Задача № 4

Понятие «экологическая система» (биоценоз). Элементы экосистемы, их взаимосвязь и взаимодействие.

Ответ.  Термин «экосистема» (от греч. oikos — жи­лище, местопребывание и система) истолковывают неоднозначно. Так, Л. О. Карпачевский (1983) этим термином обозначал разнообраз­ные природные объекты, представляющие собой те или иные фор­мы взаимосвязи живого организма со средой своего обитания. Эко­логическими он называет такие биологические системы, как, напри­мер, дерево с растущими на нем лишайниками, клещ, впившийся в кожу животного, и другие подобные сожительства организмов. Микроб или паразит (микроорганизм) во взаимосвязи с растением или животным (макроорганизмом) — это экосистема биогенная, т. е. порожденная живыми организмами. Наряду с этим существуют биокосные системы, в которых средой обитания для организмов служит неживой субстрат органического или неорганического про­исхождения. Примеры таких экологических систем: личинки жука-могильщика на теле умершего животного, микроорганизмы в капле воды и т. д.[1]

Простые экологические системы объединяются в более слож­ные. Так, система бактерии — личинки овода — может входить в систему более высокого уровня — надсистему личинки овода — корова, а корова, в свою очередь, — составной компонент систем­ного образования еще более высокого ранга — луга (пастбища). Биокосные системы могут быть самыми разнообразными. Они от­личаются по составу биоты, величине (объему) и т.д. Биокосные системы — лесной колок, озеро, тайга (таежный ландшафт), море. Биосфера, представляющая собой совокупность всех организмов, населяющих нашу планету, со средой своего обитания, — это тоже биокосная система.

Большинство современных авторов под экологической систе­мой понимают сообщество взаимосвязанных организмов разных видов (биоценоз) со средой своего обитания (неживой, косной при­родой). Организмы и окружающая их среда объединены в одно фун­кциональное целое из-за взаимозависимости и причинно-след­ственных связей между живой и неживой природой. Размер эколо­гической системы трудно определить в физических мерах измене­ния (длины, площади, объема). Экосистему можно оценить лишь мерой, учитывающей процессы саморегуляции и самовосстановле­ния составляющих ее средообразующих компонентов.

В современном понимании биогеоценоз (БГЦ) — эволюционно сложившаяся, относительно пространственно ограниченная, внутренне однородная природная система функционально взаи­мосвязанных живых организмов и окружающей их косной среды. БГЦ характеризуется определенным энергетическим со­стоянием, типом и скоростью обмена веществом и информацией (Реймерс). Биогеоценоз — это элементарная биохорологическая единица биосферы — глобальной экологической системы. Сово­купности однотипных БГЦ образуют ландшафты (регионы био­сферы). Так, таежные БГЦ формируют таежный ландшафт, степ­ные БГЦ — степной ландшафт и т. д.

БИОЦЕНОЗ (от био... и греч. koinos — общий), совокупность растений, живот­ных, микроорганизмов, населяющих участок суши пли водоёма и характери­зующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами среды.

Термин «Биоценоз» был предложен нем био­логом К. Мёбиусом (1877). Биоценоз — комплекс организмов биогеоценоза, формирующий­ся в результате борьбы за существование, естественного отбора и других факто­ров эволюции. По участию в биогенном круговороте веществ в биоценозе различают три группы организмов.

1.                 Продуценты (производители) — автотрофные орга­низмы, создающие органические вещества из неорганических; основные продуценты во всех биоценозах — зелёные растения. Деятельность продуцентов определяет исходное накопление органических веществ в биоценозе.

2.                 Консументы (потребите­ли)— гетеротрофные организмы, питаю­щиеся за счёт автотрофных.

·                    Консументы 1-го порядка — растительноядные живот­ные, а также паразитические бактерии, грибы и др. бесхлорофнльные растения, раз­вивающиеся за счёт живых растений.

·                    Консументы 2-го порядка — хищники и паразиты растительноядных организмов.

·                    Бывают консументы 3-го и 4-го порядков (сверхпаразиты, суперпаразиты и т. п.), но всего в цепях питания более 5 зве­ньев.

На каждом последующем трофическом уровне кол-во биомассы резко снижается. Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в биоценозе, частичной их минерализа­ции, а также рассеянию энергии, накоп­ленной продуцентами,

3.               Редуценты (восстановители) — животные, питающие­ся разлагающимися остатками организ­мов (сапрофаги), и особенно непаразити­рующие гетеротрофные микроорганиз­мы — способствуют минерализации орга­нических веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние.

