Материалы к семинару по экологии №3

СЕМИНАР 3
Тема №1
Круговорот веществ в биосфере. Большие и малые циклы (углерода) С, (серы)Б, (cuomaJN (схемы различных авторов).Природа процессов, составляющих циклы выше указываемых элементов. Их геологическое и гидрохимическое значение в природе.

Круговорот веществ и превращение энергии как основа существования биосферы. Деятельность живых организмов в биосфере сопровождается извлечением из окружающей среды больших количеств минеральных веществ. После смерти организмов составляющие их химические элементы возвращаются в окружающую среду. Так возникает биогенный (с участием живых организмов) круговорот веществ в природе, т. е. циркуляция веществ между литосферой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Под круговоротом веществ понимают повторяющийся процесс превращения и перемещения веществ в природе, имеющий более или менее выраженный циклический характер.
В круговороте веществ принимают участие все живые организмы, поглощающие из внешней среды одни вещества и выделяющие в нее другие. Так, растения потребляют из внешней среды углекислый газ, воду и минеральные соли и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают кислород, выделенный растениями, а поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют углекислый газ, воду и вещества непереваренной части пищи. При разложении бактериями и грибами отмерших растений и животных образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву и снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию из одного организма в другой, из почвы, атмосферы и гидросферы — в живые организмы, а из них—в окружающую среду, пополняя таким образом неживое вещество биосферы. Эти процессы повторяются бесконечное число раз. Так, например, весь атмосферный кислород проходит через живое вещество за 2 тыс. лет, весь углекислый газ — за 200—300 лет.
Непрерывная циркуляция химических элементов в биосфере по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом. Необходимость такой циркуляции объясняется ограниченностью их запасов на планете. Чтобы обеспечить бесконечность жизни, химические элементы должны совершать движение по кругу. Круговорот каждого химического элемента является частью общего грандиозного круговорота веществ на Земле, т. е. все круговороты тесно связаны между собой.
Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основой биогенного круговорота, обеспечивающего существование жизни, является солнечная энергия. Связанная в органических веществах энергия но ступеням пищевой цепи уменьшается, потому что большая ее часть поступает в окружающую среду в виде тепла или же тратится на осуществление процессов, происходящих в организмах, Поэтому в биосфере наблюдается поток энергии и ее преобразование. Таким образом, биосфера может быть устойчивой только при условии постоянного круговорота веществ и притока солнечной энергии.
Рис. 1. Схема биогеохимического круговорота веществ на суше (по Р. Кашанову, 1984)

Наиболее жизненно важными можно считать вещества, из которых в основном состоят белковые молекулы. К ним относятся углерод, азот, кислород, фосфор, сера.
Биогеохимические циклы углерода, азота и кислорода (рис. 1) наиболее совершенны. Благодаря большим атмосферным резервам, они способны к быстрой саморегуляции. В круговороте углерода, а точнее — наиболее подвижной его формы — СО2, четко прослеживается трофическая цепь: продуценты, улавливающие углерод из атмосферы при фотосинтезе, консументы — поглощающие углерод вместе с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуцентов — возвращающих углерод вновь в круговорот. Скорость оборота СО2 со ставляет порядка 300 лет (полная его замена в атмосфере) (рис. 6.10).

В Мировом океане трофическая цепь: продуценты (фитопланктон) — консументы (зоопланктон, рыбы) — редуценты (микроорганизмы) — осложняется тем, что некоторая часть углерода мертвого организма, опускаясь на дно, «уходит» в осадочные породы и участвует уже не в биологическом, а в геологическом круговороте вещества.
Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот этого элемента приводит к возрастанию содержания СО2 в атмосфере.
Скорость круговорота кислорода — 2 тыс. лет (рис. 6.10), именно за это время весь кислород атмосферы проходит через живое вещество. Основной поставщик кислорода на Земле — зеленые растения. Ежегодно они производят на суше 53-109 т кислорода, а в океанах — 414-109 т.
Главный потребитель кислорода — животные, почвенные организмы и растения, использующие его в процессе дыхания. Процесс круговорота кислорода в биосфере весьма сложен, так как он содержится в очень многих химических соединениях.
Подсчитано, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23% кислорода, который освобождается в процессе фотосинтеза.
Предполагается, что к 2000 г. весь продуцированный кислород будет сгорать в топках, а следовательно, необходимо значительное усиление фотосинтеза и другие радикальные меры.
Биогеохимический круговорот азота не менее сложен, чем углерода и кислорода, и охватывает все области биосферы. Поглощение его растениями ограничено, так как они усваивают азот только в форме соединения его с водородом и кислородом. И это при том, что запасы азота в атмосфере неисчерпаемы (78% от ее объема). Редуценты (деструкторы), а конкретно почвенные бактерии, постепенно разлагают белковые вещества отмерших организмов и превращают их в аммонийные соединения, нитраты и нитриты. Часть нитратов попадает в процессе круговорота в подземные воды и загрязняет их.
Опасность заключается также и в том, что азот в виде нитратов и нитритов усваисается растениями и может передаваться по пищевым (трофическим) цепям. Азот возращается в атмосферу вновь с выделенными при гниении газами. Роль бактерий в цикле азота такова, что если будет уничтожено только двенадцать их видов, участвующих в круговороте азота, жизнь на Земле прекратится. Так считают американские ученые.
Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, — сера, фосфор, железо и др.
Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде земной коры, в «недоступном» фонде.
Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный биогеохимический цикл. Такие циклы легко Нарушаются от различного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться Опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонентов.
Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот (рис. 6.11) он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в, зону выветривания. Эрозионными процессами он выносится в'море в виде широко известного минерала — апатита. Общий круговорот фосфора можно разделить на две части — водную и наземную. В водных экосистемах он усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до консументов третьего порядка — морских птиц. Их экскременты (гуано) снова попадают в море и вступают в круговорот, либо накапливаются на берегу и смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные породы.
В наземных экосистемах фосфор извлекают растения из почв и далее он распространяется по трофической сети. Возвращается в почву после отмирания животных и растений и с их экскрементами. Теряется фосфор из почв в результате их водной эрозии. Повышенное содержание фосфора на водных путях его переноса вызывает бурное увеличение биомассы водных растений, «цветение» водоемов и их эвтрофикацию. Большая же. часть фосфора уносится в море и там теряется безвозвратно.
Последнее обстоятельство может привести к истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). Следовательно, надо стремиться избежать этих потерь и не ожидать того времени, когда Земля вернет на сушу «потерянные отложения».

