2.3. Экологические проблемы энергетики. 2. Экологические проблемы окружающей среды. Экология

2.3.1. Экологические проблемы теплоэлектростанций (ТЭС)

2.3.2. Экологические проблемы производства электроэнергии на АЭС

2.3.3. Экологические проблемы гидроэлектростанций

2.3.4. Экологические проблемы производства электроэнергии с использованием “нетрадиционных” источников энергии

2.3.1. Экологические проблемы теплоэлектростанций (ТЭС)

ТЭС – это предприятия, вырабатывающие электроэнергию на базе химического топлива (уголь, нефть, природный газ). В РФ на ТЭС вырабатывается около 70% энергии страны. На производство электроэнергии в РФ расходуется менее четверти горючих ископаемых, остальное – на получение тепла. При выработке электроэнергии выделяется значительное количество теплоты, поэтому электростанции строят вблизи городов и предприятий, используя их в качестве производителя тепловой энергии (теплоэлектроцентраль – ТЭЦ), повышая этим их мощность на треть. На современных ТЭЦ КПД достигает 40 – 60%, дальнейшее увеличение практически невозможно. Средняя ТЭЦ потребляет в год около 8 млн. т угля. Перевозка топлива для ТЭЦ составляет 40% грузовых перевозок страны. При сжигании угля в атмосферу от одной только крупной ТЭЦ ежегодно попадает 10 млн. т углекислого газа, что способствует “парниковому эффекту”, 400 тыс. т золы, 300 тыс. т окислов серы, около 100 тыс. т окислов азота, в результате чего появляются кислотные дожди. При сжигании угля в воздух попадают соединения тяжелых металлов, радиоактивные вещества, которых от ТЭЦ в атмосферу попадает в 2 раза больше, чем от АЭС. Загрязнения от ТЭЦ ощущаются в радиусе до 20 км. Кроме того, загрязнением является нагрев воды при охлаждении агрегатов, а также шлаки (2 – 10 млн. т), которые вывозят в золоотвалы, занимающие площадь для одной ТЭЦ 2 – 5 км² и расположенные в 15 – 20 км от города. ТЭЦ, работающие на нефти или газе, гораздо экологичнее угольных.

2.3.2. Экологические проблемы производства электроэнергии на АЭС

Переход к атомной энергетике позволяет значительно снизить выбросы в атмосферу. На АЭС выбросы газов и жидкостей ниже допустимых пределов, годовой запас топлива порядка 10 куб. м, выбросы радиоактивных веществ меньше, чем от ТЭЦ. Экологическое воздействие АЭС – в тепловом загрязнении воды. Например, АЭС в Сосновом бору (Петербург) потребляет при охлаждении около 1 млн. куб. м морской воды в час. Особая проблема — радиоактивные отходы, которые после переработки имеют форму остеклованной массы 3 – 8 куб. м. Захоронение их происходит под строгим контролем.

2.3.3. Экологические проблемы гидроэлектростанций

ГЭС традиционно считались сравнительно дешевым и чистым источником энергии. Сооружение плотин неизбежно связано с образованием крупных искусственных водоемов. Площадь Братского водохранилища соизмерима с Телецким озером Горного Алтая. Земля под водохранилищем потеряна безвозвратно. Это млн. га пашни, лесов, лугов, дорог, селений. А эти искусственные озера постепенно, но неизбежно мелеют, зацветают, заболачиваются, становятся причиной изменения климата в худшую сторону. У плотин ГЭС гибнет в огромных количествах животный и растительный мир рек. Количество рыбы, уничтожаемой на водозаборах ГЭС, многократно превышает то, что дают все рыбные предприятия страны. Только на водозаборах Астраханской области ежегодно гибнет более 15 млн. штук молоди рыб.

В нижний бьеф вода попадает через турбины и по водоводам. На высотных плотинах (100 – 200 м) водоводы расположены на большой глубине (несколько десятков или более сотни метров), где вода летом и зимой имеет постоянную температуру. В условиях Сибири это приводит к тому, что летом в реке вода очень холодная — 6 -10 градусов при температуре на поверхности водохранилища 20 градусов. При коротком сибирском лете жители не имеют возможности искупаться в такой реке. Зимой река за плотиной не замерзает, так как через водовод попадает вода теплая – 4 градуса. Незамерзающий “язык” достигает 100 – 200 км, открытый водоем повышает влажность воздуха, при лютых сибирских морозах происходит кристаллизация льдинок в воздухе. Человек тяжело переносит сильные морозы с повышенной влажностью. Такая картина наблюдается в районе ГЭС бассейна Енисея: страдают больные астмой и другими заболеваниями дыхательного аппарата, повышается частота респираторных заболеваний. Такой “подарок” получили жители Красноярска, Братска и других сибирских городов. Изменился режим реки, не все породы рыбы выдержали глобальные изменения своей среды обитания. Построен ряд ГЭС и на равнинных реках, в частности Новосибирская ГЭС. Эта ГЭС не решает энергетической проблемы города, но громадное (протяженностью 200 км) водохранилище затопило плодородные земли в пойме реки, села и деревни. Идет постоянное обрушение берега из-за эрозии, водохранилище в основном мелкое и “зацветает”, постепенно заболачиваясь. Погибают некогда значительные запасы рыбы. Сибирские ученые, имея в виду проблемы и этого водохранилища, заявили: “Строительство гидроэлектростанций на равнинных реках – экологическое преступление”.

2.3.4. Экологические проблемы производства электроэнергии с использованием “нетрадиционных” источников энергии

Существует ряд неисчерпаемых энергетических источников, но используются они в незначительных масштабах. Причина – отсутствие приемлемых решений для их реализации. Время их еще не пришло. Это солнечная энергия, тепловая энергия недр, энергия океанских приливов и волн, ветровая. Суммарная мощность солнечной энергии колоссальна: за год на 1% площади пустыни Сахара падает количество солнечной энергии, которое превышает потребность в ней всего человечества. Но эта энергия непостоянна, зависит от погоды, времени года. В мире работают солнечные экспериментальные электростанции (СЭС, гелиоэлектростанции). Работают маяки и бакены на солнечной энергии. Наручные часы, калькуляторы давно работают на солнечной энергии, космические аппараты. Солнечная энергия завоевывает себе место под солнцем.

Запасы термальных вод на Земле громадны, но при современном состоянии технологии можно использовать только воды в районах вулканической активности, на глубине 1 – 2 км. Тюменское “подземное море” по размерам превышает Черное, температура 60 – 300 градусов. Принцип работы: прием пароводяной смеси из скважин, отделение пара в турбины, а вода – отход производства. Но минерализованы эти моря до 30%, поэтому сточные воды загрязняют ядами окружающую среду. Притом откачка воды из недр может вызвать землетрясения. Сточную воду нужно закачивать назад, в “подземное море”, на что при современном уровне технологии уйдет вся добытая энергия. Геотермальные станции небольшой мощности (ГеоТЭС) работают в США, Японии, РФ.

Энергия океанов и морей практически безгранична и вечна. Затраты на сооружение и работу приливных электростанций (ПЭС) определяются параметрами плотин. Энергия океанских волн огромна – волна высотой 3 м несет на 1 м берега энергию 90 кВт. 12 береговых энергетических установок в 50 миль могут полностью обеспечить Англию энергией. ПЭС оказывает минимальное влияние на среду. Однако удобных мест для строительства ПЭС мало. Экспериментальные ПЭС работают во многих странах.

Энергия ветра непостоянна, использование ее затруднено. Целесообразно использовать ее для автономных потребителей наряду с другим видом энергии. Экологического ущерба нет, малые станции широко используют в разных странах.

“Нетрадиционные источники” — это энергия будущего, надежда цивилизации. Хотя эти электростанции не вредят окружающей среде, но для их строительства нужен металл, другие материалы, энергия, для получения которых используют экологически “грязные” технологии.

Экологические проблемы энергетики

В современном мире все больше возрастает потребность людей использовать энергетические ресурсы. На данный момент эксплуатируются следующие виды источников энергетической индустрии:

• органическое топливо – каменный уголь, газ;
• вода;
• атомное ядро.

Атомная энергия и энергия воды превращается в электроэнергию, подается населению для жизнеобеспечения населенных пунктов. Высвобождение энергии происходит за счет процесса горения. В данном случае в атмосферу выделяются продукты горения, что ухудшает экологию местности.

Как влияет энергетика на экологию?

В целом энергетическая отрасль влияет на экономику позитивно. Что касается окружающей среды, то энергетика на нее влияет негативно:

• способствует климатическим изменениям;
• происходит изменение гидрологического режима рек;
• загрязнение вод Мирового океана химическими веществами;
• влияет на появление кислотных дождей;
• атмосфера загрязняется газами, пылью, вредными выбросами;
• образуется парниковый эффект;
• происходит радиоактивное и химическое загрязнение литосферы;
• исчерпываются невозобновимые природные ресурсы.

Среди других проблем энергетики существенной является небезопасность оборудования различного рода электростанций, будь то тепловая или атомная. Использование, к примеру, атомных реакторов ставит под угрозу существование всего человечества. Так авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году – это был лишь небольшой пример того, как энергетика губительна для всего живого в округе. Вполне вероятен более печальный сценарий при взрыве любой АЭС. Стоит подчеркнуть, что не всегда своевременно происходит замена старого оборудования на новое. Также возникает проблема утилизации радиоактивных отходов, поскольку их нужно изолировать и надежно хранить, что требует огромнейших финансовых растрат.

Вывод

Пожалуй, справедливо будет заметить, что от внимательности, компетентности и мастерства работников ТЭС, АЭС, ГЭС зависят не только человеческие жизни людей, проживающих вблизи объекта энергетической сферы, но и всех людей на планете, состояния окружающей среды в целом. Необходимо заниматься развитием альтернативных источников энергии, использование которых будет более безопасным, чем используемые ныне электростанции. Также требуется проводить информационное оповещение населения, чтобы убедить людей пользоваться электроприборами в экономном режиме, что позволит существенно экономить энергоресурсы. В связи с этим решение энергетических проблем повлияет на решение основных экологических проблем планеты.

Экология и энергетика

Май 25, 2013 / Николай Одегов, Специалист по экологии

Мир современной энергетики является основополагающим условием для развития разнообразных отраслей промышленности. Промышленно развитые страны отличаются стремительными темпами развития энергетики, которые опережают темпы развития отраслевой промышленности.

В свою очередь, энергетика является серьезным источником неблагоприятного воздействия на человека и окружающую среду. Это влияние сказывается на атмосфере, за счет высокого потребления кислорода, выбросов газов, твердых частиц и влаги.

Гидросфера страдает из-за потребления воды на нужды энергетики, создания искусственных водохранилищ, сбросов жидких отходов, нагретых и загрязненных вод. Существенно изменяется и литосфера по причине чрезмерного потребления ископаемых топливных ресурсов, изменения ландшафтов, выброса токсичных веществ.

Влияние на водные ресурсы

Современные гидроэнергетические технологии отличаются, как преимуществами, так и недостатками. К примеру, количество произведенной электроэнергии зависит от водных ресурсов, которые могут истощаться во время засухи.

Это играет огромную роль для энергетического комплекса страны. Энергетика и экология – сомнительное сочетание, когда речь идет о строительстве плотин, переселении жителей, заилении водохранилищ, пересыхании русел рек, затоплении огромных территорий, значительной затратности проектов.

Изменение уровня воды в реках приводит к полной гибели растительности, плотины становятся серьезным препятствием для миграции рыб, ГЭС многокаскадного типа уже превратили реки в озера, перерастающие в болота. Россия получает при использовании гидроресурсов не более 20% энергии, а при строительстве только одной ГЭС затапливается более 6 миллионов гектар. Таким образом, энергетика влияет на экологию, и это неравноценный по потерям для природы обмен.

Истощение, загрязнение

Что касается влияния энергии ТЭС на экологию, то можно отметить, как главный фактор, выделение вредных веществ в виде закиси углерода, соединений азота, свинца и значительного количества тепла. 5 миллиардов тонн угля ежегодно сжигается и более трех миллионов тонн нефти, что сопровождается гигантским выбросом в атмосферу Земли тепла.

Нынешние темпы потребления угля приведут к неминуемому истощению ископаемого через 150 – 200 лет, нефти — через 40 – 50 лет, газа, предположительно, — через 60. Полный спектр работ по добыче, транспортировке и сжигании данного вида топлива сопровождается процессами, ощутимо влияющими на загрязнение окружающей среды.

Влияние энергетики на экологию связано с добычей угля и засолением водных ресурсов. Помимо этого, откаченная вода содержит радон и изотопы радия. А атмосфера загрязняется продуктами сжигания угля в виде оксидов серы – 120 тысяч тонн, окислов азота – 20 тысяч тонн, пепла 1500 тонн, оксида углерода – 7 миллионов тонн.

Кроме того, происходит при горении образование более 300 тысяч тонн золы, включающей в себя 400 тонн токсичных металлов в виде ртути, мышьяка, свинца и кадмия. Работу ТЭС можно сопоставить, по выбросам в атмосферу радиоактивных веществ, с работой АЭС аналогичной мощности.

Ежегодные выбросы оксидов углерода способствуют повышению температуры на Земле, что может привести к вполне предсказуемым климатическим изменениям.

Влияние энергетики на экологию, когда речь идет о нефти и газе, достигло катастрофических и глобальных масштабов. Ученые утверждают, что выбросы от сжигания нефти и угля ежегодно влияют на состояние здоровья людей примерно так же, как авария на Чернобыльской АЭС. Этот «тихий Чернобыль», обладает последствиями, результаты которого пока невидимы, но они целенаправленно и постоянно уничтожают экологию.

Как получить энергию без вреда для экологии

Солнце – неисчерпаемый источник тепла. Среди существующих традиционных видов альтернативной энергетики (энергия волн, земли, ветра, приливов, геотермальная энергия, а также энергия из газа от мусорных свалок и навоза на фермах) основным видом является энергия Солнца.

Человеческий мир, постоянно находящийся в поисках энергии, только недавно обратил внимание на источник энергетического изобилия. Использование энергии Солнца для нужд промышленности на данном этапе обходится дорого.

Но тенденция снижения цен за последние годы существенно снизилась и за последние пять лет стала в два раза ниже первоначальной. Изменение и усовершенствование технологий уже завтра может сделать солнечную энергию доступной и неограниченной.

Альтернативная энергетика и экология: факты

• Возобновляемые источники энергии в Шотландии приходятся на треть всего объема вырабатываемой энергии.
• К 2027 году Евросоюзом планируется довести долю альтернативной энергетики до 20%.
• Альтернативная энергетика способствует созданию рабочих мест.
• Использование отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота в целях переработки в биогаз даст возможность обеспечить электроэнергией жителей планеты и сократить выбросы парниковых газов.
• Альтернативная энергетика — более привлекательная отрасль для инвесторов, которые отдают ей предпочтение перед другими видами топлива.

Эти и многие другие факты могут обеспечить наши энергетические потребности без ущерба для экологии, что оздоровит нашу природу и население планеты.

Росатом Госкорпорация «Росатом» ядерные технологии атомная энергетика АЭС ядерная медицина

Мировой уровень выделяемого углекислого газа составляет около 32 млрд тонн в год и продолжает расти. Прогнозируется, что к 2030 году объем выделяемого углекислого газа превысит 34 млрд тонн в год.

Решением проблемы может стать активное развитие ядерной энергетики, одной из самых молодых и динамично развивающихся отраслей глобальной экономики. Все большее количество стран сегодня приходят к необходимости начала освоения мирного атома.

Установленные мощности мировой атомной энергетики составляют 397 гигаватт. Если бы вся эта мощность генерировалась за счет угольных и газовых источников, то в атмосферу ежегодно выбрасывалось бы дополнительно около 2 млрд тонн углекислого газа. По оценкам межправительственной группы экспертов по изменению климата, все бореальные леса (таежные леса, расположенные в северном полушарии) ежегодно поглощают около 1 млрд тонн СО2, а все леса планеты – 2,5 млрд тонн углекислоты. То есть, если за критерий взять влияние на уровень СО2 в атмосфере, атомная энергетика соизмерима с «экологической мощностью» всех лесов планеты.

В чем преимущества ядерной энергетики?

Огромная энергоемкость

1 килограмм урана с обогащением до 4%, используемого в ядерном топливе, при полном выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100 тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.

Повторное использование

Расщепляющийся материал (уран-235) выгорает в ядерном топливе не полностью и может быть использован снова после регенерации (в отличие от золы и шлаков органического топлива). В перспективе возможен полный переход на замкнутый топливный цикл, что означает практически полное отсутствие отходов.

Снижение «парникового эффекта

Интенсивное развитие ядерной энергетики можно считать одним из средств борьбы с глобальным потеплением. К примеру, атомные станции в Европе ежегодно позволяют избежать эмиссии 700 миллионов тонн СО2. Ежегодно работа всех АЭС российского дизайна в мире экономит выбросы парниковых газов в объеме более 210 млн тонн CO2-экв.

Развитие экономики

Строительство АЭС обеспечивает экономический рост, появление новых рабочих мест: 1 рабочее место при сооружении АЭС создает более 10 рабочих мест в смежных отраслях. Развитие атомной энергетики способствует росту научных исследований и объемов экспорта высокотехнологичной продукции.

Самые низкие показатели травматизма

Согласно исследованиям, на АЭС фиксируется самый низкий процент несчастных случаев со смертельным исходом (см. иллюстрацию, источник – публикация Всемирной ядерной ассоциации (WNA) за 2019 год, цитирующая исследование Института Пауля Шеррера).

Полные затраты на производство электроэнергии. Доклад АЯЭ ОЭСР, 2018, 215 c.
pdf, 10.46 Мб

Экологические и энергетические проблемы современности Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология 3. Гринберг Г.А. О решении обобщённой задачи Стефана о промерзании жидкости, а также родственных задач теории теплопроводности, диффузии и др.// ХТФ, 1967. Т.37 №9.

