.
— антропогенні фактори, що зумовлюються впливом на живу природу життєдіяльності людини.
Запропонована класифікація екологічних факторів і за характером їх дії.
Виділяють стабільні, випадкові змінні фактори.
Стабільні фактори – фактори, що не змінюються протягом тривалого часу (земне тяжіння, сонячна сила, склад атмосфери тощо), та зумовлюють виготовлення загальних пристосувальних властивостей організмів, що мешкають у певному середовищі планети Земля.
Змінні фактори, в свою чергу, прийнято поділяти на закономірно змінні та випадково змінні. До закономірно змінних факторів належить добові і сезонні зміни, що періодично відбуваються. Ці фактори зумовлюють певну циклічність у житті організмів (міграції, сплячка, добова активність та інші періодичні явища і життєві ритми).
Випадково змінні фактори об’єднують біотичні, абіотичні та антропогенні фактори, дія яких повторюється без певної періодичності (коливання температури, дощ, вітер, град, епідемії, вплив хижаків тощо).
Основними джерелами забруднення в медичній галузі і, зокрема, в фармації є підприємства хіміко-фармацевтичної промисловості, які поділяють на три головні групи:
1. підприємства синтетичних лікарських засобів, які широко застосовують органічний синтез, властивий для хімічної промисловості;
2. Підприємства з виробництва галенових фармацевтичних і готових лікарських форм, які випускають різноманітні лікарські засоби у вигляді рідких екстрактів і настойок, ін’єкційних розчинів в ампулах, таблеток, драже, пластирів тощо;
3. Підприємства з виробництва антибіотиків, які використовують у технологічному процесі біологічний синтез.
Найхарактернішою шкідливою ознакою фармацевтичного виробництва є виділення у повітря робочої зони під час переробки сировини значної кількості пилу, парів і газів.
Рівень забруднення робочої зони під час виробництва лікарських засобів чітко залежить і від особливостей технологічних операцій, які здійснюються, що поділяють на підготовчий, головний, завершальний та додаткові.
Підготовчі операції полягають у зберіганні, переміщенні та переробці рослинної, тваринної або синтетичної сировини і допоміжних матеріалів. Основні види забруднень та негативних професійно-зумовлених чинників: пил, шкідливі хімічні речовини, пари, гази, інтенсивний шум та вібрація.
Головні процеси отримання лікарських засобів складаються з обмінних, термічних, електрохімічних та біологічних процесів, електролізу тощо. Основні види забруднень та негативних професійно-зумовлених чинників: пил, шкідливі хімічні речовини, пари, гази, інтенсивний шум та вібрація.
Завершальний етап виготовлення лікарських препаратів полягає в їх фасуванні, упакуванні та маркуванні. Основні види забруднень та негативних професійно-зумовлених чинників: пил, вимушене положення тіла, імовірність травматичних пошкоджень тощо.
На відміну від енергії, котра використовувалася організмом, перетворилась у тепло і втрачається для екосистеми, речовини циркулюють у біосфері, що і називається біогеохімічними круговоротами. З 90 з зайвим елементів, що зустрічаються в природі, близько 40 потрібні живим організмам. Найбільш важливі для них і потрібні у великих кількостях: вуглець, водород, кисень, азот. Кисень надходить у атмосферу в результаті фотосинтезу та витрачується організмами при диханні. Азот витягається з атмосфери завдяки діяльності азотофиксирующих бактерій і повертається до неї іншими бактеріями.
Кругообіг елементів і речовин здійснюються за рахунок саморегулюючихся процесів, в яких беруть участь всі складові екосистем. Ці процеси є безвідхоними. В природі немає нічого даремного або шкідливого, навіть від вулканічних виверження є користь, бо з вулканічними газами в повітря надходять потрібні елементи, наприклад, азот. Існує закон глобального замикання біогеохімічного кругообігу в біосфері, діючий на всіх етапах її розвитку, як і правило збільшення замкнутости біогеохімічного кругообіга в ході сукцесії. В процесі еволюції біосфери збільшується роль біологічного компоненту в замиканні біогеохімічного кругообіга. Ще більшу роль в біогеохімічному кругообігу виявляє людина. Але її роль здійснюється в протилежному напрямку. Людина порушує кругообіг речовин, який вже склався, і в цьому виявляється його геологічна сила, руйнівна по відношенню до біосфери на сьогодняшній день.
Коли 2 млрд. років тому на Землі з’явилося життя, атмосфера складалася з вулканічних газів. В ній було багато вуглекислого газу та мало кисня ( якщо взагалі був), і перші організми були анаеробними. Так як продукція в середньому перевершувала дихання, за геологічний час в атмосфері накопичувався кисень і та зменшувався вміст вуглекислого газу. Нині вміст вуглекислого газу в атмосфері збільшується в результаті спалювання великих кількостей горючих копалин і зменшення поглинаючої спроможності ‘зеленого поясу’. Останнє є результатом зменшення кількості самих зелених рослин, а також пов’язане з тим, що пил та інші забруднюючі частки в атмосфері відбивають ті промені, що надходять до атмосфери.
В результаті антропогенної діяльності ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів зменшується. Хоча вона досить висока (для різноманітних елементів і речовин вона не однакова), але тим не менше не абсолютна, що і показує приклад виникнення кисневої атмосфери. Інакше неможлива була б еволюція (найвища ступінь замкненості біогеохімічних кругообігів спостерігається в тропічних екосистемах – найбільш давніх і консервативних).
Таким чином, слід казати не про зміну людиною того, що не повинно змінюватися, а скоріше про вплив людини на швидкість та напрямок змін та на поширення їх границь, що порушує правило міри перетворення природи. Останнє формулюється таким чином: в ході експлуатації природних систем не можна перевищувати деякі межі, що дозволять цим системам зберігати властивості самопідтримки. Порушення міри як в сторону збільшення, так і в сторону зменшення призводить до негативних результатів. Наприклад, надлишок вносимих добрив настільки ж шкідливий, як і їх недолік. Це почуття міри загублене сучасною людиною, яка вважає, що в біосфері їй всі дозволене. Нідії на подолання екологічних труднощів пов’язують із розробкою і введенням до експлуатації замкнутих технологічних циклів. Створені людиною цикли перетворення матеріалів вважається бажаним робити так, щоб вони були подібним природним циклам кругообіга речовин. Тоді водночас вирішувалися би проблеми забезпечення людства невчерпними ресурсами і проблема охорони природного середовища від забруднення, оскільки нині лише 1 – 2% ваги природних ресурсів утилізується в кінцевому продукті. Теоретичні замкнуті цикли перетворення речовини можливі. Проте повна і остаточна перебудова індустрії по принципу кругообіга речовини в природі нереальна. Хоча б тимчасове порушення замкненості технологічного циклу практичні неминуче, наприклад, при створенні синтетичного матеріалу з новими, невідомими природі властивостями. Така речовина спочатку всебічно апробується на практиці, і лише потім можуть бути розроблені способи його розкладення з метою запровадження складових частин у біогеохімічні кругообіги.
Кругообіг речовин в біосфері
Процеси фотосинтезу органічної речовини з неорганічних компонентів триває мільйони років і за такий час хімічні елементи повинні були перейти з однієї форми в іншу. Однак цього не відбувається завдяки їх кругообігу в біосфері. Щорічно фотосинтезуючі організми засвоюють майже 350 млрд т вуглекислого газу, виділяють до атмосфери біля 250 млрд т кисня і розщіплюють 140 млрд т води, утворюючи понад 230 млрд т органічної речовини (в перерахунку на суху вагу).
Величезні кількості води проходять через рослини та водорості в процесі забезпечення транспортної функції та випаровування. Це призводить до того, що вода поверхневого шару океану фільтрується планктоном за 40 днів, а вся інша вода океану – приблизно за рік. Весь вуглекислий газ атмосфери поновлюється за декілька сотен років, а кисень за декілька тисяч років. Щорічно фотосинтезом до кругообігу включається 6 млрд т азоту, 210 млрд т фосфору та велика кількість інших елементів (калій, натрий, кальцій, магний, сірка, залізо та ін.). Існування цих кругообігів придає екосистемі певну тривалість.
Розрізняють дваосновні кругообіги: великий (геологічний) і малий (біотичний)
Великій кругообіг, триває мільйони років і полягає в тому, що гірські породи підлягають руйнуванню, а продукти вивітрювання (в тому числі розчинні у воді поживні речовини) сносятся потоками води у Світовий океан, де вони утворюють морські напластування і лише частково повертаються на сушу із опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і подняття морського дна, переміщення морів та океанів на протязі тривалого часу призводять до того, що ці напластування повертаються на сушу і процес починається знов.
Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми і полягає в тому, що поживні речовини, вода і вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла і на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило тварин), що з’їдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів та мікроорганізмів (бактерії, гриби, черві) знов розлагаются до мінеральних компонентів, доступних рослинам і що втягуються ними у потоки речовини. Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні та тваринні організми назад у неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називається біогеохімічним циклом. У такі цикли втягнуті практично всі хімічні елементи і насамперед ті, що беруть участь в побудові живої клітини. Так, тіло людини складається з кисня (62.8%), вуглецю (19.37%), водорода (9.31%), азоту (5.14%), кальцію (1.38%), фосфору (0.64%) та ще приблизно з 30 елементів.
Визначальною характеристикою життя є обмін речовин. Обмін речовин живих організмів з навколишнім середовищем здійснюється в процесі подиху, харчування, різноманітних виділень. У більш загальному випадку, кругообіг у екосистемах і біосфері в цілому можливий лише в процесі використання і передачі енергії.
Потоки енергії і кругообіги речовини основні складові, необхідні для функціонування біосфери. Живі організми відіграють основну роль у процесах, які підтримують функціонування біосфери. Основні функції живої речовини наступні: енергетична, деструктивна, концентраційна, формування складу навколишнього середовища.
Неживою частиною біосфери, її неживою речовиною керують продуценти, ними – консументи, діяльність яких визначають зворотні зв’язки, що йдуть від продуцентів. У результаті здійснюється біотичний кругообіг речовини у біосфері приблизно за такою схемою:
1. Продуценти (рослини) за допомогою механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі.
2. Консументи (тварини) живляться біомасою рослин та інших тварин.
3. Редуценти споживають частину споживних речовин, розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей), замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері.
Таким чином, енергетична функція виконується перш за все рослинами, які в процесі фотосинтезу акумулюють сонячну енергію у вигляді хімічної енергії різноманітних органічних сполук.
Деструктивна функція виконується редуцентами. Вона полягає у розкладанні, мінералізації мертвої органічної речовини, хімічному розкладанні гірських порід, залученні мінералів, які виникають у біотичному кругообігу.
Концентраційна функція полягає у виборчому накопиченні, при життєдіяльності організмів, атомів речовини, розсіяних у природі.
Функція формування стану навколишнього середовища полягає у трансформації фізико-хімічних параметрів середовища (атмосфери, гідросфери, літосфери) в умови, сприятливі для існування живих організмів.