Сера также имеет основной резервный фонд в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеет резервный фонд и в атмосфере (рис. 6.12). В обменном фонде главная роль принадлежит микроорганизмам. Одни из них восстановители, другие — окислители.
В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS2 и др.), в растворах — в форме иона (SO42~), в газообразной фазе в виде сероводорода (H2S) или сернистого газа (SO2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S2) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы. В морской среде сульфат-ион занимает второе место по содержанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.
Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в небольших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения (Ю. Одум, 1986). Например, при образовании сульфидов железа, фосфор переходит в растворимую форму, доступную для организмов. В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Образовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы — так продолжается круговорот. Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека (рис. 6.12). Виной тому прежде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сернистый газ (SO2T) нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.
Биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофи-кацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ациклическим. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические процессы превратить в циклические.
Таким образом, всеобщий гомеостаз биосферы зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в природе. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из экосистем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее гомеостаза имеют целостность и устойчивость природных экосистем.

Тема №2
Биологические методы очистки сточных вод.
2.1 Аэробные: аэротенк, биофильтр, почвенные методы, биопруды.
2.2     Анаэробные:    септиктенк,    метантенк    и    двухъярусный отстойник.
Достоинства и недостатки выше указанных методов биологической очистки сточных вод. Необходимые условия их применения. Профиль конструкции, принцип действия, природа основных биологических процессов (кратко), организмы, осуществляющие эти процессы.

В настоящее время практически все типы сточных вод перед сбросом в водоемы проходят стадию биологической очистки, сущность которой сводится к тому, что в определенных условиях особые микроорганизмы расщепляют органические вещества до конечных продуктов – воды, углекислого газа, нитрита сульфатионов и т.д.
По типу микроорганизмов (МО), участвующих в разложении органических веществ, биологические методы могут быть разделены на аэробные (для жизнедеятельности МО необходим кислород) и анаэробные (живут в отсутствии кислорода). Кроме того, существуют отдельные штаммы организмов, для которых необходимо наличие в питательной среде азота.

Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и в анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляют тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.
Аэробный процесс
С6Н12О6 +6О2 --> 6СО2 +6Н2О + микробная биомасса + тепло
Анаэробный процесс
С6Н12О6 --> 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса  + тепло
Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых мокулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, Sphaerotilus, Aeromonas, Pseudomonas, Cytophaga, Flavobacterium, Flexibacter, Halisomenobacter, Artrobacter, Corynebacterium, Microtrix, Nocardia, Rhodococcus, Bacillus, Clostridium, Lactobacillus, Staphylococcus. Считается, однако, что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробами. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирты.

Рис. 1.1. Сравнение материального и энергетического балансов методов аэробной и анаэробной очистки сточных вод.
Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном  сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium  и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению  летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой  и уксусной, снижениию рН и остановке  процесса.
Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная  анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентоированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией (Рис. 1.1). Выбор технологии  и особенности обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений в них.
Сточные воды больших городов и небольших поселков значительно отличаются по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200–300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 500-1000 г/л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органических загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты.
Аэробные методы очистки могут быть разделены по типу резервуара, в котором происходит окисление загрязняющих веществ. «Резервуарами» в данном случае могут являться поля фильтрации, биологические пруды, аэротенки и биофильтры. При этом суть самого метода очистки (минерализация органических веществ) остается неизменной.
Поля фильтрации представляют собой специализированные земельные участки, выделенные для сброса на них загрязненных сточных вод и населенные почвенными аэробными микроорганизмами. Попадая в почву, вредные органические вещества подвергаются окислительному действию МО, в результате чего образуются вода и углекислый газ.
Аэробное окисление в биологических прудах представляет собой процесс минерализации органических веществ под действием микроорганизмов, обитающих в воде. Биологические пруды – это водоемы, в которых создаются наиболее благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов условия (небольшая глубина, отсутствие течений, большое количество микроводорослей, насыщающих воду кислородом, обилие простейших, питающихся бактериями и т.п.). Строительство биологических прудов целесообразно как для доочистки сточных вод, так и для очистки воды рек, впадающих в водохранилища.
Применение растений для очистки сточных вод и почвы основано на их естественной способности поглощать в процессе роста биогенные элементы (азот, фосфор, калий и т.п.). Кроме того, в корневой зоне растений создается скопление микроорганизмов, которые активно окисляют органические вещества различной природы и делают их доступными для растений.
Для очистки сточных вод в Институте цитологии и генетики СО РАН разработана классическая аквасистема, в которой в качестве основного растительного компонента используется плавающее растение - водяной гиацинт (эйхорния отличная - Eichhornia crassipes). Результаты проведенных испытаний приведены в таблице.

Результаты очиcтки сточных вод Кудряшовского свинокомплекса, Новосибирская область
Параметр Значение параметра
в сточных водах (мг/л) Значение параметра
после очистки (мг/л)
аммонийный азот до 30-50 4-5
ХПК до 300 25-30
БПК5 до 150 20-30
кислород до 0,5 2-5

Эффективность выноса загрязнителей одним гектаром биопруда в сутки составляет (в кг):
по аммонийному азоту 150,0 - 200,0
по БПК5 21,9 - 36,5
по ХПК 38,7 - 238,0
по нефтепродуктам 1,6 - 4,5
Высокая эффективность водяного гиацинта была показана и в опытах по очистке стоков Павлодарского нефтеперерабатывающего завода, характеризующихся высоким содержанием концентраций нефтепродуктов (23,7мг/л), а также сульфидов и фенолов на высоком фоне аммонийного азота (до 80мг/л).
Накопление тяжелых металлов водяным гиацинтом (Eichhornia crassipes) за 20 суток на сточных водах Беловского горнообогатительного комбината (Кемеровская обл., 2000 г) показано в таблице 2.