Экологические и энергетические проблемы современности

проф. д.т.н. Латышенко К.П., преп. к.т.н. Гарелина С.А.

Университет машиностроения [email protected]

Академия гражданской защиты МЧС РФ

[email protected]

Аннотация. Настоящая статья является первой частью работы, посвящённой плазмохимической переработке полимерных отходов и других токсичных органических соединений в водород и другую ликвидную продукцию.

В работе показаны масштабы глобальности экологической и энергетической проблем современности. Экологическая проблема связанна с загрязнением природной среды полимерными отходами. Энергетическая проблема — с традиционными подходами современной энергетики, в частности, с использованием ископаемого топлива для производства энергии и концентрацией мощностей для обеспечения эффективности работы глобальных энергосистем, что не гарантирует устойчивое развитие энергетики на длительную перспективу, не обеспечивает энергетическую безопасность страны.

Вторая часть работы посвящена выбору наиболее эффективных путей решения названных глобальных проблем современности.

Третья часть работы посвящена обзору экспериментальных и теоретических работ по изучению и применению различных видов плазмохимических технологий, на основе которого осуществлён выбор наиболее эффективной схемы реактора по плазмохимической переработке полимерных отходов в водород и другую ликвидную продукцию.

Ключевые слова: глобальные проблемы современности, экологическая проблема, полимерные отходы, уничтожение полимерных отходов, энергетическая проблема, традиционные подходы энергетики

«Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу

экологическими правонарушениями» Статья 42 Конституции РФ

Введение

Хорошо известно, что глобальные проблемы современности — это совокупность социо-природных проблем, которые охватывают весь мир, все человечество и требуют для своего решения международного сотрудничества. К глобальным проблемам относят экологические, демографические, мира и разоружения, продовольственную, энергетическую и сырьевую, здоровья людей, использования мирового океана, освоения космоса. Все эти проблемы тесно взаимосвязаны.

Наиболее катастрофический характер на сегодняшний день приобрела экологическая проблема, заключающаяся в истощении окружающей среды в результате нерационального природоиспользования, загрязнения её отходами человеческой деятельности, достигшая в некоторых странах масштабов экологической катастрофы (необратимые изменения природных комплексов, связанных с гибелью живых организмов).

Как известно, к глобальным факторам дестабилизации природной среды, которые про-

являются как последствия ЧС экологического характера, относят полимерные отходы.

Масштабы глобальности загрязнения природной среды полимерными отходами

По данным [1], в мире насчитывается свыше 400 различных видов пластмассовых отходов, эти отходы составляют 8 % от общего числа отходов, которых в РФ ежегодно образуется 60 млн. т. В общей массе полимерных отходов основную долю составляет полиэтилен-терефталат — 25 %, затем полиэтилены высокой и низкой плотности — по 15 % (мировое производство полиэтилена достигло уровня 100 млн. т/год), полипропилен — 13 %, полистирол -6 %, поливинилхлорид — 5% и прочие другие полимеры — 21 % [2]. Следует отметить, что мировое производство пластмасс ежегодно возрастает в среднем на 5 — 6 %, приводя к соответствующему увеличению количества отходов [2].

Рисунок 1

В РФ система утилизации отходов основана на их захоронении (более 80 %) на полигонах и неорганизованных свалках [3 — 5]. Очевидно, что свалки — серьёзный источник загрязнения почвы, грунтовых вод и атмосферы токсичными химикатами, свалочными газами. Продуктами разложения полимеров являются токсичные вещества [6, 7]. Хорошо известно, что предотвратить возгорания свалок невозможно, даже выполняя все технические условия. При горении свалок (см. рисунок 2) из полимерных отходов выделяются оксиды азота, серы, хлористый водород, диоксины и др., при этом ПДК опасных веществ превышены в 1000 и более раз. Известны многочисленные случаи ЧС вблизи горящих свалок в связи с повышенными выбросами в атмосферу продуктов горения. «Горящая свалка занимает первое место по количеству выбросов канцерогенных и мутагенных веществ» [8]. При тушение свалок происходит интоксикация грунтовых вод, что, естественно, оказывает также поражающее воздействие на людей. Следует отметить, что тушение свалок является чрезвычайно трудной и дорогостоящей задачей.

В целом в РФ под мусорные свалки отчуждено 0,8 млн. гектаров земель, среди которых есть плодородные чернозёмы [9]. Неэффективное, экологически неоправданное использование территории представляет также угрозу экологической безопасности [10].

Рисунок 2. Загрязнение атмосферы продуктами сгорания отходов

Рисунок 3. Плавающие пластиковые отходы

По данным Green Peace ежегодно в мире производится более 100 млн тонн пластиковых изделий и 10 % из них в конце концов попадает в мировой океан [11]. Из-за особенностей северотихоокеанской системы течений в океане существует стабильная неподвижная зона, в которую сносится все, что находится на его поверхности, и образуется колоссальная дрейфующая свалка («мусорный айсберг», «великое тихоокеанское мусорное пятно», «тихоокеанский мусороворот», самое популярное название этого явления «тихоокеанский мусорный остров»). Следует отметить, что органическая часть мусора довольно быстро разлагается, в отличие от пластика. Таким образом, гигантская свалка состоит на 80 % из пластмассовых отходов [12].

Рисунок 4. Океанская фауна, пострадавшая от платиковых отходов

По данным на 2009 г. вес этого «тихоокеанского мусорного острова» составляет более 3,5 млн тонн, а занимаемая площадь составляет более 1 млн. км2 [12,13]. Более того, мусорное скопление в океане растет с устрашающей быстротой, каждые 10 лет десятикратно увеличиваясь в размерах [12]. В природных условиях пластик не разлагается, под механическим воздействием ломается, крошится и превращается даже в пыль. Плавающие частицы похожи на зоопланктон и обитатели моря поглощают его, принимая за пищу. Таким путем пластмассовые отходы внедряются в океанские пищевые цепочки. Неразлагающиеся десятилетиями куски пластика таят в себе мучительную смерть для обитателей океана: животные погибают от того, что пластик со временем заполняет их желудки и они умирают от голода. По данным Комитета ООН по охране природы, ежегодно полимерные отходы являются причиной смерти почти 1 млн. птиц, 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимого количества рыб [9].

О мусорном острове говорят уже полвека, но практически никаких действий не предпринимается [12]. Объяснение простое: мусорный остров находится в нейтральных водах и, как свидетельствует эколог У. Чебот, «пока ни одна страна не спешит раскошелиться и проявить инициативу» [12]. Более того, береговая комиссия Калифорнии считает, что уже избавиться от этой напасти практически невозможно [12].

Итак, загрязнение природной среды полимерными отходами в настоящее время классифицируется учеными как экологическая катастрофа [12].

Следует отметить, что производство поливинилхлорида фактически приводит к потенциальному накоплению 12,5 кг диоксинов [14] в год, которые, в конечном счете, перейдут в окружающую среду либо в результате сжигания, либо в результате его естественного разложения [7].

Ввиду опасных последствий загрязнения природной среды полимерными отходами возникла необходимость в предотвращении поражения людей вредными факторами этих веществ. Это требует разработки новых методов и установок для обезвреживания полимерных.

Как известно, данная проблема является сложной научно-технической и экономической задачей, разработкой которой занимаются ведущие научные и технические учреждения, например, АКХ им. К.Д. Памфилова, ВНИПИэнергопром, ВТИ, Институт проблем электрофизики РАН, СПбГПУ, МЭИ, МГУП «Промотходы» и др. Анализ литературы показывает [1 — 5, 15, 16], что поиск путей решения проблемы уничтожения полимерных отходов продолжается. Следует отметить, что отсутствие приемлемых технологий переработки полимерных отходов является фактором, сдерживающим производство некоторых полимерных материалов, например таких, как поливинилхлорид [2].

Как известно, одним из факторов, определяющим целесообразность переработки твердых отходов, в том числе и полимерных, является их высокий энергетический потенциал.

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология Таким образом, одним из перспективных способов решения обозначенной проблемы является использование полимерных отходов в энергетических системах и комплексах [5, 15, 16]. Расчёты показывают, что от 10 до 20 % энергетический потребностей в развитых индустриальных странах может быть получена за счёт использования в энергетических системах и комплексах отходов [16].

Глобальные проблемы современной энергетики

Хорошо известно, что энергетическая безопасность представляет собой важнейшую часть проблемы безопасности существования государства. Так, одной из ключевых глобальных проблем современной энергетики является её ресурсное обеспечение [17]. Современная энергетика основана на невозобновляемых источниках энергии. По данным [17], около 80 % мировых потребностей в энергии покрываются за счёт ископаемого топлива: нефти (40 %), газа (23 %), угля (27 %). Также к числу глобальных факторов дестабилизации природной среды, которые проявляются как последствия чрезвычайных ситуаций экологического характера, относят проведение крупномасштабных работ по извлечению полезных ископаемых. Доступ к ископаемому топливу становится все более сложным и требует применения более совершенных технологий, что способствует увеличению его стоимости. Анализ литературы говорит о том, что российская энергетика уже не справляется с обеспечением возрастающего внутреннего спроса [18].

Воздействие современных энергетических систем и комплексов на природную среду хорошо изучено [18, 19, 20]: вклад энергетики в загрязнение природной среды составляет более трети от вклада других отраслей экономики. По данным [21], более 60 млн. человек живут в городах, где уровень токсичных газов превышает ПДК, в десятках городов в отдельные дни отмечается уровень загрязнения превышающих 10 ПДК. «Рано или поздно, традиционная энергетика может создать ту критическую массу отрицательного экологического воздействия, которая будет способна разрушить экосистему в силу установившихся необратимых процессов. Сохранение развития цивилизации, забота о здоровье грядущих поколений — вот обстоятельства, ставящие на первое место значимость критерия работоспособности любой энергосистемы по условиям ее воздействия на природу» [22].

Таким образом, в самой технологической схеме преобразования и передачи электроэнергии заложена экологическая опасность. Воздействие современной энергетики на природную среду представляет собой источник серьезной угрозы экологической безопасности вплоть до катастрофических последствий [19]. Очевидно, что ужесточение экологических требований, требований по безопасности и надежности традиционных энергетических систем и комплексов приводят к их значительному удорожанию [23]. Более того, весьма серьезные по величине загрязнения природной среды могут возникнуть в результате аварий на энергетических предприятиях, особенно в атомной промышленности: при аварии на Чернобыльской АЭС они приобрели глобальный характер (например, [19]).

Традиционные подходы обеспечения эффективности работы современных глобальных энергетических систем основаны на концентрации мощностей (единые энергосистемы охватывают только 30 % территории страны [24]), что приводит к экологическим катастрофам. Во-первых, концентрации генерирующих мощностей приводят к локализации опасных явлений в зоне генерации электроэнергии и локализации невозобновляемых ресурсов при потреблении, транспортировки и хранении [22]. Во-вторых, вынужденное приближение потребителей к энергосистемам приводит к разрастанию мегаполиса и к концентрации заполнения ограниченных территорий отходами производства и жизнедеятельности человека [22].

Таким образом, традиционные подходы современной энергетики (использование ископаемого топлива для производства энергии и концентрация мощностей для обеспечения эффективности работы глобальных энергосистем) не могут гарантировать устойчивое развитие энергетики на длительную перспективу и обеспечить энергетическую безопасность страны, важнейшим принципом обеспечения которой является экологическая безопасность.

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология Состояние и тенденции развития энерготехнологий переработки полимерных отходов

В мировой практике реализовано более десятка энерготехнологий переработки полимерных отходов, но наиболее интенсивно развиваются два основных направления:

1) использование как топливного материала, сжигание которого сопровождается выделением тепла и выработкой электричества;

2) получение энергоносителя, который можно хранить и транспортировать.

Целенаправленное использование отходов как топлива в промышленных масштабах

началось в 1870 г. в Англии на мусоросжигательном предприятии. По оценке Всероссийского теплотехнического института [5], наиболее распространенными технологиями являются:

— сжигание отходов на колосниковых решетках;

— сжигание в топке с псевдоожиженным (кипящим) слоем;

— технология «пиролиз — высокотемпературное сжигание».

Все построенные до настоящего времени в РФ и большинство зарубежных мусоросжигательных заводов работают по методу сжигания на колосниках в слоевой топке [5]. Сжигание отходов в топках с псевдоожиженным слоем широко распространено в Японии, в США работает завод по сжиганию отходов в циркулирующем псевдоожиженном слое [5]. По литературным данным [5], эти технологии не решают проблему утилизации и обезвреживания шлака и особенно летучей золы. Обезвредить их позволяют комбинированные технологии сжигания отходов при высокой температуре, например, «пиролиз — высокотемпературное сжигание». Первый крупномасштабный завод, работающий по данной технологии, построен в Германии. По данным на 2010 г., на заводе проводились только промышленные испытания [5].

Утилизация отходов в России имеет ряд особенностей, главная из них — суровый климат: из-за высокой влажности бытовых отходов их калорийность невысока [5]. Котельные установки, сжигающие твердые отходы, имеют низкий КПД, поскольку ограничение по параметрам пара обусловлено чрезвычайной коррозионной агрессивностью продуктов сгорания твердых отходов [25]. На практике оказалось, что использование отходов как топлива, приводит к еще большему загрязнению природной среды: потребление электроэнергии не постоянно, что, соответственно, приводит к колебаниям нагрузки топок мусоросжигающих котлов и, как следствие, — к дополнительному недожогу отходов и к ещё большему выбросу вредных веществ с дымовыми газами, шлаком, золой и сточными водами [26].

Более того, в работе [15] показано, что «простое использование органических отходов в качестве энергетического топлива является малоэффективными ввиду низкого удельного содержания углерода в отходах и связанных с этим высоких затрат на транспортировку данного топлива к месту использования».

Таким образом, технологии использования отходов как топливного материала, сжигание которого сопровождается выделением тепла и выработкой электричества, обладают, к сожалению, рядом существенных недостатков, препятствующих их широкому применению на практике.

На сегодняшний день альтернативным способом [15, 27, 28] использования полимерных отходов в энергетических системах и комплексах является получение из этих отходов водорода, представляющего собой высокоэффективное экологически чистое топливо для транспорта и развития водородной энергетики. В настоящее время вопросам получения, хранения и использования водорода в качестве энергетического топлива уделяется значительное внимание как со стороны государства, так и крупных коммерческих структур [27 — 31].

Согласно различным данным, обобщенным в [31], имеется две группы оценок мирового производства водорода. Согласно первой из них, «ежегодное мировое производство водорода к концу 1990-х гг. составляло 40 — 45 млн. т или 450 — 500 млрд. м ». Согласно второй группе оценок, мировое производство водорода составило 60 млн. т на 1990 и 80 млн. т на 1998 г. Как подчёркивается в [31], «в любом случае указанные объемы являются значитель-

Серия 4. Химическое машиностроение и инженерная экология ными, соответствуя 20 — 25 % ежегодной мировой добычи природного газа». При этом «основными потребителями водорода (95 %) является химическая промышленность и нефтепереработка».

Оценки показывают, что на сегодняшний день из полимерных отходов, захораниваемых на свалках, можно произвести 0,75 млн. т водорода в год. Помимо производства водорода переработка полимерных отходов может сопровождаться получением другой ликвидной продукции, например карбидов, хлоридов. Очевидно, что для стран, где мусора много (например, как Япония и Израиль [28]), это важно. По оценке, приведенной в [28], в развитой индустриальной стране семья производит в год достаточно мусора, чтобы на водороде, полученном из семейных отходов, мог бы целый год работать автомобиль. Если учесть потенциальную возможность производства водорода из других токсичных органических соединений смешанного класса опасности, подлежащих уничтожению, то общее количество водорода, которое можно получать из соединений, подлежащих уничтожению, может составить 2 -3 млн. т в год.

Заключение

Раскрытые конкретные проблемы современной экологии и энергетики показали настоятельную необходимость в их решении. Наиболее эффективным комплексным решением обозначенных проблем является переработка полимерных отходов в энергетических системах и комплексах в водород и другую ликвидную продукцию.

Использование полимерных отходов в энергетических системах и комплексах обеспечит предотвращение масштабного экологического кризиса, обусловленного отсутствием технологий переработки полимерных отходов, удовлетворяющих современным требованиям экономики и ресурсосбережения, и расширение сырьевой базы энергетики за счет использования энергетического потенциала этих полимерных отходов.

Литература

1. Остаева Г.Ю., Потапов И.И. Полимерные отходы и окружающая среда // Экологически системы и приборы. — 2002. — № 12. — С. 51 — 58.

2. Пономарева В.Т., Лихачева Н.Н., Ткачик З.А.//Пластические массы, 2002. — №5. С. 44 — 48.

3. МДС 13-8.2000. Концепция обращения с твёрдыми бытовыми отходами в Российской Федерации. Госстрой России // Федеральный центр благоустройства и экологической безопасности города и сельских поселений России. — Москва, 1999. — № 17.

4. Лобачева К.Г., Желтобрюхов В.Ф., Прокопов И.И. и др. Состояние вопроса об отходах и современных способах их переработки.- Волгоград: ВолГУ, 2005. — 176 с.

5. Тугов, А. Не превратить планету в свалку / А. Тугов, Н. Эскин, Д. Литун, О. Федоров // Наука и жизнь. — 1998. — №5.

6. Систер В.Г., Мирный Л.И. Современные технологии обезвреживания и утилизации твёрдых бытовых отходов. — М.: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 2003. — 303 с.

7. Федоров Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. — М.: Наука, 1993. — 266с.

8. Киселев А. Названы главные опасности тлеющей свалки в Подмосковье // Электронно-периодическое издание «Взгляд.РУ». — 19.08.2010.