Крім енергетичних, харчових і хімічних зв’язків, величезну роль у біосфері відіграють інформаційні. Живі істоти Землі освоїли всі види інформації – зорову, звукову, хімічну, електромагнітну. Російський біолог О. Прєсман визначив біосферу як систему, в якій речовинно-енергетичні взаємодії підпорядковані інформаційним.
Всі функції живих організмів у біосфері не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом.
Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене В 1 Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконує свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати.
а) сонячна енергія;
б) енергія земних надр;
в) кінетична енергія оберту Землі та її супутника Місяця як космічних тіл
Найголовнішою частиною в системі керування біосферою є енергія Сонця. Всю біосферу можна розцінювати як єдине природне утворення, що поглинає енергію з космічного простору та направляє її на внутрішню роботу. У біосфері енергія тільки переходить з однієї форми до іншої та розсіюється у вигляді тепла. Особливістю поведінки енергії в біосфері є її одностороння спрямованість – концентрована енергія, пройшовши ряд перетворень, розсіюється у вигляді тепла. Основними перетворювачами енергії в біосфері є живі організми. Продуценти перетворюють вільну променеву енергію Сонця (концентрована енергія) в хімічно зв’язану, яка потім переходить (по харчових ланцюгах) від одних біосферних структур до інших.
Доля річного притоку сонячної енергії така:
1) відбивається-30%;
2) прямо перетворюється в тепло – 40/о,
3) випар, опади-23%;
4) вітер, хвилі-0,2%;
5) фотосинтез-0,08%.
Таким чином, тільки невеличка частина сонячної енергії И %) витрачена на фотосинтез,але саме вона є джерелом усього життя на Землі. Проте, ті приблизно 70% енергії Сонця, що перетворюються в тепло, ідуть на випар, вітер, не губляться даремно, тому що ця енергія підтримує потрібну для життя температуру, пускає в хід системи погоди, забезпечує кругообіг води, без чого неможливе життя на Землі. Нормальне функціонування біосфери можливе лише за умов, коли нічим не стримується надходження та передача концентрованої енергії, та стік теплової енергії.
З потоками енергії тісно пов’язані потоки речовини. За рахунок процесів міграції хімічних елементів усі геосфери Землі пов’язані єдиним циклом кругообігу цих елементів. Кругообіг, рушійною силою якого є тектонічні процеси і сонячна енергія, одержав назву великого (геологічного) кругообігу.
Схематично це можна уявити так. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальта) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під дією сонячної енергії і живої речовини вони вивітрюються, переносяться, перетворюються у різноманітні осадкові породи. Потім за рахунок тектонічних рухів знову потрапляють у зону великих тисків і температур Землі, де з них звільняється сонячна енергія, здійснюється метаморфізм і створення гранітних порід. Гранітні породи знову за рахунок тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином, великий кругообіг речовини можна розглядати як еволюцію земної кори від океанічного (базальтового) типу до материкового (гранітного). Потужність великого кругообігу приблизно 2 х 1016 т/рік.
Виникнення життя на Землі сприяло появі нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. На великий (геологічний) наклався малий (біогенний) кругообіг речовини. У малому кругообігу переміщуються в основному вуглець (2 х 10″ т/рік) і фосфор ( 108 т/рік). Обидва кругообіги протікають зараз одночасно і тісно пов’язані між собою.
Живі організми в біосфері ініціюють кругообіг речовин і призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Біохімічні цикли — це циклічне переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, кальцію, калію й ін. від даного компонента біосфери до інших так, що на визначених ділянках цього кругообігу вони входять до складу живої речовини.
Переміщення речовини в біохімічних циклах одночасно забезпечує життєдіяльність живих організмів.
Головними оціночними параметрами ефективності і напрямку роботи біогеохімічного циклу є кількість біомаси, її елементарний склад і активне функціонування живих організмів.
Хімічні елементи, що беруть участь у будівництві живої речовини і необхідні для його синтезу, одержали назву біогенних.
Склад абіотичної частини нашої планети приблизно такий: Fe -36%, 02– 25%, Si * 23%, Mg ” 10%, S * 3%, Ni * 2%, інші – 15%.. Склад біомаси зовсім інший: О2“70%, С” 15%, Н = 11%, інші = 4%.
Принцип циклічності в перетвореннях і переміщеннях речовини в біосфері є основоположним. Зберігання циклічності – умова існування біосфери.
Центральне місце в біосфері посідають біохімічні цикли: вуглецю, води, азоту, та фосфору. Ці цикли в найбільшій мірі зазнали трансформації при формуванні техносфери та агросфери, і вивчення їх стало важливим завданням екології.
Біохімічний цикл вуглецю базується на атмосферному депо, яке утримує його в кількості, приблизно рівній 700 млрд. тонн у формі вуглекислого газу (рис.3.3). Цей цикл ініціюється фото синтезом та диханням, обидва процеси йдуть так інтенсивно,що у рослин та тварин на долю вуглецю припадає до 40-50% загальної маси. Залишки відмерлих рослин та тварин сприяють утворенню гумусу. Аналогічно утворюється і торф. У цих двох формах вміщується до 99% вуглецю нашої планети. Швидкість кругообігу вуглецю обчислюється в середньому від 300 до 1000 років.
Мінеральні речовини, які утворюються під час розкладу живими організмами органічних решток, недовго затримуються в ґрунті, воді тощо. Інші мікроорганізми та вищі рослини і тварини перетворюють їх на органічні сполуки. Саме так у природі відбувається біологічний кругообіг речовини і енергії, коли живі організми, використовуючи сонячну енергію, перетворюють її в енергію геохімічних процесів, зумовлюючи цим особливості руху хімічних речовин у певних природних умовах і визначаючи характер взаємозв’язку літосфери, гідросфери та атмосфери. У біологічному кругообігу бере участь величезна кількість хімічних елементів, особливо вуглець, кисень, азот, фосфор та сірка. Біологічний кругообіг речовин і енергії відбувається в більшості існуючих ландшафтів, але його інтенсивність для кожного ландшафту різна. В одних може нагромаджуватися велика кількість живих організмів, а кругообіг відбуватиметься повільно, в інших, навпаки, швидко. Біологічний кругообіг речовин і енергії впливає на формування грунтів і на всі геохімічні процеси, які відбуваються в грунті, воді, повітрі та глибинних (до 2-
Рис. Кругообіг фосфору (згідно з Ф Рамад, 1981)
Біогеохімічний цикл азоту
Це один із найбільш швидких кругообігів речовин. Реалізується він, в основному, за рахунок діяльності різних груп живих організмів і, в першу чергу, при активній участі мікробів. Основним депо азоту є газоподібний азот атмосфери. Його зв’язування здійснюється вільно існуючими азотфіксаторами (Azotobacter, Clostridium, Nostoc, Rhizobium). Органічні речовини, які вміщують зв’язаний азот, мінералізуються за рахунок амоніфікації та нітрофікації, що робить доступним для вищих рослин нітратний та амонійний азот. Загальні оцінки фіксації атмосферного азоту суперечливі і в середньому для планети складають від 100-170 мг/м2 на рік до 1-20г/м2нарік. Це відповідає приблизно 126 млн. тонн азоту в рік.
В антропогенну епоху на кругообіг азоту великий вплив має виробництво синтетичних азотних добрив. Воно полягає у зв’язуванні азоту повітря та поетапного його перетворення спочатку в аміак, потім в азотну кислоту, необхідну для отримання нітратів. Цей процес став широкомасштабним та залучив у біогеохімічний цикл азоту з атмосферного депо велику його кількість. Введення антропогенного азоту в його біогеохімічний цикл дорівнює 6,4 х 107 т азоту в рік (Garrels et al., 1973)
З усіх синтетичних мінеральних добрив азотні добрива вимагають найбільш енергетичних витрат при їх виробництві і тому є найдорожчими. Однак, в сільському господарстві не розроблені технології безвідходного застосування азотних добрив. Нітрати не повністю використовуються культурними рослинами і суттєво забруднюють ґрунтові води та водойми. Проблема нітратного забруднення навколишнього середовища в наш час стала однією з найбільш актуальних.
Біогеохімічний цикл фосфору
Цей цикл має найбільш простий характер (рис.). Основний запас фосфору зосереджений на планеті у вигляді гірських порід та мінералів. При їх вивітрюванні створюються фосфати, які використовуються рослинами для побудови органічних речовин свого тіла. Після відмирання рослин фосфор мінералізують мікроорганізми-редуцента. Втрати фосфору з біохімічного циклу пов’язані в основному з винесенням фосфору в моря та океани. Звідти назад на суходіл він може потрапити тільки через рибу або гуано.
Фосфорні добрива виробляють в основному з гірських порід. Таке переведення фосфору з депо в активну частину біохімічного циклу так само, як у випадку з азотом, має негативні наслідки. Не використаний культурними рослинами фосфор у результаті вітрової ерозії надходить до водойм, що призводять до авторіфікаії. Чудовою особливістю природних екосистем є повторне використання біогенних речовин. Хоча в біогеохімічних циклах деякі з таких елементів і губляться, надходячи в депо, і робляться доступними для рослин, у природних екосистемах масштаб цих процесів незначний.
Біосфера володіє потужною буферною дією щодо багатьох зовнішніх впливів. Це забезпечує загальну стійкість та створює сприятливі стабільні умови існування організмів. У межах біосфери пом’якшується дія вітру, посушливість повітря та ґрунту, підтримується певне співвідношення між концентрацією кисню та вуглекислого газу в атмосфері, звужується амплітуда коливань температури. Але всі ці якості біосфери не можуть протистояти нерозумним діям людини і різко падають при антропогенних впливах. Так, посухи порівняно безпечні для природних екосистем, але вони наносять відчутні збитки агроекосистемам. Зберегти ґрунтово – кліматичні умови великих регіонів планети та забезпечити їх стійкість можна тільки при наявності в цих регіонах досить великих за площами природних біомів.
Для стійкості біогеохімічних циклів велике значення мають депо біогенних хімічних речовин в ґрунті. Ґрунт – це зовсім особливе за своїми властивостями природне тіло. У біосфері ґрунт виконує безліч специфічних функцій. Він забезпечує рослини всіма необхідними поживними речовинами, утримує в собі велику кількість вологи, перешкоджає її швидкому стіканню до рік. У сільському господарстві ґрунт є компонентом виробництва.
Рис. Біогеохімічний цикл фосфору
Важливими учасниками біогеохімічних циклів є ґрунтові мікроорганізми. Ґрунт одночасно служить депо для багатьох речовин, за рахунок якого гасяться флуктуації, що виникають при переході речовини з однієї ланки біогеохімічного циклу до другої. Особливо важливий щодо цього гумус ґрунту. У ньому продукти розкладу органічних речовин утримуються тривалий час. Антропогенне природокористування вносить у біогеохімічні цикли чимало перешкод. Так, поширеність спалювання палива призводить до надходження до атмосфери близько 20 млрд. тонн вуглекислого газу та 700 млн. тонн інших газів і твердих часток. Вирубка лісів призводить до винесення з екосистеми лісу тисячі тонн азоту, кремнію, фосфору.
