Текст книги "Основы экологии и рационального природопользования: учебное пособие"

Глава 4
Вода в природе. Водная среда обитания

Распределение воды в гидросфере: виды, формы, запасы воды; вода как компонент внутренней среды организмов и свойства воды как среды обитания; круговорот воды и использование ее человеком; загрязнение водоемов и пути охраны водных ресурсов

Виды, формы, запасы воды. Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле. Ее мировые запасы составляют жидкая (соленая и пресная), твердая (пресная) и газообразная (пресная) вода. Все воды Земли образуют гидросферу, площадь которой занимает 70 % всей поверхности Земли. В состав гидросферы входят: Мировой океан, подземные воды, ледники, озера, почвенная влага, пары атмосферы, речные воды. Наибольшие запасы соленой воды сосредоточены в Мировом океане, пресной – в ледниках.

Вода непрерывно перемещается по Земле. Пути ее перемещения – общая циркуляция в атмосфере, морские течения и речной сток. Скорость водообмена колеблется в различных частях гидросферы. Медленнее всего возобновляются подземные воды (около 5000 лет), а обмен речных происходит 32 раза в течение года. Поэтому очень важна проблема загрязнения подземных вод (например, в результате подземных ядерных взрывов). Загрязнив один раз, мы не сможем их обновить раньше чем через 5000 лет.

Доступная пресная вода, необходимая для растительного и животного мира, физиологических потребностей и хозяйственной деятельности людей, составляет лишь 2 % гидросферы, при этом распределена она по континентам крайне неравномерно – ее много в ледниках и мало в засушливых районах Африки и Азии.

Вода – это специфическая среда обитания для большой группы живых организмов. Жизнь возникла в воде, вода входит в состав живых тел и является той средой, где в любом организме протекают все биохимические реакции. Вода составляет основную часть цитоплазмы клеток, растительных соков, жидких тканей животных (табл. 2).

Концентрация солей в воде определяет осмотическое давление тканей, через водную среду происходят контроль и регуляция содержания макро– и микроэлементов в цитоплазме.

Таблица 2. Содержание воды в тканях различных организмов

Укажем физиологическое значение некоторых микроэлементов, ионы которых растворены в воде:

Са, Si – образуют основу скелетных структур; S – составная часть аминокислот; Со – входит в состав витаминов (В₁₂); Cu, Fe, Mg – входят в состав дыхательных ферментов и хлорофилла; J, Zn и др. – необходимы для работы некоторых гормонов.

Недостаток или избыток микроэлементов в воде может вызывать различные эндемические заболевания. Содержание воды и растворенных в ней минеральных элементов непостоянно. Организм все время расходует воду и получает ее вновь из окружающей среды.

Кроме всего прочего, вода – единственный источник кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза: он образуется при фотохимическом разложении воды, в котором используется энергия солнечного света.

Серьезные нарушения в организме может вызвать обезвоживание. Некоторые растения и животные теряют воду только в периоды покоя. Для большинства же растений и животных потеря значительного количества влаги губительна. Так, у многих млекопитающих, в том числе и у человека, при снижении содержания воды в организме на 10 % возникают тяжелые болезненные явления, а потеря 20–30 % влаги обычно заканчивается смертью.

Многие животные и растения постоянно живут в воде, и в этом случае для их существования огромное значение имеют физические свойства водной среды.

Свойства водной среды обитания. Рассмотрим факторы водной среды, действующие на водных обитателей.

Прежде всего это плотность водного слоя. Это фактор, определяющий условия передвижения водных организмов и давление на разных глубинах. Дистиллированная вода имеет плотность 1 г/см³ при +4 °C. Плотность природных вод, содержащих соли, может быть больше – до 1,35 г/см³ и более. Плотность воды обеспечивает организмам возможность опираться на нее, что особенно важно для бесскелетных форм. Взвешенные, парящие в воде организмы объединяются в особую экологическую группу гидробионтов – планктон. Обитатели дна образуют особую группу – бентос. Следующие важные показатели для существующих в воде организмов – это подвижность, светопроницаемость (или мутность), давление, а также кислотность (значение водородного показателя – рН). В глубине температура практически постоянна (+4 °C).