9. Любешкина Е. Обратная сторона упаковки // Наука и жизнь. — 2007. — № 3.

10. Герасимов А.В. Экологическая безопасность современной России: политика обеспечения // ЛГУ им. А.С.Пушкина, Моск. фил. — М.: РУДН, 2008. — 201 с.

11. Как сделать офис зелёным. Рекомендации Гринпис России. — М.: ОМННО «Совет Гринпис», 2010. — 65 с.

12. Мандалян Э. Мусорный остров // Русский Базар. — 2008. — № 2(612). С. — 10 — 16.

13. Мусорный остров. http://www.vokrugsveta.ru/news/8517/ (дата обращения 09.2011).

14. Катыс М. Свалки бытовых отходов и мусоросжигательные заводы — источники диоксинов // Радиосвобода. http://www.svoboda.org/programs/eco/2002/eco.053102.asp (дата обращения 08.2011).

15. Хомкин К.А. Экспериментальные исследования в обоснование технологии комплексной переработки органических отходов и природного газа в водород и углеродные материалы: дис. … канд. техн. наук. — Москва, 2005. — 141 с.

16. Коростылев, А.Б. Актуальные вопросы рециклинга, переработки отходов и чистых технологий / А.Б. Коростылев, Е.Ю. Быховская // Цветные металлы. — 2007. — №2. — С. 126.

17. Лаверов, Н.П. Топливно-энергетические ресурсы: состояние и рациональное использование / Н.П. Лаверов // Труды научной сессии РАН «Энергетика России: проблемы и перспективы» / под ред. В.Е. Фортова, Ю.Г. Леонова. — М.: Наука, 2006. — С. 21 — 29.

18. Ремизов М., Кричевский Н., Карева Р. и др. Доклад Института Национальной Стратегии. Новая энергетическая стратегия для России // Приложение N 1 к докладу ИНС «Национальная стратегия в условиях кризиса». — Агентство политических новостей. http://www.apn.ru/publications/article21190.htm (дата обращения 11.2013).

19. Израэль Ю.А., Рябошапко А.Г. Экологические проблемы энергетики: энергетика, климат, состояние окружающей среды // Труды научной сессии РАН «Энергетика России: проблемы и перспективы» / под ред. В.Е. Фортова, Ю.Г. Леонова. — М.: Наука, 2006. -С. 352 -362.

20. Цветков, Ю.В. Энергометаллургический комплекс на базе плазменных техники Энергетика России: проблемы и перспективы / Ю.В. Цветков // Труды научной сессии РАН «Энергетика России: проблемы и перспективы» / под ред. В.Е. Фортова, Ю.Г. Леонова. -М.: Наука, 2006. — С. 154 — 162.

21. Энергетика России: проблемы и перспективы // Труды научной сессии РАН / под ред. В.Е. Фортова, Ю.Г, Леонова. — М.: Наука, 2006. — С. 350.

22. Кузнецов, С.Н. Об экологической эффективности применения электроэнергетических комплексов / С.Н. Кузнецов // Энергетика и промышленность России. 2001. — №7 (11).

23. Кулаков А. Кто боится возобновляемой энергетики // Энергетика: тенденции и перспективы. — 2011. — № 10 (174).

24. Кузнецов С.Н. Об экономической эффективности ЭЭК // Энергетика и промышленность России. 2001. — № 8 (12).

25. Зеликов Е.Н. Повышение надёжности пароперегревателей котлов ТЭС для сжигания твёрдых бытовых отходов: дис. … канд. техн. наук / Е.Н. Зеликов. — Москва, 2008. — 185 а

26. Петров С.В., Бондаренко С.Г., Дидык Е.Г., Дидык А.А. Плазменные технологии в воспроизводимых источниках энергии//Энергетика и электрификация. 2010. № 1.- с. 53 — 59.

27. Шамардин, И.М. Проект создания Международного Технического Консорциума «Новые экологические и энергетические Проекты» / И.М. Шамардин // Аналитическая записка № 1. — 2009. — 39 с.

28. Месяц, Г. А. Водородная энергетика и топливные элементы / Г.А. Месяц, Г.А. Прохоров // Вестник Российской академии наук. — 2004. — № 7. С. 575 — 597.

29. Ковальчук, М.В. Водородная энергетика как составляющая топливно-энергетического комплекса России / М.В. Ковальчук // Федеральный справочник. Топливно-энергетический комплекс России. — 2011. №10.

30. Мазуренко, С. Перспективы водородной экономики. К итогам II Международного форума «Водородные технологии для развивающегося мира» / С. Мазуренко // Советник президента. — 2008.

31. Тарасов, Б.П. Водород для производства энергии: проблемы и перспективы / Б.П. Тарасов, М.В. Лотоцкий // Альтернативная энергетика и экология. — 2006. — № 8 (40). — С. 7290.

10 причин, почему крупные ГЭС опасны для экологии и общества

Богучанская ГЭС на реке Ангара в Красноярском крае

Фото: makhorov / prmira.ru

От 40 до 80 млн человек по всему миру были принудительно переселены для строительства 48 тыс. больших плотин, при котором прежние места жительства попадали в зону затопления. Целые города уходили под воду. Например, Корчева и Молога в Тверской области, старый Пучеж в Ивановской (новый Пучеж восстановлен «с нуля»).

Два миллиарда человек живут в странах с высоким уровнем нагрузки на водные ресурсы, в том числе из-за ГЭС. Это приводит к неравномерному распределению водных ресурсов: некоторые реки и ручьи осушают, огромные территории затапливают. Строительство крупных ГЭС нарушает установившийся баланс экосистем. Так, Иркутская ГЭС, сооруженная на Ангаре в 65 км от ее истока, спровоцировала повышение уровня воды озера Байкал в среднем на один метр. Это привело к разрушению берегов, оползням и обвалам. Под воду ушло 600 кв. км земель, было затоплено 127 населенных пунктов и переселено 17 тыс. человек.

К 2030 году из-за острой нехватки воды до 700 млн человек могут вынужденно покинуть свои жилища. Сегодня использование пресной воды значительно опережает возможности естественного восстановления ее запасов. Дефицит ценнейшего для жизни ресурса увеличивается из-за неудержимого роста потребления по всему миру.

Кариба — одно из трех крупнейших водохранилищ Африки — заполнено лишь на 16%. Образующая его ГЭС поставляет большую часть электроэнергии Замбии и Зимбабве. Существует высокая вероятность того, что если водохранилище, созданное в 1950-е годы, заполнится снова, плотина обрушится. В случае аварии большинство из трех миллионов человек, живущих неподалеку от водохранилища, погибнет или лишится имущества и урожая. Катастрофа выведет из строя около 40% генерирующих мощностей в 12 странах, расположенных на юге Африки.

Крупные ГЭС — затратные, медленно строятся, зависимы от крупных источников спроса — производств и городов — и не могут решать задачи мобильного обеспечения электричеством бедных регионов и труднодоступных поселений.

Несмотря на десятки тысяч ГЭС по всему миру, почти миллиард человек не имеет доступа к электричеству. В России, по данным за 2013 год, его были лишены 1,5 млн домохозяйств. Без электроэнергии бедные регионы и малообеспеченные слои населения не получат доступа к качественному здравоохранению, образованию, рабочим местам. Объекты солнечной и ветряной генерации (а также малые ГЭС) могут находиться вблизи от предприятия или небольшого поселения. Они способны обеспечить электричеством удаленные сельские районы, особенно — в развивающихся странах.

При строительстве плотин и наполнении водохранилищ происходит разрушение среды обитания растений и животных, вызванное обезвоживанием или пересыханием притоков рек и ручьев. Происходит и разрушение русла, связанное с избыточной подачей воды в период регулирования стока. Гидроэлектростанции наносят огромный урон популяциям рыб.

Климатические катаклизмы разрушают противопаводковые дамбы. Самые разрушительные паводковые наводнения последнего времени в России: Крымск — 2012 год; бассейн реки Амур — 2013-й; Амурская область, Еврейская АО, Хабаровский край — 2019 год.

Гидроэлектростанции вносят вклад в изменения климата. Водохранилища задерживают органику, приносимую водными потоками. При ее разложении выделяются значительные объемы парниковых газов. Источниками выбросов также выступают затапливаемые растения и почва.

Себестоимость производства на ГЭС во много раз выше, так как в нее заложены издержки, связанные со строительством плотины и закупкой оборудования. С 2010 по 2018 годы себестоимость «водного» киловатта в мире в среднем выросла на 25%, в то время как «ветряного» — снизилась на 25%, а «солнечного» — на 76%.

По состоянию на июнь 2019 года, ГЭС угрожали 42 из 250 объектов Всемирного природного наследия.

Иркутская ГЭС и три планируемые плотины в Монголии угрожают экосистеме озера Байкал. Работа планируемой правительством Камчатского края Жупановской ГЭС может негативно повлиять на состояние природного парка «Вулканы Камчатки».

Реализация плотинных мегапроектов идет вразрез с выводами доклада Всемирной комиссии по плотинам. В документе подробно разбиралось «богатое наследие» построенных гидроэлектростанций: экологические катастрофы и масштабная коррупция. В докладе говорилось, что строительство больших плотин следует планировать лишь в случаях, когда отсутствуют альтернативные варианты решения важных социально-экономических задач.

71% возобновляемой электроэнергии во всем мире вырабатывается ГЭС. В развивающихся странах в процессе строительства сейчас находятся около 3700 крупных и средних гидроэлектростанций.

ГЭС вырабатывают около 17% всей электроэнергии России. Согласно справочнику «Возобновляемая энергия. Гидроэлектростанции России», в РФ работают 193 ГЭС. Из них 15 — с установленной мощностью свыше 1000 МВт. Крупными считаются 86 объектов — их мощность превышает 25 МВт. В ряде регионов — Магаданской области и большинстве республик Северного Кавказа — гидроэнергетика обеспечивает более 90% всей вырабатываемой электроэнергии. Почти половина всех ГЭС в России располагается на реках Сибири, в первую очередь — на Енисее и его крупнейшем притоке — Ангаре.

Мировыми лидерами по выработке гидроэнергии являются Китай, Канада и Бразилия. Сейчас наиболее активно строит ГЭС КНР. Для Китая гидроэнергия — основной потенциальный источник энергии. В стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира и крупнейшая на планете ГЭС «Три ущелья» на реке Янцзы, мощностью около 22,5 тыс. МВт. Кроме того, в КНР возводится каскад ГЭС совокупной мощностью более 97 тыс. МВт.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.

Дарья Бекетова

Альтернативные источники энергии: почему они нужны всем

МОСКВА, 19 дек — ПРАЙМ. Использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ) человечество стало раньше, чем научилось добывать уголь, нефть и газ. Однако со временем потребление энергии росло — человеку индустриального общества требовалось уже в 100 раз больше энергии, чем в первобытную эпоху. И тогда обеспечить стабильную поставку таких мощностей стало возможным благодаря сжиганию ископаемого топлива. 

Сейчас человечество снова задумалось об использовании альтернативных источников энергии, так как запасы нефти и газа исчерпаемы, а их использование наносит большой вред окружающей среде, но уже на совершенно другом уровне. Ведь перемолоть муку на ветряной мельнице или обеспечить электроэнергией целый город с помощью ветрогенераторов — задачи разного масштаба. 

К основным видам ВИЭ сегодня относят гидроэнергетику, ветроэнергетику, гелиоэнергетику. В некоторых местах можно развивать волновую и геотермальную энергетику.

САМЫЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ВИЭ

Гидроэнергетика — самый распространенный способ добычи энергии из неисчерпаемого источника, теоретический потенциал которого оценивается в 30-40 ТВт·ч в год. Для ее работы необходимо построить плотину, разместить турбины, которые будет крутить вода. Явным преимуществом является стабильность выработки энергии и возможность ее контролировать, изменяя скорость потока воды. Среди недостатков — резкое изменение уровня воды в искусственных водохранилищах, нарушение нерестового цикла рыб и снижение количества кислорода в воде, что вредит флоре и фауне водоема.

Хитрости бизнеса. Как офшоры помогают компаниям экономить на налогах

Еще один перспективный источник — ветроэнергетика. Для добычи энергии таким способом необходимо установить специальные турбины, которые будет вращать ветер, за счет чего будет вырабатываться электричество. Ветряные турбины легко и дешево обслуживать, они не занимают много места, вращаются на высоте от 100 м, то есть, под ними можно, например, вести сельскохозяйственную деятельность. 

Иногда ветроэлектростанции (ВЭС) строят прямо в море. Такой проект в 2017 году разработали Дания, Нидерланды и Германия. Они собираются к 2050 году соорудить в море остров площадью 6 кв. км и разместить на нем турбины. Планируется, что такая станция сможет вырабатывать до 30 ГВт·ч в год энергии, а в перспективе — до 100 ГВт·ч в год. 

Однако у этого источника дешевой и чистой энергии есть несколько существенных недостатков — нестабильность и зависимость от места размещения. Ветер дует не везде и не всегда. А в местах, где ветер дует часто и с большой силой, как правило, не располагаются населенные пункты. Это повышает расходы на строительство линий электропередач и транспортировку энергии. Поэтому ветроэнергетика хороша именно как дополнительный источник энергии.

Альтернатива ВЭС — солнечные электростанции (СЭС), которые могут работать по нескольким принципам. В одном случае с помощью сфокусированных солнечных лучей нагревают резервуар с водой (температура пара в нем может доходить до 7000С), в другом — используются фотобатареи. Второй тип гораздо проще соорудить, устанавливать фотоэлементы можно практически везде, а стоимость их продолжает снижаться с развитием технологии производства. 

Что такое валютные войны и зачем их ведут

Главными недостатками СЭС является большая зависимость от места расположения, времени суток и сезона. Например, станция не будет вырабатывать энергию ночью, значительно меньше — в зимнее время года. Полностью обеспечить себя электричеством с помощью СЭС могут даже не все африканские страны. Поэтому солнечная энергетика на данном этапе тоже может служить только в качестве вспомогательного источника. 

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ДРУГИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

В волновой энергетике используются специальные модули, которые качаются на волнах и таким образом приводят в действие специальные поршни. Потенциал этого вида ВИЭ оценивают более чем в 2 ТВт·ч в год. Волновые электростанции защищают берега и набережные от разрушения, уменьшают воздействие на опоры и мосты. При правильной установке они не вредят окружающей среде, к тому же практически незаметны в море.

Среди недостатков — нестабильность (то есть станция вырабатывает меньше энергии во время штиля), шум, незаметность для водного транспорта, из-за чего необходимо дополнительно устанавливать сигнальные элементы. 

В некоторых местах устанавливают геотермальные станции (ГеоТЭС). Общий потенциал геотермальной энергии оценивается в 47 ТВт·ч в год, что соответствует выработке примерно 50 тысяч АЭС, но сейчас технологии позволяют получить доступ только к 2% от него — 840 ГВт·ч в год. Чтобы это сделать, роют две скважины, по одной из них подается вода, которая, нагреваясь от тепла земли, превращается в пар. Затем пар по трубе направляется в турбины. На разных этапах происходит его очистка от примесей. 

Главное преимущество геотермальной энергетики — стабильность, которую не могут обеспечить многие ВИЭ, и компактность, что удобно для районов со сложным рельефом. С другой стороны, вода, которая проходит через скважины, несет большое количество тяжелых металлов и других вредных веществ. При неправильной эксплуатации станции или при возникновении чрезвычайной ситуации, попадание в атмосферу и в почву этих веществ, может привести к экологической катастрофе локального масштаба. 

Кроме того, стоимость энергии ГеоТЭС выше, чем у ВЭС и СЭС, а мощность довольно невысокая.

Основная проблема практически всех перечисленных выше источников заключается в их нестабильности. Современные аккумуляторы не позволяют накапливать такое количество энергии, чтобы без потерь мощности использовать ее в ночное время или во время штиля. Один из вариантов — во время пиковых нагрузок поднимать воду в верхнюю часть водохранилища и потом во время затишья использовать ее для выработки энергии на ГЭС. 

Зарабатываем и делимся: популярно о дивидендах

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГИЯ В РОССИИ И В МИРЕ

На данный момент использование ВИЭ активно развивается в Европе, где страны вынуждены закупать топливо для работы традиционных электростанций. Но, по мнению некоторых экспертов, в развитии альтернативной энергетики заинтересованы и государства, чья экономика зависит от экспорта нефти и газа. Ведь если в некоторых регионах использовать ВИЭ вместо газа, это топливное сырье можно будет отправить на экспорт. 

Тем не менее, в России этот сектор энергетики развивается очень медленно. По данным аналитической компании Enerdata, в Норвегии около 97% электроэнергии добывается из альтернативных источников с учетом гидроэнергетики, около 80% — в Новой Зеландии и Бразилии. В Европе 30-40% энергии ВИЭ вырабатывается в Германии, Италии, Испании и Великобритании. В России этот показатель составляет всего 17,2%, из них доля СЭС и ВЭС — менее 1%.

Энергия в окружающей среде | Биология для майоров II

Опишите, как организмы приобретают энергию

Экосистема — это термин, который вы, вероятно, слышали раньше, но что такое экосистема? В этом разделе мы узнаем об экосистемах и о том, как энергия перемещается в системе. Это видео дает краткое введение в концепции, которые мы обсудим.

Цели обучения

• Объясните методы, которые используют экологи для изучения структуры и динамики экосистемы
• Различать пищевые цепи и пищевые сети и признавать важность каждого из них
• Опишите, как энергия течет через экосистемы

Экология экосистем

Жизнь в экосистеме часто связана с конкуренцией за ограниченные ресурсы, что характерно для теории естественного отбора.Конкуренция в сообществах (все живые существа в определенных средах обитания) наблюдается как внутри видов, так и между разными видами. Ресурсы, за которые конкурируют организмы, включают органический материал из живых или ранее живых организмов, солнечный свет и минеральные питательные вещества, которые обеспечивают энергию для жизненных процессов и материю, составляющую физические структуры организмов. Другими критическими факторами, влияющими на динамику сообщества, являются компоненты его физической и географической среды: широта среды обитания, количество осадков, топография (высота) и доступные виды.Все это важные переменные окружающей среды, которые определяют, какие организмы могут существовать в определенной области.