Ці процеси ведуть до появи нового техногенного типу кругообіг; хімічних елементів. Перенесені в урбанізовані райони або в агроекосистеми, ці речовини виявляються або зовсім або тимчасово виключеними з природного їх кругообігу. Нормальне функціонування біосфери можливе, якщо антропогенна діяльність не перешкоджає здійсненню природних біогеохімічних циклів, руйнація яких може призвести до деградації біосфери.
Кругообіг вуглецю
Самий інтенсивний біогеохімічний цикл – кругообіг вуглецю. В природі вуглець існує в двох основних формах – в карбонатах (вапняках) та вуглекислому газі. Вміст останнього в 50 раз більше, ніж в атмосфері. Вуглець бере участь в утворенні вуглеводів, жирів, білків та нуклеїнових кислот. Основна маса акумульована в карбонатах на дні океану (1016 т), в кристалічних породах (1016 т), кам’яному вугіллі та нафті (1016 т) і бере участь в великому циклі кругообіга. Основна ланка великого кругообігу вуглецю – взаємозв’язок процесів фотосинтезу і аеробного дихання (мал. 1). Інша ланка великого циклу кругообіга вуглецю уявляє собою анаеробне дихання (без доступу кисня); різноманітні види анаеробних бактерій перетворюють органічні сполуки в метан та інші речовини (наприклад, в болотних екосистемах, на смітниках відходів). В малому циклі кругообіга бере участь вуглець, що міститься в рослинних тканинах (около 1011 т) та тканинах тваринних (около 109 т). Більш докладна схема кругообігу представлена на мал. 2.
Енергія сонця
За останні 200 років відбулися значні зміни в континентальних екосистемах в результаті збільшуючогося антропогенного впливу. Коли землі, зайняті лісами та трав’янистими спільнотами, пертворюються в сільськогосподарські угіддя, органічна речовина, тобто жива речовина рослин і мертва органічна речовина грунтів, окислюється і потрапляє до атмосфери у вигляді . Деяка кількість елементарного вуглеця може також захоронюватись в грунті у вигляді древесного вугілля (як продукт, що залишився від спалювання лісу) і, таким чином, вилучається зі швидкого обігу в вуглецевому циклі. Вміст вуглецю в різних компонентах екосистем змінюється, оскільки поновлення органічної речовини залежить від географічної широти та типа рослинності.
В кількісному відношенні головною складовою живої матерії є кисень, кругообіг якого ускладнений його здатністю вступати в різні хімічні реакції, головним чином реакції окислення. В результаті виникає безліч локальних циклів, що відбуваються між атмосферою, гідросферою та літосферою, які в свою чергу можуть бути порушені антропогенним фактором. Кисень, що міститься в атмосфері і в поверхевих мінералах (осадові кальцити, залізні руди), має биогенное походження і повинно розглядатися як продукт фотосинтезу. Цей процес протилежний процесу споживання кисня при диханні, який супроводжується руйнуванням органічних молекул, взаємодією кисня із водородом (отщепленим від субстрата) та утворенням води. В деякому відношенні кругообіг кисня нагадує зворотний кругообіг вуглекислого газу. В основному він відбувається між атмосферою та живими організмами. Споживання атмосферного кисня та його відшкодування рослинами в процесі фотосинтезу здійснюється досить швидко. Розрахунки показують, що для повного поновлення всього атмосферного кисня вимагається біля двох тисяч років. З іншого боку, для того, щоб всі молекули води гідросфери були підвержені фотолизу і знов синтезовані живими організмами, необхідно два мільйони років. Більша частина кисня, що виробляється на протязі геологічних епох, не залишалася в атмосфері, а фіксувалася літосферою у вигляді карбонатів, сульфатів, оксидів заліза, і її маса складає 5,9*1016 т. Маса кисня, що циркулює в біосфері у вигляді газу або сульфатів, розчинених в океанських та континентальних водах, в декілька разів менша (0,4*1016 т).
Відзначимо, що, починаючи з певної концентрації, кисень дуже токсичний для клітин і тканин (навіть у аеробних організмів). А живий анаеробний організм не може витримати ( це було доведене ще в минулому сторіччі Л. Пастером) концентрацію кисня, що перевищує атмосферну на 1%.
Кругообіг азоту
Газоподібний азот виникає в результаті реакції окислення аміаку, який утворюється при виверженні вулканів та розкладені біологічних відходів: 4 NH3 + 3 O2 ® 2 N2 + 6 H2O.
Кругообіг азоту – один з самих складних, але водночас самих ідеальних кругообігів. Незважючи на те, що азот складає біля 80% атмосферного повітря, в більшості випадків він не може бути безпосередньо використаний рослинами, так як вони не засвоюють газоподібний азот. Втручання живих істот у кругообіг азоту підпорядковане суворій иєрархії: лише певні категорії організмів можуть виявляти вплив на окремі фази цього циклу. Газоподібний азот беззупинно надходить до атмосфери в результаті роботи деяких бактерій, тоді як інші бактерії – фіксатори (разом з синьо-зеленими водоростями) постійно поглинають його, преобразуючи в нітрати. Неорганічним шляхом нітрати утворюються й в атмосфері в результаті електричних розрядів під час гроз. Найбільш активні споживачі азоту – бактерії на кореневій системі рослин сімейства бобових. Кожному виду цих рослин притаманні свої особливі бактерії, що перетворюють азот в нітрати. В процесі біологічного циклу нітрат – іони (NO3-) та іони амонію (NH4+), поглинаємі рослинами з грунтової вологи, перетворюються у білки, нуклеїнові кислоти і так далі. Потім утворяться відходи у вигляді загиблих організмів, що є об’єктами життєдіяльності інших бактерій та грибів, перетворюючих їх в аміак. Так виникає новий цикл кругообіга. Існують організми, здатні перетворювати аміак у нітріти, нітрати і в газоподібний азот. Основні ланки кругообіга азоту в біосфері представлені схемою на мал. 3. Біологічна активність організмів доповнюється промисловими засобами отримання азотомістящих органічних та неорганічних речовин, багато з яких застосовуються в якості добрив для підвищення продуктивності та росту рослин. Антропогенний вплив на кругообіг азоту визначається наступними процесами:
1. Спалювання палива призводить до утворення оксида азоту, а після цього до реакцій:
2NO + O2 ® 2NO2 ,
4NO2 + 2H2O.+ O2 ® 4HNO3, сприяючи випаданню кислотних дощів;
2. В результаті впливу деяких бактерій на добрива і відходи тваринництва утворюється оксид азото – один з компонентів, утворюючих парниковий ефект;
3. Видобуток корисних копалин, що містять нітрат – іони і іони аммонія, для виробництва мінеральних добрив;
4. При збиранні врожаю з трунту виносяться нітрат – іони і іони аммонія;
5. Стоки з полів, ферм та каналізацій збільшують кількість нітрат – іонів і іонів аммонія в водных екосистемах, що прискорює ріст водоростей і інших рослин; при розкладанні яких витрачається кисень, що в кінцевому рахунку призводить до загибелі риб.
Кругообіг фосфору.
Фосфор – один з основних компонентів (головним чином у вигляді ) живої речовини і входить у склад нуклеїнових кислот (ДНК і РНК), кліточних мембран, аденозінтрифосфата (АТФ) и аденозіндифосфата (АДФ), жирів, кісток і зубів. Кругообіг фосфора, як і інших біогенних елементів, відбувається по великому и малому циклам.
Запаси фосфора, доступні живим істотам, повністю сконцентровані в літосфері. Основні джерела неорганічного фосфора – виверження вулканів або осадові породи. В земній корі вміст фосфора не перевищує 1%, що лімітуює продуктивність екосистем. З пород земної кори неорганічний фосфор залучається в циркуляцію континентальними водами. Він поглинається рослинами, которі при його участі синтезують різні органічні сполуки і таким чином включаються в трофічні ланцюги. Потім органічні фосфаты разом з трупами, відходами та виділеннями живих істот повертаються в землю, де знов підвергаються впливу мікроорганізмів і претворюються в мінеральні форми, які використовуються зеленими рослинами.
В екосистемі океану фосфор приноситься текучими водами, що сприяє розвитку фітопланктона і живих організмів.
В наземних системах кругообіг фосфора проходить в оптимальних природніх умовах із мінімумом втрат. В океані справа відбувається інакше. Це пов’язано з постійним осіданням (седиментацією) органіческих речовин. Осівший на невеликій глибині органічний фосфор повертається в кругообіг. Фосфати, відкладені на великих морських глибинах не приймають участь в малому кругообігу. Однак тектонічні рухи сприяють підйому осадових порід на поверхню.
Таким чином фосфор повільно переміщується з фосфатних родовищ на суші і мілководних океанічних осадів до живих організмів назад (мал. 4).
Запаси фосфору на землі малі. Тому вважається, що фосфор – основний фактор, лімітуючий зростання первинної продукції біосфери. Вважають навіть, що фосфор – головний регулятор всіх інших біогеохімічних циклів, це – найбільш слабка ланка в життєвому ланцюзі, що забезпечує існування людини.
Антропогенний вплив на кругообіг фосфору полягає в наступному:
1. Видобуток великих кількостей фосфатних руд для мінеральних добрив та миючих засобів призводить до зменшення кількість фосфору в біотичному кругообігу;
2. Стоки з полів, ферм та комунальні відходи призводять до збільшення фосфат – іонів у водосховищах, до різкого зростання водних рослин і порушення рівноваги в водних екосистемах.
Кругообіг сірки.
З природних джерел сірка потрапляє до атмосфери у вигляді сірководню, діоксиду сірки і часток сульфатних солей (мал. 5). Біля однієї третини сполук сірки і 99% діоксиду сірки – антропогенного походження. В атмосфері протікають реакції, що призводять до кислотних опадів:
2SO2 + O2 ® 2SO3 , SO3 + H2O ® H2SO4 .
Кругообіг води
Вода, як і повітря – основний компонент, необхідний для життя. В кількісному співвідношенні це найбільш розповсюджена неорганічна складова живої матерії. Насіння рослин, в яких вміст води не перевищує 10%, відноситься до форм уповільненого життя. Таке ж явище (ангідробіоз) спостерігається у деяких видів тварин, які при несприятливих зовнішніх умовах можуть втрачати велику частину води в своїх тканинах. Вода в трьох агрегатних станах присутня в усіх складових біосфери: атмосфері, гідросфері та літосфері. Якщо воду, яка знаходиться в різних гидрогеологічних формах, рівномірно розподілити по відповідним областям земної кулі, то утворяться шари такої товщини: для Світового океану 2700 м, для льодовиків 100 м, для підземних вод 15 м, для поверхневих прісних вод 0.4 м, для атмосферної вологи 0.03 м. Основну роль в циркуляції та біогеохімічному кругообігу води відіграє атмосферна волога, незважючи на відносно малу товщину її шару.