Все эти свойства водной среды во многом определяют форму тела и строение скелета, соответствующее водной среде строение органов чувств и другие особенности анатомии и физиологии водных обитателей.

Еще один фактор, важнейший для водной среды, – кислородный режим. Важное условие существования жизни в воде – растворенный в воде кислород, необходимый для дыхания водных растений и животных. Содержание кислорода в воде в 21 раз ниже, чем в атмосфере. Кислород поступает в основном за счет фотосинтетической деятельности водорослей. Верхние слои водной толщи богаче кислородом, чем нижние.

Некоторые водные обитатели способны переносить значительные колебания содержания кислорода в воде (карась, сазан); другие виды (радужная форель, кумжа, гольян) могут существовать только в водоемах, насыщенных кислородом.

Нехватка кислорода иногда приводит к катастрофическим явлениям – заморам – с гибелью гидробионтов. Кроме недостатка кислорода в водоеме, заморы могут быть вызваны повышением концентрации токсичных газов – метана, сероводорода, углекислого газа и других, образующихся в результате разложения органических остатков на дне водоема.

Таким образом, вода – это и внутренняя среда большинства организмов, и внешняя среда для многих из них.

Круговорот воды. Для обеспечения устойчивости экосистем чрезвычайно важны циклические превращения элементов, а также участие веществ в биологических и биогеохимических круговоротах. В биосфере в такой круговорот вовлечена и вода. Происходит это следующим образом. Вода выпадает на поверхность земли в виде осадков, образующихся в результате испарения Мирового океана (рис. 4). При испарении в атмосфере накапливается водяной пар, который, конденсируясь, образует облака и, наконец, дождь или снег, выпадающие на землю; затем часть осадков снова испаряется с поверхности земли; часть проникает в почву, поглощается растениями и испаряется ими в процессе транспирации; часть посачивается в глубокие слои почвы и пополняет подземные воды, а часть осадков стекает в водоемы (реки, озера) и оттуда также испаряется в атмосферу. Растительность на поверхности земли играет роль грандиозного испарителя, имеет водорегулирующее значение, способствует удержанию влаги и препятствует иссушению и эрозии почв.

Рис. 4. Схема круговорота воды в биосфере (Цифры даны в тыс. км³ в год)

Вода как среда обитания растений. Вода накладывает отпечаток на внешний облик и внутреннюю структуру растений. Среди растений различают гигрофиты и гидрофиты. Гигрофиты – растения, живущие в условиях повышенной влажности, произрастающие на болотах или в мангровых лесах и требующие для нормальной жизнедеятельности большого количества воды (осока, камыш, рогоз, сфагнум, растения влажных джунглей и т. д.). Гидрофиты – водные растения, живущие либо полностью погруженными в воду (водоросли), либо на ее поверхности находятся листовые пластинки, а остальная часть находится в воде (кувшинки, элодея, Виктория регия, ряска, водоросли, сальвиния – водяной папоротник и т. д.). Растения, обитающие в толще воды, используют в процессе фотосинтеза наиболее глубоко проникающие в воду голубые, синие и сине-фиолетовые лучи. Соответственно и цвет водорослей меняется с глубиной от зеленого к бурому и красному.

Вода как среда обитания животных. Животные, постоянно обитающие в воде, адаптируются к преодолению высокой плотности воды. Для них характерна продолговатая форма тела, хорошо развитая мускулатура, наличие слизи и чешуи для уменьшения трения. Для ориентации в условиях недостатка света организмы используют звук. В воде он распространяется намного быстрее, чем в воздухе. Для обнаружения различных препятствий и пищи многие организмы используют отраженный звук по типу эхолокации. К водным животным относят рыб, водных млекопитающих (киты, дельфины), водных членистоногих (крабы, омары), моллюсков (кальмары, осьминоги, жемчужницы) и т. д.