Взаимосвязи организмов в Б. многооб­разны. Кроме трофических связей, определяющих цепи питания, существуют связи, основанные на том, что одни организмы становятся субстра­том для других (топические связи), соз­дают необходимый микроклимат и т. п. Часто можно проследить в биоценозе группы ви­дов, связанные с определённым видом и целиком, зависящие от последнего (консорции).[2]

Для биоценоза характерно разделение на более мелкие подчинённые единицы — мероценозы, т. е. закономерно слагающие­ся комплексы, зависящие от биоценоза в целом (напр., комплекс обитателей гниющих дубовых пней в дубраве). Если энергетическим источником биоценоза служат не автотрофы, а животные (напр., летучие мыши в биоценозе пещер), то такие биоценозы зависят от притока энергии извне и являются неполно­ценными, представляя в сущности мероценозы. В биоценозе можно выделить и др. подчинённые группировки организмов, например, синузии. Для биоценоза также характерно разделение на группировки организмов по вертикали (ярусы биоценоза). В годовом цикле в биоценозе изменяются численность, стадии развития и активность отдельных видов, создаются закономерные сезонны е аспекты биоценоза.

Биоценоз — диалектически развивающееся единство, меняющееся в результате дея­тельности входящих в него компонен­тов, вследствие чего происходят законо­мерные изменение и смена биоценоза (сукцессии), которые могут приводить к восстановлению резко нарушенных биоценоза (напр., леса после пожара и т. п.). Различают насы­щенные и ненасыщенные биоценозы В насыщенном биоценозе все экологические ниши заняты и вселение нового вида невозможно без уничтожения или последующего вытес­нения к.-л. компонента биоценоза. Ненасыщенные биоценоза характеризуются возможностью все­ления в них новых видов без уничтоже­ния других компонентов. Можно различать первичные биоценозы, сложившиеся без воздействия человека (целинная степь, девственный лес), и вторичные, изменённые деятельностью человека (леса, выросшие на месте сведённых, на­селение водохранилищ). Особую катего­рию представляют агробиоценозы, где комплексы основных компонентов биоценоза созна­тельно регулируются человеком. Между первичными биоценозом и агробиоценозамн имеет­ся вся гамма переходов. Изучение биоценоза важно для рационального освоения зе­мель и водных пространств, т. к. толь­ко правильное понимание регулятивных процессов в биоценозе позволяет человеку изы­мать часть продукции биоценоза без его наруше­ния и уничтожения.[3]

Задача № 29

Рассчитать допустимую концентрацию загрязняющих веществ в стоках предприятия при сбросе их в открытый водоем.

Определить эффективность очистки по каждому загрязняющему веществу.

Исходные данные:

Решение. Распределяем загрязняющие вещества стоков по группам лимитирующего показателя вредности для водоема рыбохозяйственной категории:

1) токсикологическая - Pb²⁺;

2) санитарно-токсикологическая - NH₄⁺, SO₄^2-;

3) рыбохозяйственная – нефтепродукты (НП), фенолы, взвешенные вещества (ВВ);

4) органолептическая – отсутствует.

Определим ПДК каждого из этих веществ в речной воде. ПДК (мг/л): Pb²⁺ (0,1); NH₄⁺ (0,5), SO₄^2- (100,0), НП (0,05), фенолы (0,001), ВВ (С_ф + 0,75 = 30,0 + 0,75 = 30,75).

Рассчитаем  ориентировочную   допустимую   концентрацию (С_{ор i}),  мг/л, загрязняющих веществ в стоках без учета их совместного влияния в водоеме по формуле:

,

где: γ - коэффициент смешения сточной и речной воды; Q - средний расход воды в реке, м³/с; q - расход сточных вод предприятия, м³/с; ПДК_i – предельно допустимая концентрация рассматриваемого компонента в речной воде данной категории, мг/л; С_{ф i} - фоновая концентрация компонента, мг/л.

;

;

;

;

;

.

Учитывая, что в санитарно-токсикологическую и рыбохозяйственную группу веществ входят по несколько ингредиентов, рассчитываем ожидаемую концентрацию (С_{ожид i}), мг/л, каждого из загрязняющих веществ в створе реки по формуле

При расчете С_{ожид i} учитываем, что эта величина не должна превышать ПДК_i.

Санитарно-токсикологическая группа:

;

.

Рыбохозяйственная группа:

;

;

.

Проведем проверку по каждой группе веществ на соответствие нормам по формуле

Санитарно-токсикологическая группа:

;   .

Так как суммарная величина больше единицы, снижаем С_ожид каждого компонента в 2 раза:

.