Атмосферна волога розподілена по Землі нерівномірно, що обумовлює великі розбіжності в кількості опадів в різних районах біосфери. Середній вміст водянї пари в атмосфері змінюється в залежності від географічної широти. Наприклад, на Північному полюсі воно рівно 2.5 мм (в стовпі повітря із поперечним перетином 1 см2), на екваторі – 45 мм. Вода, випавша на сушу, після цього витрачається на просочування (або інфільтрацію), випаровування та сток. Просочування особливо важливо для наземних екосистем, бо сприяє постачанню грунтів водою. В процесі інфільтрації вода надходить у водоносні горизонти та підземні ріки. Випаровування з поверхні грунту також відіграє важливу роль у водному режимі місцевості, але більш значну кількість води виділяють самі рослини своїм листям. Причому кількість води, що виділяється рослинами, тим більше, чим краще вони нею постачаються. Рослини, що виробляють одну тону рослинної маси, поглинають як мінімум 100 т води. Головну роль в круговороті води на континентах відіграє сумарне випаровування (дерева і грунт). Остання складова кругообігу води на суші – сток. Поверхневий сток та ресурси підземних водоносних шарів забезпечують живлення водних потоків. Разом з тим при зменшенні щільності рослинного покрову сток стає основною причиною ерозії грунту. Як вже відмічалося, вода бере участь і в біологічному циклі, являючись джерелом кисня та водорода. Однак фотоліз її при фотосинтезі не відіграє суттєвої ролі в процесі кругообіга.
Антропогений вплив на навколишнє середовище.
Проблеми народонаселення та ресурсів біосфери тісно пов’язані з реакціями навколишнього природного середовища на антропогенний вплив. Природний екологічно сбалансирований стан навколишнього середовища зазвичай називають нормальним. Цей стан, при якому окремі групи організмів біосфери взаємодіють один з іншим та з абіотичним середовищем без порушення рівноваги кругообігів речовин та потоків енергії в межах певного геологічного періоду, обумовлене нормальним протіканням природних процесів в всій геосфері. Природні процеси можуть мати катастрофічний характер, наприклад виверження вулканів, землетрус, повінь, що, однак, також складає ‘норму’ природи. Ці та інші природні процеси поступово, із геологічною швидкістю, еволюціонують і в той же час на протязі тысячорічч (протягом одного геологічного періоду) залишаються в сбалансированному стані. При цьому протікають малий (біологічний) та великій (геологічний) кругообіги речовин та встановлюються енергетичні баланси між різноманітними геосферами і космосом, що поєднує природу в єдине ціле. Кругообіги речовин та енергії в біосфері характеризуються певними кількісними параметрами, які специфичні для даного геологічного періоду і для кожного елементу земної поверхні у відповідності з їхньою географією. Зазвичай в якості основних параметрів, що характеризують стан навколишнього природного середовища, виділяють наступні:
1. Энергетичний: Е = Е0 + DЕ,
де Е0 – запас енергії в системі у момент часу t0;
DЕ – енергетичний баланс системи за час Dt, тобто в період від
t = t0 до t = t0 + Dt .
2. Водний: W = W0 + DW,
де W0 – запас води в системі у момент часу t0;
DW – водний баланс системи за час Dt, тобто в період від
t = t0 до t = t0 + Dt .
3. Біологічний: В = В0 + DВв – DВm,
де B0 – початкова біомаса;
DВв – біологічна продуктивність;
DВm – мінералізація органіки за час Dt .
4. Біогеохимічний: G = G0 + DGв – DGg,
где G0 – запас хімічних елементів в системі;
DGв и DGg – зміна запасу хімічних елементів внаслідок біологічного та геологічного кругообіга речовин.
Ці параметри стану навколишнього середовища можуть бути кількісно визначені експериментальним шляхом для кожного району, великого регіону, природної зони або ландшафтно-географічного пояса, нарешті, для земної кулі вцілому; вони кількісно характеризують стан та просторову неоднорідність середовища. Геохімічний параметр стану навколишнього середовища також суттєво змінився, особливо у відношенні біологічного і геологічного кругообігів. Під впливом людської діяльності відбуваються великі зміни в розподілі хімічних елементів в біосфері, природна та антропогенна трансформація речовин, а також перехід хімічних елементів з одніх сполук до інших. Природний біологічний кругообіг речовин порушений людиною на площі, яка досягає майже половини всієї поверхні суши: антропогенні пустелі, індустріальні та міські землі, сади, вторинні низькопродуктивні ліси, виснажені пасовища і т. д. Поршенню геологічного кругообігу речовин сприяли такі фактори:
1. Ерозія грутового покриву і зростання твердого стоку в океан;
2. Переміщення величезних мас земної кори;
3. Видобування з надр чималих кількостей руд, пальних та інших копалин;
4. Перерозподіл солі в грунтах, грунтових та річкових водах під впливом зрошувального землеробства;
5. Застосування мінеральних добрив та ядохімікатів;
6. Забруднення середовища сільськогосподарськими, промисловими і комунальними відходами;
7. Потрапляння до природного середовища енергетичних забруднень.
Таким чином, дослідження змін параметрів стану навколишнього природного середовища (хоча і на якісному рівні) дозволяє зробити висновок про відсутність в нинішній час глобальної екологічної кризи. В той же час є всі підстави вважати теперішній стан біосфери порушеним і неномальным. Такий стан може перейти в кризовий, якщо людство не проведе спеціальні заходи по оздоровленню навколишнього середовища. В нинішній час вся територія нашої планети підвержена різним антропогенним впливам. Серйозний характер набули наслідки руйнування біоценозів і забруднення середовища. Вся біосфера знаходиться під все більш зростаючим тиском діяльності людини.
Актуальним завданням в наш час стають природоохоронні заходи, які людство повинно застосовувати як умога частіше.
Хімічні властивості води
У воді в розчиненому стані присутні гази і мінеральні солі. Велике екологічне значення має кількість розчиненого у воді кисню. У солоній воді розчинність кисню на 20% нижча, ніж у прісній. Перенасиченість киснем можна спостерігати у водах озер і ставків, багатих на рослинність, що містить хлорофіл.
Залежно від кількісного вмісту і розподілу у воді стоячих водойм кисню, а також характеру і чисельності у них організмів, що населяють їх, водойми поділяють на три групи:
1) оліготрофні (небагаті на корм) – глибоководні озера з низькою температурою в нижніх шарах водяної товщі, багатої на кисень. У цій воді добре розвиваються лососеві, форель (озера – Пісочне на Поліссі, Синевир у Карпатах). Тут повільніше розкладається органічний відпад і вода в них голуба і прозора;
2) еутрофні (багаті на корм) – неглибокі, придонні води мають більшу температуру, ніж оліготрофні. Тут добре розвиваються різноманітні організми, а також добре перебігають процеси їх відпаду і розпаду. Вода в таких водоймах зелена. Риби тут задовольняються невеликою кількістю кисню. Прикладом може служити озеро Глинна Наварія поблизу Львова;
3) дистрофні (бідні на корм). В їхніх водах нагромадилась велика кількість гумінових кислот, що робить їх кислими і коричнюватими (Янівське озеро біля Львова).
Відомі групи риб, які відрізняються за своєю потребою у кисні: перша – висока потреба (7-
У прісній і особливо морській воді значно більша кількість вуглекислого газу. Наприклад, у морській воді його міститься від 40-
Важливою складовою прісних вод є кальцій, який часто відіграє роль обмежуючого фактора. Розрізняють води “м’які” (кальцію 9 мг/л) і “жорсткі” (понад 25 мг/л). Від концентрації кальцію у воді залежить
розмноження молюсків і ракоподібних, які завдяки такому складу води формують свої панцирі. В морській воді кальцій присутній у достатній кількості (1,52-1,82% загального вмісту солей).
Надзвичайно різноманітний склад морської води: 13 металоїдів і майже 40 металів. Середня солоність морської води 33-37%, а в Червоному морі – 41%. Значно нижча солоність закритих морів, в які впадають прісноводні річки (Чорне море – 29%, Балтійське – 12%). З рівнем солоності морів пов’язані розміщення видового складу морських тварин і рослин.
Розрізняють води слабо солонуваті (0,5-5,0 г/л солей), солонуваті (5-16 г/л), солоні (16-40 г/л), пересолені (понад 40 г/л). Прикладом стеногалинних видів є радіолярії, медузи, їстівні мідії, корали. Стійкість до солоності змінюється з температурою. Наприклад, краби при високій температурі води переходять у дещо холодніші води малосолоних водоймищ. У солонуватих водах чисельність водної фауни дуже велика, але її видовий склад, як правило, збіднений. Р.Дажо наводить приклад з озером Ваккаре (солоність тут змінюється у межах 2-7%), яке населяють, з одного боку, прісноводні риби (короп, лин, щука, судак), а з іншого – морські, наприклад, кефаль, яка належить до видів, що населяють води достатньо солоні.
Особливе значення у водних екосистемах мають фосфати і нітрати, які необхідні для синтезу живої речовини. Вони нагромаджуються в основному в глибинних зонах, де утворюються внаслідок розкладу бактеріями рослин і тварин, що загинули.
Важливо знати рН води, оскільки кислотність відіграє суттєву роль у поширенні рослинних і тваринних організмів (рис. 3.26, 3.27). Наприклад, рогіз добре росте в лужних умовах (8,4-9,0 рН). Кислі води торф’яників сприяють розвитку сфагнових мохів. Риби найкраще сприймають кислотність у межах 5-9 рН. При рН нижче 5 можна очікувати масової загибелі риб, хоч окремі з них витримують кислотність до 3,7. Там, де рН вище 10, вода згубно впливає на всі види риб.
Максимально продуктивні води з рН у межах 6,5-8,5, рН в межах 4,0-4,5 є згубним для більшості риб, тоді як щука при цій кислотності добре розмножується.
Встановлено, що найбільша чутливість до дефіциту кисню збігається з чутливістю до органічного забруднення. Це явище пов’язане з процесом евтрофікації – збагачення водойм органічними поживними речовинами під впливом антропогенних факторів (спускання стічних вод тощо). Домішка органічних речовин сприяє швидкому росту аеробної бактеріальної флори, яка інтенсивно поглинає кисень. Щодо стійкості до органічних забруднень і дефіциту кисню розрізняють такі індикаторні групи організмів:
1) полісапроби – організми, які витримують сильний ступінь дефіциту кисню (личинка комара Chaoborus, мухи-бджоловидки Fristalis tenax);
2) мезосапроби – організми, що витримують лише середній ступінь забруднення (інфузорія парамеція, карась, короп, лин);
3) олігосапроби – організми, які витримують лише слабкий ступінь забруднення, вимогливі до кисню (форель, багато видів личинок мошок).
