Республика Башкортостан

1.

Башкирский
государственный
университет
Кафедра физической химии и
химической экологии
Зимин Юрий Степанович, д.х.н., проф.

2.

Республика Башкортостан
Площадь – 143,6 тыс. км2
Проживает 4 038 тыс. чел.
(2020 г.)
В Республике Башкортостан
54 административных района,
21 город, 40 поселков
городского типа,
4674 сёл и деревень.
Наиболее крупные города –
Уфа, Стерлитамак, Салават.

3.

Республика Башкортостан
Республика Башкортостан является одним из
развитых промышленных регионов Российской
Федерации. По объему промышленного производства
наша республика занимает сегодня 5-е место среди
всех субъектов Российской Федерации.
Республика Башкортостан занимает одно из
ведущих мест по концентрации экологически опасных
производств в Европе. Это касается в первую очередь
предприятий нефтеперерабатывающей и химической
отраслей промышленности.
Не зря говорят, что
«Республика Башкортостан – республика
нефтепереработки, нефтехимии и химии».

4.

Перечислим основные предприятия этих
отраслей промышленности
1)
«Башнефть – Уфанефтехим»
2)
3)
«Башнефть – Уфимский НПЗ»
«Башнефть – Новойл»
4)
5)
ПАО «Уфаоргсинтез»
АО «Башкирская содовая компания»
6)
7)
ОАО «Синтез – Каучук»
ОАО «Газпром нефтехим Салават»
8)
9)
ОАО «Туймазытехуглерод»
ООО «Туймазинское газоперерабатывающее
г. Уфа
г. Стерлитамак
г. Салават
г. Туймазы
предприятие»
10) Благовещенская площадка АО «Полиэф»
11) ООО «Ишимбайский специализированный
химический завод катализаторов»
12) АО «Мелеузовские минеральные удобрения»
г. Благовещенск
г. Ишимбай
г. Мелеуз

5.

Республика Башкортостан
(данные 2018 г.)
1) Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу
составили 884.7 тыс. т, в том числе:
– стационарные источники – 455.4 тыс. т (51.5 %),
– передвижные источники – 429.3 тыс. т. (48.5 %).
2) Общий объем сброшенных сточных вод составил
500 млн. м3, из них более 90 % сброшено в поверхностные водные объекты. Более половины (51 %)
всех стоков являются недостаточно очищенными.
3) Общий объем накопленных на территории нашей
республики отходов превысил 2 млрд. т, из которых более 100 млн. т – токсичные.
( 500 т отходов в расчете на
каждого жителя РБ)

6.

Окружающая среда как система
Основными компонентами природной среды
являются литосфера, гидросфера и атмосфера.
Литосфера – внешняя твердая оболочка
Земли, состоящая из двух слоев: верхнего,
образованного осадочными породами, и нижнего
– базальтового.
Гидросфера – водная часть нашей планеты,
которая составляет 71 % ее поверхности. Это все
океаны и моря, а также реки, озера и
водохранилища.
Атмосфера
планеты.
–
воздушная
оболочка
нашей

7.

Строение атмосферы
Атмосфера делится на
следующие сферы:
Тропосфера
Стратосфера
Мезосфера
Термосфера (ионосфера) – до 700-800 км
• Экзосфера – до 2000 км
В основе этого деления
лежит характер изменения с
высотой температуры
воздуха, которая является
индикатором процессов,
протекающих в разных
слоях атмосферы

8.

Биосфера
Биосфера – внешняя оболочка
населенная живыми организмами.
земного
шара,
D = 13 тыс. км
D
Мертвая
часть
планеты
l
l 40 50 км
Биосфера – тонкая пленка, подобная кожице на большом яблоке.
Биосфера включает в себя:
– нижний слой атмосферы (25 35 км, до озонового слоя);
– на суше – вглубь до 3 км, где расположены нефтегазоносные воды с бактериальным населением;
– в океане – до глубин 10 11 км (Марианская впадина на западе
Тихого океана: по замерам 2020 года ее глубина составляет 10 028 м,
по замерам 2011 года – 10 994 м).

9.

Распределение
организмов в
биосфере (слева
шкала – в метрах):
1 – озоновый слой;
2 – граница снегов;
3 – почва;
4 – животные, обитающие в пещерах;
5 – бактерии.

10.