Рыбохозяйственная группа:

;

.

Снижаем концентрацию компонентов примерно в 3 раза:

.

Определим допустимую концентрацию (С_{доп i}), мг/л, загрязняющих веществ в стоках после очистки с учетом совместного влияния веществ в каждой группе лимитирующего показателя вредности по формуле

Токсикологическая группа: .

Санитарно-токсикологическая группа:

;

.

Рыбохозяйственная группа:

;

;

.

Определим эффективность работы очистного оборудования (Э_i), %, по каждому виду загрязнений по формуле

,

где: С_{факт i} - концентрация загрязняющего вещества в сточной воде предприятия до очистных сооружений, мг/л.

;

;

;

;

;

.

Задача № 72

Рассчитать предотвращенный экономический ущерб в результате работы биоочистных сооружений предприятия в одном из регионов России, при условии, что биоочистные системы (поля орошения) работают при температуре ≥ + 10⁰ С.

Исходные данные:

Решение. Рассчитаем фактическую массу каждого загрязнителя (m_i), мг/л или г/м³, по формуле

,

где: С_{н i} и С_{к i} – начальная и конечная концентрация i-го загрязнителя в сточных водах до и после биоочистки, мг/л.

;

;

;

;

Определим степень токсичности (А_i) каждого загрязнителя в стоках по формуле

;

;

;

;

Определим приведенную массу годового сброса загрязнителей, г/м³:

Рассчитаем предотвращенный экономический ущерб (Э_γ) по формуле

,

где: k – константа, равная 1440 р/усл т; р – константа региона России (для Краснодарского края равна 2,73); V – объем очистных сточных вод, м³/год.

V м³/год = V м³/сут · 365 = 1250 · 365 = 456250.

р/год

Задача № 79

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

Исходные данные:

Решение. Рассчитаем ПДВ_i по формуле

,

где: ПДК_{мр i} – максимально-разовая предельно допустимая концентрация i-го компонента, мг/м³; С_{ф i} – фоновая концентрация i-го компонента, мг/м³; (ПДК_{мр i} - С_{ф i}) – максимальная приземная концентрация данного загрязняющего вещества при выбросе нагретой газовоздушной смеси из исследуемого источника, мг/м³; Н – высота выброса над уровнем земли, м; ΔТ – разность между температурой, выбрасываемой газовоздушной смеси и температурой окружающей среды, ⁰С; А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания атмосферных примесей (для территории Дальнего Востока и Сибири А = 200); F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере (для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей F = 1, для крупнодисперсной пыли и золы при полном отсутствии очистки – 3); m, n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

мг/м³;

мг/м³.

Объем газовоздушной смеси продуктов сгорания (V), м³/с, рассчитаем по формуле

,

где: Q – расход топлива, т/год; V₀ – расход воздуха, необходимого для сгорания 1 кг или 1 м³ топлива (для мазута V₀ = 8,4 м³/кг); τ – время работы установки, с/год.

Скорость выхода газовоздушной смеси (W₀), м/с, рассчитаем по формуле

,

где: D – диаметр устья трубы, м.

.

С.

Коэффициенты f, m рассчитываем по формулам

; 

;

.

Величины V_m и n определяем по формуле

.

При V_m < 0,3 n = 3.

г/с;

 г/с.

Фактический выброс (m_i), г/с, определим по формуле

,

где: С_{max i} – максимальная концентрация загрязняющего вещества на выходе из источника, мг/м³.

;

.

Так как фактический выброс циклогексана и сажи больше предельно допустимого, необходимо установить улавливающее оборудование.

Плату за годовой выброс (П), р/год, рассчитаем по формулам

,

где: П₁ – плата за выброс в пределах ПДВ; С_i – ставка платы, р; m_i - фактический выброс данного загрязняющего компонента, г/с (если m_i > ПДК_i то подставляют значение ПДК_i); τ – время работы источника загрязнения в течении 1 года, с.

,

где: П₂ - плата за сверхлимитные выбросы; С_i – ставка платы за сверхлимитные выбросы, р.

Ставки платы определяется по формулам

; ,

где: Н_i и _i – базовый норматив платы за выброс 1 т загрязняющего вещества в пределах допустимых выбросов и при сверхлимитных выбросах соответственно, р; К – коэффициент экологической ситуации данного региона по атмосферному воздуху (для Дальнего Востока при выбросах в пределах допустимых К = 1,0, при сверхлимитных выбросах К = 0,8).

р;  р; 

р;  р. 

;

р/год.