Использование воды человеком. Человечество потребляет огромное количество пресной воды. Наиболее водоемкие отрасли промышленности: горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит 70 % всей воды, используемой в промышленности. Но все же главный потребитель пресной воды – сельское хозяйство, забирающее 60–80 % пресной воды, используемой человеком.

Вода – необходимый компонент жизнедеятельности человека. Как человек использует воду?

Вода – универсальный растворитель, все биохимические и обменные реакции в живом организме протекают с ее участием.

1. В сутки человек должен выпивать от 0,5 до 2 л воды.

2. Вода необходима для поддержания гигиены тела, жилища, улицы.

3. В теплоцентралях городов и поселков циркулирует вода.

4. Минеральные воды употребляют внутрь и для ванн, используя их целебные свойства.

5. Горячая вода термальных источников идет для обогрева жилья, парников, теплиц, выработки электроэнергии.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий все более усложняют проблему обеспечения водой. Потребности в воде огромны, и расходы ее с каждым годом возрастают. Так, если на бытовые нужды в домах без канализации человек потребляет в сутки около 50 л воды, то в современных зданиях расход воды на 1 человека в день составляет 200–500 л.

Большая часть воды после ее использования в хозяйственных нуждах возвращается в реки в виде сточных вод. Дефицит пресной воды уже сейчас становится проблемой, недостаток воды уже ощущают такие страны, как ФРГ, Франция, Англия, Бельгия и другие (всего более 50 стран). Некоторые африканские страны импортируют пресную воду в виде айсбергов.

Источники пополнения питьевой воды. Открытые водоемы – реки, озера, родники. Для получения питьевой воды из этих источников требуется дополнительная очистка.

Атмосферные осадки – почти дистиллированная вода, в которой нет необходимых микроэлементов. Кроме того, при прохождении над населенными пунктами осадки загрязняются пылью, грязью, газами, различными микроорганизмами. В результате для питья такая вода не годится.

Артезианские воды, образующиеся из подземных вод, – как правило, это чистая вода, но отличающаяся повышенной жесткостью. Даже артезианская вода может быть загрязнена через трещины в земных породах, заброшенные шахты и т. д.

Человека волнует проблема качества воды, которую он употребляет, так как это одна из составляющих экологического здоровья населения. Основные «средовые» болезни идут от загрязнения атмосферы и воды. Через воду могут передаваться возбудители инфекционных заболеваний (брюшного тифа, холеры, дизентерии, туляремии). Вода также может быть источником заражения гельминтами и малярией. Если в какой-то местности в воде не хватает йода, то жители местности страдают эндемическим зобом. Избыток фтора в воде вызывает эндемический флуороз, т. е. зубы и кости человека становятся хрупкими, поражается костно-связочный аппарат, а недостаток фтора увеличивает поражаемость зубов кариесом, в основном у детей.

Загрязнение морских вод. Качество используемой человеком воды резко снизилось из-за сбросов химических предприятий, бытовых отбросов и других загрязнителей в пресные и морские воды. В результате поступления в воды морей и Мирового океана значительного количества ядовитых и антропогенных отходов уменьшаются самоочистительные свойства морских вод, снижается их биологическая продуктивность. Различают три вида загрязнения морских вод: химическое, загрязнение бытовыми отбросами, радиоактивное.

Химические загрязнители – это в основном нефть и нефтепродукты, попавшие в море в результате бурения скважин или аварий танкеров.

Загрязнение бытовыми отбросами приводит к возникновению инфекционных заболеваний у купальщиков, изменению водной флоры и фауны.

Радиоактивное загрязнение – это такое загрязнение, при котором концентрация радионуклидов, накапливаемая планктонными организмами, в несколько раз превышает радиоактивность воды; источники загрязнений: отходы атомных подводных лодок, заводы для очистки урановой руды, атомные электростанции.