Ион ТМ Концентрация
в воде -
Свода [мг/л] Концентрация
в растениях -
Ср-е [мг/кг сухого веса] Скорость накопления
[мг/кг сух.веса в сутки] Коэффициент накопления
[Сра-е/Свода]
Cu2+ (медь) 1,0 1955 74,9  1955
Zn2+ (цинк) 2,0 1809 92,6  905
Pb2+ (свинец) 1,0 414 20,0  414
Cd+ (кадмий) 0,5 370 19,5 740

В отношении рекультивации и очистки почв, а также создания бордюрных посадок вокруг техногенных водоемов (фильтрующих зон) перспективен дальневосточный тростник Мискантус.
Мискантус способен расти на сухих, заболоченных, высокоминерализованных и загрязненных нефтепродуктами почвах с широким диапазоном содержания органических веществ. Тростник размножается корневищами. В условиях Сибири растение хорошо зимует и дает раннее отрастание (в апреле), увеличиваясь за сезон в численности в 25-30 раз. Семенами тростник не размножается, что позволяет контролировать его распространение.
В Институте цитологии и генетики СО РАН разработаны методы размножения и сохранения этих растений.
Технико-экономические преимущества: Уменьшает содержание всех биогенных загрязнителей, тяжелых металлов, фенолов, нефтепродуктов, пестицидов, снижает бактериальное загрязнение; обеспечивает весь цикл функционирования и воспроизводства биопрудов.
Области применения: Животноводство, Экология, Коммунальное хозяйство
Масштабное использование биологических прудов и полей фильтрации ограничивают сезонный характер их работы, малая пропускная способность, а также необходимость в отводе больших участков земли и постоянном контроле уровня грунтовых вод.
При очистке сточных вод в аэротенках и биофильтрах разложение загрязняющих веществ микроорганизмами проходит в искусственных сооружениях. Здесь удается подобрать и поддерживать в течение длительных промежутков времени оптимальные условия для жизнедеятельности МО (температура, значение рН, насыщение кислородом и др.), активизируя процесс минерализации. Очистка на биофильтрах имитирует почвенные условия, а очистка в аэротенках – условия водоемов.
Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации. Здесь обитают колонии МО (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил «отдыхает» (регенерируется).
На сегодняшний день одной из наиболее эффективных очистных систем на базе аэротенков считается SBR-технология (SBR расшифровывается как sequencing batch reactor – аэробный реактор с циклично прерываемой активностью). Данная система очистки предполагает периодический перевод аэротенков в аноксидный режим с низким уровнем растворенного кислорода, что резко расширяет типы протекающих в емкости биохимических реакций. Благодаря этому SBR-система отличается высоким качеством очистки воды, которое позволяет использовать очищенную воду даже в системах оборотного водоснабжения. Примером SBR-технологии могут служить российские разработки «ЮБАС» и «ТОПАС».
Биофильтр в простейшем исполнении представляет собой резервуар, заполненный крупнозернистым материалом, на частицах которого закрепляются МО. То есть, в отличие от аэротенка, аэробные бактерии расположены здесь на стационарно размещенных носителях. Биофильтры проще аэротенков в эксплуатации, более надежны и способны переносить периодические перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Главное направление в совершенствовании биофильтров в настоящее время состоит в увеличении поверхности загрузки. Как и для любых живых систем, для сооружений биологической очистки существуют концентрации загрязняющих веществ, превышение которых может привести к гибели всей колонии МО.

Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.
Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.
Метантенк, метантанк (от метан и англ. tank — бак, цистерна), железобетонный резервуар значительной ёмкости (до нескольких тыс. м3) для биологической переработки (сбраживания) с помощью бактерий и др. микроорганизмов в анаэробных условиях (без доступа воздуха) органической части осадка сточных вод. Распад органических веществ протекает в 2 фазы. В первой фазе из углеводов, жиров и белков образуются жирные кислоты, водород, аминокислоты и пр. Во второй — происходит разрушение кислот с образованием преимущественно метана и углекислого газа. В М. подаётся обычно смесь сырого (свежего) осадка из первичных отстойников и избыточный активный ил из вторичных отстойников после аэротенков. В М. производят подогрев сбраживаемой массы (чаще всего «острым» паром) и её перемешивание.
Основные показатели по типовым проектам метантенков
Диаметр, м Полезный объем одного резервуара, м' Высота, м Строительный объем, м3
верхнего конуса цилиндрической части нижнего конуса здания обслуживания киоска газовой сети
10 500 1,45 5 1,7
12,5 1000 1,9 6,5 2,15 652 100
15 1600 2,35 7,5 2,6 2035 112
17,5 2500 2,5 8,5 3,05 2094 136
20 4000 2,9 10,6 3,5 2520 174
Чтобы уменьшить затраты энергии, чаще применяют перемешивание осадка с помощью гидроэлеватора. Гидроэлеватор надежен в эксплуатации. Однако коэффициент полезного действия таких установок крайне низкий, поэтому их применяют только для метантенков вместимостью до 1700 м3. Метантенки большей вместимости оборудуют пропеллерными мешалками. В частности, такая мешалка установлена в метантенке Курьяновской станции (см. рис. 4.56). Мешалка имеет диаметр 750 мм, производительность 900 л/с, напор 1,15 ми частоту вращения винта 270 мин-1. Винт насоса ЗОПР-70 изготовлен по специальному заказу. При такой производительности мешалки ил, заполняющий весь объем метантенка, перемешивается в течение 2 ч.
Дополнительное перемешивание осадка обеспечивается инжектором, движением более холодного загружаемого осадка сверху вниз и за счет выделения пузырьков газа, обеспечивающих движение частиц осадка в противоположном направлении.
Типовые метантенки с коническими перекрытием и днищем имеют полезную вместимость 500—4000 м3 (табл. 4.34).
Секция метантенков состоит из четырех резервуаров, здания обслуживания, киоска газовых приборов и проходного туннеля (метантенки диаметром 12,5 м не имеют проходного туннеля).
Загрузка и выгрузка осадка в резервуары производится одновременно с помощью камер впуска и выпуска, установленных в изолированном помещении, которое относится к категории взрывоопасных. Разрез типового метантенка диаметром 17,5 м приведен на рис. 4.58.
За рубежом (в частности, в ГДР, Англии) получили распространение двухступенчатые метантенки. В первой ступени метантенка происходит интенсивное брожение органических веществ осадков, сопровождающееся бурным газовыделением и перемешиванием всей толщи осадка. Для второй ступени характерно затухание газовыделения, расслоение осадка с образованием слоя иловой воды. Вторая ступень, таким образом, выполняет функции уплотнителя.