Экосистема — это сообщество живых организмов и их взаимодействия с абиотической (неживой) средой. Экосистемы могут быть небольшими, например, приливные бассейны у скалистых берегов многих океанов, или большими, например, тропические леса Амазонки в Бразилии (рис. 1).

Рис. 1. Экосистема приливных бассейнов (а) на острове Матиникус в штате Мэн — это небольшая экосистема, а (б) тропические леса Амазонки в Бразилии — большая экосистема.(кредит а: модификация работы «takomabibelot» / Flickr; кредит б: модификация работы Ивана Млинарича)

Экосистемы сложные, с множеством взаимодействующих частей. Они обычно подвергаются различным нарушениям или изменениям в окружающей среде, влияющим на их состав: годовые колебания количества осадков и температуры, а также более медленные процессы роста растений, что может занять несколько лет. Многие из этих нарушений являются результатом естественных процессов. Например, когда молния вызывает лесной пожар и разрушает часть лесной экосистемы, земля в конечном итоге заселяется травами, затем кустами и кустарниками, а позже — зрелыми деревьями, восстанавливая лес до его прежнего состояния.Воздействие нарушений окружающей среды, вызванных деятельностью человека, так же важно, как и изменения, вызванные естественными процессами. Человеческие методы ведения сельского хозяйства, загрязнение воздуха, кислотные дожди, глобальное обезлесение, чрезмерный вылов рыбы, эвтрофикация, разливы нефти и незаконные сбросы на сушу и в океан — все это вопросы, вызывающие озабоченность у защитников природы.

Равновесие — это устойчивое состояние экосистемы, в котором все организмы находятся в равновесии со своей средой и друг с другом. В экологии для измерения изменений в экосистемах используются два параметра: устойчивость и устойчивость.Способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения, называется сопротивлением . Скорость, с которой экосистема восстанавливает равновесие после нарушения, называется ее сопротивляемостью . Устойчивость и устойчивость экосистемы особенно важны при рассмотрении воздействия человека. Природа экосистемы может измениться до такой степени, что она может полностью потерять свою устойчивость. Этот процесс может привести к полному разрушению или необратимому изменению экосистемы.

Колюшка трехиглая

Теория естественного отбора убедительно доказывает, что изменения в окружающей среде играют важную роль в эволюции видов в экосистеме. Однако мало что известно о том, как эволюция видов в экосистеме может изменить экосистемную среду. В 2009 году доктор Люк Хармон из Университета Айдахо в Москве опубликовал статью, в которой впервые было показано, что эволюция организмов в подвиды может иметь непосредственное влияние на их экосистемную среду.

Рис. 2. Трехиглая колюшка превратилась из морской рыбы в пресноводную. (кредит: Барретт Пол, USFWS)

Трехиглая колюшка ( Gasterosteus aculeatus ) — пресноводная рыба, которая эволюционировала от морской рыбы и обитала в пресноводных озерах около 10 000 лет назад, что считается недавним достижением в эволюции. За последние 10 000 лет эти пресноводные рыбы оказались изолированными друг от друга в разных озерах. Результаты показали, что в зависимости от того, какая популяция озера изучалась, эти колюшки либо остались как один вид, либо превратились в два вида.Дивергенция видов стала возможной благодаря использованию ими для кормления различных участков пруда, называемых микронишами.

Доктор Хармон и его команда создали искусственные микрокосмы пруда в резервуарах на 250 галлонов и добавили навоз из пресноводных водоемов в качестве источника зоопланктона и других беспозвоночных для поддержания рыб. В разные экспериментальные аквариумы они вводили один вид колюшки из одно- или двухвидового озера.

Со временем команда заметила, что некоторые из аквариумов зацвели водорослями, а другие — нет.Это озадачило ученых, и они решили измерить растворенный в воде органический углерод (DOC), который состоит в основном из крупных молекул разлагающегося органического вещества, придающего воде пруда слегка коричневатый цвет. Оказалось, что вода из резервуаров с двухвидовой рыбой содержала более крупные частицы DOC (и, следовательно, более темную воду), чем вода с одновидовой рыбой. Это увеличение DOC блокировало солнечный свет и предотвращало цветение водорослей. И наоборот, вода из резервуара для одного вида содержала более мелкие частицы DOC, что позволяло проникать большему количеству солнечного света для подпитки цветения водорослей.

Это изменение в окружающей среде, вызванное разными привычками питания видов колюшки в каждом типе озер, вероятно, оказывает большое влияние на выживание других видов в этих экосистемах, особенно других фотосинтезирующих организмов. Таким образом, исследование показывает, что, по крайней мере, в этих экосистемах окружающая среда и эволюция популяций имеют взаимные эффекты, которые теперь могут быть учтены в имитационных моделях.

Исследования динамики экосистемы

Исследование изменений в структуре экосистемы, вызванных изменениями в окружающей среде (нарушениями) или внутренними силами, называется динамика экосистемы .Экосистемы характеризуются с помощью различных исследовательских методологий. Некоторые экологи изучают экосистемы с помощью контролируемых экспериментальных систем, некоторые изучают экосистемы целиком в их естественном состоянии, а другие используют оба подхода.

Целостная модель экосистемы пытается количественно оценить состав, взаимодействие и динамику целых экосистем; в естественном состоянии он является наиболее представительным из экосистемы. Пищевая сеть — это пример целостной модели экосистемы.Однако этот тип исследования ограничен временем и расходами, а также тем фактом, что проводить эксперименты на крупных природных экосистемах невыполнимо и неэтично. Трудно количественно оценить все различные виды в экосистеме и динамику их среды обитания, особенно при изучении таких крупных местообитаний, как тропические леса Амазонки, которые покрывают 1,4 миллиарда акров (5,5 миллиона км, ² ) поверхности Земли.

По этим причинам ученые изучают экосистемы в более контролируемых условиях.Экспериментальные системы обычно включают в себя либо разделение части естественной экосистемы, которая может быть использована для экспериментов, называемую мезокосмом , либо воссоздание экосистемы полностью в лабораторных условиях в помещении или на открытом воздухе, которое называется микрокосмом . Основным ограничением этих подходов является то, что удаление отдельных организмов из их естественной экосистемы или изменение естественной экосистемы путем разделения может изменить динамику экосистемы. Эти изменения часто связаны с различиями в количестве и разнообразии видов, а также с изменениями окружающей среды, вызванными разделением (мезокосм) или воссозданием (микрокосм) естественной среды обитания.Таким образом, эти типы экспериментов не полностью предсказывают изменения, которые могут произойти в экосистеме, из которой они были собраны.

Поскольку у обоих этих подходов есть свои ограничения, некоторые экологи предлагают использовать результаты этих экспериментальных систем только в сочетании с целостными исследованиями экосистем для получения наиболее репрезентативных данных о структуре, функциях и динамике экосистем.

Ученые используют данные, полученные в результате этих экспериментальных исследований, для разработки моделей экосистем, демонстрирующих структуру и динамику экосистем.В исследованиях и управлении экосистемами обычно используются три основных типа экосистемного моделирования: концептуальная модель, аналитическая модель и имитационная модель. Концептуальная модель — это модель экосистемы, которая состоит из блок-схем, показывающих взаимодействие различных частей живых и неживых компонентов экосистемы. Концептуальная модель описывает структуру и динамику экосистемы и показывает, как экологические нарушения влияют на экосистему; однако его способность предсказывать последствия этих нарушений ограничена.Аналитические и имитационные модели, напротив, представляют собой математические методы описания экосистем, которые действительно способны предсказывать последствия потенциальных изменений окружающей среды без прямого экспериментирования, хотя и с некоторыми ограничениями в отношении точности. Аналитическая модель — это модель экосистемы, созданная с использованием простых математических формул для прогнозирования воздействия нарушений окружающей среды на структуру и динамику экосистемы. Имитационная модель — это модель экосистемы, которая создается с использованием сложных компьютерных алгоритмов для целостного моделирования экосистем и прогнозирования воздействия нарушений окружающей среды на структуру и динамику экосистемы.В идеале эти модели достаточно точны, чтобы определять, какие компоненты экосистемы особенно чувствительны к нарушениям, и могут служить руководством для менеджеров экосистемы (например, экологов-экологов или рыбаков-биологов) в практическом поддержании здоровья экосистемы.

Концептуальные модели

Концептуальные модели полезны для описания структуры и динамики экосистемы, а также для демонстрации взаимоотношений между различными организмами в сообществе и их окружающей средой.Концептуальные модели обычно изображаются графически в виде блок-схем. Организмы и их ресурсы сгруппированы в определенные отсеки со стрелками, показывающими взаимосвязь и передачу энергии или питательных веществ между ними. Таким образом, эти схемы иногда называют купе-моделями.

Для моделирования круговорота минеральных питательных веществ органические и неорганические питательные вещества подразделяются на биодоступные (готовые к включению в биологические макромолекулы) и те, которые нет.Например, в наземной экосистеме около месторождения угля углерод будет доступен растениям этой экосистемы в виде углекислого газа в краткосрочный период, а не из самого богатого углеродом угля. Однако в течение более длительного периода микроорганизмы, способные переваривать уголь, будут включать его углерод или выделять его в виде природного газа (метан, CH ₄ ), превращая этот недоступный органический источник в доступный. Это преобразование значительно ускоряется сжиганием ископаемого топлива людьми, в результате чего в атмосферу выделяется большое количество углекислого газа.Считается, что это основной фактор повышения уровня углекислого газа в атмосфере в индустриальную эпоху. Углекислый газ, выделяемый при сжигании ископаемого топлива, производится быстрее, чем фотосинтезирующие организмы могут его использовать. Этот процесс усиливается за счет сокращения количества фотосинтезирующих деревьев из-за вырубки лесов во всем мире. Большинство ученых согласны с тем, что концентрация двуокиси углерода в атмосфере является основной причиной глобального изменения климата.

Аналитические и имитационные модели

Основным ограничением концептуальных моделей является их неспособность предсказать последствия изменений видов экосистемы и / или окружающей среды.Экосистемы являются динамическими объектами и подвержены множеству абиотических и биотических нарушений, вызванных природными силами и / или деятельностью человека. Экосистемы, вышедшие из исходного состояния равновесия, часто могут оправиться от таких нарушений и вернуться в состояние равновесия. Поскольку большинство экосистем подвержено периодическим нарушениям и часто находится в состоянии изменений, они обычно либо движутся к своему состоянию равновесия, либо от него. Среди различных компонентов экосистемы существует множество таких состояний равновесия, которые влияют на экосистему в целом.Кроме того, поскольку люди обладают способностью значительно и быстро изменять состав видов и среду обитания в экосистеме, потребность в прогностических моделях, позволяющих понять, как экосистемы реагируют на эти изменения, становится все более важной.

Аналитические модели часто используют простые линейные компоненты экосистем, такие как пищевые цепи, и известны своей математической сложностью; поэтому они требуют значительного количества математических знаний и опыта. Хотя аналитические модели обладают большим потенциалом, считается, что их упрощение сложных экосистем ограничивает их точность.Имитационные модели, использующие компьютерные программы, лучше справляются со сложной структурой экосистемы.

Недавняя разработка имитационного моделирования использует суперкомпьютеры для создания и запуска индивидуальных симуляций, которые учитывают поведение отдельных организмов и их влияние на экосистему в целом. Эти модели считаются наиболее точными и позволяют прогнозировать сложную реакцию экосистем на нарушения.

Посетите проект Дарвина, чтобы ознакомиться с различными моделями экосистемы.

Пищевые цепи и пищевые сети

Термин «пищевая цепь» иногда используется метафорически для описания социальных ситуаций человека. В этом смысле пищевые цепи рассматриваются как соревнование за выживание, например, «кто кого ест?» Кто-то ест, а кто-то ест. Поэтому неудивительно, что в нашем конкурентном обществе «собака ест-собаку» люди, которые считаются успешными, рассматриваются как находящиеся на вершине пищевой цепочки, потребляя всех остальных для своей выгоды, в то время как менее успешные рассматриваются как находясь внизу.

Рисунок 3. Это трофические уровни пищевой цепи в озере Онтарио на границе США и Канады. Энергия и питательные вещества текут от фотосинтезирующих зеленых водорослей, находящихся внизу, в верхней части пищевой цепочки: чавычи.

Научное понимание пищевой цепи более точное, чем при ее повседневном использовании. В экологии пищевая цепь представляет собой линейную последовательность организмов, через которые проходят питательные вещества и энергия: первичные производители, первичные потребители и потребители более высокого уровня используются для описания структуры и динамики экосистемы.По цепочке есть единственный путь. Каждый организм в пищевой цепи занимает так называемый трофический уровень . В зависимости от их роли производителей или потребителей виды или группы видов могут быть отнесены к разным трофическим уровням.

Во многих экосистемах нижняя часть пищевой цепи состоит из фотосинтезирующих организмов (растений и / или фитопланктона), которые называются первичными продуцентами . Организмы, которые потребляют первичных продуцентов, являются травоядными: первичных потребителей . Вторичные потребители обычно являются плотоядными животными, которые поедают основных потребителей. Третичные потребители — плотоядные животные, которые едят других хищников. Потребители более высокого уровня питаются на следующих более низких тропических уровнях и так далее, вплоть до организмов на вершине пищевой цепочки: потребителей на вершине . В пищевой цепи озера Онтарио, показанной на Рисунке 3, чавычи являются конечным потребителем на вершине этой пищевой цепи.

Одним из основных факторов, ограничивающих длину пищевых цепочек, является энергия.Энергия теряется в виде тепла между каждым трофическим уровнем из-за второго закона термодинамики. Таким образом, после ограниченного числа передач трофической энергии количество энергии, остающейся в пищевой цепи, может быть недостаточно большим для поддержания жизнеспособных популяций на еще более высоком трофическом уровне.

Потеря энергии между трофическими уровнями иллюстрируется новаторскими исследованиями Говарда Т. Одума в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида, в 1940-х годах (рис. 4). Первичные производители выработали 20 819 ккал / м ² / год (килокалорий на квадратный метр в год), первичные потребители выработали 3368 ккал / м ² / год, вторичные потребители выработали 383 ккал / м ² / год, а третичные потребители выработали только 21 ккал / м ² / год.Таким образом, для другого уровня потребителей в этой экосистеме остается мало энергии.

Рис. 4. Показана относительная энергия трофических уровней в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида. Каждый трофический уровень имеет меньше доступной энергии и поддерживает меньшее количество организмов на следующем уровне.

Есть одна проблема при использовании пищевых цепей для точного описания большинства экосистем. Даже когда все организмы сгруппированы по соответствующим трофическим уровням, некоторые из этих организмов могут питаться видами с более чем одного трофического уровня; аналогично, некоторые из этих организмов могут быть съедены видами с разных трофических уровней.Другими словами, линейная модель экосистем, пищевая цепь, не полностью описывает структуру экосистемы. Целостная модель, которая учитывает все взаимодействия между различными видами и их сложные взаимосвязанные отношения друг с другом и с окружающей средой, является более точной и описательной моделью для экосистем. Пищевая сеть — это графическое представление целостной нелинейной сети первичных производителей, первичных потребителей и потребителей более высокого уровня, используемой для описания структуры и динамики экосистемы (рис. 5).

Рис. 5. Эта трофическая сеть показывает взаимодействия между организмами на разных трофических уровнях в экосистеме озера Онтарио. Первичные производители обведены зеленым, первичные потребители — оранжевым, вторичные потребители — синим, а третичные (верхние) потребители — фиолетовым. Стрелки указывают на организм, который потребляет, на организм, который его потребляет. Обратите внимание, как некоторые линии указывают более чем на один трофический уровень. Например, креветки опоссума питаются как первичными производителями, так и первичными потребителями. (кредит: NOAA, GLERL)

Сравнение двух типов структурных моделей экосистем показывает их сильные стороны.Пищевые цепи более гибки для аналитического моделирования, за ними легче следить и с ними легче экспериментировать, тогда как модели пищевых сетей более точно представляют структуру и динамику экосистемы, а данные можно напрямую использовать в качестве входных данных для имитационного моделирования.

Отправляйтесь в этот интерактивный интерактивный симулятор, чтобы исследовать функцию пищевой сети. В поле Interactive Labs под Food Web щелкните Step 1 . Сначала прочтите инструкции, а затем щелкните Step 2 для получения дополнительных инструкций.Когда вы будете готовы создать симуляцию, в правом верхнем углу поля Interactive Labs щелкните OPEN SIMULATOR .

Два основных типа пищевых сетей часто взаимодействуют в рамках одной экосистемы. Пищевая сеть пастбищ (такая как пищевая сеть озера Онтарио на рисунке 5) имеет в своей основе растения или другие фотосинтезирующие организмы, за которыми следуют травоядные и различные плотоядные животные. Обломочная пищевая сеть состоит из основы организмов, которые питаются разлагающимся органическим веществом (мертвыми организмами), называемыми разложителями или детритофагами.Эти организмы обычно представляют собой бактерии или грибы, которые перерабатывают органический материал обратно в биотическую часть экосистемы, поскольку сами потребляются другими организмами. Поскольку все экосистемы нуждаются в методе вторичного использования материала мертвых организмов, большинство пастбищных пищевых цепей имеют связанную детритную пищевую сеть. Например, в экосистеме луга растения могут поддерживать пастбищную пищевую сеть, состоящую из различных организмов, первичных и других уровней потребителей, и в то же время поддерживать детритную пищевую сеть из бактерий, грибов и беспозвоночных, питающихся мертвыми растениями и животными. .