Загрязнение внутренних водоемов. Вследствие бурного развития промышленности исчезают полноводные реки, озера, резко меняется их солевой состав. Так, воду Рейна нельзя использовать для питья, этой водой опасно даже чистить зубы, так как концерны Германии и Франции сбрасывают туда неочищенные отходы. В сточную канаву превращена река Везер, насыщены отравляющими веществами воды Эльбы. В Англии загрязнены почти все реки. Ни одна из рек Москвы не соответствует санитарным нормам.

Вредными загрязнителями внутренних вод являются фенол и его производные, а также поверхностно-активные вещества, содержащиеся в современных моющих средствах. Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, поступающими с полей с дождевыми и талыми водами.

Пути охраны водных ресурсов – внедрение новых технологических процессов, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где сточные воды не сбрасываются, а используются многократно.

В настоящее время очистка сточных вод проводится механическими, химическими и биологическими методами.

При механическом методе используют систему отстойников и разного рода ловушек (сита, решетки, песколовки, жироловки и т. д.).

При химическом методе в сточные воды добавляют реагенты, образующие с загрязнителями нерастворимый осадок.

При биологическом методе для минерализации органических загрязнителей используют аэробные (т. е. протекающие в кислородной среде) биологические процессы, осуществляемые микроорганизмами. Так, на сахарных заводах сточные воды очищают с помощью одноклеточной зеленой водоросли хлореллы. Создаются специально подготовленные участки – поля орошения, биологические фильтры. Этот метод дает наилучший результат.

На земледельческих полях орошения загрязненная вода фильтруется через почву, при этом накапливается значительное количество ценных органических удобрений.

Вода – главная составная часть гидросферы, основной средообразующий компонент, неотъемлемая часть живого вещества. Несмотря на большие запасы пресных вод на Земле, дефицит их для человека и многих экосистем реален. Истощая и загрязняя воды, человек не только лишает себя данного ресурса, но и разрушает среды жизни многих организмов, нарушает свойственные им связи.

ВОПРОСЫ

1. Приведите примеры особенностей водной среды обитания и характерные черты обитателей.

2. Обоснуйте, чем опасно для живых организмов загрязнение водной среды обитания, приведите примеры.

3. Поясните, какое значение в жизни любого организма имеет вода, ответ подтвердите примерами.

4. Докажите, что вода служит наиболее жестким ограничивающим фактором.

5. Прокомментируйте, является ли вода неисчерпаемым ресурсом.

6. Назовите, где сосредоточены запасы доступной и недоступной пресной воды.

7. Охарактеризуйте круговорот воды в природе.

Глава 5
Почва как среда обитания. Организм как среда обитания

Почва как среда обитания; строение и составные компоненты почвы; загрязнение почвы; гигиеническое значение почвы; организм как среда обитания; явление паразитизма

Почва как среда обитания. Почва обеспечивает биогеохимическую среду для человека, животных и растений. В ней идет накопление атмосферных осадков, концентрируются элементы питания растений, она является фильтром и обеспечивает чистоту подземных вод.

В.В. Докучаев, родоначальник научного почвоведения, внес значительный вклад в изучение почв и процессов почвообразования, создал классификацию русских почв и дал описание русского чернозема. Представленная В.В. Докучаевым во Франции первая почвенная коллекция имела огромный успех. Он, являясь также автором картографии русских почв, дал окончательное определение понятию «почва» и назвал ее образующие факторы. В.В. Докучаев писал, что почва – это верхний слой земной коры, обладающий плодородием и образовавшийся под действием физических, химических и биологических факторов.

Толщина почвы колеблется от нескольких сантиметров до 2,5 м. Несмотря на незначительную толщину, эта оболочка Земли играет важнейшую роль в распространении различных форм жизни.

Почва состоит из твердых частиц, окруженных смесью газов и водными растворами. Химический состав минеральной части почвы определяется ее происхождением. В песчаных почвах преобладают соединения кремния (SiO₂), в известковых – соединения кальция (СаО), в глинистых – соединения алюминия (Al₂O₃).