Биосфера
Автором термина «биосфера» является
австрийский геолог и палеонтолог Эдуард Зюсс (1875 г.),
однако учение о биосфере было создано русским
ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1926 г.).
Определение В.И. Вернадского:
Биосфера – не просто совокупность всего
составляющего – живого и неживого, а
термодинамическое пространство, в котором
сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное
взаимодействие живого с неорганическим
составляющим.

11.

Функции биосферы
1. Наработка и накопление свободной энергии.
2. Фиксация подвижных элементов на поверхности
земной коры.
3. Регулирование циклов воды (и циклов различных
элементов) на Земле.
4. Стабилизация погоды.
5. Поддержание современного состава атмосферы.
6. Преобразование трупов различных организмов с
выделением биогенных веществ.
7. Обеспечение процессов самоочищения атмосферы,
воды и почвы.
8. Участие в формировании почв и др.

12.

Экологическая система
Экосистема – одно из важнейших понятий экологии.
Согласно Федеральному закону № 7-ФЗ от 10.01.2002 г.:
Экосистема – объективно существующая часть
природной среды, которая имеет пространственно-территориальные границы и в которой
живые (растения, животные и другие организмы) и
неживые ее элементы взаимодействуют как единое
функциональное целое и связаны между собой
обменом веществом и энергией.
Примеры экосистем: лес, озеро, болото, город, космический корабль.

13.

Экосистемы
От греч.:
антропос – человек,
генезис - происхождение
Природные
(естественные)
Антропогенные
(искусственные)
Город
Наземные (леса,
степи, пустыни)
Космический корабль
Водные (болота, озера,
пруды, реки, моря)
Лесной массив,
созданный человеком
Экосистемы
Богатые
(тропические леса, долины
рек, коралловые рифы)
Бедные
(пустыни, северные тундры,
загрязненные водоемы)

14.

Трофическая структура природных экосистем
(от греч.: трофа – питание)
1. Продуценты – первичные накопители солнечной
энергии. Это автотрофные организмы (зеленые
растения и водоросли), синтезирующие органические
вещества из неорганических:
h
6 СО2 + 6 Н2О → С6Н12О6 + 6 О2↑
О
nС
О
+ nО
Н
Н
h
Н
OН
+ n О2 ↑
-С–COН Н
Зеленые растения и водоросли
продуцируют пищу для остальных
организмов экосистемы
n
2
Продуценты

15.

Трофическая структура природных экосистем
2. Консументы – организмы, питающиеся продуцентами и лишенные способности к прямой фиксации
солнечной энергии.
Консуме́нты (от лат. consume – употреблять) – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое
вещество продуцентов или других консументов и
трансформирующие его в новые формы.
Это различные животные:
фитофаги – растительноядные,
зоофаги – плотоядные.
3. Редуценты (от лат. reduco — «возвращаю, восстанавливаю») – организмы (в основном бактерии и
грибы), разрушающие отмершие останки живых
существ, превращая их в неорганические и
простейшие органические соединения.

16.

17.

Передача энергии в экосистеме
Биогенные
вещества
(NH3, CO2,
H2O)
Продуценты
(0.05-2.0%,
чаще 1%)
Правило 10%
Линдемана:
Фитофаги (0.1%)
Зоофаги – I (0.01%)
Зоофаги – II (0.001%)
Редуценты
(0.0001%)
Консументы
Энергия, поступающая
в экосистему, теряется
при переходе с одного
уровня (подуровня) на
другой, причем потери
составляют 90%.

18.

Пищевые цепи
Цепи, по которым передается энергия, называются пищевыми.
Примеры
пищевых
цепей

19.

Пищевые сети
Поскольку
травоядные
животные
питаются разными видами растений, а
хищники
могут
использовать
для
пропитания разные жертвы, то четко
отлаженных (постоянно действующих)
пищевых цепей в природной среде
практически не существует.
Поэтому принято говорить, что в
природе существуют
пищевые сети,
т. е. все перепутано – кто кого ест, не
всегда понятно, но все кого-то едят.

20.

Принципы функционирования экосистем
Мы рассмотрели, как четко взаимодействуют друг
с другом продуценты, консументы и редуценты,
поглощая и выделяя различные вещества. Органика
и кислород, образуемые продуцентами – как раз то,
что нужно консументам и редуцентам для питания и
дыхания. В то же время, выделяемые консументами
и редуцентами СО2 и минеральные вещества – те
биогены, которые нужны растениям – продуцентам.
!
Отсюда вытекает 1-й основной принцип функционирования экосистем – круговорот элементов и
веществ.
Круговоротов (или биогеохимических циклов), которые осуществляются в природе, много. Рассмотрим важнейшие круговороты.