Последствия пищевых сетей: биологическое увеличение

Одним из наиболее важных экологических последствий динамики экосистемы является биомагнификация. Биомагнификация — это возрастающая концентрация стойких токсичных веществ в организмах на каждом трофическом уровне, от первичных продуцентов до конечных потребителей. Было показано, что многие вещества биоаккумулируются, в том числе классические исследования с пестицидом d ichloro d iphenyl t richloroethane (DDT), которые были опубликованы Рэйчел Карсон в бестселлере 1960-х годов Silent Spring .ДДТ был широко используемым пестицидом до того, как стало известно о его опасности. В некоторых водных экосистемах организмы каждого трофического уровня потребляли множество организмов более низкого уровня, что приводило к увеличению количества ДДТ у птиц (конечных потребителей), которые питались рыбой. Таким образом, птицы накопили достаточное количество ДДТ, чтобы их скорлупа стала ломкой. Этот эффект увеличивает разбиение яиц во время гнездования и, как было показано, оказывает неблагоприятное воздействие на эти популяции птиц. Использование ДДТ было запрещено в США в 1970-х годах.

Рис. 6. На этой диаграмме показаны концентрации ПХБ, обнаруженные на различных трофических уровнях в экосистеме залива Сагино озера Гурон. Числа на оси x отражают обогащение тяжелыми изотопами азота (15N), которое является маркером повышения трофического уровня. Обратите внимание, что рыбы на более высоких трофических уровнях накапливают больше ПХБ, чем рыбы на более низких трофических уровнях. (Источник: Патрисия Ван Хоф, NOAA, GLERL)

Другими веществами, способствующими биоусилению, являются полихлорированные бифенилы (ПХБ), которые использовались в охлаждающих жидкостях в Соединенных Штатах до тех пор, пока их использование не было запрещено в 1979 году, а также тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец и кадмий.Эти вещества лучше всего изучены в водных экосистемах, где виды рыб на разных трофических уровнях накапливают токсичные вещества, переносимые через экосистему первичными продуцентами. Как показано в исследовании, проведенном Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) в заливе Сагино озера Гурон (рис. 6), концентрации ПХБ увеличиваются за счет основных продуцентов экосистемы (фитопланктона) за счет различных трофических уровней видов рыб. Верхний потребитель (судак) имеет более чем в четыре раза больше ПХБ по сравнению с фитопланктоном.Кроме того, согласно результатам других исследований, птицы, которые едят эту рыбу, могут иметь уровни ПХБ, по крайней мере, на порядок выше, чем в озерной рыбе.

Другие проблемы были вызваны накоплением тяжелых металлов, таких как ртуть и кадмий, в определенных типах морепродуктов. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) рекомендует беременным женщинам и маленьким детям не употреблять в пищу рыбу-меч, акулу, королевскую макрель или плиточную рыбу из-за высокого содержания в них ртути.Этим людям рекомендуется есть рыбу с низким содержанием ртути: лосось, тилапию, креветки, минтай и сом. Биомагнификация — хороший пример того, как динамика экосистемы может влиять на нашу повседневную жизнь, даже на пищу, которую мы едим.

Поток энергии через экосистемы

Все живые существа в той или иной форме нуждаются в энергии. Энергия требуется наиболее сложным метаболическим путям (часто в форме аденозинтрифосфата, АТФ), особенно тем, которые отвечают за построение больших молекул из более мелких соединений, а сама жизнь — это процесс, управляемый энергией.Живые организмы не смогли бы собрать макромолекулы (белки, липиды, нуклеиновые кислоты и сложные углеводы) из своих мономерных субъединиц без постоянного ввода энергии.

Важно понимать, как организмы получают энергию и как эта энергия передается от одного организма к другому через пищевые сети и составляющие их пищевые цепи. Пищевые сети показывают, как энергия течет через экосистемы, в том числе насколько эффективно организмы ее получают, используют и сколько остается для использования другими организмами пищевой сети.

Как организмы приобретают энергию в пищевой сети

Энергия приобретается живыми существами тремя способами: фотосинтезом, хемосинтезом, а также потреблением и перевариванием других живых или ранее живых организмов гетеротрофами.

Фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы сгруппированы в категорию, известную как автотрофы: организмы, способные синтезировать свою собственную пищу (более конкретно, способные использовать неорганический углерод в качестве источника углерода). Фотосинтетические автотрофы (фотоавтотрофы) используют солнечный свет в качестве источника энергии, тогда как хемосинтетические автотрофы (хемоавтотрофы) используют неорганические молекулы в качестве источника энергии.Автотрофы важны для всех экосистем. Без этих организмов энергия не была бы доступна другим живым организмам, а сама жизнь была бы невозможна.

Рис. 7. Плавучие креветки, несколько приземистых омаров и сотни мидий видны у гидротермального источника на дне океана. Поскольку солнечный свет не проникает на эту глубину, экосистема поддерживается хемоавтотрофными бактериями и органическим материалом, который тонет с поверхности океана. Этот снимок был сделан в 2006 году у затопленного вулкана Северо-Западный Эйфуку у побережья Японии Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA).Вершина этого высокоактивного вулкана находится на 1535 м ниже поверхности.

Фотоавтотрофы , такие как растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии, служат источником энергии для большинства экосистем мира. Эти экосистемы часто описываются пастбищными пищевыми цепями. Фотоавтотрофы используют солнечную энергию солнца, преобразовывая ее в химическую энергию в форме АТФ (и НАДФ). Энергия, запасенная в АТФ, используется для синтеза сложных органических молекул, таких как глюкоза.

Хемоавтотрофы — это в первую очередь бактерии, которые встречаются в редких экосистемах, где отсутствует солнечный свет, например, в экосистемах, связанных с темными пещерами или гидротермальными жерлами на дне океана (рис. 7). Многие хемоавтотрофы в гидротермальных источниках используют сероводород (H ₂ S), который выделяется из источников в качестве источника химической энергии. Это позволяет хемоавтотрофам синтезировать сложные органические молекулы, такие как глюкоза, для получения собственной энергии и, в свою очередь, поставлять энергию остальной части экосистемы.

Производительность на трофических уровнях

Продуктивность внутри экосистемы можно определить как процент энергии, поступающей в экосистему, включенной в биомассу на определенном трофическом уровне. Биомасса — это общая масса на единицу площади на момент измерения живых или ранее живых организмов в пределах трофического уровня. Экосистемы имеют характерные количества биомассы на каждом трофическом уровне. Например, в экосистеме Ла-Манша у первичных производителей биомасса составляет 4 г / м ² (граммов на квадратный метр), а у первичных потребителей биомасса составляет 21 г / м ² .

Продуктивность первичных продуцентов особенно важна в любой экосистеме, потому что эти организмы передают энергию другим живым организмам посредством фотоавтотрофии или химиоавтотрофии. Скорость, с которой первичные производители фотосинтеза поглощают энергию солнца, называется валовой первичной продуктивностью . Пример валовой первичной продуктивности показан на диаграмме потоков энергии в классическом исследовании Ховардом Т. Одумом целостной экосистемы Силвер-Спрингс, Флорида, середины двадцатого века (рис. 8).Это исследование показывает содержание энергии и передачу между различными частями экосистемы. В этой экосистеме общая энергия, накопленная первичными производителями (валовая первичная продуктивность), составила 20 810 ккал / м ² / год.

Рис. 8. Эта концептуальная модель показывает поток энергии через весеннюю экосистему в Силвер-Спрингс, Флорида. Обратите внимание, что энергия уменьшается с каждым повышением трофического уровня.

Практический вопрос

Как вы думаете, почему значение валовой производительности первичных производителей такое же, как значение общего тепла и дыхания (20 810 ккал / м ² / год)?

Покажи ответ

Согласно первому закону термодинамики, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.В конце концов, вся энергия, потребляемая живыми системами, теряется в виде тепла или используется для дыхания, и общий выход энергии системы должен равняться энергии, которая ушла в нее.

Поскольку все организмы должны использовать часть этой энергии для своих собственных функций (таких как дыхание и, как следствие, метаболическая потеря тепла), ученые часто ссылаются на чистую первичную продуктивность экосистемы. Чистая первичная продуктивность — это энергия, которая остается у первичных производителей после учета дыхания организмов и потерь тепла.Таким образом, чистая продуктивность становится доступной для первичных потребителей на следующем трофическом уровне. В нашем примере «Серебряный источник» 13 187 из 20 810 ккал / м ² / год были использованы для дыхания или были потеряны в виде тепла, оставив 7 632 ккал / м ² / год энергии для использования первичными потребителями.

Экологическая эффективность

Как показано на Рисунке 8, большие количества энергии теряются из экосистемы с одного трофического уровня на следующий уровень, поскольку энергия течет от первичных производителей через различные трофические уровни потребителей и разлагателей.Основная причина этой потери — второй закон термодинамики, который гласит, что всякий раз, когда энергия преобразуется из одной формы в другую, в системе возникает тенденция к беспорядку (энтропии). В биологических системах это означает, что большая часть энергии теряется в виде метаболического тепла, когда организмы одного трофического уровня потребляют следующий уровень. В примере с экосистемой Силвер-Спрингс (рис. 8) мы видим, что первичные потребители производили 1103 ккал / м ² / год из 7618 ккал / м ² / год энергии, доступной им от первичных производителей.Измерение эффективности передачи энергии между двумя последовательными трофическими уровнями называется эффективностью передачи трофического уровня (TLTE) и определяется формулой:

[латекс] \ text {TLTE} = \ frac {\ text {добыча на текущем трофическом уровне}} {\ text {добыча на предыдущем трофическом уровне}} \ times {100} [/ latex]

В Силвер-Спрингс TLTE между первыми двумя трофическими уровнями составлял примерно 14,8 процента. Низкая эффективность передачи энергии между трофическими уровнями обычно является основным фактором, ограничивающим длину пищевых цепей, наблюдаемых в пищевой сети.Дело в том, что после четырех-шести передач энергии остается недостаточно энергии для поддержания другого трофического уровня. Возвращаясь к примеру с озером Онтарио (показано на рисунке 9), между основным продуцентом (зеленые водоросли) и конечным потребителем (чавычи) произошло только три передачи энергии.

Рис. 9. Эта трофическая сеть показывает взаимодействия между организмами на разных трофических уровнях в экосистеме озера Онтарио. Первичные производители обведены зеленым, первичные потребители — оранжевым, вторичные потребители — синим, а третичные (верхние) потребители — фиолетовым.Стрелки указывают на организм, который потребляет, на организм, который его потребляет. Обратите внимание, как некоторые линии указывают более чем на один трофический уровень. Например, креветки опоссума питаются как первичными производителями, так и первичными потребителями. (кредит: NOAA, GLERL)

У экологов есть много различных методов измерения передачи энергии в экосистемах. Некоторые перемещения легче или сложнее измерить в зависимости от сложности экосистемы и того, какой доступ ученые имеют для наблюдения за экосистемой.Другими словами, некоторые экосистемы труднее изучать, чем другие, и иногда необходимо оценивать количественную оценку передачи энергии.

Еще одним основным параметром, который важен для характеристики потока энергии в экосистеме, является чистая эффективность производства. Чистая эффективность производства (NPE) позволяет экологам количественно оценить, насколько эффективно организмы определенного трофического уровня включают энергию, которую они получают, в биомассу; рассчитывается по следующей формуле:

[латекс] \ text {NPE} = \ frac {\ text {чистая продуктивность потребителя}} {\ text {assimilation}} \ times {100} [/ latex]

Чистая потребительская продуктивность — это количество энергии, доступное организмам следующего трофического уровня. Ассимиляция — это биомасса (содержание энергии, произведенное на единицу площади) текущего трофического уровня после учета энергии, потерянной из-за неполного приема пищи, энергии, используемой для дыхания, и энергии, потерянной в виде отходов. Неполный прием означает, что некоторые потребители съедают только часть пищи. Например, когда лев убивает антилопу, он съест все, кроме шкуры и костей. У льва отсутствует богатый энергией костный мозг внутри кости, поэтому лев не использует все калории, которые может дать его добыча.

Таким образом, NPE измеряет, насколько эффективно каждый трофический уровень использует и включает энергию из своей пищи в биомассу для подпитки следующего трофического уровня. В целом хладнокровные животные (эктотермы), такие как беспозвоночные, рыбы, земноводные и рептилии, используют меньше энергии, которую они получают для дыхания и тепла, чем теплокровные животные (эндотермы), такие как птицы и млекопитающие. Дополнительное тепло, выделяемое в эндотермах, хотя и является преимуществом с точки зрения активности этих организмов в более холодной окружающей среде, является основным недостатком с точки зрения NPE.Поэтому многим эндотермам приходится есть чаще, чем эктотермам, чтобы получать энергию, необходимую для выживания. В целом NPE для эктотерм на порядок (в 10 раз) выше, чем для эндотерм. Например, NPE для гусеницы, поедающей листья, составляет 18 процентов, тогда как NPE для белки, поедающей желуди, может составлять всего 1,6 процента.

Неэффективность использования энергии теплокровными животными имеет серьезные последствия для мирового продовольственного снабжения. Широко признано, что мясная промышленность использует большие количества сельскохозяйственных культур для кормления скота, а из-за низкого NPE большая часть энергии кормов для животных теряется.Например, производство 1000 диетических калорий (ккал) кукурузы или соевых бобов стоит около 1 цента, а производство такого же количества калорий для выращивания крупного рогатого скота для потребления говядины — примерно 0,19 доллара. Молоко крупного рогатого скота с таким же содержанием энергии стоит около 0,16 доллара за 1000 ккал. Большая часть этой разницы связана с низким NPE крупного рогатого скота. Таким образом, во всем мире набирает силу движение по продвижению потребления немясных и немолочных пищевых продуктов, чтобы сократить расход энергии на кормление животных для мясной промышленности.

Экологические пирамиды

Структуру экосистем можно визуализировать с помощью экологических пирамид, которые были впервые описаны в новаторских исследованиях Чарльза Элтона в 1920-х годах. Экологические пирамиды показывают относительное количество различных параметров (таких как количество организмов, энергия и биомасса) на трофических уровнях.

Пирамиды чисел могут быть как вертикальными, так и перевернутыми, в зависимости от экосистемы. Как показано на Рисунке 10, на типичных пастбищах летом росло множество растений, и количество организмов уменьшается на каждом трофическом уровне.Однако летом в лесу с умеренным климатом основание пирамиды состоит из нескольких деревьев по сравнению с количеством основных потребителей, в основном насекомых. Поскольку деревья большие, они обладают отличной фотосинтетической способностью и доминируют над другими растениями в этой экосистеме, чтобы получить солнечный свет. Даже в меньшем количестве первичные производители в лесах все еще способны поддерживать другие трофические уровни.

Другой способ визуализации структуры экосистемы — пирамиды биомассы. Эта пирамида измеряет количество энергии, преобразованной в живую ткань на различных трофических уровнях.Используя пример экосистемы Силвер-Спрингс, эти данные демонстрируют вертикальную пирамиду биомассы (рис. 10), тогда как пирамида из примера Ла-Манша перевернута. Растения (основные продуценты) экосистемы Силвер-Спрингс составляют большой процент биомассы, обнаруженной там. Однако фитопланктон в примере Ла-Манша составляет меньше биомассы, чем его основные потребители — зоопланктон. Как и в случае с перевернутыми пирамидами чисел, эта перевернутая пирамида возникает не из-за недостаточной продуктивности первичных продуцентов, а из-за высокой скорости обновления фитопланктона.Фитопланктон быстро потребляется основными потребителями, таким образом сводя к минимуму их биомассу в любой конкретный момент времени. Однако фитопланктон быстро размножается, поэтому он способен поддерживать остальную экосистему.

Моделирование экосистемы

Pyramid также можно использовать для демонстрации потока энергии через трофические уровни. Обратите внимание, что эти числа совпадают с числами, использованными на диаграмме потока энергии на рисунке 8. Пирамиды энергии всегда вертикальные, и экосистема без достаточной первичной продуктивности не может поддерживаться.Все типы экологических пирамид полезны для характеристики структуры экосистемы. Однако при изучении потока энергии через экосистему энергетические пирамиды являются наиболее последовательными и репрезентативными моделями структуры экосистемы (рис. 10).

Рис. 10. Экологические пирамиды изображают (а) биомассу, (б) количество организмов и (в) энергию на каждом трофическом уровне.

Практический вопрос

Пирамиды, изображающие количество организмов или биомассу, могут быть перевернутыми, вертикальными или даже ромбовидными.Однако энергетические пирамиды всегда вертикальные. Почему?

Покажи ответ

Пирамиды организмов могут быть перевернутыми или иметь форму ромба, потому что большой организм, такой как дерево, может поддерживать множество более мелких организмов. Точно так же низкая биомасса организмов может поддерживать большую биомассу на следующем трофическом уровне, потому что организмы быстро размножаются и, таким образом, обеспечивают непрерывное питание. Однако энергетические пирамиды всегда должны быть вертикальными из-за законов термодинамики. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена; таким образом, каждый трофический уровень должен получать энергию от трофического уровня ниже.Второй закон термодинамики гласит, что во время передачи энергии некоторая часть энергии всегда теряется в виде тепла; таким образом, на каждом более высоком трофическом уровне доступно меньше энергии.