Основною причиною появи в природних водах NН4 (амонійного азоту), N02 (азоту нітритів) і N2О3 (азоту нітратів) є розкладання білків тваринного походження. Кількість амонійного азоту різко зростає при свіжому забрудненні води продуктами тваринного походження – нечистотами, сечею тощо. Разом із тим, сполуки аміаку можуть утворитися в підземних водах при відновленні нітратів до нітритів і аміаку або при дії води на нітрит заліза. Тому навіть у глибоких підземних водах кількість амонійного азоту часом може перевищувати допустиму концентрацію – 0,1 мг/дм3. Нітрити як продукт біохімічного окиснення солей аміаку є сполуками нестійкими і виявляються лише при порівняно недавньому забрудненні джерела води. Кількість азоту нітритів, що перевищує 0,002 мг/дм3, дозволяє запідозрити давнє забруднення води органічними рештками тваринного походження. Утворення нітритів у глибоких підземних водах можливе з нітратів при відновних процесах.Кінцевим продуктом окиснення аміаку є нітрати, які трапляються в природних водах у більшій кількості, ніж нітрити. Інтенсивність процесів нітрофікації, які відбуваються в грунті, зумовлює іноді збільшення кількості нітратів у підґрунтових водах до кількох десятків сотень міліграмів в одному літрі води. У водах відкритих водойм і глибоких підземних водах нітратів небагато – менше 1 мг/дм3. Наявність нітратів у воді при відсутності аміаку і нітритів свідчить про забруднення джерела води в минулому і закінчення процесу мінералізації або про потрапляння у воду азотовмісних мінеральних добрив.
Поняття про екологічні фактори
Екологічні фактори – всі складові (елементи) природного середовища, які впливають на існування й розвиток організмів і на які живі істоти реагують реакціями пристосування (за межами здатності пристосування настає смерть).
Можна виділити три групи екологічних факторів – абіотичні (неорганічні умови: хімічні й фізичні, такі, як склад повітря, води, ґрунтів, температура, світло, вологість, радіація, тиск тощо), біотичні (форми взаємодії між організмами – хазяїн – паразит) та антропогенні (форми діяльності людини).
Як уже зазначалось, безперервність життя на Землі забезпечується унікальною здатністю живих істот створювати і підтримувати внутрішнє середовище, здійснювати обмін речовин з навколишнім середовищем і передавати ці властивості за спадковістю своїм нащадкам.
Середовище – одне з основних екологічних понять, під ним ми розуміємо комплекс природних тіл і явищ, з якими організм знаходиться у прямих або опосередкованих зв’язках.
Внутрішнє середовище будь-якої істоти якісно відрізняється від зовнішнього середовища. Якісна самостійність внутрішнього середовища організму регулюється механізмами гомеостазу.
Гомеостаз організму – це стан внутрішньої динамічної рівноваги, який забезпечується взаємодією складних процесів регуляції і координації біохімічних реакцій за принципом зворотного зв’язку. Гомеостаз може здійснюватись тільки за певних умов навколишнього середовища: поза межами цих умов автономність організму порушується і він гине, а його внутрішнє середовище ототожнюється із зовнішнім. Сили, що діють з боку навколишнього середовища, називають факторами.
Організм як елементарна частинка живого світу в середовищі свого існування знаходиться під одночасним впливом кліматичних, біотичних факторів, які разом називаються екологічними.
Екологічний фактор – це будь-який елемент середовища, який здатний справляти прямий чи опосередкований вплив на живі організми, хоча б протягом однієї фази їхнього розвитку.
Фактори навколишнього середовища забезпечують існування в просторі та часі. Засвоєння і використання факторів здійснюється організмом через адаптації.
Адаптації – це пристосування або засоби, за допомогою яких організм здійснює взаємоконтакт з середовищем для підтримання гомеостазу і забезпечує безперервність існування в часі через потомство. Залежно від кількості й сили дії один і той самий фактор може мати протилежне значення для організму. Наприклад, як підвищення, так і зниження температури, до якого організм не може пристосуватися, призводить до його загибелі. Адаптивні можливості різних організмів розраховані на різне значення фактора. Так, більшість прісноводних риб гине, потрапивши в морську воду, а морські риби гинуть при зниженні солоності води.
Наявність того чи іншого фактора може бути життєво необхідною умовою для одних видів і не мати ніякого значення для інших. Наприклад, світло для зелених рослин – це джерело енергії, а для різних мешканців ґрунту – зайвий або й небезпечний фактор.
Залежно від сили дії того чи іншого фактора умови існування особин виду можуть бути оптимальними, неоптимальними або відповідати проміжному рівню.
Здатність організму витримувати певну амплітуду коливання фактора називають екологічною валентністю. Для життя організмів велике значення має не тільки абсолютна величина фактора, але й швидкість його зміни.
За екологічною валентністю організми поділяються на еврибіонтних з широкими пристосувальними можливостями (сірий пацюк, горобець, кімнатна муха) і стенобіонтних, які можуть існувати лише у відносно сталих умовах (байбак степовий, журавель степовий, качкодзьоб). Реакція організму і його адаптивні можливості відповідно до показників фактора залежать від поєднання дії різних факторів. Мряка та вітер при плюсовій температурі, мороз при ясній та тихій погоді сприймаються по-різному. У даному випадку реакція організму на температурний фактор залежить від супровідної дії вологості і вітру, тобто від спільної дії факторів.
Для нормального існування організму необхідний певний набір факторів. Якщо хоч один із життєво необхідних факторів відсутній або дія його недостатня, організм не може існувати, нормально розвиватись і давати потомство. Це явище називають законом мінімуму, або законом Лібіха, а фактор, дії якого недостатньо для нормального життя – лімітуючий Організми, як свідчать численні дослідження, не є рабами фізичних умов середовища. Вони пристосовуються самі і змінюють їх так, що можуть послабити лімітуючий вплив температури, світла, води та інших факторів. Такий вплив організмів дуже відчутний і ефективний на рівні угруповання. Зв’язок організму із середовищем має характер тривалий і нерозривний, і організм не може існувати поза середовищем. На Землі розрізняють чотири типи життєвого середовища: водне, наземне (повітряне), ґрунтове та тіло іншого організму.
Класифікація екологічних факторів
Екологічні фактори можуть бути об’єднані за природою їхнього походження або залежно від їхньої динаміки та дії на організм.
За характером походження розрізняють:
– абіотичні фактори, котрі зумовлюються дією неживої природи і поділяються на кліматичні (температура, світло, сонячна радіація, вода, вітер, кислотність, солоність, вогонь, опади тощо), орографічні (рельєф, нахил схилу, експозиція) та геологічні.
– біотичні – дія одних організмів на інші, включаючи всі взаємовідносини між ними.
– антропогенні фактори – вплив на живу природу життєдіяльності людини.
Коротко розглянемо групи факторів, об’єднаних характером походження.
Абіотичні фактори: сонячна енергія, світло, температура, вологість, хімічний склад, орографія, едафічний фактор, течії, пожежі, фізичні поля тощо.
Абіотичні. Серед них особливо виділяється група кліматичних факторів. Дія багатьох абіотичних факторів, включаючи рельєф, вітер, тип ґрунту тощо виявляється опосередковано – через температуру і вологість. Внаслідок цього на невеликій ділянці земної поверхні кліматичні умови можуть суттєво відрізнятися від середніх для даного регіону в цілому. Температура і кількість опадів (дощу або снігу) визначають розташування на земній поверхні основних природних зон. Різноманітність природних комплексів часто визначається особливостями ґрунтів, від яких залежить надходження вологи. Один і той же фактор щодо різних організмів може відігравати різноманітну роль і завдяки цьому переміщуватися у класифікації з однією групи в іншу. Яскравим прикладом Цього явища може бути світло. Для рослин воно є джерелом енергії при фотосинтезі, для багатьох наземних тварин світло може бути основним фактором. Для ґрунтових організмів або “мешканців печер, як і для організмів, що живуть у глибинах морів, цей фактор не має значення, оскільки протягом всього життя ці організми не зустрічаються з його дією.
Абіотичні фактори діють на організм різними шляхами. У найпростішому випадку має місце прямий вплив. Так, сонячне проміння освітлює ящірку, яка лежить нерухомо, і тіло її нагрівається. З іншого боку, дуже часто екологічні фактори впливають на організм опосередковано, через безліч проміжних ланок. Наприклад, поєднання високої температури повітря з низькою вологістю і відсутністю дощів призводить до посухи, іноді це набуває катастрофічного характеру (вигоряє рослинність, травоїдні мігрують або гинуть).
Біотичні фактори. Це форми впливу живих організмів один на одного. Основною формою такого впливу в більшості випадків є харчові зв’язки, на базі яких формуються складні ланцюги і ланки харчування. Крім харчових зв’язків, в угрупованнях рослинних і тваринних організмів виникають просторові зв’язки. Все це є підставою для формування біотичних комплексів. Виділяють різні форми біотичних відносин, які можуть бути найрізноманітнішими – від дуже сприятливих до різко негативних.
Важливим поняттям є ланцюг живлення – це взаємовідносини між організмами під час перенесення енергії їжи від джерела через ряд організмів (шляхом поїдання) на більш високі трофічні рівні.
Людина один з його щаблів, завдяки їй піраміда живлення стає все вищою і складнішою, зі значними масштабами і силою, коли як з вершини піраміди, так і з її проміжних сходинок та основи почали щезати цілі види, розриватися ланки зв‘язку. Людина силоміць почала у надзвичайно короткі терміни змінювати піраміду для свого комфорту, по-хижацьки витрачаючи біологічний капітал. Це призвело до розростання екологічної кризи.
Слід зазначити, що у процесі кожного чергового перенесення енергії їжі з одного трофічного рівня на інший (вищий) більша частина (80-90%) потенціальної енергії губиться й переходить у теплоту. Ланцюги живлення поділяють на два типи: ланцюги пасовиськ (від зеленої рослини до травоїдної тварини й далі – до хижаків, що поїдають рослиноїдних тварин) і детритні (ланцюги розкладу від детриту через мікроорганізми до детритофагів і їх споживачів – хижаків). Кількість ланок у трофічному ланцюзі звичайно не перевищує чотирьох-п’яти.
Останнім часом вважають, що краще вживати термін трофічна сітка, а не ланцюг, оскільки до складу їжі кожного типу входить кілька видів, кожен із яких, у свою чергу, може бути їжею для кількох видів. Ефективність трофічних ланцюгів оцінюється величиною біомаси екосистеми та її біологічною продуктивністю.
Біомаса – це загальна маса особин одного виду, груп видів чи спільноти в цілому (рослини, тварини, мікроорганізми), яка припадає на одиницю поверхні (об’єму), місце проживання (в сирому чи сухому вигляді). Виражають біомасу в кілограмах на гектар, грамах на квадратний або кубічний метр чи в джоулях (одиницях енергії).
Найбільшу біомасу на суші серед гетеротрофів мають безхребетні та ґрунтові мікроорганізми (біомаса дощових червів може сягати 1000-1200 кг/га); близько 90% біомаси біосфери припадає на біомасу наземних рослин, які за допомогою фотосинтезу – біосферного процесу – засвоюють вільну енергію та забезпечують існування всього живого. Початком біологічного кругообігу речовин є саме фотосинтез. Але механізм його залишається таємницею для вчених ще й нині. Є кілька гіпотез, що пояснюють механізм цього явища. Одна з останніх – фотовольтаїчна, яка належить Г. Комісарову.
Найбільшою є біомаса тропічних лісів (до 1700 т/га), а найменшою – тропічних і субтропічних пустель (близько 2,5 т/га). Біомаса лучних степів становить 250 ц/га (наземна), лісової смуги (Полісся) – до 3500-4000 (наземна) і 960 ц/га (підземна).
Наземні рослини за масою майже в 100 разів перевищують наземних тварин, а маса травоїдних у стільки ж разів більша за масу хижаків.