В почве сглажены температурные колебания. Осадки задерживаются почвой, благодаря чему поддерживается особый режим влажности. В почве сконцентрированы запасы органических и минеральных веществ, поставляемые отмирающими растениями и животными.

Обитатели почвы. Здесь создаются условия, благоприятные для жизни макро– и микроорганизмов.

Во-первых, здесь сосредоточены корневые системы наземных растений. Во-вторых, в 1 м³ почвенного слоя находится 100 млрд. клеток простейших, коловраток, миллионы нематод, сотни тысяч клещей, тысячи членистоногих, десятки дождевых червей, моллюсков и прочих беспозвоночных; 1 см³ почвы содержит десятки и сотни миллионов бактерий, микроскопических грибов, актино-мицетов и других микроорганизмов. В освещенных слоях почвы обитают сотни тысяч фотосинтезирующих клеток зеленых, желто-зеленых, диатомовых и сине-зеленых водорослей. Таким образом, почва чрезвычайно насыщена жизнью. Распределена она неодинаково в вертикальном направлении, поскольку имеет выраженное слоистое строение.

Различают несколько почвенных слоев, или горизонтов, из которых можно выделить три основных (рис. 5): гумусовый горизонт, горизонт вымывания и материнская порода.

Рис. 5. Основные почвенные слои

В пределах каждого горизонта выделяются более дробные слои, сильно различающиеся в зависимости от климатических зон и состава растительности.

Влажность – важный и часто меняющийся показатель почвы. Он очень важен для земледелия. Вода в почве бывает парообразная и жидкая. Последняя делится на связанную и свободную (капиллярная, гравитационная).

В почве содержится много воздуха. Состав почвенного воздуха изменчив. С глубиной в нем сильно падает содержание кислорода и возрастает концентрация CO₂. В связи с присутствием органических остатков в почвенном воздухе может быть высокая концентрация таких токсичных газов, как аммиак, сероводород, метан и др.

Для сельского хозяйства, кроме влажности и наличия в почве воздуха, необходимо знать и другие показатели почвы: кислотность, количество и видовой состав микроорганизмов (почвенная биота), структурный состав, а в последнее время и такой показатель, как токсичность (генотоксичность, фитотоксичность) почв.

Итак, в почве взаимодействуют следующие компоненты: 1) минеральные частицы (песок, глина), вода, воздух; 2) детрит – отмершее органическое вещество, остатки жизнедеятельности растений и животных; 3) множество живых организмов.

Гумус – питательный компонент почвы, образуется при разложении растительных и животных организмов. Растения поглощают из почвы необходимые минеральные вещества, но после смерти растительных организмов все эти элементы вновь возвращаются в почву. Там почвенные организмы постепенно перерабатывают все органические остатки до минеральных компонентов, превращая их в доступную для всасывания корнями растений форму.

Таким образом, происходит постоянный круговорот веществ в почве. В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии.

Загрязнение почвы и эрозия. Но человек все больше нарушает это равновесие, происходят эрозия и загрязнение почв. Эрозия – это разрушение и смыв плодородного слоя ветром и водой из-за уничтожения лесов, многократной распашки без соблюдения правил агротехники и т. д.

В результате производственной деятельности человека происходит загрязнение почв излишними удобрениямии ядохимикатами, тяжелыми металлами (свинцом, ртутью), особенно вдоль автострад. Поэтому нельзя собирать ягоды, грибы, растущие вблизи дорог, а также лекарственные травы. Вблизи крупных центров черной и цветной металлургии почвы загрязнены железом, медью, цинком, марганцем, никелем и другими металлами, их концентрации во много раз превышают предельно допустимые.

Много радиоактивных элементов в почвах районов АЭС, а также вблизи научно-исследовательских учреждений, где изучают и используют атомную энергию. Очень велики загрязнения фосфорорганическими и хлорорганическими токсичными веществами.