Пирамиды организмов могут быть перевернутыми или иметь форму ромба, потому что большой организм, такой как дерево, может поддерживать множество более мелких организмов. Точно так же низкая биомасса организмов может поддерживать большую биомассу на следующем трофическом уровне, потому что организмы быстро размножаются и, таким образом, обеспечивают непрерывное питание. Однако энергетические пирамиды всегда должны быть вертикальными из-за законов термодинамики.Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена; таким образом, каждый трофический уровень должен получать энергию от трофического уровня ниже. Второй закон термодинамики гласит, что во время передачи энергии некоторая часть энергии всегда теряется в виде тепла; таким образом, на каждом более высоком трофическом уровне доступно меньше энергии.

Резюме: Экология экосистем

Экосистемы существуют на суше, в море, в воздухе и под землей. Чтобы понять, как нарушения окружающей среды повлияют на структуру и динамику экосистемы, необходимы различные способы моделирования экосистем.Концептуальные модели полезны, чтобы показать общие отношения между организмами и потоками материалов или энергии между ними. Аналитические модели используются для описания линейных пищевых цепочек, а имитационные модели лучше всего работают с целостными пищевыми цепями.

Организмы в экосистеме приобретают энергию различными способами, которая передается между трофическими уровнями, когда энергия течет снизу вверх по пищевой сети, с потерей энергии при каждой передаче. Эффективность этих перемещений важна для понимания различий в поведении и пищевых привычках теплокровных и хладнокровных животных.Моделирование энергии экосистемы лучше всего проводить с помощью экологических пирамид энергии, хотя другие экологические пирамиды предоставляют другую важную информацию о структуре экосистемы.

Проверьте свое понимание

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

Поток энергии через экосистемы — Биологические концепции

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите основные типы экосистем Земли
• Различать пищевые цепи и пищевые сети и признавать важность каждого из них
• Опишите, как организмы приобретают энергию в пищевой сети и в связанных пищевых цепях
• Объясните, как эффективность передачи энергии между трофическими уровнями влияет на экосистему

Экосистема — это сообщество живых организмов и их абиотической (неживой) среды.Экосистемы могут быть небольшими, например, приливные бассейны у скалистых берегов многих океанов, или большими, например, в тропических лесах Амазонки в Бразилии ([Рис. 1]).

Рисунок 1: Экосистема приливного бассейна (а) на острове Матиникус, штат Мэн, представляет собой небольшую экосистему, а (б) тропический лес Амазонки в Бразилии — это большая экосистема. (Фото a: модификация работы Джима Куна; кредит b: модификация работы Ивана Млинарича)

Есть три широкие категории экосистем, основанные на их общей окружающей среде: пресноводные, морские и наземные.В эти три категории входят отдельные типы экосистем в зависимости от среды обитания и присутствующих организмов.

Жизнь в экосистеме часто связана с конкуренцией за ограниченные ресурсы, которая происходит как внутри одного вида, так и между разными видами. Организмы соревнуются за пищу, воду, солнечный свет, пространство и минеральные питательные вещества. Эти ресурсы обеспечивают энергию для метаболических процессов и материю для создания физических структур организмов. Другими критическими факторами, влияющими на динамику сообщества, являются компоненты его физической среды: климат среды обитания (времена года, солнечный свет и осадки), высота над уровнем моря и геология.Все они могут быть важными переменными окружающей среды, которые определяют, какие организмы могут существовать в определенной области.

Пресноводные экосистемы являются наименее распространенными, они встречаются только на 1,8 процента поверхности Земли. Эти системы включают озера, реки, ручьи и родники; они довольно разнообразны и поддерживают множество животных, растений, грибов, простейших и прокариот.

Наиболее распространены морские экосистемы, занимающие 75 процентов поверхности Земли и состоящие из трех основных типов: мелководный океан, глубоководная вода и глубокое океанское дно.Мелководные океанические экосистемы включают чрезвычайно биоразнообразные экосистемы коралловых рифов, однако глубоководные воды океана известны большим количеством планктона и криля (мелких ракообразных), которые поддерживают их. Эти две среды особенно важны для аэробных респираторов во всем мире, поскольку фитопланктон выполняет 40 процентов всего фотосинтеза на Земле. Хотя экосистемы глубоководного дна океана не так разнообразны, как два других, они содержат большое разнообразие морских организмов. Такие экосистемы существуют даже на глубинах, где свет не может проникать сквозь воду.

Наземные экосистемы, также известные своим разнообразием, сгруппированы в большие категории, называемые биомами. Биом — это крупномасштабное сообщество организмов, в первую очередь определяемое на суше доминирующими типами растений, которые существуют в географических регионах планеты со схожими климатическими условиями. Примеры биомов включают тропические леса, саванны, пустыни, луга, леса умеренного пояса и тундры. Объединение этих экосистем в несколько категорий биомов скрывает большое разнообразие отдельных экосистем внутри них.Например, кактусы сагуаро ( Carnegiea gigantean ) и другие растения в пустыне Сонора в США относительно разнообразны по сравнению с безлюдной каменистой пустыней Боа-Виста, островом у побережья Западной Африки ([Рис. 2]).

Рисунок 2: Экосистемы пустынь, как и все экосистемы, могут сильно различаться. Пустыня в (а) национальном парке Сагуаро, штат Аризона, богата растительной жизнью, а каменистая пустыня (б) острова Боа-Виста, Кабо-Верде, Африка, лишена растительной жизни.(кредит а: модификация работы Джея Гэлвина; кредит б: модификация работы Инго Вёльберна)

Экосистемы и нарушения

Экосистемы сложные, с множеством взаимодействующих частей. Они обычно подвергаются различным воздействиям: изменениям в окружающей среде, влияющим на их состав, например, годовые колебания количества осадков и температуры. Многие нарушения являются результатом естественных процессов. Например, когда молния вызывает лесной пожар и разрушает часть лесной экосистемы, земля в конечном итоге заселяется травами, затем кустами и кустарниками, а позже — зрелыми деревьями: таким образом, лес возвращается в свое прежнее состояние.Этот процесс настолько универсален, что экологи дали ему название — преемственность. Влияние нарушений окружающей среды, вызванных деятельностью человека, сейчас столь же значимо, как и изменения, вызванные естественными процессами. Человеческие методы ведения сельского хозяйства, загрязнение воздуха, кислотные дожди, глобальное обезлесение, чрезмерный вылов рыбы, разливы нефти и незаконные сбросы отходов на сушу и в океан — все это оказывает воздействие на экосистемы.

Равновесие — это динамическое состояние экосистемы, в котором, несмотря на изменения количества и встречаемости видов, биоразнообразие остается в некоторой степени постоянным.В экологии для измерения изменений в экосистемах используются два параметра: устойчивость и устойчивость. Способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения, называется сопротивлением. Скорость, с которой экосистема восстанавливает равновесие после нарушения, называется устойчивостью. Устойчивость и устойчивость экосистемы особенно важны при рассмотрении воздействия человека. Природа экосистемы может измениться до такой степени, что она может полностью потерять свою устойчивость. Этот процесс может привести к полному разрушению или необратимому изменению экосистемы.

Пищевая цепь — это линейная последовательность организмов, через которую проходят питательные вещества и энергия, когда один организм ест другой; уровни пищевой цепи — это производители, первичные потребители, потребители более высокого уровня и, наконец, разлагатели. Эти уровни используются для описания структуры и динамики экосистемы. Есть единственный путь через пищевую цепочку. Каждый организм в пищевой цепи занимает определенный трофический уровень (энергетический уровень), свое положение в пищевой цепи или пищевой сети.

Во многих экосистемах основу или основу пищевой цепи составляют фотосинтезирующие организмы (растения или фитопланктон), которые называются продуцентами.Организмы, которые потребляют производителей, являются травоядными животными: основными потребителями. Вторичными потребителями обычно являются плотоядные животные, которые поедают основных потребителей. Потребители третичного уровня — плотоядные животные, которые едят других хищников. Потребители более высокого уровня питаются на следующих более низких трофических уровнях и так далее, вплоть до организмов на вершине пищевой цепи: потребителей на вершине. В пищевой цепи озера Онтарио, показанной на [Рис. 3], чавычи являются конечным потребителем на вершине этой пищевой цепи.

Рисунок 3: Это трофические уровни пищевой цепи в озере Онтарио на границе США и Канады.Энергия и питательные вещества текут от фотосинтезирующих зеленых водорослей в основании к вершине пищевой цепочки: чавычи. (кредит: модификация работы Национального управления океанических и атмосферных исследований / NOAA)

Одним из основных факторов, ограничивающих количество шагов в пищевой цепи, является энергия. Энергия теряется на каждом трофическом уровне и между трофическими уровнями в виде тепла и при передаче деструкторам ([Рисунок 4]). Таким образом, после ограниченного числа передач трофической энергии количество энергии, остающейся в пищевой цепи, может быть недостаточно большим для поддержания жизнеспособных популяций на еще более высоком трофическом уровне.

Рисунок 4: Показана относительная энергия на трофических уровнях в экосистеме Силвер-Спрингс, Флорида. Каждый трофический уровень имеет меньше доступной энергии и обычно, но не всегда, поддерживает меньшую массу организмов на следующем уровне.

При использовании пищевых цепочек для описания большинства экосистем возникает одна проблема. Даже когда все организмы сгруппированы по соответствующим трофическим уровням, некоторые из этих организмов могут питаться более чем на одном трофическом уровне; Точно так же некоторые из этих организмов могут питаться на нескольких трофических уровнях.Кроме того, виды питаются и поедаются более чем одним видом. Другими словами, линейная модель экосистем, пищевая цепь, является гипотетическим, чрезмерно упрощенным представлением структуры экосистемы. Целостная модель, включающая все взаимодействия между различными видами и их сложные взаимосвязанные отношения друг с другом и с окружающей средой, является более точной и описательной моделью для экосистем. Пищевая сеть — это концепция, которая учитывает множественные трофические (пищевые) взаимодействия между каждым видом и множеством видов, которыми он может питаться или которые питаются им.В пищевой сети несколько трофических связей между каждым видом и другими видами, которые с ним взаимодействуют, могут пересекать несколько трофических уровней. Движение вещества и энергии практически во всех экосистемах более точно описывается пищевыми цепями ([Рисунок 5]).

Рисунок 5: Эта пищевая сеть показывает взаимодействия между организмами на трофических уровнях. Стрелки указывают на организм, который потребляет, на организм, который его потребляет. Все производители и потребители в конечном итоге становятся пищей для разложителей (грибов, плесени, дождевых червей и бактерий в почве).(кредит «лиса»: модификация работы Кевина Бахера, NPS; кредит «сова»: модификация работы Джона и Карен Холлингсворт, USFWS; кредит «змея»: модификация работы Стива Джурветсона; кредит «малиновка»: модификация работы работа Алана Вернона; кредит «лягушка»: модификация работы Алессандро Катенацци; кредит «паук»: модификация работы «Sanba38» / Wikimedia Commons; кредит «сороконожка»: модификация работы «Bauerph» / Wikimedia Commons; «Белка»: модификация работы Доун Хучек; кредит «мышь»: модификация работы NIGMS, NIH; кредит «воробей»: модификация работы Дэвида Фрила; кредит «жук»: модификация работы Скотта Бауэра, Министерство сельского хозяйства США. Исследовательская служба; кредитные «грибы»: модификация работы Криса Ви; кредитная «плесень»: модификация работы доктораЛюсиль Георг, CDC; кредит «дождевой червь»: модификация работы Роба Хилле; кредитные «бактерии»: модификация работы Дона Сталона, CDC)

Отправляйтесь в этот интерактивный онлайн-симулятор, чтобы изучить функцию пищевой сети. В поле Interactive Labs под Food Web щелкните Step 1 . Сначала прочтите инструкции, а затем щелкните Step 2 для получения дополнительных инструкций. Когда вы будете готовы создать симуляцию, в правом верхнем углу поля Interactive Labs щелкните OPEN SIMULATOR .

Два основных типа пищевых сетей часто взаимодействуют в рамках одной экосистемы. В основе пастбищной пищевой сети есть растения или другие фотосинтезирующие организмы, за которыми следуют травоядные и различные плотоядные животные. Обломочная пищевая сеть состоит из основы организмов, которые питаются разлагающимся органическим веществом (мертвыми организмами), включая разлагатели (которые разрушают мертвые и разлагающиеся организмы) и детритофаги (которые потребляют органический детрит). Эти организмы обычно представляют собой бактерии, грибы и беспозвоночные животные, которые перерабатывают органический материал обратно в биотическую часть экосистемы, поскольку сами потребляются другими организмами.Поскольку экосистемам требуется метод вторичного использования материала мертвых организмов, у пастбищных пищевых сетей есть связанная с ними детритная пищевая сеть. Например, в экосистеме луга растения могут поддерживать пастбищную пищевую сеть различных организмов, первичных и других уровней потребителей, и в то же время поддерживать детритную пищевую сеть бактерий и грибов, питающихся мертвыми растениями и животными. В то же время обломочная пищевая сеть может вносить энергию в пастбищную пищевую сеть, как когда малиновка ест дождевого червя.

Все живые существа в той или иной форме нуждаются в энергии.Энергия используется наиболее сложными метаболическими путями (обычно в форме АТФ), особенно теми, которые отвечают за построение больших молекул из более мелких соединений. Живые организмы не смогли бы собрать макромолекулы (белки, липиды, нуклеиновые кислоты и сложные углеводы) из своих мономеров без постоянного энергозатрат.

Диаграммы

пищевой сети показывают, как энергия течет через экосистемы. Они также могут указать, насколько эффективно организмы получают энергию, используют ее и сколько остается для использования другими организмами пищевой сети.Энергия приобретается живыми существами двумя способами: автотрофы используют свет или химическую энергию, а гетеротрофы получают энергию за счет потребления и переваривания других живых или ранее живых организмов.

Фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы являются автотрофами, то есть организмами, способными синтезировать свою собственную пищу (более конкретно, способными использовать неорганический углерод в качестве источника углерода). Фотосинтетические автотрофы (фотоавтотрофы) используют солнечный свет в качестве источника энергии, а хемосинтетические автотрофы (хемоавтотрофы) используют неорганические молекулы в качестве источника энергии.Автотрофы имеют решающее значение для большинства экосистем: они представляют собой трофический уровень продуцентов. Без этих организмов энергия не была бы доступна другим живым организмам, а сама жизнь была бы невозможна.

Фотоавтотрофы, такие как растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии, являются источником энергии для большинства экосистем мира. Эти экосистемы часто описываются пастбищами и детритовыми пищевыми сетями. Фотоавтотрофы используют солнечную энергию Солнца, преобразовывая ее в химическую энергию в форме АТФ (и НАДФ).Энергия, запасенная в АТФ, используется для синтеза сложных органических молекул, таких как глюкоза. Скорость, с которой производители фотосинтеза поглощают энергию Солнца, называется валовой первичной продуктивностью. Однако не вся энергия, выделяемая производителями, доступна другим организмам в пищевой сети, поскольку производители также должны расти и воспроизводиться, что потребляет энергию. Чистая первичная продуктивность — это энергия, которая остается у производителей после учета дыхания этих организмов и потери тепла.Таким образом, чистая продуктивность становится доступной для первичных потребителей на следующем трофическом уровне.

Хемоавтотрофы — это в первую очередь бактерии и археи, которые встречаются в редких экосистемах, где отсутствует солнечный свет, например, в темных пещерах или гидротермальных жерлах на дне океана ([Рис. 6]). Многие хемоавтотрофы в гидротермальных источниках используют сероводород (H ₂ S), который выделяется из источников в качестве источника химической энергии; это позволяет им синтезировать сложные органические молекулы, такие как глюкоза, для получения собственной энергии и, в свою очередь, поставлять энергию остальной части экосистемы.

Рис. 6. Плавучие креветки, несколько приземистых омаров и сотни мидий видны у гидротермального источника на дне океана. Поскольку солнечный свет не проникает на эту глубину, экосистема поддерживается хемоавтотрофными бактериями и органическим материалом, который тонет с поверхности океана. Этот снимок был сделан в 2006 году у затопленного вулкана Северо-Западный Эйфуку у побережья Японии Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA). Вершина этого высокоактивного вулкана находится на 1535 м ниже поверхности.

Одним из наиболее важных последствий динамики экосистемы с точки зрения антропогенного воздействия является биомагнификация. Биомагнификация — это возрастающая концентрация стойких токсичных веществ в организмах на каждом последующем трофическом уровне. Это жирорастворимые, но не водорастворимые вещества, которые хранятся в жировых запасах каждого организма. Было показано, что многие вещества обладают способностью к биоусилению, включая классические исследования с пестицидом дихлордифенилтрихлорэтаном (ДДТ), которые были описаны Рэйчел Карсон в бестселлере 1960-х годов Silent Spring .ДДТ был широко используемым пестицидом до того, как стала известна его опасность для таких потребителей, как белоголовый орлан. В водных экосистемах организмы каждого трофического уровня потребляли множество организмов на более низком уровне, что привело к увеличению количества ДДТ у птиц (конечных потребителей), которые поедали рыбу. Таким образом, птицы накопили достаточное количество ДДТ, чтобы их скорлупа стала ломкой. Этот эффект увеличивал разбитие яиц во время гнездования и, как было показано, имел разрушительные последствия для этих популяций птиц. Использование ДДТ было запрещено в США в 1970-х годах.

Другими веществами, способствующими биоусилению, являются полихлорированные бифенилы (ПХБ), которые использовались в качестве охлаждающих жидкостей в Соединенных Штатах до тех пор, пока их использование не было запрещено в 1979 году, а также тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец и кадмий. Эти вещества лучше всего изучены в водных экосистемах, где хищные виды рыб накапливают очень высокие концентрации токсичных веществ, которые находятся в довольно низких концентрациях в окружающей среде и в продуцентах. Как показано в исследовании, проведенном NOAA в заливе Сагино озера Гурон Великих озер Северной Америки ([Рис. 7]), концентрации ПХБ увеличивались за счет продуцентов экосистемы (фитопланктона) за счет различных трофических уровней видов рыб.Верхний потребитель, судак, содержит более чем в четыре раза больше ПХБ по сравнению с фитопланктоном. Кроме того, согласно результатам других исследований, птицы, которые едят эту рыбу, могут иметь уровни ПХБ, по крайней мере, на порядок выше, чем в озерной рыбе.