Метантенк с неподвижным незатопленным перекрытием
К числу достоинств метантенков с плавающим перекрытием (рис. 4.54) относится их взрывобезопасность, возможность регулирования загрузки и выгрузки осадка по положению плавающего перекрытия по высоте. Однако применение их ограничено, так как вследствие большого зеркала бродящей массы создаются благоприятные условия для образования корки. Кроме того, при низкой температуре воздуха затрудняется движение плавающего перекрытия по направляющим роликам из-за их обмерзания.
Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными перекрытиями (рис. 4.55 — 4.57).

Рис. 4.55. Метантенк с неподвижным незатопленным перекрытием 1 — гидроэлеватор; 2 — выпуск ила

На рис. 4.56 представлен метантенк диаметром 24 м и общей высотой 19,6 м. Полезный объем метантенка 5200 м3, перекрытие полусферическое. В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина диаметром 4 м и высотой 2,5 м. Поверхность бродящей массы всегда находится выше основания горловины, вследствие чего площадь свободного зеркала в метантенках значительно сокращается. При уменьшении этой площади увеличивается интенсивность газовыделения на единицу площади, что способствует разбиванию корки. При этом площадь горловины резервуара назначается исходя из нагрузки по объему выходящего газа — 700—1200 м3/м2 в сутки.
Для сбора газа на горловине метантенка установлены газовые колпаки высотой 3,8 м. Давление газа в них составляет 3—3,5 кПа.
Отечественный опыт показывает, что отношение диаметра метантенка к его глубине должно находиться в пределах 1 : 1—1 :0,8.
Газо- и теплоизоляцию бетонного перекрытия метантенков выполняют из четырех-пяти слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Далее уложен слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху — трехслойной рулонной кровлей.
С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадка происходит одновременно и непрерывно.

"ЭКОНОРМ" - это локальная установка биологической очистки хозяйственно-бытовых и сточных вод от индивидуальных жилых домов (коттеджей, дач и т.д.) Сточные воды от сантехнических устройств в коттедже самотеком по трубам поступают в установку и проходят механическую, биохимическую и микробиологическую очистку.

Локальная канализационная система
биологической очистки сточных вод

1-первая секция метантенка,
2-вторая секция метантенка,
3-третья секция метантенка,
4-капельный биофильтр.

Установка "ЭКОНОРМ" состоит из трехсекционного метантенка 1, 2 ,3 и капельного объема биофильтра 4, объединенных в монолитном железобетонном коробе, изготовленным в заводских условиях, что исключает возможность протекания неочищенных сточных вод в грунт.
Установка имеет тепловую изоляцию из пенопласта, что обеспечивает стабильность температурного режима, необходимого для процессов биологической очистки.
В верхней части предусмотрены три железобетонных люка для очистки трех секций метантенка и замены загрузки биофильтра один раз в 3-5 лет. Этот срок зависит от интенсивности эксплуатации очистной установки.
В первой секции метантенка 1 происходит осветление сточных вод и сбраживание осадка анаэробной микрофлорой.
Во второй секции 2 происходит сепарация осветленной и неосветленной сточной воды, откуда осветленная вода поступает в биофильтр.Третья секция 3 метантенка служит для дальнейшего осветления воды и перевода осветленной воды в биофильтр 4 .
Биофильтр 4 отделен от метантенка теплопроводной стенкой и заполнен специальной загрузкой, на которой вырастает биопленка в течении первого месяца эксплуатации установки.

В биофильтре происходит аэробная очистка вод.
В нижней части биофильтра расположена фильтрационная аэрирующая камера, а в верхней-вентиляционная труба, выходящая через железобетонный люк для удаления образующихся газов и поступления воздуха за счет конвекции.
Метантенк и биофильтр соединены между собой оригинальным гидрозатвором, заборное отверстие которого расположено ниже уровня поверхности стоков.
В нижней части биофильтра очищенные стоки поступают через выходную трубу в водоприемный колодец, при этом уровень воды в нем должен быть обязательно ниже сливной трубы.
Технические характеристики Установки "ЭКОНОРМ"

Производительность, м3/сутки  1,5 2,0 3,0
Степень очистки, % 98 98 98
Высота в сборе, м 1,25 1,25 1,25
Длина в сборе, м  2,7 2,9 2,7
Ширина в сборе, м  1,1 1,1 2,2
Количество человек  до 7  до 10  до 15
Масса в сборе, кг  3800 4100 7600

Все вышеперечисленные методы применимы, когда концентрация определенных загрязняющих веществ не превышает допустимый уровень. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных веществ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например озонированием или УФ-облучением).