Швидкість продукування біомаси на даній площі за одиницю часу називають біопродуктивністю. Вона може бути первинною (продуктивність продуцентів) і вторинною (біомаса, яку продукують консументи й організми, що розкладаються).
Первинна продуктивність материків становить близько 53 млрд т органічної речовини, Світового океану – до 30 млрд т. На суші основним джерелом первинної біомаси є тропічні ліси, ліси Полісся та Сибіру, в океані – зона підйому збагачених фосфором і азотом глибинних вод біля материків у тропіках, а також материкові мілини холодних морів.
Підраховано, що нині щорічної біомаси планети, яку збирає людство, вже недостатньо для харчування населення Землі, а вся біосфера здатна прогодувати не більше 7-10 млрд чоловік (за іншими оцінками – 3-5 млрд). Тому найближчим часом слід припинити збіднення біосфери та підвищити її продуктивність не менше, ніж удвоє.
Протягом останніх десятиліть дедалі частіше вживається термін агроценоз.
Агроценози – молоді біоценози, що формуються в наш час, характеризуються видовою бідністю та одноманітністю й підтримуються людиною завдяки розробленій нею системі агротехнічних і агрохімічних заходів. Це вторинні, видозмінені людиною біогеоценози (поля, городи, сади, підводні плантації мідій тощо).
У агроценозах регуляторні зв’язки дуже ослаблені, що призводить до різкого збільшення чисельності шкідників і збудників різних хвороб. Але агроценози дають людству до 90% продуктів харчування.
Агроценози – результат екстенсивного розорювання земель, суперіригацій і неграмотних меліорацій, активного випасу худоби, вирубування лісів, суперхімізації земель, а також тривалого вирощування тих самих культур на одних і тих самих полях. Вони існують порівняно з природними дуже нетривалий час (зернові агроценози – рік, садові – 30-40 років) і є наслідком антропогенного обміну речовин – дуже недосконалим екологічно, незамкненим, оскільки на вході цього обміну є природні ресурси, а на виході – агрохімічні, промислові та побутові відходи, які не повертаються на виробництво, не депонуються й не розкладаються, як це звичайно відбувається в біосфері мільйони років.
Важливим є також поняття біологічний малий і геологічний великий кругообіг речовин, а також кругообігу води, азоту, вуглекислого газу як найголовніших з екологічної точки зору компонентів атмосфери, а також кругообіги сірки, фосфору, вуглецю як найважливіших життєвих речовин біосфери.
Кругообіг речовин – це їхня багаторазова участь у природних процесах, що споконвічно відбуваються в геосферах. Велику роль у кругообігу речовин, а точніше – хімічних елементів, відіграють живі організми, на що вперше звернув увагу французький вчений Ж. Ламарк.
Дослідив це питання та сформулював основні закони біогеохімічного кругообігу В. Вернадський.
Малий, або біологічний (біотичний), кругообіг має місце в межах малих екосистем, великий (геологічний) – у межах планети, між океанами й континентами. Під час кругообігу відбувається колоподібна циркуляція речовин між повітрям, ґрунтом, водою, рослинами, тваринами та мікроорганізмами, коли мінеральні речовини, потрібні для життя, поглинаються, трансформуються, надходять із навколишнього середовища до рослинних організмів, а від них, через ланцюги живлення у вигляді органічних речовин, – до тварин, далі через ланку редуцентів – знову в навколишнє середовище (ґрунти, води, повітря) у вигляді неорганічних речовин.
Кругообіги завдяки наявності в атмосфері та гідросфері великого резервного фонду вуглецю, азоту, кисню, сірки, фосфору можуть відносно швидко саморегулюватися. Під час біологічного кругообігу відбуваються дуже характерні зміни енергії у процесі переходу з одного трофічного рівня на інший. У трофічний кругообіг екосистеми в середньому залучається близько 1% сонячної енергії, на наступні вищі трофічні рівні з нижчих переходить лише 10% засвоєної організмами енергії, а у вигляді тепла розсіюється в екосистемі 80-90%. Рослини використовують сонячну енергію з ефективністю від 0,1 до 1%. Рослиноїдні тварини споживають близько ЗО% енергії, акумульованої рослинами, хижаки – до 10% накопиченої травоїдними рослинами (їх біомаси), тобто всього близько 0,001% сонячної енергії, що надходить на Землю.
Цей факт дозволив побудувати екологічні піраміди біомас, енергій, екосистем.
Кожна точка на нашій планеті є часткою екосистем. Кожне наше зітхнення, будь-яка з’їдена їжа, кожен ковток води пов’язують нас безпосередньо з біогеохімічними циклами екосистем.
Для всіх екосистем світу характерні два основних процеси, які є загальними: поглинання сонячної енергії та її проходження через екосистему у відповідності до другого закону енергії, а також накопичення й кругообіг живлячих речовин у біогеохімічних циклах.
Біогеохімічні цикли – це біогеохімічні кругообіги – обмін речовиною й енергією між різними компонентами біосфери, який зумовлений життєдіяльністю організмів і має циклічний характер. Цей термін введений В.І. Вернадським. У природі всі згадані цикли взаємозв’язані, а деякі з них (вуглецю, кисню, водню, азоту, сірки, фосфору, калію, кальцію та ін) є ключовими до розуміння еволюції й сучасного стану біосфери. Рушійними силами біогеохімічних циклів є потоки енергії Сонця та Космосу й енергії діяльності живої речовини (сукупності всіх організмів), які призводять до переміщення величезних мас хімічних елементів, акумулювання й перерозподілу енергії, накопиченої у процесі фотосинтезу.
Саме фотосинтез і циклічні кругообіги речовин створюють умови для організованості біосфери Землі і її нормального функціонування.
Екологічні піраміди – піраміди біомаси, чисел чи енергії, які відображають зменшення цих величин від продуцентів до редуцентів у вигляді масштабних пірамід. Тобто це – графічне зображення співвідношення між продуцентами, консументами (першого, другого, третього й т.д. порядку), вираженого в одиницях маси, числа істот чи величинах енергії.
Сукцесія – послідовна зміна біоценозів, які спадково виникають на одній і тій же території в результаті впливу природних факторів чи людини.
Результатом сукцесії є уповільнений розвиток нової спільноти – клімаксової.
Сукцесію поділяють на первинну (процес розвивається на ділянці, не займаній до того іншими живими істотами) і вторинну, коли відбувається зміна або знищення клімаксової спільноти. Фактори збурення сукцесії бувають зоогенні, пірогенні, катастрофічні, фітогенні, екзодинамічні та ін.
Зміна біоценозів в екосистемах закінчується встановленням відносно стійкого стану екосистем, що замінюють одна одну під впливом змін екологічних факторів. Цей стан називається клімакс (від грец. – клімакс – драбина).
Прогнозуючи зміни екологічних умов, можна передбачити й особливості клімактеральної фази, що важливо для аграрництва, лісівництва, садівництва.
Екополітика – сукупність методів контролю екологічних обмежень при соціально-економічному розвитку країни, регіону світу чи людства в цілому. Наприклад, введення міжнародних обмежень на випуск фреонів, знищення китів, вирубки лісів, вилов деяких видів риб та ін.
Антропогенні фактори зумовлені діяльністю людини, вплив її на природу може бути як свідомим, так і стихійним, випадковим. Користуючись знанням законів розвитку природи, людина свідомо виводить нові високопродуктивні сорти рослин, породи тварин, усуває шкідливі види, творить нові природні комплекси. Процес взаємодії людини з природою почався з моменту появи людини на Землі і весь час зростає.
У 1958 р. А.С. Мончадський запропонував класифікацію факторів за характером їхньої дії.
Гомотипові реакції: груповий ефект, масовий ефект, внутрішньовидова конкуренція. Гетеротипові реакції: нейтралізм, коменсалізм, протокооперація, мутуалізм, аменсалізм, паразитизм, хижацтво, міжвидова конкуренція.
Умовою існування й нормального функціонування будь-якої екосистеми є наявність усіх ланок трофічного ланцюга (тобто ланцюга живлення). В екосистемах мають місце такі явища, як коменсалізм, мутуалізм і нейтралізм – різні форми співіснування живих істот (симбіоз).
Кожен вид в екосистемі має своє функціональне місце – екологічну нішу, де він не конкурує з іншими видами за джерело енергії. Це фізичний простір, який займають організми кожного виду, з їхньою функціональною роллю в спільноті, розміщенням по відношенню до зовнішніх екологічних факторів, характером реакції на зміни останніх та морфоструктурним пристосуванням.
Розглянемо ці явища.
Між представниками різних видів організмів, що населяють екосистему, крім нейтральних, можуть існувати такі види зв’язків:
конкуренція – боротьба між представниками різних видів за їжу, повітря, воду, світло, життєвий простір; боротьба тим жорстокіша, чим більш споріднені й близькі за вимогами до умов середовища види організмів, що конкурують;
мутуалізм – представники двох видів організмів своєю життєдіяльністю сприяють один одному, наприклад комахи, збираючи нектар, запилюють квіти; мурашки, опікаючи попелиць, живляться їхніми солодкими виділеннями;
коменсалізм – коли від співжиття представників двох видів виграє один вид, не завдаючи шкоди іншому, наприклад, рибка-прилипайко знаходить захист і живиться біля акул (мутуалізм і коменсалізм називають ще симбіозом);
нейтралізм – коли співжиття організмів не дає їм ні позитивних, ні негативних наслідків.
паразитизм – одні істоти живляться за рахунок споживання живої тканини господарів, наприклад, кліщі, блощиці, воші, глисти, омела, деякі гриби тощо;
хижацтво – одні організми вбивають інших і живляться ними.
алелопатія – одні організми виділяють речовини, шкідливі для інших, наприклад, фітонциди, що виділяються деякими вищими рослинами, пригнічують життєдіяльність мікроорганізмів; токсини, що виділяються під час “цвітіння” води у водоймищах, отруйні для риби та інших тварин.
Екосистемні фактори можуть бути стійкими, з характерними особливостями протягом довгого періоду, й короткочасними (тимчасові водойми). Для кожної системи характерний певний видовий склад, чисельність організмів, біомаса, відповідність певних трофічних груп, інтенсивність процесів продукування й деструкції органічних речовин.
Останнім часом у зв’язку з освоєнням Космосу почали створювати штучні екосистеми (в космічних кораблях, спеціальних лабораторіях). Усьому світові став відомий дуже цікавий і складний експеримент – створення штучної екосистеми (“мікробіосфери”) американцями Дж. Алленом і М. Нельсоном у 1991 р. в штаті Арізона (“Арізонські мильні бульбашки”).
Стабільні фактори – ті, що не змінюються протягом тривалого часу (земне тяжіння, сонячна стала, склад атмосфери та інші). Вони зумовлюють загальні пристосувальні властивості організмів, визначають належність їх до мешканців певного середовища планети Земля.
Змінні фактори, які, у свою чергу, поділяються на закономірно змінні та випадково змінні. До закономірно змінних належить періодичність добових і сезонних змін. Ці фактори зумовлюють певну циклічність у житті організмів (міграції, сплячку, добову активність та інші періодичні явища і життєві ритми). Випадково змінні фактори об’єднують біотичні, абіотичні та антропогенні фактори, дія яких повторюється без певної періодичності (коливання температури, дощ, вітер, град, епідемії, вплив хижаків та інші).