Рисунок 7: На этой диаграмме показаны концентрации ПХБ, обнаруженные на различных трофических уровнях в экосистеме залива Сагино озера Гурон. Обратите внимание, что рыбы на более высоких трофических уровнях накапливают больше ПХБ, чем рыбы на более низких трофических уровнях.(предоставлено Патрисией Ван Хоф, NOAA)

Другие проблемы были вызваны биомагнификацией тяжелых металлов, таких как ртуть и кадмий, в определенных типах морепродуктов. Агентство по охране окружающей среды США рекомендует беременным женщинам и детям младшего возраста не употреблять в пищу рыбу-меч, акулу, королевскую макрель или кафельную рыбу из-за высокого содержания в них ртути. Этим людям рекомендуется есть рыбу с низким содержанием ртути: лосось, креветки, минтай и сом. Биомагнификация — хороший пример того, как динамика экосистемы может влиять на нашу повседневную жизнь, даже на пищу, которую мы едим.

Экосистемы существуют под землей, на суше, в море и в воздухе. Организмы в экосистеме приобретают энергию различными способами, которая передается между трофическими уровнями, когда энергия течет от основания к вершине пищевой сети, с потерей энергии при каждой передаче. На каждом трофическом уровне происходит потеря энергии, поэтому длина пищевых цепей ограничена, потому что есть точка, в которой остается недостаточно энергии для поддержки населения потребителей. Жирорастворимые соединения увеличивают биоразлагаемость пищевой цепи, нанося ущерб основным потребителям.даже если концентрация токсина в окружающей среде низкая.

С каким классом пищевой сети связаны разлагатели?

1. пастбище
2. обломок
3. перевернутое
4. водный

[show-answer q = ”276629 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 276629 ″] 2 [/ hidden-answer]

Производитель в пищевой сети океанских пастбищ обычно ________.

1. завод
2. животное
3. грибов
4. планктон

[show-answer q = ”330783 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 330783 ″] 4 [/ hidden-answer]

Какой термин описывает процесс увеличения количества токсичных веществ на трофических уровнях экосистемы?

1. биомассификация
2. биомагнификация
3. биоэнтропия
4. гетеротрофия

[show-answer q = ”100762 ″] Показать ответ [/ show-answer]
[hidden-answer a =” 100762 ″] 2 [/ hidden-answer]

Сравните пастбищные и детритные пищевые сети.Почему они оба присутствуют в одной экосистеме?

Пищевые сети пастбищ имеют в своей основе производителя, который является либо растением для наземных экосистем, либо фитопланктоном для водных экосистем. Производители передают свою энергию различным трофическим уровням потребителей. В основе детритных пищевых сетей лежат разложители, которые передают свою энергию множеству других потребителей. Детритные пищевые сети важны для здоровья многих пастбищных пищевых сетей, поскольку они устраняют мертвые и разлагающиеся органические материалы, тем самым освобождая пространство для новых организмов и устраняя потенциальные причины болезней.

Глоссарий

автотроф

Организм, способный синтезировать собственные пищевые молекулы из более мелких неорганических молекул

верхний потребитель

Организм на вершине пищевой цепи

биомагнификация

возрастающая концентрация стойких токсичных веществ в организмах на каждом трофическом уровне, от производителей до конечных потребителей

биом

крупномасштабное сообщество организмов, в первую очередь определяемое на суше доминирующими типами растений, которые существуют в географических регионах планеты со схожими климатическими условиями

хемоавтотроф

Организм, способный синтезировать собственную пищу, используя энергию неорганических молекул

детритовая пищевая сеть

тип пищевой сети, которая поддерживается мертвыми или разлагающимися организмами, а не живыми автотрофами; они часто связаны с выпасом трофических сетей в пределах одной экосистемы

экосистема

Сообщество живых организмов и их взаимодействия с абиотической средой

равновесие

установившееся состояние системы, в котором отношения между элементами системы не меняются

пищевая цепь

линейная последовательность трофических (кормовых) отношений производителей, первичных потребителей и потребителей более высокого уровня

пищевая сеть

сеть трофических (кормовых) отношений между производителями, первичными потребителями и потребителями более высокого уровня в экосистеме

пастбищная пищевая сеть

тип пищевой сети, продуцентами которой являются растения на суше или фитопланктон в воде; часто ассоциируется с детритной пищевой цепью в пределах одной экосистемы

валовая первичная производительность

скорость, с которой производители фотосинтеза поглощают энергию Солнца

чистая первичная продуктивность

энергия, остающаяся в производителях после учета дыхания организмов и потери тепла

фотоавтотроф

Организм, который использует солнечный свет в качестве источника энергии для синтеза собственных молекул пищи

первичный потребитель

трофический уровень, который получает энергию от производителей экосистемы

производитель

трофический уровень, который получает свою энергию от солнечного света, неорганических химикатов или мертвого или разлагающегося органического материала

устойчивость (экологическая)

скорость, с которой экосистема восстанавливает равновесие после нарушения

устойчивость (экологическая)

способность экосистемы оставаться в равновесии, несмотря на нарушения

вторичный потребитель

трофический уровень в экосистеме, обычно плотоядное животное, которое ест основного потребителя

третичный потребитель

трофический уровень в экосистеме, обычно плотоядные животные, которые едят других хищников

трофический уровень

положение вида или группы видов в пищевой цепи или пищевой сети

Energy Flow (Экосистема): определение, процесс и примеры

Экосистема определяется как сообщество различных организмов, взаимодействующих друг с другом и окружающей средой в определенной области.Он учитывает все взаимодействия и взаимосвязи между биотическими (живыми) и абиотическими (неживыми) факторами.

Энергия — это то, что движет экосистемой к процветанию. И хотя вся материя сохраняется в экосистеме , энергия проходит через экосистему , что означает, что она не сохраняется. Энергия поступает во все экосистемы в виде солнечного света и постепенно теряется в виде тепла обратно в окружающую среду.

Однако, прежде чем энергия потечет из экосистемы в виде тепла, она протекает между организмами в процессе, называемом потоком энергии .Именно этот поток энергии, который исходит от солнца и затем переходит от организма к организму, является основой всех взаимодействий и взаимоотношений в экосистеме.

Определение потока энергии и трофические уровни

Определение потока энергии — это передача энергии от солнца и вверх на каждом последующем уровне пищевой цепи в окружающей среде.

Каждый уровень потока энергии в пищевой цепи в экосистеме обозначается трофическим уровнем, который относится к положению, которое определенный организм или группа организмов занимает в пищевой цепи.Начало цепочки, которая будет внизу энергетической пирамиды, — это первый трофический уровень . Первый трофический уровень включает продуцентов и автотрофов, которые посредством фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в пригодную для использования химическую энергию.

Следующий уровень пищевой цепи / энергетической пирамиды будет считаться вторым трофическим уровнем , который обычно занимает тип первичного потребителя, такой как травоядное животное, которое ест растения или водоросли. Каждый последующий шаг в пищевой цепи эквивалентен новому трофическому уровню.

Термины, которые необходимо знать для потока энергии в экосистемах

Помимо трофических уровней, есть еще несколько терминов, которые необходимо знать для понимания потока энергии.

Биомасса: Биомасса — это органический материал или органическое вещество. Биомасса — это физический органический материал, в котором хранится энергия, например масса, из которой состоят растения и животные.

Производительность: Производительность — это скорость, с которой энергия включается в тела организмов в виде биомассы.Вы можете определить продуктивность для любого и всех трофических уровней. Например, первичная продуктивность — это производительность первичных производителей в экосистеме.

Валовая первичная продуктивность (GPP): GPP — это скорость, с которой энергия солнца улавливается молекулами глюкозы. По сути, он измеряет, сколько общей химической энергии вырабатывается первичными производителями в экосистеме.

Чистая первичная производительность (NPP): NPP также измеряет, сколько химической энергии вырабатывается первичными производителями, но также учитывает потери энергии из-за метаболических потребностей самими производителями.Итак, NPP — это скорость, с которой энергия солнца улавливается и сохраняется в виде биомассы, и она равна количеству энергии, доступной другим организмам в экосистеме. NPP на всегда на меньше, чем GPP.

АЭС различается в зависимости от экосистемы. Это зависит от таких переменных, как:

• Доступный солнечный свет.
• Питательные вещества в экосистеме.
• Качество почвы.
• Температура.
• Влажность.
• CO ₂ уровней.

Energy Flow Process

Энергия входит в экосистемы в виде солнечного света и преобразуется в полезную химическую энергию такими производителями, как наземные растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии. Как только эта энергия поступает в экосистему через фотосинтез и преобразуется в биомассу этими производителями, энергия течет по пищевой цепи, когда организмы поедают другие организмы.

Трава использует фотосинтез, жук ест траву, птица ест жука и так далее.

Поток энергии не эффективен на 100 процентов

По мере продвижения вверх трофических уровней и продолжения по пищевой цепочке поток энергии не становится эффективным на 100 процентов.Только около 10 процентов доступной энергии переходит с одного трофического уровня на следующий трофический уровень или от одного организма к другому. Остальная часть доступной энергии (около 90 процентов этой энергии) теряется в виде тепла.

Чистая продуктивность каждого уровня уменьшается в 10 раз по мере того, как вы поднимаетесь на каждый трофический уровень.

Почему этот перенос не эффективен на 100 процентов? Существуют три основные причины:

1. Не все организмы каждого трофического уровня потребляются: Подумайте об этом так: чистая первичная продуктивность равна всей доступной энергии для организмов в экосистеме, которую производители предоставляют для них. организмы на более высоких трофических уровнях.Для того, чтобы вся эта энергия перетекала с этого уровня на следующий, это означает, что все эти производители должны быть потреблены. Каждая травинка, каждый микроскопический кусочек водоросли, каждый лист, каждый цветок и так далее. Этого не происходит, а это означает, что часть этой энергии не течет с этого уровня на более высокие трофические уровни.

2. Не вся энергия может передаваться с одного уровня на другой: Вторая причина, по которой поток энергии неэффективен, заключается в том, что некоторая энергия не может быть передана и, таким образом, теряется.Например, люди не могут переваривать целлюлозу. Несмотря на то, что эта целлюлоза содержит энергию, люди не могут ее переварить и получить из нее энергию, и она теряется в виде «отходов» (также известных как фекалии).

Это верно для всех организмов: есть определенные клетки и частицы вещества, которые они не могут переварить, которые будут выводиться как отходы / теряться как тепло. Таким образом, даже если доступная энергия, которую имеет кусок пищи, равна одному количеству, организм, который ест его, не может получить каждую единицу доступной энергии в этой пище.Часть этой энергии всегда будет потеряна.

3. Метаболизм использует энергию: Наконец, организмы используют энергию для метаболических процессов, таких как клеточное дыхание. Эта энергия расходуется и не может быть передана на следующий трофический уровень.

Как поток энергии влияет на пищевые пирамиды и энергетические пирамиды

Поток энергии через пищевые цепи можно описать как передачу энергии от одного организма к другому, начиная с производителей и продвигаясь вверх по цепочке по мере того, как организмы потребляются друг другом.Другой способ отобразить этот тип цепочки или просто отобразить трофические уровни — это пирамиды пищи / энергии.

Поскольку поток энергии неэффективен, самый низкий уровень пищевой цепи почти всегда является самым большим как по энергии, так и по биомассе. Вот почему он появляется у основания пирамиды; это самый большой уровень. По мере того, как вы продвигаетесь вверх на каждом трофическом уровне или на каждом уровне пищевой пирамиды, энергия и биомасса уменьшаются, поэтому уровни сужаются по количеству и визуально сужаются по мере продвижения вверх по пирамиде.

Подумайте об этом так: вы теряете 90 процентов доступного количества энергии по мере продвижения вверх на каждом уровне. Только 10 процентов энергии течет, что не может поддерживать столько организмов, сколько на предыдущем уровне. Это приводит к снижению количества энергии и биомассы на каждом уровне.

Это объясняет, почему обычно большее количество организмов ниже по пищевой цепочке (например, трава, насекомые и мелкие рыбы) и гораздо меньшее количество организмов находится наверху пищевой цепи (например, медведи, киты и львы). , Например).

Как энергия течет в экосистеме

Вот общая цепочка того, как энергия течет в экосистеме:

1. Энергия входит в экосистему через солнечный свет в виде солнечной энергии .
2. Первичные продуценты (также известные как первый трофический уровень) превращают эту солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза. Обычные примеры — наземные растения, фотосинтезирующие бактерии и водоросли. Эти производители являются фотосинтезирующими автотрофами, что означает, что они создают свои собственные пищевые / органические молекулы с помощью солнечной энергии и углекислого газа.
3. Некоторая часть той химической энергии, которую создают производители, затем включается в материю , которая составляет этих производителей. Остальное теряется в виде тепла и используется в метаболизме этих организмов.
4. Затем они потребляются первичными потребителями (также известный как второй трофический уровень). Распространенные примеры — травоядные и всеядные животные, которые едят растения. Энергия, которая была сохранена в материи этих организмов, передается на следующий трофический уровень. Некоторая энергия теряется в виде тепла и отходов.
5. Следующий трофический уровень включает других потребителей / хищников, которые будут поедать организмы на втором трофическом уровне ( вторичных потребителей, третичных потребителей и т. Д. ). С каждым шагом вверх по пищевой цепочке теряется часть энергии.
6. Когда организмы умирают, разлагатели , такие как черви, бактерии и грибы, разрушают мертвые организмы, и оба возвращают питательные вещества в экосистему и забирают энергию для себя. Как всегда, часть энергии все равно теряется в виде тепла.

Без производителей не было бы возможности для поступления энергии в экосистему в пригодной для использования форме. Энергия должна постоянно поступать в экосистему через солнечный свет и этих первичных производителей, иначе вся пищевая сеть / цепь в экосистеме рухнет и прекратит свое существование.

Пример экосистемы: лес умеренного пояса

Все начинается с солнечной энергии, поступающей в экосистему. Этот солнечный свет плюс углекислый газ будет использоваться рядом первичных производителей в лесной среде, в том числе:

• Деревья (например, клен, дуб, ясень и сосна).
• Травы.
• Виноградные лозы.
• Водоросли в прудах / ручьях.

Далее идут первичные потребители. В лесу с умеренным климатом это могут быть травоядные животные, такие как олени, различные травоядные насекомые, белки, бурундуки, кролики и многие другие. Эти организмы поедают первичных продуцентов и включают их энергию в собственное тело. Некоторая энергия теряется в виде тепла и отходов.

Вторичные и третичные потребители затем едят эти другие организмы. В лесу умеренного пояса это такие животные, как еноты, хищные насекомые, лисы, койоты, волки, медведи и хищные птицы.

Когда любой из этих организмов умирает, разлагатели разрушают тела мертвых организмов, и энергия перетекает к разложителям. В лесу с умеренным климатом это могут быть черви, грибки и различные типы бактерий.

Концепция пирамидального «потока энергии» также может быть продемонстрирована на этом примере. Наиболее доступная энергия и биомасса находятся на самом низком уровне пищевой / энергетической пирамиды: производители в виде цветущих растений, трав, кустов и т. Д. Уровень с наименьшим количеством энергии / биомассы находится на вершине пирамиды / пищевой цепочки в виде потребителей высокого уровня, таких как медведи и волки.

Пример экосистемы: коралловый риф

Хотя морские экосистемы, такие как коралловые рифы, сильно отличаются от наземных экосистем, таких как леса умеренного пояса, вы можете увидеть, как концепция потока энергии работает точно так же.

Основными продуцентами в среде коралловых рифов являются в основном микроскопический планктон, микроскопические растительные организмы, обитающие в кораллах и свободно плавающие в воде вокруг кораллового рифа. Отсюда различные рыбы, моллюски и другие травоядные существа, такие как морские ежи, обитающие на рифе, потребляют этих продуцентов (в основном водоросли в этой экосистеме) для получения энергии.

Затем энергия перетекает на следующий трофический уровень, которым в этой экосистеме будут более крупные хищные рыбы, такие как акулы и барракуды, а также мурена, окунь, скаты, кальмары и другие.

Деструкторы существуют и в коралловых рифах. Вот некоторые примеры:

• Морские огурцы.
• Виды бактерий.
• Креветки.
• Хрупкая морская звезда.
• Различные виды крабов (например краб-декоратор).

Вы также можете увидеть концепцию пирамиды с этой экосистемой.Наиболее доступная энергия и биомасса существует на первом трофическом уровне и самом низком уровне пищевой пирамиды: продуценты в виде водорослей и коралловых организмов. Уровень с наименьшим количеством энергии и накопленной биомассы находится на вершине в виде высокоуровневых потребителей, таких как акулы.

Энергия в экосистеме

Эта основная идея исследуется через:

Противопоставление студенческих и научных взглядов

Студенты каждый день используют слово «энергия» в таких выражениях, как «У меня закончилась энергия» или «Мне нужно больше энергии».Повседневное использование студентами этого термина часто может сбивать их с толку, когда они учатся использовать правильный научный термин. Большинство студентов признают, что почти всем организмам необходим источник энергии для выживания, функционирования и воспроизводства. В этой области науки на студентов сильно влияют средства массовой информации и их повседневный опыт.

Путаница вокруг конкретных терминов также рассматривается в идее фокуса.
Введение в научный язык.