Тема №3
Почва - компонент биосферы. Планетарная роль почвы и роль почвы в биогеоценозе. Общая характеристика почвенных животных (их классификация). Краткая характеристика простейших, червей, моллюсков, тихоходок, членистоногих, млекопитающих. Их экологические функции в природе и возможное участие при биологических методах очистки сточных вод.

Почва — особое естественно-историческое образование, возникшее в результате изменения поверхностного слоя литосферы совместным воздействием воды, воздуха и живых организмов. Порода, из которой образовалась почва называется материнской. Исходные минералы и структура породы разрушаются, создаются новые минералы и другая структура, обеспечивающие накопление разложившейся органики. В результате формируется почва — геологическое тело, отличающееся от всех похожих на нее глинистых и песчаных образований тем, что обладает плодородием: дает жизнь растениям и, следовательно, пищу животным и человеку.
Плодородие почвы — ее способность удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздухе, биотической и физико-химической среде, включая тепловой режим, и на этой основе обеспечивать урожай сельскохозяйственных культур, а также биогенную продуктивность диких форм растительности.
Различают искусственное и естественное плодородие. Искусственное плодородие — результат агрономического воздействия на почву, а естественное плодородие, или просто почвенное плодородие, обусловлено естественными экологическими факторами почвы.
Почва состоит из твердой, жидкой и газообразной компонент и содержит живые макро- и микроорганизмы (растительные и животные).
Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органической частями. Больше всего минералов первичных, оставшихся от материнской породы, меньше — вторичных, образовавшихся в результате разложения первичных, — это глинистые минералы коллоидных размеров, а также минералы-соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и др., выпадающие в осадок из почвенных вод. Процентное содержание в почве способных легко растворяться в воде минералов-солей характеризует ее степень засоления. Органическая часть представлена гумусом — сложным органическим веществом, образовавшимся в результате физико-химического разложения отмершей органики. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам, которые он содержит, в том числе и биогенным элементам. Содержание гумуса в почвах колеблется от десятых долей процента до 20—22%. Самые богатые гумусом почвы — черноземы, они же и самые плодородные.
Почвенная биота представлена фауной и флорой. Фауна: дождевые черви, мокрицы, земляные клещи, нематоды и др., перераспределяют гумус и биогенные элементы, повышая ее плодородие. Огромную роль играют дождевые черви, вес которых может превышать вес пасущегося скота (их до пяти миллионов особей на гектар черноземной пашни). Они, по мнению Ч. Дарвина, пропускают через свой кишечник за несколько лет весь пахотный слой. Флора — это грибы, бактерии, водоросли и др., перерабатывают органику до исходных неорганических составляющих (деструкторы).
Жидкая компонента почв, вода, может быть свободной, связанной, капиллярной и парообразной. Свободная вода перемещается по порам под действием силы тяжести, связанная адсорбируется поверхностью частиц и образует на них пленку, капиллярная удерживается в тонких порах под действием менисковых сил, парообразная находится в той части пор, которая свободна от воды. Наиболее доступной для корневой системы растений является свободная и капиллярная формы воды, труднодоступная — связанная (пленочная) вода, а парообразная влага большой роли не играет. Отношение массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты, обычно выраженное в процентах, именуют влажностью почвы.
Всю жидкую компоненту почв называют почвенным раствором. Он может содержать нитраты, бикарбонаты, фосфаты, сульфаты и другие соли, а также водорастворимые органические кислоты, их соли, сахара, но преимущественно в свободной и капиллярной воде, в связанной воде вещества труднорастворимы. Концентрация раствора зависит от влажности почвы.
Состав и концентрация почвенного раствора определяют ре-акцию среды, показателем которой является величина рН. Наиболее благоприятной для растений и почвенных животных является нейтральная среда (рН = 7).
Структура и пористость определяют доступность для растений и животных питательных веществ. Частицы почв, связанные между собой силами молекулярной природы, образуют структуру почвы. Между ними образуются пустоты, называемые порами. Пористость — это доля объема пор в объеме почвы, которая может достигать 50% и более.
Почвы — важнейший компонент биосферы, оказывающий наряду с Мировым океаном решающее влияние на всю глобальную экосистему в целом. Именно почвы обеспечивают питание биогенными веществами растения, которые кормят весь мир гетеротрофов. Почвы на Земле разнообразны и их плодородие тоже разное.
Плодородие зависит от количества гумуса в почве, а его накопление, как и мощность почвенных горизонтов, зависит от климатических условий и рельефа местности. Наиболее богаты гумусом степные почвы, где гумификация идет быстро, а минерализация идет медленно. Наименее богаты гумусом лесные почвы, где минерализация по скорости опережает гумификацию.
Выделяют по различным признакам множество типов почв. Под типом почв понимается большая группа почв, формирующихся в однородных условиях и характеризующаяся определенным почвенным профилем и направленностью почвообразования.
Поскольку важнейшим почвообразующим фактором является климат, то, в значительной мере, генетические типы почв совпадают с географической зональностью: арктические и тундровые почвы, подзолистые почвы, черноземы, каштановые, серо-бурые почвы и сероземы, красноземы и желтоземы. Распространение основных типов почв на земном шаре показано на рис. 6.6.
Время формирования почв зависит от интенсивности гумификации. Скорость накопления гумуса в почвах можно определить в единицах, измеряющих мощность (толщину) гумусового слоя по отношению к времени их формирования, например, в мм/год. Такие цифры приводятся в табл. 6.4.