Загальні принципи дії екологічних факторів на організми та пристосування до дії цих факторів. Комплексна дія факторів.
Насамперед пригадаємо, що найголовнішою формою функціонування екосистеми є кругообіг речовини, енергії та інформації – процес багаторазової участі речовин (біогенних і абіогенних) в явищах циклічного характеру, що відбуваються в атмосфері, гідросфері й літосфері.
Речовини, що залучаються до кругообігу, не тільки переносяться, а й трансформуються. При цьому дуже активну роль відіграють організми.
До процесів кругообігів геологічного характеру відносять випаровування, переміщення й опади, звітрювання гірських порід, обмін між глибинними й поверхневими шарами Землі, розчинення у воді різних речовин земної кори й перенесення їх в океан, відкладання та утворення осадових порід на дні. Процеси кругообігу постійно підтримуються енергією Сонця. Кругообіг речовин між Світовим океаном і сушею називають геологічним, великим.
Малим кругообігом називають біогеоцентричний кругообіг – багаторазове циклічне, нерівномірне в часі й незамкнене обернення частини речовин, енергії і інформації в межах елементарних екосистем.
Вирізняють ще біосферний кругообіг речовин – безперервний планетарний закономірний, циклічний процес нерівномірного в просторі й часі перерозподілу речовини, енергії та інформації, які входять до складу екосистем. Завдяки цьому кругообігу в природі забезпечується стабільність життя й успадкованість поколінь усіх живих істот.
Найголовнішими кругообігами речовин є кругообіги води, кисню, вуглецю, натрію, фосфору.
Основними типами наземних екосистем є біоми, які відрізняються один від одного характером рослинності.
Виділяють такі основні типи біомів:
Пустелі. Мають два підтипи – пустелі тропіків і пустелі помірного клімату.
Луки, підтипами яких є: тропічна савана; луки помірного поясу (прерія, степ); високотравні; низькотравні; полярні (арктична й альпійська тундра).
Ліси. Включають підтипи: тропічні вологі; тропічні сухі; листяні помірного поясу й бореальний ліс або тайга.
Прісноводні екосистеми, серед яких розрізняють сильно зволожені землі; озера; ріки; штучні водосховища.
Солоні, або морські екосистеми, серед яких виділяють естуарії, прибережні зволожені зони, коралові рифи, океанічну мілину (шельф), континентальний схил; океанічні глибини й бентосні екосистеми, екосистеми підводних гідротерм рифтових долин.
Для кожного біома характерні певні види хребетних і безхребетних тварин, редуцентів і фотосинтезуючих видів рослин (продуцентів), які поряд із кліматичними, фізичними й хімічними факторами місцевості формують екосистему.
У кожній екосистемі мешкають місцеві види, види-мігранти, принесені види, види-індикатори, ключові види.
Кожен вид має свою нішу – мікросередовище, яке його оточує й до якого він найкраще пристосувався з точки зору фізичних, хімічних і енергетичних потреб.
Факторами, які впливають на життя екосистем, можуть бути:
1. Фізичні: діапазон температур, характер геофізичного поля, дощі, висота над поверхнею Землі, вітер, тип грунту, кількість світла, кількість завислого матеріалу в водних середовищах, вогонь.
Хімічні: солоність води, концентрація живильних речовин, розчинених у поверхневих водах та опадах, природні й штучні токсини, розчинені у воді, ступінь насиченості води киснем.
Природні катастрофічні: пожежі, повені, засухи, епідемії, землетруси.
Природні поступові: еміграція й іміграція видів, кліматичні зміни, пристосування й еволюція видів, евтрофікація водойм, сукцесія.
Антропогенні, сільськогосподарські та промислові: винищення лісів, зарегулювання річкового стоку, меліоративні роботи, виснаження й ерозія грунтів, перехімізація грунтів, знищення хижаків, забруднення всіх типів вод, забруднення повітря.
Антропогенні соціально-економічні: значний вилов риби, браконьєрство, надінтенсивний туризм, розведення екзотичних, чужих місцевості видів, несумісна рекреаційна діяльність, пожежі, інфекції від домашніх тварин і рослин.
Дослідженнями українських вчених М. Голубця і И. Царика (1991) встановлені такі важливі особливості екосистем: кожна жива система є саморегульованою, має свою програму розвитку й здатна фіксувати в пам’яті всі позитивні й негативні зовнішні впливи на стан її функціонування та розвитку. Система може вибирати таку форму реакції на зовнішні впливи (“збурення”), яка забезпечує їй найефективніший варіант захисту від “збурювальної” дії екологічного фактора.
Саморегуляція екосистем відбувається завдяки стабільності й стійкості.
Стабільність екосистеми – це закладена в її генетичній програмі здатність протягом усього періоду існування реалізувати в мінливих умовах зовнішнього середовища свою життєву програму розвитку. Стабільність – це сума різноманітних стійкостей у часі.
Стійкість живої системи – це її здатність завдяки внутрішнім механізмам захисту протистояти зовнішнім негативним впливам і адаптуватися до них без істотних змін.
Стабільність і стійкість – два різні, але тісно пов’язані між собою поняття: це узагальнена властивість живої системи, що нормально функціонує у конкретних умовах, і окрема властивість живої системи, яка характеризує її здатність протистояти дії негативних екологічних факторів.
Слід відрізняти стабільність від біотичної інтеграції. Остання відрізняється тим, що система в такому стані не може довго існувати.
ДОДАТОК
МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ
НАКАЗ
30.07.2012 № 471
Зареєстровано в Міністерстві
юстиції України
14 серпня 2012 р.
за № 1369/21681
Про затвердження Нормативів екологічної безпеки водних об’єктів, що використовуються для потреб рибного господарства, щодо гранично допустимих концентрацій органічних та мінеральних речовин у морських та прісних водах (біохімічного споживання кисню (БСК-5), хімічного споживання кисню (ХСК), завислих речовин та амонійного азоту)
Відповідно до статей 8, 17 Закону України “Про рибне господарство, промислове рибальство та охорону водних біоресурсів”, підпункту 7.225 підпункту 7 пункту 4 Положення про Міністерство аграрної політики та продовольства України, затвердженого Указом Президента України від 23 квітня 2011 року № 500, з метою встановлення нормативів екологічної безпеки водних об’єктів, що використовуються для потреб рибного господарства, НАКАЗУЮ:
1. Затвердити Нормативи екологічної безпеки водних об’єктів, що використовуються для потреб рибного господарства, щодо гранично допустимих концентрацій органічних та мінеральних речовин у морських та прісних водах (біохімічного споживання кисню (БСК-5), хімічного споживання кисню (ХСК), завислих речовин та амонійного азоту), що додаються.
2. Департаменту тваринництва (Гетя А.А.) в установленому порядку подати цей наказ на державну реєстрацію до Міністерства юстиції України.
3. Наказ набирає чинності з дня його офіційного опублікування.
4. Контроль за виконанням наказу покласти на заступника Міністра Сеня О.В.
ЗАТВЕРДЖЕНО
Наказ Міністерства
аграрної політики
та продовольства України
30.07.2012 № 471
НОРМАТИВИ
екологічної безпеки водних об’єктів, що використовуються для потреб рибного господарства, щодо гранично допустимих концентрацій органічних та мінеральних речовин у морських та прісних водах (біохімічного споживання кисню (БСК-5), хімічного споживання кисню (ХСК), завислих речовин та амонійного азоту)
|
Одиниці вимірювання |
Морські води |
Природні прісні води |
Вода рибницьких ставів |
|
|
Біохімічне споживання кисню за 5 діб |
мг/л О2 |
3,0 |
3,0 |
3,0 |
|
Хімічне споживання кисню |
мг О/л |
Не нормується |
50,0 |
62,5 |
|
Завислі речовини |
мг/л |
Фонові значення |
25,0 |
25,0 |
|
Амонійний азот NH4+ |
мг N/л |
0,5 |
0,5-1,0 |
1,0-2,0 |
|
Мінеральний фосфор (PO4-3) |
мг Р/л |
0,7 |
0,7 |
0,7 |
Джерела забруднення
Джерела забруднення дуже різноманітні: серед них не тільки промислові підприємства і паливно–енергетичний комплекс, але і побутові відходи, відходи тваринництва, транспорту, а також хімічні речовини, які людина цілеспрямовано вводить до екосистеми для захисту корисних продуцентів і консументів від шкідників, хвороб і бур‘янів.Серед інгредієнтів забруднення – тисячі хімічних сполук, особливо важкі метали та оксиди, токсичні речовини та аерозолі. Різні джерела викидів можуть бути однаковими за складом і характером забруднюючих речовин.Так вуглеводні надходять у атмосферу і при спалюванні палива, і від нафтопереробної промисловості, і від газовидобувної промисловості.
Джерела забруднюючих речовин різноманітні (таблиця 1.2) також багаточисельні види відходів і характер їхнього впливу на компоненти біосфери. Біосфера забруднюється твердими відходами, газовими викидами і стічними водами металургійних, металообробних і машинобудівних заводів.Величезної шкоди завдають водяним ресурсам стічні води целюлозно-паперової, харчової, деревообробної, нафтохімічної промисловості. Розвиток автомобільного транспорту призвів до забруднення атмосфери міст і транспортних комунікацій важкими металами і токсичними вуглеводнями, а постійне зростання масштабів морських перевезень викликало майже повсюдне забруднення морів і океанів нафтою і нафтопродуктами. Масове застосування мінеральних добрив і хімічних засобів захисту рослин призвело до появи отрутохімікатів в атмосфері, ґрунтах і природних водах, забрудненню біогенними елементами водойм, водотоків і сільськогосподарської продукції (нітрати, пестициди і т.п.). При гірських розробках на поверхню землі витягаються мільйони тонн різноманітних,найчастіше фітотоксичних гірських порід, що утворюють терикони і відвали, що пилять і горять. Це зображено на рисунку 1.2 -Основні забруднювачі довкілля.
Рисунок 1 – Основні забруднювачі довкілля
Таблиця 1.2-Джерела викидів довкілля
Одну з вдалих класифікацій забруднення запропонував Р. Пірсон. Вона включає тип забруднення, його джерело, наслідки та засоби контролю. За цими ознаками виділяються наступні типи забруднювачів, а саме:
· стічні води та інші нечистоти, які поглинають кисень,
· носії інфекцій,
· речовини, які представляють поживну цінність для рослин,
· органічні кислоти та солі,
· твердий стік,
· радіоактивні речовини.
Прийнято розрізняти антропогенні забруднювачі, які можуть руйнуватись біологічними процесами та ті, що не піддаються руйнуванню. Перші надходять до природних кругообігів речовин і тому швидко зникають або піддаються руйнуванню біологічними агентами. Другі не включаються до природних кругообігів речовин, а тому руйнуються організмами у харчових ланцюгах.