У студентов часто возникают проблемы с интерпретацией пищевых цепочек, особенно когда на диаграмме используются стрелки для обозначения обмена энергией.Студенты могут видеть стрелки как относящиеся к потоку материи (материала) вверх по пищевой цепочке. Это проблема, поскольку в экосистеме рециркулируется материя, а энергия — нет. Студенты также имеют ограниченное представление об источниках энергии в морских экосистемах, основывая большую часть своего понимания на своем опыте работы с наземными экосистемами. Студенты часто очень эгоцентричны и считают, что все организмы существуют исключительно для пользы (или раздражения) людей. Например, учащиеся не могут предложить полезное назначение для комаров или пауков.

Исследования: Драйвер, оруженосцы, Рашворт и Вуд-Робинсон (1994)

Студенты также широко придерживаются мнения, что энергия накапливается по мере продвижения по пищевой цепочке, и, следовательно, главный хищник накапливает всю энергию. от производителей и других потребителей, находящихся ниже в пищевой цепочке.

Учащиеся не понимают, откуда растения берут пищу, и часто считают, что она поступает из окружающей среды (в основном из почвы и воды), а не из растений, которые сами ее производят.Это связано с тем, что многие студенты имели опыт садоводства, который включает полив и добавление питательных веществ (удобрений) в почву. Студенты обычно знают, что растения используют углекислый газ, но часто не понимают, почему, и не понимают, что он участвует в увеличении веса растения и производстве пищи.

Исследования: Драйвер, Сквайрс, Рашворт и Вуд-Робинсон (1994)

Научная точка зрения

Энергия передается между организмами в пищевых цепях от производителей к потребителям.Энергия используется организмами для выполнения сложных задач.

Подавляющая часть энергии, которая существует в пищевых сетях, исходит от Солнца и преобразуется (трансформируется) в химическую энергию в процессе фотосинтеза растений. Небольшая часть этой химической энергии преобразуется непосредственно в тепло, когда соединения расщепляются во время дыхания в растениях. Большая часть химической энергии, хранящейся в растениях, преобразуется в другие формы различными потребителями, такими как коровы, кролики, лошади, овцы, гусеницы и другие насекомые, питающиеся растениями.

Некоторая часть хранимой химической энергии в производителе, таком как трава, хранится в виде химической энергии в жире или белке у потребителей первого порядка, которые едят траву. Эта энергия доступна для потребителей более высокого уровня. На каждом этапе пищевой цепи большая часть химической энергии преобразуется в другие формы, такие как тепло, и не остается в экосистеме.

Критические идеи обучения

• Построение диаграмм со студентами позволяет им представить и прояснить свое понимание движения энергии в экосистеме и связанных с этим преобразований.
• Энергия, упоминаемая в биологических науках, — это то же самое, что и энергия, упоминаемая во всех других областях науки.
• Подавляющее большинство энергии в пищевых цепях исходит от солнца.
• Энергия не перерабатывается в экосистемах, и каждая экосистема требует постоянного ввода энергии для ее поддержания.
• На каждом уровне пищевой цепи или пищевой сети в экосистеме происходит преобразование некоторой энергии.
• В экосистеме энергия часто трансформируется из одной формы в другую.

Изучите взаимосвязь между идеями об энергии в экосистемах
Карты развития концепции — (Поток материи в экосистемах, поток энергии в экосистемах)

Важно, чтобы учащимся помогали развивать понимание научных терминов «еда» и «питательные вещества» и исследовать их связь с энергией и материей. Термин «энергия», используемый при работе с пищевыми сетями, идентичен энергии, которая обсуждается в других областях науки.Ключевой идеей для развития является то, что энергия проходит через пищевую сеть (или пищевую цепь) от своего источника, солнца, претерпевая повторяющиеся преобразования. Также крайне важно развить идею о том, что пищевая сеть может быть сложной и состоять из ряда взаимосвязанных пищевых цепей.

Преподавательская деятельность

Практика использования и построения осознанной полезности научной модели или идеи

Студентов следует поощрять наблюдать и обсуждать примеры пищевых цепочек, в которых преобразуется энергия и сохраняется материя.Рассмотрите возможность проведения мероприятий, которые помогут учащимся развить понимание источника подавляющего большинства энергии во всех экосистемах и преобразований энергии, которые происходят по мере ее прохождения через пищевую сеть. Студенты также могут выполнить ряд мероприятий, направленных на определение преобразований, которым должна подвергаться энергия по мере прохождения через экосистему.

Один из подходов состоит в том, чтобы учащиеся исследовали интерактивный веб-сайт «пищевые сети» по следующей ссылке:

Выполняя задания, учащиеся могут получить опыт определения вероятных позиций, которые различные организмы будут занимать в исследуемых ими пищевых сетях.В качестве последующего задания попросите учащихся вырезать из журналов изображения организмов, которые, вероятно, будут связаны в одной пищевой сети, или найдите изображения в Интернете (или в школьной интранете), чтобы они могли создать отображение пищевой сети PowerPoint или Inspiration. Попросите учащихся определить и обсудить особенности своих пищевых сетей, которые были упрощены, при сравнении их с ситуациями, которые могут существовать в реальном мире.

Способствовать осмыслению и разъяснению существующих идей

Студенты могут исследовать пищевую сеть, в которой организмы находятся под угрозой, удаляются или умирают.Затем они могли бы отслеживать, как трансформации энергии изменяются в пищевой цепи (или пищевой сети). Они также могут отслеживать, как меняются источники энергии для других.

Дополнительные ресурсы

Интерактивные обучающие объекты, связанные с наукой, можно найти на
Страница ресурсов для учителей FUSE.

Чтобы получить доступ к интерактивному объекту обучения ниже, учителя должны войти в FUSE и выполнить поиск по идентификатору учебного ресурса:

• Баланс экосистемы — Учащиеся изучают, как растения и животные взаимодействуют в трех экосистемах Тасмании: сухом лесу, тропическом лесу и сообществе морских водорослей.Они просматривают описания видов растений и животных, которые там обитают. Они могут увеличивать или уменьшать популяцию одного вида и сравнивать воздействие на другие виды в экосистеме.
  Код учебного ресурса: FRZ5RA

Энергия и промышленная экология | Экологизация промышленных экосистем

Линден, Х. Р. 1991. Энергия, экономический и социальный прогресс и окружающая среда: неразрывные вопросы распределения ресурсов. Международный журнал энергетики • Окружающая среда • Экономика 1 (1): 1-12.

Линден, Х. Р. 1992a. E ³ — Энергетика, экономика и окружающая среда. Коммунальные предприятия Fortnightly 129 (15 мая): 31-35.

Линден, Х. Р. 1992b. Некоторые предостерегающие комментарии по поводу возобновления дебатов по энергетической политике. Энергетические системы и политика 15 (1): 75-83.

Линден, Х.Р. 1993. Особое мнение о глобальном изменении климата. Журнал Электричество 6 (6): 62-69.

Manne, A.S, and R.G. Richels. 1992. Покупка страховки теплиц: экономические затраты на лимиты выбросов CO ₂ .Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Mensch, H. L., ed. 1992. Energy Statistics, Vol. 15, No. 1, Институт газовых технологий, Чикаго, Иллинойс, 1992.

Неделя природного газа. 1992. NPC заявляет, что поставки газа достаточны, но его отчет оспаривается. Неделя природного газа 8 (2 ноября): 7-8.

Post, W. M., Tsung-Hung Peng, W. R. Emanuel, A. W. King, V. H. Dale и D. L. DeAngelis. 1990. Глобальный углеродный цикл. American Scientist 78 (июль-август): 310-326.

Сэгер, М., и другие. 1989. Реестр выбросов NAPAP 1985 года. Alliance Technology Corporation, Чапел-Хилл, Северная Каролина, ноябрь 1989 г. Документ EPA № 600 / 7-89-012a.

Зингер, С.Ф., изд. 1992. Продолжение дебатов о теплицах: анализ и критика оценки климата МГЭИК. Проект «Наука и экологическая политика», ICS Press, Сан-Франциско, Калифорния.

Старр К. и С. П. Смит. 1992. Время пребывания CO в атмосфере ₂ . Неопубликованная статья. Исследовательский институт электроэнергетики, Пало-Альто, Калифорния.

Министерство энергетики США. 1987. International Energy Outlook 1986. Управление энергетической информации, Управление энергетических рынков и конечного использования, Министерство энергетики США, Вашингтон, округ Колумбия, апрель 1987 года. Документ Министерства энергетики США № DOE / EIA-0484 (86).

Министерство энергетики США. 1991a. International Energy Annual 1989. Управление энергетической информации, Управление энергетических рынков и конечного использования, Министерство энергетики США, Вашингтон, округ Колумбия, февраль 1991 г. США.Документ Министерства энергетики № DOE / EIA-0219 (89).

Министерство энергетики США. 1991b. International Energy Outlook 1991: Послевоенный обзор энергетических рынков. Управление энергетической информации, Управление энергетических рынков и конечного использования, Министерство энергетики США, Вашингтон, округ Колумбия, июнь 1991 г. Документ Министерства энергетики США № DOE / EIA-0484 (91).

Министерство энергетики США. 1992. Monthly Energy Review, октябрь 1992 г. Управление энергетической информации, Управление энергетических рынков и конечного использования, U.S. Министерство энергетики, Вашингтон, округ Колумбия. Документ Министерства энергетики США № DOE / EIA-0035 (92/10)

Вудс, Т. Дж. 1991. Долгосрочные тенденции в поставках и ценах на газ в США: Базовый прогноз GRI по предложению и потреблению энергии в США до 2010 г., издание 1991 г. Чикаго, Иллинойс: Институт исследований газа.

Всемирная метеорологическая организация и Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде. 1992.

экосистема | Определение, компоненты, примеры, структура и факты

Экосистема , комплекс живых организмов, их физическая среда и все их взаимосвязи в определенной единице пространства.

Тундра и озера летом на полуострове Ямал в Сибири, Россия. Экосистемы тундры встречаются в основном в Нижнем Арктике в Северной Америке и Евразии. Большинство регионов — за исключением обнажений скал, сухих вершин хребтов и отмелей речного гравия — полностью засажены растительностью, в основном карликовыми кустарниками, лишайниками и мхами.

Брайан и Черри Александр

Британская викторина

Экосистемы

В мире много экосистем.Что вы знаете о различных типах экосистем?

Далее следует краткое описание экосистем. Для полного обращения см. Биосфера .

Экосистему можно разделить на абиотические составляющие, включая минералы, климат, почву, воду, солнечный свет и все другие неживые элементы, а также ее биотические составляющие, состоящие из всех ее живых членов. Эти составляющие объединяют две основные силы: поток энергии через экосистему и круговорот питательных веществ внутри экосистемы.

Изучите трофические уровни производителей, травоядных и плотоядных животных в данной экосистеме.

Понимание потоков энергии в экосистемах.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотрите все видео к этой статье

Основным источником энергии почти всех экосистем является лучистая энергия Солнца. Энергия солнечного света используется автотрофными или самоподдерживающимися организмами экосистемы. Эти организмы, состоящие в основном из зеленой растительности, способны к фотосинтезу, т.е.е., они могут использовать энергию солнечного света для преобразования углекислого газа и воды в простые, богатые энергией углеводы. Автотрофы используют энергию, запасенную в простых углеводах, для производства более сложных органических соединений, таких как белки, липиды и крахмалы, которые поддерживают жизненные процессы организмов. Автотрофный сегмент экосистемы обычно называют производственным уровнем.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Следите за потоком энергии данной экосистемы от синтезирующих свет автотрофов к высшим гетеротрофам.

Изучите различные типы организмов, образующих лесную экосистему, в этом видео.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Органическое вещество, генерируемое автотрофами, прямо или косвенно поддерживает гетеротрофные организмы. Гетеротрофы — потребители экосистемы; они не могут приготовить себе еду. Они используют, переупорядочивают и в конечном итоге разлагают сложные органические материалы, созданные автотрофами. Все животные и грибы являются гетеротрофами, как и большинство бактерий и многие другие микроорганизмы.

Вместе автотрофы и гетеротрофы образуют различные трофические (кормовые) уровни в экосистеме: уровень продуцента, состоящий из тех организмов, которые производят себе пищу; уровень первичного потребителя, состоящий из тех организмов, которые питаются производителями; уровень вторичного потребителя, состоящий из организмов, питающихся первичными потребителями; и так далее.Движение органических веществ и энергии от уровня производителя через различные уровни потребителя составляет пищевую цепочку. Например, типичной пищевой цепочкой на пастбищах может быть трава (производитель) → мышь (первичный потребитель) → змея (вторичный потребитель) → ястреб (третичный потребитель). На самом деле, во многих случаях пищевые цепи экосистемы перекрываются и взаимосвязаны, образуя то, что экологи называют пищевой цепью. Последним звеном во всех пищевых цепочках являются разложители, те гетеротрофы, которые расщепляют мертвые организмы и органические отходы.Пищевая цепочка, в которой основной потребитель питается живыми растениями, называется тропой выпаса; процесс, в котором основной потребитель питается мертвыми растениями, известен как путь детрита. Оба пути важны для расчета энергетического баланса экосистемы.

Объяснение потока энергии через экосистему

Это известный факт, что экосистемы поддерживают себя за счет круговорота питательных веществ и энергии, которые они получают из нескольких внешних источников. Начнем с того, что первичные продуценты, такие как водоросли, некоторые бактерии и растения, на трофическом уровне используют солнечную энергию для производства органического растительного материала в процессе фотосинтеза.

После этого травоядные или животные, которые питаются только растениями, становятся частью второго трофического уровня. Третий трофический уровень составляют хищники, которые в конечном итоге поедают травоядных.

СВЯЗАННЫЕ С: ПОДЗЕМНАЯ ЭКОСИСТЕМА БОЛЬШЕ РАЗНООБРАЗНОГО, ЧЕМ ЖИЗНЬ НА ПОВЕРХНОСТИ

Кроме того, если есть еще более крупные хищники, они занимают более высокие трофические уровни. Точно так же организмы, такие как медведи гризли, которые едят и лосось, и ягоды, находятся на самом высоком трофическом уровне, поскольку питаются на нескольких трофических уровнях.

Источник: Thompsma / Wikimedia Commons

Затем идут деструкторы, в том числе грибы, бактерии, черви, насекомые, а также плесень, которые превращают все мертвые организмы и отходы в энергию. Происходит преобразование, чтобы вернуть питательные вещества туда, где они принадлежат, — в почву.

Вот вкратце, как работает экосистема. Давайте теперь немного углубимся в вопрос, почему энергия не подлежит вторичной переработке!

Чтобы понять, почему невозможно переработать энергию, в первую очередь важно обратить внимание на работу экосистемы.Растения преобразуют солнечную энергию в свои корни, листья, стебли, плоды и цветы посредством фотосинтеза.

Затем организмы, потребляющие эти растения, используют накопленную энергию посредством дыхания для выполнения ряда повседневных дел. При этом часть энергии также теряется в виде тепла.

Проще говоря, 90% энергии используется организмами, которые они получают от растений, и поэтому, когда это продвигается на несколько шагов в пищевой цепочке, нет энергии для повторного использования.

Важно отметить, что передача энергии в экосистеме — довольно сложный процесс.Энергия необходима на всех уровнях пищевой цепи, как и питательные вещества.

Однако, когда энергия переходит к организму за организмом от исходных растений, она также расходуется и истощается, и в конечном итоге не остается ничего, что можно было бы переработать для образования большего количества энергии.

Энергия играет решающую роль в экосистемах по очевидной причине. Это помогает организмам оптимально выполнять свою повседневную деятельность. На планете существует потрясающее множество разнообразных экосистем, и процесс передачи энергии позволяет этим экосистемам естественным образом выполнять свои функции.Доступность энергии уменьшается по мере ее движения по континууму.

Источник: Swiggity.Swag.YOLO.Bro / Wikimedia Commons

Когда энергия входит в экосистему, передача энергии в основном зависит от того, какой организм питается другим организмом. Первичные производители, потребители, а также разлагатели играют свою роль в энергетическом цикле.

Все трое получают энергию от предыдущего шага пищевой цепочки для выполнения своих процессов. Здесь важно отметить, что в процессе разложения вся оставшаяся энергия экосистемы затем выделяется в виде тепла, а затем рассеивается.

Это также причина того, что садовая мульча и компостные кучи выделяют тепло. Таким образом, роль энергии не подлежит сомнению, когда речь идет об экосистемах.

Если бы не было энергии, не было бы вообще экосистемы.

Как упоминалось выше, энергия не может быть переработана, и она не перерабатывается в экосистеме. Напротив, он входит в экосистему и выходит из нее.

Но материя действительно перерабатывается в биосфере, и именно здесь материя и энергия движутся по-разному.Хотя энергия имеет односторонний поток, материя может повторно использоваться между экосистемами и внутри них.

Здесь также уместно отметить, что энергия не перерабатывается так же, как атомы и питательные вещества. Он проникает в экосистему через солнце, а затем покидает экосистему, как только организмы в пищевой цепи и на различных трофических уровнях потребляют столько, сколько им нужно для выполнения своих естественных повседневных процессов.

Организмы выделяют эту энергию в виде тепла обратно в биосферу.Внутренняя часть Земли также является частью, откуда выделяется много энергии и откуда она поступает в экосистему. Таким образом, в двух словах, энергия преимущественно входит в биосферу и покидает ее.

Питательные вещества — это важные химические вещества, которые играют важную роль во всех типах экосистем. Они помогают организмам выжить, эффективно расти и разлагаться.

В этом контексте круговорот питательных веществ является важным экологическим процессом, который обеспечивает постоянное перемещение всех видов питательных веществ в живой организм из физической среды.После этого питательные вещества возвращаются обратно, и они попадают в физическую среду.

Стабильность и здоровье организмов в экосистеме в значительной степени зависят от стола и сбалансированного цикла питательных веществ, которые включают как живые, так и неживые участники. Эти круговороты питательных веществ также включают экологические, химические, а также биологические взаимодействия и процессы.