21.

Круговорот воды
Воды на нашей
планете много:
29%29%
Вода
Вода
Вода
Суша
Суша
Суша
71%71%
Однако:
97.2% – вода соленая (вода морей и океанов);
2.8% – вода пресная:
3/4 – вода, «законсервированная» в ледниках
(резерв пресной воды),
1/4 – вода рек, озер, водохранилищ, а также
живых организмов.

22.

Круговорот воды
Каждую минуту с поверхности Земли испаряется 1 млрд. т воды!
Если учесть, что на образование 1 г водяного пара затрачивается 400 Дж
энергии, то в целом на процессы испарения тратится огромная энергия!
Считается, что 1/3 поступающей на нашу планету солнечной энергии
идет на реализацию циклов воды!

23.

Круговорот воды
Цикл воды в биосфере до развития человеческой
цивилизации (вплоть до конца XIX столетия) был более или
менее равновесным: океан получал от рек столько воды,
сколько расходовал ее при испарении.
С развитием цивилизации этот цикл стал нарушаться:
• Полив сельскохозяйственных культур
парения с поверхности суши.
• Осушение болот
увеличение ис-
уменьшение испарения.
• Загрязнение океана (нефтяная пленка)
испарения с поверхности океана.
уменьшение
Все это приводит к тому, что нарушается водоснабжение
биосферы
более частыми становятся различные природные катаклизмы (смерчи, ураганы, бури, засухи, наводнения), возникают очаги экологических бедствий!
Океан пока справляется (буфер)! Но – есть проблемы!

24.

В настоящее время есть проблема нарушения цикла углерода,
следствием которого является Парниковый эффект!

25.

Круговорот кислорода
Сжигание
топлива
В настоящее время есть проблемы локальных нарушений цикла
кислорода! Пример – проблемы сталеплавильного комплекса
Нижнетагильского металлургического комбината.

26.

Круговорот азота
один из самых важных для жизнедеятельности организмов
(азот входит в состав белка, нуклеиновых кислот)
(78%)
Кат.,
500 С,
300 атм
В бактериях
содержится
нитрогеназная
ферментная
система,
катализирующая восстановление N2 в NH3:
N2 + 6Н+ + 6е–
2NH3
Денитрификация – главная причина потерь азота в земледелии, когда из
вносимых человеком удобрений 50% (половина!) связанного азота
просто-напросто улетучивается!

27.

Круговорот фосфора
1%
3+
3+
3+
Главный резервуар фосфора (в отличие от азота) – горные породы,
содержащие руды фосфорных удобрений.
Цикл фосфора считают открытым (в отличие от других циклов)!

28.

Завершая разговор о биогеохимических циклах,
подчеркнем ряд особо важных моментов:
1. Все циклы в природе взаимосвязаны, вычленение цикла
отдельного элемента возможно лишь умозрительно.
2. Круговорот совершает не сам по себе элемент как простое
вещество, а атомы его в составе разнообразных соединений, уходя из одних и переходя в другие.
З. В ходе биогеохимических циклов атомы большинства элементов проходили и проходят в настоящее время громадное
число раз через живое вещество. Так, например, СО2 атмосферы «оборачивается» через живые организмы Земли за
200-300 лет, а вся биосферная вода – за 2 млн. лет.
4. Циклы элементов в биосфере не являются полностью замкнутыми. Определенная доля вещества (правда, сравнительно небольшая) выходит из активного биосферного цикла. За счет этого в атмосфере накопились азот и кислород, а
в ископаемых отложениях – углерод в форме угля и нефти.

29.

5. Глобальная хозяйственная деятельность человечества
приводит к существенным нарушениям естественных
циклов многих элементов.
6. Циклы некоторых элементов (углерода, кислорода, азота,
фосфора и др.) являются ключевыми для живой природы и
биосферы в целом. Однако не следует пренебрегать значением круговоротов и других элементов, в том числе и
второстепенных (никеля, селена и др.).
7. Наличие биогеохимических циклов элементов на Земле –
главное условие существования жизни, а также устойчивости биосферы.
8. Биогеохимические циклы элементов существуют
благодаря непрерывному потоку энергии от Солнца.
Поэтому 2-й основной
принцип функционирования
! экосистем – постоянный приток солнечной энергии.

30.