Забруднення довкілля поділяють на природні, які викликані якими-небудь природними, часто катастрофічними, причинами (виверження вулканів, селеві потоки тощо), і антропогенні, які виникають у результаті діяльності людини.
1.3 Основні забруднювачі повітря
До основних антропогенних забруднювачів довкілля належать:
речовини, що викидаються промисловими підприємствами;
нафта та нафтопродукти;
пестициди;
мінеральні добрива;
шуми від виробництв, транспорту;
іонізуюче випромінювання;
вібрації;
світло-теплові впливи.
Найпоширенішими шкідливими газовими забруднювачами є:
оксиди сульфуру (сірки) – SO, SO;
сірководень (НS);
сірковуглець (СS);
оксиди нітрогену (азоту) – No;
бензпірен;
аміак;
сполуки хлору; сполуки фтору;
сірководень;
вуглеводні;
синтетичні поверхнево-активні речовини;
канцерогени; важкі метали;
оксиди карбону (вуглецю) – СО, СО.
Серед твердих часток промислових димів найпоширеніші:
частки вугілля; зола; сульфати; сульфіди металів (заліза, свинцю, міді, цинку тощо);
хлориди; сполуки кальцію; сполуки натрію; сполуки фосфору; пари основних кислот; феноли [1].
Методики визначення у воді розчинного кисню, амонійного азоту,азоту нітритів і нітратів
Визначення розчиненого у воді кисню. Розчинений у воді кисень, реагуючи з закисом марганцю, утворює еквівалентну кількість окису марганцю, який у кислому середовищі окислює йодистий калій з виділенням вільного йоду. Кількість йоду визначається титруванням гіпосульфітом натрію.
Воду відбирають у калібровані флакони з притертим корком таким чином, щоб під пробкою не залишалось повітря. На місці забирання до досліджуваної води для фіксації розчиненого у ній кисню додають 2 мл розчину хлориду марганцю. Наповнену реактивом піпетку занурюють на дно склянки, а потім, відкривши піпетку, її повільно виймають. Іншою піпеткою в цю ж склянку таким же чином додають 2 мл розчину їдкого калію з йодидом калію. Склянку щільно закривають пробкою і вміст ретельно збовтують, декілька разів перевертаючи склянку догори дном. У такому вигляді досліджувану пробу води можна транспортувати від місця забирання в лабораторію. Після відстоювання осаду окису марганцю відсмоктують прозору надосадну рідину, а до осаду доливають З мл концентрованої соляної кислоти й перемішують до його розчинення. Виділений йод титрують 0,01 н. розчином гіпосульфіту натрію до отримання блідо-жовтого забарвлення, після чого додають 1-2 мл розчину крохмалю і титрують забарвлений розчин до знебарвлення.
Вміст розчиненого кисню (мг/л) обчислюють за формулою 3:
akN ×8 × 1000
А = ————————— ; (3)
V1 – V2
де а – об’єм розчину гіпосульфіту, витраченого на титрування, мл;
k – поправковий коефіцієнт до нормальності титрованого розчину гіпосульфіту;
N – нормальність розчину гіпосульфіту;
V1 – місткість каліброваного флакона, мл;
V2 – об’єм реактивів, внесених у флакон для фіксації кисню, мл;
8 – еквівалент кисню (кількість кисню (мг), що відповідає 1 мл 1 н. розчину гіпосульфіту).
Ступінь насичення води киснем збільшується з підвищенням атмосферного тиску і зниженням температури води. У водоймах з чистою водою кількість розчиненого кисню повинна бути не менше 4 мг/л (Держстандарт 17.1.5.02-80).
Визначення вмісту аміаку та амонійних солей у воді. Аміак, реагуючи з реактивом Несслера, утворює аміачно-йодисту сполуку NH2Hg2IO, яка надає воді жовтого забарвлення. Для визначення азоту амонійних солей беруть два циліндри Геннера. Перший наповнюють 100 мл досліджуваної води, а другий – 1 мл розчину хлористого амонію, що містить 0,01 мг азоту амонійних солей і 99 мл дистильованої води. Потім у обидва циліндри додають по 2 мл сегнетової солі та реактиву Несслера. Вміст обох циліндрів перемішують скляною паличкою. Через 10 хв. розвивається забарвлення, інтенсивність якого визначають дивлячись зверху, в прохідному світлі, на білому тлі. Випускаючи розчин із циліндра з більш інтенсивним забарвленням, досягають однакового забарвлення в обох циліндрах.
Вміст амонійних солей (мг/л) у досліджуваній воді знаходять за формулою 4:
Н2 × 0,01 × 1000 × J
А = ————————— ; (4)
Н1 × 100
де 0,01 – вміст азоту амонійних солей у розчині хлористого амонію, мг/мл;
100 – об’єм досліджуваної води, мл;
J – об’єм розчину хлористого амонію, мл;
H1 – висота стовпчика досліджуваного зразка води, см;
Н2 – висота стовпчика стандартного розчину хлористого амонію, см.
Якщо твердість води понад 10°, то її зм’якшують, додаючи до 100 мл води 2 мл розчину їдкого натру та кальцинованої соди, який готується розчиненням
Досліджувану воду, колірність якої перевищує 30°, попередньо знебарвлюють, додаючи
У чистих природних водах вміст азоту амонійних солей становить 0,01-0,10 мг/л.
Визначення вмісту азоту нітритів у воді. Нітрити, реагуючи з реактивом Ґрісса, що являє собою суміш сульфанілової кислоти і a-нафтиламіну в оцтовій кислоті, утворюють азофарбу, яка надає досліджуваній воді червоного забарвлення.
Для визначення вмісту азоту нітритів беруть дві конічні колби місткістю 250 мл. В одну наливають 100 мл досліджуваної води, а в другу – 10 мл стандартного розчину азоту нітритів, який містить в 1 мл 0,001 мг азоту нітритів і 90 мл дистильованої води. Далі в обидві колби додають по 5 мл розчину Ґрісса, після чого для розвитку забарвлення колби ставлять на 10 хв. на водяну баню при температурі 50–60°С. Колориметрування розчинів проводять у циліндрах Геннера. Обережно відливаючи частину вмісту з циліндра з інтенсивнішим забарвленням, досягають однакового забарвлення в обох циліндрах.
Вміст азоту нітритів (мг/л) у досліджуваній воді знаходять за формулою 5:
Н2 ×10 × 0,001 × 1000
А = ————————— ; (5)
Н1 × 100
де 10 – кількість стандартного розчину азоту нітритів, мл;
0,001 – вміст азоту нітритів у стандартному розчині, мг/мл;
100 – об’єм досліджуваної води, мл;
Н1 – висота стовпчика досліджуваної води, см;
Н2 – висота стовпчика стандартного розчину, см.
У чистих природних водах вміст азоту нітритів не перевищує 0,005 мг/л.
Визначення вмісту нітратів у воді. У пробірку до 5 мл води додають декілька кристаликів дифеніламіну або бруцину, а потім обережно на стінку пробірки нашаровують декілька крапель концентрованої сірчаної кислоти. За наявності у воді нітратів розвивається синє (при додаванні дифеніламіну) або рожеве (при додаванні бруцину) забарвлення, яке змінюється на жовте.
Унаслідок реакції нітратів із фенолдисульфоновою кислотою в лужному середовищі утворюється пікрат амонію, що надає розчинові жовтого забарвлення. Для визначення азоту нітратів 10 мл води випарюють у фарфоровій чашці насухо на піщаній бані. Паралельно в другу чашку наливають 10 мл стандартного розчину, який містить в 1 мл 0,1 мг азоту нітратів, і також випарюють. Після охолодження до залишку в обох чашках додають 2 мл розчину фенолдисульфонової кислоти і ретельно розтирають скляною паличкою до повного розчинення залишку, після чого доливають по 20 мл дистильованої води і 5-6 мл концентрованого розчину аміаку.
Забарвлений розчин із фарфорових чашок переливають у циліндри Геннера, чашки двічі-тричі ополіскують дистильованою водою, яку заливають у ці ж циліндри, а потім об’єм рідини в циліндрах доводять дистильованою водою до 100 мл.
Для визначення кількості нітратів у воді випускають розчин із циліндра з більш інтенсивним забарвленням, досягаючи зрівнювання забарвлення розчинів у обох циліндрах. Колориметрування розчину здійснюють зверху, в прохідному світлі, на білому тлі.
Кількість нітратів (мг/л) у воді визначають за формулою 6:
Н2 ×10 × 0,1 × 1000
А = ————————— ; (6)
Н1 × 10″
де 0,1 – вміст азоту нітратів у 1 мл стандартного розчину, мг/мл;
10 – кількість стандартного розчину азоту нітратів, мл;
10″ – кількість досліджуваної води, мл;
Н1 – висота стовпчика досліджуваної води, см;
Н2 – висота стовпчика стандартного розчину, см.
При підвищеному вмісті у воді хлоридів (понад 10 мг/л), які заважають визначенню, у воду додають 0,44% розчин сірчанокислого срібла. При високій колірності води (понад 25°) воду освітлюють шляхом коагуляції.
Вміст нітратів у питній воді не повинен перевищувати 45,0 мг/л (Держстандарт 2874-82).
Література
1. Болин Б. Круговорот углерода. /Биосфера. – М.:Мир, 1972.-С. 91-104.
2. Бондарев Л.Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосфере. // Природа.,1981, № 3, С.86-90.
3. Войткевич Г.В. Бактерии и состав атмосферы. – М.: Издательство МГУ, 1984, 272с.
4. Гаррелс Р.М. Круговорот углерода, кислорода и серы в течении геологического времени. – М.: Наука, 1975 – 48с.
5. Делвич К. Круговорот азота. /Биосфера. – М.:Мир, 1972.-С. 105-119.
6. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учебн. пособие для геогр., биол., геолог., с-х спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1998. –413с.
7. Добродеев О.П., Суетова И.А. Живое вещество Земли. М.: Издательство МГУ, 1986.
8. Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. – М.: Наука, 1984.- 199с.
9. Ковальский В.В. Геохимическая экология. – М.: Наука, 1974.- 289с.
10. Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их нарушение человеком. /Биогеохимические циклы в биосфере. – М.: Наука, 1976. – С.19-35.
11. Лейн А.Ю., Иванов М.В. Глобальные биогеохимические циклы элементов и влияние на них деятельности человека. //Геохимия. 1976, № 8, С.1252-1277.
12. Френд Дж.П. Циклы серы в природе. //Химия нижней атмосферы. //Под ред. С.Расула.- М.: Мир, 1976. –С. 223-251.
13. zacon. rada.gov.ua документ, редакцiя вiд 06.06.2002
14. Ukrlegal.com www.yur–info.org.ua
15. Постанова кабінету міністрів “ Порядок встановлення нормативів збору за забруднення навколишнього природного середовища і стягнення цього збору” від 1березня 1999 року №-303
16. Постанова кабінету міністрів “ За понадмірні обсяги викидів збір обчислення і сплачування в 5 розмірі” від 3 серпня 1998 року №-1218
17. Апостолюк С.О. Джигерей В.С. // Промислова екологія –
18. Київ “Знання” – 2005
19. Некос // Нормування антропогенного навантаження – Київ ”Знання” – 2005