Зная скорость накопления гумуса и мощность гумусового горизонта, можно рассчитать возраст различных типов почв (Геннадиев, 1987). На Русской равнине черноземы образовались за 2500—3000 лет, серые и бурые лесные почвы — за 800— 1000 лет, подзолистые примерно за 1500 лет. Скорость образования почв зависит и от типа материнской породы — на гранитах во влажном тропическом климате для образования настоящей почвы надо 20 000 лет.
Эти данные позволяют количественно оценивать допустимый смыв при интенсивном антропогенном воздействии. Одновременно они свидетельствуют, как легко можно разрушить эту тонкую «коричневую пленку», и сколько нужно времени, не считая затрат, чтобы восстановить утраченное.
Почва является граничным слоем между атмосферой и биосферной частью литосферы. В нем наблюдается не просто смешение живого и неживого компонентов природы, но и их взаимодействие в рамках почвенной экосистемы. Главное назначение этой экосистемы — обеспечение круговорота веществ в биосфере.
К одноклеточным, или простейшим, относятся животные, тело которых, морфологически соответствуя одной клетке, вместе с тем представляет собой самостоятельный целостный организм со всеми присущими ему функциями. Общее число видов простейших превышает 30 тыс.
Возникновение первых одноклеточных животных сопровождалось рядом ароморфозов: 1) появились диплоидность и ограниченное оболочкой ядро как структура, отделяющая генетический аппарат клетки от цитоплазмы; 2) возникли органоиды, способные к самовоспроизведению как на основе кольцевой молекулы ДНК, так и по принципу самосборки (клеточный центр, базальное тельце жгутиков и ресничек); 3) образовались внутренние мембраны, обеспечивающие пространственное разделение метаболических процессов и синтез различных веществ при участии ферментных систем; 4) появился высокоспециализированный и динамичный внутренний скелет — цитоскелет, состоящий из микротрубочек и белковых волокон; 5) возник половой процесс — обмен генетической информацией между двумя особями.
Строение. Подавляющее большинство простейших имеют микроскопические размеры, однако есть крупные многоядерные и колониальные формы. Наименьшие из одноклеточных имеют в диаметре 3 — 4 мкм, но встречаются и гиганты. Например, один из видов грегарин (класс Споровики) достигает 1 см в длину.
План строения тела простейших соответствует общим чертам организации эукариотических клеток. Основные компоненты клетки одноклеточных — ядро и цитоплазма. Генетический аппарат одноклеточных представлен одним или несколькими ядрами. При наличии одного ядра оно может быть диплоидным или полиплоидным. Полиплоидия и многоядерность у простейших возникли в процессе эволюции как приспособления, более эффективно обеспечивающие все функции и поддержание постоянства состава внутренней среды организма в непрерывно меняющихся условиях внешней среды.
Цитоплазма состоит из светлой наружной части, лишенной органоидов, — эктоплазмы, и более темной внутренней части, содержащей основные органоиды, — эндоплазмы. В эндоплазме имеются органоиды общего назначения: митохондрии, эндоплаз-матическая мембранная сеть, рибосомы, аппарат Гольджи и др. В отличие от клеток многоклеточного организма у одноклеточных есть органоиды специального назначения, обеспечивающие их полифункщионалъную организменную целостность. Это органоиды движения, которые могут быть временными или постоянными. К ним относятся ложноножки — псевдоподии, жгутики и реснички. Имеются и органоиды осморегуляции. Свободноживущие пресноводные простейшие часто обитают в гипотонической среде (среда с пониженным осмотическим давлением), поэтому в их организм постоянно осмотически поступает вода.
Для ее удаления, а также для выделения продуктов обмена у них имеются сократительные вакуоли. Есть органоиды, обеспечивающие раздражимость, например светочувствительные глазки.
Важная биологическая особенность многих простейших — способность к образованию цист. Этот процесс сравним со спорообразованием у прокариот. В неблагоприятных условиях ядро с небольшим объемом цитоплазмы, содержащим необходимые органоиды, окружается толстой многослойной оболочкой, обезвоживается и переходит от активного состояния к физиологическому покою. В цистах процессы обмена веществ практически прекращаются, вследствие этого они могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет. При попадании в благоприятные условия цисты «раскрываются», и из них выходят простейшие в виде активных и подвижных особей.
Размножение. Основная форма размножения простейших — бесполое размножение путем митотического деления клетки. Однако часто встречается половой процесс. Как правило, в благоприятных условиях одноклеточные животные размножаются бесполым путем, а при наступлении неблагоприятных условий существования — половым.
Экология. Среда обитания простейших чрезвычайно разнообразна. Многие из них живут в морях. Некоторые входят в состав  бентоса, т.е. донных и придонных обитателей водоемов. Многочисленные виды жгутиковых и инфузорий — компоненты морского планктона. Много видов простейших образуют и пресноводный бентос, а также являются компонентами планктона пресных i водоемов. Некоторые виды одноклеточных, живущие в почве, участвуют в почвообразовании. Наконец, среди простейших широко  распространился паразитизм. Многие виды вызывают тяжелые заболевания у человека и животных, некоторые простейшие паразитируют на растениях.
Так,' существуют трипаносомы, приспособившиеся к паразитированию в растениях с млечным соком (молочайные, сложноцветные, маковые и др.) Они живут в сосудах, наполненных млечным соком, в межклетниках, в вакуолях отдельных клеток. Нередко эти простейшие развиваются в растительных тканях в огромных количествах и приводят зараженный организм к гибели. Перенос возбудителя и заражение растений осуществляются растительноядными клопами, сосущими соки растений.
Таким образом, простейшие находятся в состоянии биологического прогресса и имеют различные приспособления к условиям жизни в разнообразных средах обитания.
Классификация простейших. Простейшие еще недавно рассматривались как один тип животного мира. В настоящее время установлено, что в пределах полцарства существует несколько групп организмов, значительно отличающихся по внутренней организации. В современной систематике простейших разделяют на ряд самостоятельных типов: Саркожгутиконосцы; Споровики; Кни-доспоридии; Микроспоридии; Ресничные, или Инфузории.