Видовое разнообразие
Итак, каждая экосистема – это динамичная структура
из сотен и даже тысяч видов продуцентов, консументов
и редуцентов, которых связывают пищевые цепи
(сети). Экосистема поддерживает свое существование
за счет круговорота элементов и веществ и постоянного
притока солнечной энергии.
Но почему фитофаги не уничтожают все растения?
Что препятствует хищникам истребить все жертвы?
Почему один вид не может вытеснить все остальные
путем конкуренции?
Короче: За счет чего поддерживается стабильность
экосистем?

31.

Причина, позволяющая экосистемам длительное
время сохранять постоянный видовой состав,
заключается в том, что отношения между всеми их
компонентами находятся в динамическом равновесии.
Стабильность экосистем в течение длительного
времени предполагает, что и популяция каждого
входящего в нее вида остается более или менее
неизменной.
Стабильность популяции означает, что рождаемость
в ней уравновешивается смертностью.
Как это происходит?

32.

Увеличение численности
популяции
Рождаемость
Наличие пищи
Наличие воды
Благоприятные погодные
условия
• Наличие подходящих мест
обитания
• Способность к захвату
новых мест обитания
• Отсутствие хищников,
паразитов и т. д.
Уменьшение численности
популяции
Совокупность всех факторов, способствующих
увеличению численности
популяции, называют
биотическим потенциалом.
Совокупность всех факторов, снижающих численность популяции, называют
сопротивлением среды.
Смертность
Нехватка пищи
Нехватка воды
Неблагоприятные
погодные условия
• Отсутствие подходящих
мест обитания
• Отсутствие способности к
захвату новых мест
обитания
• Присутствие хищников,
паразитов и т. д.

33.

Если все перечисленные
факторы окажутся
благоприятными
ПОПУЛЯЦИОННЫЙ
ВЗРЫВ
Численность
популяции
Редко!
Часто!
Время
В естественных условиях популяционный взрыв наблюдается
крайне редко, т. к. вероятность того, что все условия окажутся
для популяции благоприятными, очень низка.
Обычно один или несколько абиотических (неоптимальная
температура, кислотность, влажность) и/или биотических факторов (присутствие хищников, паразитов, нехватка пищи) становятся лимитирующими.
В конечном итоге популяция достигнет некоторого равновесного состояния, которое будет определяться соотношением
факторов, увеличивающих или уменьшающих ее численность.

34.

Механизмы популяционного равновесия
1) Равновесие в системе «хищник – жертва»
Численность
популяции
Зайцы
Рыси
Годы
2) Равновесие в системе «паразит – хозяин»
(механизм аналогичен)
3) Равновесие в системе «животное – растение»
(Ю. Африка, «антилопа Куду – акация»)

35.

4) Приспособление к местам обитания и
экологическим нишам
Место обитания – это место, где живет организм
(лес, луг, болото).
Экологическая ниша – пространственно-временное
положение организма в рамках экосистемы (где, когда
и чем он питается, где устраивает гнездо и т. д.).
На первый взгляд кажется, что живые организмы
должны конкурировать друг с другом за пищу и
убежище. Конкуренция, конечно же, имеет место, но
значительно реже, т. к. организмы занимают разные
экологические ниши.

36.

Примеры:
1) Воробьи, голуби добывают пищу у поверхности земли
Ласточки, стрижи ловят насекомых в воздухе
Дятлы питаются личинками насекомых из стволов
деревьев
Разделены
в пространстве
2) Птицы-мухоловки (ласточки, стрижи) и летучие мыши
питаются летающими насекомыми, но первые – днем,
вторые – ночью.
Разделены
во времени
3) Жираф легко поедает листья с верхушек деревьев, не
мешая другим травоядным животным.
Разделены
в пространстве
У каждого вида своя
экологическая ниша
Конкуренция сведена
к минимуму!
Концепция экологической ниши применима и к растительному миру
(в лесу сосуществуют солнцелюбивые и теневыносливые деревья).
!
Стабильность экосистем обеспечивает видовое
разнообразие – это 3-й основной принцип
функционирования экосистем.

37.

ОБЩЕЕ РЕЗЮМЕ:
Основными принципами функционирования и
устойчивости экосистем являются:
1) Круговорот элементов и веществ.
2) Постоянный приток солнечной энергии.
3) Видовое разнообразие.
Устойчивость отдельных экосистем
обеспечивает устойчивость биосферы в целом!
К сожалению, все перечисленные выше принципы
находятся сегодня под серьезной негативной
угрозой со стороны человека (!). Таким образом,
под угрозой оказывается устойчивость экосистем
и биосферы в целом!