Одним из глобальных загрязнителей почвы являются кислотные дожди. В атмосфере, загрязненной диоксидами серы (SO₂) и азота, при взаимодействии с кислородом и влагой образуются аномально высокие концентрации серной и азотной кислот. Кислые осадки, выпадающие на почву, имеют рН 3–4, тогда как нормальный дождь имеет рН 6–7. Кислотные дожди вредны для растений. Они закисляют почву и нарушают тем самым происходящие в ней реакции, в том числе реакции самоочищения.

Гигиеническое значение почвы. Почву издавна используют для обеззараживания и утилизации отбросов, образуемых человеком в процессе жизнедеятельности. Но загрязненная почва может стать источником инфекционных, инвазионных и других заболеваний.

Для развития большинства патогенных бактерий почвенная среда неблагоприятна, там они сравнительно быстро погибают.

Возбудители брюшного тифа, чумы, дизентерии, туберкулеза, вирус полиомиелита живут в почве от нескольких часов до нескольких месяцев, а такие спорообразующие болезнетворные микробы, как бациллы столбняка, сибирской язвы, газовой гангрены, могут жить в почве несколько лет.

Поступление воздуха в почву имеет огромное гигиеническое значение, так как все окислительные процессы с участием аэробных бактерий, живущих в почве, требуют достаточного количества кислорода. Процессы распада могут происходить и в анаэробных (без участия кислорода) условиях.

Разложение органических остатков и самоочищение почвы происходит в два этапа – через минерализацию и нитрификацию.

Минерализация осуществляется под действием ферментов, выделяемых микробами и грибами. В анаэробных условиях процессы гниения и брожения идут с выделением зловонных газов: аммиака, сероводорода, метана. В процессе минерализации гибнут возбудители инфекционных заболеваний, а яйца глистов становятся нежизнеспособными.

Нитрификация осуществляется аэробными нитрифицирующими бактериями. Конечные продукты минерализации и нитрификации переходят в химические соединения, которые используют для питания растения.

В заключение нужно сказать, что по ряду экологических особенностей почва является промежуточной между водной и воздушной средой. Общим с водной средой является температурный режим, пониженное содержание кислорода в почвенном воздухе, а с воздушной – наличие почвенного воздуха.

Промежуточные экологические свойства почвы как среды обитания животных позволяют предполагать, что она играла особую роль в эволюции животного мира и послужила той средой, через которую многие водные животные перешли к наземному образу жизни.

Организм как среда обитания. Организм тоже может быть средой обитания для других живых организмов, как симбионтов, так и паразитов. Паразиты живут в условиях неограниченного запаса пищи. Организм хозяина служит также и комфортным жилищем, так как им не грозит высыхание, нет резких перепадов температур. Наиболее слабое звено в жизни паразитов – это перенос от одного хозяина к другому в случае гибели последнего. Высокая плодовитость паразитов и использование промежуточных хозяев компенсируют это. Человек использует различные методы для прямого уничтожения паразитов, а также для ограничения их численности. Симбионты, в отличие от паразитов, не только получают полезные вещества от хозяина, но и отдают ему витамины, некоторые питательные компоненты.

На планете организмы освоили четыре среды обитания, которые сильно отличаются по специфике условий. Водная среда была первой средой, в которой зародилась жизнь. В последующем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, затем создали и заселили почву. Четвертой средой жизни стали сами живые организмы, каждый из которых представляет целый мир для населяющих его паразитов и симбионтов. Среды обитания могут быть разнообразными, и соответственно у обитателей в ходе эволюции вырабатываются различные приспособления – адаптации.

ВОПРОСЫ

1. Приведите примеры особенностей почвы как среды обитания и характерные черты обитателей.

2. Проанализируйте, что общего между почвой, водной и наземно-воздушной средами обитания.

3. Объясните, почему почва является наиболее насыщенной жизнью средой обитания, приведите примеры.

4. Обоснуйте, чем опасно для живых организмов загрязнение почвенной среды обитания, приведите примеры.

5. Охарактеризуйте организм как среду обитания других организмов, объясните. Кто такие паразиты и симбионты?

6. Поясните, что такое эрозия почв.