ТИП ПЛОСКИЕ ЧЕРВИ (PLATHELMINTHES)
Известно более 12,5 тыс. видов плоских червей. Развитие плоских червей шло по двум основным направлениям. Одна часть представителей типа эволюционировала по пути выработки приспособлений к разнообразным условиям существования в окружающей среде. Эту группу объединяют в класс Ресничные черви. Другая часть впоследствии пошла по пути общей дегенерации в связи с переходом к паразитическому образу жизни.
Появление первых плоских червей относят к протерозою. Этому способствовало приобретение животными крупных ароморфозов: 1) возникновение третьего зародышевого листка — мезодермы как источника формирования новых органов и систем. Среди них особо важное место принадлежит мышечной системе, обусловившей активное перемещение по твердому субстрату и в будущем — освоение многоклеточными суши; 2) дифференцировка клеток на большое количество функциональных типов; 3) билатеральная симметрия как форма усиления структурированности организма, позволяющая не только плавать, но и ползать по субстрату; 4) появление переднего конца тела с комплексом органов чувств: зрения, обоняния, осязания;
5) возникновение нервной системы, состоящей из боковых нервных стволов, соединенных между собой многочисленными перемычками, и концентрация нервных элементов на переднем конце тела; 6) образование пищеварительной системы, включающей передний и средний отделы, обеспечивающие полостное пищеварение; 7) появление выделительной системы, состоящей из отдельных клеток — протонефридиев; 8) формирование постоянных половых желез и их придатков — половой системы.
Таким образом, перечисленные ароморфозы обеспечили приспособленность плоских червей к различным условиям существования и способствовали эволюции в самых разных направлениях благодаря приобретению многочисленных частных приспособлений — идиоадаптаций.
Строение. У всех плоских червей тело вытянуто и уплощено в спинно-брюшном направлении. Отчетливо выделяются передний и задний концы. Многие свободноживущие черви на переднем конце имеют щупальцевидные выросты, несущие органы чувств. Плоские черви — паразиты, имеющие различные приспособления для прикрепления к телу хозяина. Размеры плоских червей колеблются обычно от 0,5 мм до 5 — 7 см у свободноживущих форм и до 10 — 30 м у паразитов. Тело представляет собой кожно-мус-кульный мешок, полости тела нет, промежутки между органами заполнены рыхлой тканью — паренхимой.
Нервная система представлена крупным скоплением нервных клеток — нервным узлом, который расположен на переднем конце тела, и отходящими от него нервными стволами. Органы чувств, как правило, представлены отдельными ресничками — отростками чувствительных нервных клеток. Некоторые свободноживущие представители типа приобрели примитивные органы зрения — светочувствительные пигментные глазки и органы равновесия.
Пищеварительная система, как правило, есть у свободноживущих червей и утрачивается у плоских червей, ведущих паразитический Ьбраз жизни.
Выделительная система представлена разветвленными канальцами, начинающимися в паренхиме звездчатыми клетками — протонефридиями, имеющими полость с находящимся в ней пучком ресничек. Колебания ресничек вызывают ток жидкости, направляя ее в канальцы, которые сообщаются с внешней средой выделительными отверстиями.
Половая система гермафродитна, состоит из половых желез и сложной системы протоков, служащих для выведения половых клеток. Некоторые группы плоских червей приобрели прогрессивные приспособления для внутреннего оплодотворения.
Экология. Ресничные черви — преимущественно свободножи-вущие водные и околоводные обитатели. Турбеллярии широко распространены по всему земному шару. В морях и океанах они ведут донный образ жизни, в литоральной зоне заселяют песок, илистые грунты и водоросли.
Большое число видов живет во влажном прибрежном мху, в почве. Почвенные формы нуждаются в высокой влажности и высокой температуре, поэтому они встречаются преимущественно в тропических лесах.
Ресничные черви, как правило, ведут хищный образ жизни. Они поедают многих простейших (инфузорий, корненожек, жгутиконосцев), нематод, мелких ракообразных, личинок комаров. Некоторые виды турбеллярии нападают на других червей этого класса.
ТИП КРУГЛЫЕ, ИЛИ ПЕРВИЧНОПОЛОСТНЫЕ, ЧЕРВИ (NEMATHELMINTHES)
Известно более 20 тыс. видов круглых червей, обитающих в морях, пресных водоемах, почве, а также ведущих паразитический образ жизни. Считают, что на самом деле видов круглых червей гораздо больше. Некоторые ученые полагают, что число видов круглых червей может достигать 1 млн.
В настоящее время выделяют 8 классов круглых червей: Брюхо-ресничные (Gastrotricha), Нематоды (Nematoda), Коловратки (Ro-tatoria), Киноринхи (Kinorhyncha), Волосатиковые (Nemato-morpha), Колючеголовые (Acanthocephala), Приапулиды (Priapu-lida) и Камптозои, или Сгибающиеся (Kamptozoa). Из них будет рассмотрен класс Собственно круглые черви, или Нематоды как наиболее многочисленный и обладающий типичными для данной группы беспозвоночных животных признаками.
Круглые черви возникли, вероятно, в протерозое. Первичнополостные произошли от примитивных неспециализированных плоских червей, подобных ресничным червям современной фауны.
Дыхательная и кровеносная системы у них отсутствуют. Дыхание осуществляется всей поверхностью тела через кожные покровы, а также через полость кишечника.
Появление круглых червей было обусловлено рядом ароморфозов: 1) образование первичной полости тела, которая заполнена жидкостью под давлением; жидкость выполняет роль гидроскелета и участвует в обмене веществ внутри организма; 2) прогрессивное развитие нервной системы, выразившееся в слиянии нервных стволов и формировании окологлоточного нервного кольца; 3) появление задней кишки и заднепроходного отверстия, что позволило превратить процесс пищеварения из циклического в непрерывный; 4) разделение мышечного слоя на продольные тяжи, т.е. разделение органов, способствующее эффективности движения животных; 5) раздельнополость, обеспечившая повышение генетического разнообразия потомства.
Круглые черви широко распространились, войдя в состав всех биогеоценозов нашей планеты. Несмотря на многообразие сред обитания, которыми овладели нематоды, они имеют единую организацию.