38.

Динамика экосистем
(важный вопрос)
Экосистемы – структуры в высшей степени
динамичные, причем одна экосистема может
одновременно меняться под влиянием разных
причин – внутренних и внешних, действующих
периодически или постоянно.
Различают следующие основные формы
динамики экосистем:
1) Циклические (обратимые) изменения;
2) Экологические сукцессии;
3) Экологические нарушения;
4) Гибель.

39.

1) Циклические изменения
Циклические изменения – это изменения
экосистемы под действием внешних
факторов.
При таких изменениях видовой состав
экосистем сохраняется, экосистема лишь
подстраивается под изменения внешних
факторов. Эти изменения обратимы.
Существуют:
суточные изменения;
сезонные изменения;
разногодичные изменения.

40.

2) Экологические сукцессии
Сукцессиями называются постепенные векторизованные изменения экосистем, при которых меняется их
видовой состав, количественное соотношение между
видами, характер циклов воды и элементов питания,
структура запаса различных элементов.
Сукцессии
автогенные
– это изменения под действием
внутренних причин;
это саморазвитие экосистем
первичные
(зарастание скал,
зарастание озера)
вторичные
(восстановление
леса после пожара)
аллогенные
– это изменения под действием
внешних факторов;
это деградация экосистем
(влияние зеркально авт. сукц.)
(воздействие радиации
на экосистему, перевыпас)
Как только прекратится действие внешнего фактора, экосистема начинает развиваться по автогенной сукцессии!

41.

При сукцессиях изменения происходят медленно и постепенно – это более или менее упорядоченный процесс замещения одних видов другими, на всех стадиях которого
экосистема достаточно сбалансирована и разнообразна.
3) Экологические нарушения
Экологические нарушения – это внезапные резкие
изменения, вызывающие популяционный взрыв некоторых видов за счет гибели большинства других.
Примеры:
Преднамеренное вселение (интродукция) видов
человеком (Австралия – 1859 г., кролики; конец 20 столетия, кошки)
Сброс богатых биогенами сточных вод
некоторых водорослей.
бурный рост
Закономерности здесь предельно просты:
чем слабее нарушение, тем легче после него
может восстановиться экосистема!

42.

4) Гибель
Гибель – это такое резкое изменение
экосистемы, что практически ни один ее
исходный компонент не сохраняется.
Гибель может быть вызвана загрязнением
экосистемы токсичными отходами, другой
человеческой деятельностью.
Формы динамики экосистем
Природные (естеств.)
1) Циклические изменения
2) Автогенные сукцессии
Антропогенные (искусств.)
1) Аллогенные сукцессии
2) Экологические нарушения
3) Гибель

43.

Экологическое равновесие
Следует отметить, что все самоорганизованные экосистемы изменяются в строго определенном направлении –
направлении достижения экологического равновесия.
Экологическое равновесие –
поддерживаются постоянными
ганизмов и продуктивность, и
ротах сбалансированы циклы
воды, кислорода и углерода.
состояние, при котором
состав слагающих ее орв биологических круговоминеральных элементов,
Если постепенно изменяются условия среды, то экологическое равновесие может также постепенно измениться в
направлении нового состояния экологического равновесия.
Если на экосистему подействовал разрушительный фактор, то в соответствии с принципом Ле-Шателье экосистема
может восстановиться.

44.

Варианты взаимоотношений человека и
экологически равновесных экосистем
1) Человек не вмешивается в существование равновесных
экосистем. Это – охраняемые территории (заповедники,
национальные парки, памятники природы), незаселенные, далекие от человека, участки местности и т. д.
2) Человек использует естественные экосистемы, но так,
чтобы не разрушить их способности к самовосстановлению (лесное хозяйство, охота, рыбный промысел и
т. д.).
3) Человек конструирует экологически равновесные экосистемы (например, сельхозэкосистемы), когда за счет
экологически оправданной системы земледелия человек
как бы имитирует природные экосистемы.
4) Человек создает заведомо неравновесные экосистемы
(города, промышленные предприятия, угольные карьеры и т. д.), защищая от них порой природные и сельскохозяйственные экосистемы с помощью, например,
санитарно-защитных зон.

45.

«Законы» рационального
природопользования
(аллегорические)
Сформулированы в начале 70-х годов
прошлого столетия американским экологом
Барри Коммонером:
1) Все связано со всем
2) Все надо куда-то девать
3) За все надо платить
4) Природа знает лучше

46.

Спасибо за внимание!