Экология. Нематоды живут во всех средах, где возможна жизнь. Многочисленные виды нематод ведут свободный образ жизни, обитая на дне океанов, морей, рек, лиманов и других водоемов. Кроме того, представители многих видов живут в почве, заселяя все ее типы вплоть до песков. Некоторые проникли в органы растений.
Многие нематоды поселяются в ходах короедов. Имеются виды, специфичные для фекальных масс, в том числе для навоза жвачных. Очень большое число видов нематод (около 50 %) приспособилось к паразитизму в органах животных, поражая других червей (кольчатых), ракообразных, насекомых (рис. 239), моллюсков, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, в том числе человека.
ТИП МОЛЛЮСКИ (MOLLUSCA)
Моллюски, или мягкотелые, образуют обособленный тип беспозвоночных животных. Количество видов достигает 130 тыс. Предками моллюсков считают древних неспециализированных многощетинковых червей, от которых они произошли в конце протерозоя.
Появление моллюсков стало возможным благодаря ароморфозам, выделившим мягкотелых из кольчатых червей: 1) слияние сегментов в отделы тела и концентрация органов, повысившая интенсивность выполняемых ими функций; 2) прогрессивное развитие нервной системы — образование нервных узлов в отделах тела; 3) появление сердца, увеличившего скорость кровообращения, что дало возможность существенно повысить интенсивность обменных процессов; 4) появление пищеварительных желез, обеспечивших наиболее полную утилизацию пищи.
Строение. Моллюски — двусторонне-симметричные животные, у которых в той или иной степени развита вторичная полость тела. Тело моллюсков в большинстве случаев состоит из головы, туловища и ноги. Туловище представляет собой кожно-мускульный мешок, его основание окружено обширной кожной складкой — мантией. Она образует полость, в которой находятся органы дыхания, некоторые органы чувств, в нее открываются заднепроходное отверстие, протоки почек и половых желез. На спинной стороне, как правило, расположена выделяемая мантией защитная раковина, чаще цельная, реже двустворчатая или состоящая из нескольких пластинок.
На голове расположены ротовое отверстие, органы чувств. Сильно утолщенная вследствие развития мускулатуры брюшная сторона туловища образует различные типы ног: широкие — полза-тельные; клиновидные; округлые — присасывательные и др.
Нервная система моллюсков состоит из окологлоточного нервного кольца, в котором наибольшее развитие получает надглоточный нервный узел («головной мозг»), и отходящих от него нервных стволов, соединяющих нервные ганглии разных отделов тела. Помимо рефлекторной деятельности нервная система выполняет функции регуляции роста и размножения путем выделения нейрогормонов. Из органов чувств органы химического чувства и равновесия встречаются у всех представителей, у многих видов имеются глаза.
Органы дыхания у большинства видов представлены жабрами, у наземных представителей и у форм, вторично перешедших к водному образу жизни, — легкими.
Кровеносная система характеризуется наличием сердца, состоящего из желудочка и одного или двух предсердий и сосудов. Она незамкнута, и часть пути кровь проходит по полостям между внутренними органами. Пространство между внутренними органами заполнено паренхимой.
Пищеварительная система состоит из передней, средней и задней кишки. В глотке обычно имеется орган, измельчающий пищу, — тёрка с расположенными на ней роговыми зубчиками. Как правило, тёрка служит для соскабливания растительной пищи и лишь в редких случаях (у хищников) для ее активного захвата. В среднюю кишку открываются протоки пищеварительной железы, совмещающей функции печени и поджелудочной железы. Здесь происходит переваривание пищи и накапливаются питательные вещества. Органы выделения представлены почками.
Моллюски преимущественно раздельнополые животные. У гер-мафродитных форм оплодотворение перекрестное.
В процессе расселения по планете моллюски разделились на ряд групп, объединенных в несколько классов. Среди них брюхоногие, двустворчатые и наиболее высокоорганизованные головоногие.
Экология. Большинство брюхоногих моллюсков — морские животные. Некоторые представители в ходе эволюции приспособились к жизни в пресных водоемах, другие перешли к наземному существованию. В морях брюхоногие встречаются на различных глубинах. На суше они способны переносить резкие колебания температуры.
Настоящие паразиты имеются только среди одного подкласса Брюхоногих, так называемых Переднежаберных. Большинство из них паразитирует на коже или в полости тела иглокожих (морских звезд, морских ежей и др.). Паразитический образ жизни обусловил значительные изменения и упрощение организации моллюсков: утрату раковины, ноги, мантии вплоть до полного исчезновения пищеварительной и других систем.
ЧЛЕНИСТОНОГИЕ — наиболее богатый видами тип животных, включающий свыше 1 млн видов. К членистоногим относятся водные и сухопутные формы, обладающие членистыми конечностями и сегментированным телом. Первые членистоногие возникли в море и произошли в протерозое от свободноживущих примитивных многощетинковых червей. Уже в кембрийском периоде палеозойской эры морские членистоногие широко распространились.
Появление первых представителей типа было обусловлено многочисленными ароморфозами: 1) концентрацией органов, выражающейся в слиянии сегментов в отделы тела; 2) появлением членистых конечностей; 3) возникновением поперечнополосатой мускулатуры, заменившей гладкую соматическую мускулатуру, и формированием мышечных пучков, обеспечивших разнообразие и высокую точность движений; 4) появлением наружного скелета — хитинового покрова как места для прикрепления мышц; 5) прогрессивным развитием пищеварительной системы.
Строение. Членистоногие — двусторонне-симметричные животные, тело их в большинстве случаев состоит из трех отделов: головы, груди и брюшка. Им присуща гетерономность сегментации: сегменты обладают неодинаковым строением в разных участках тела и могут сливаться в пределах отдела, так же как и сами отделы. Тело покрыто сплошной хитинизированной кутикулой. Конечности, филогенетически развившиеся из параподий полихет, подвижно соединяются с телом при помощи суставов и состоят из нескольких члеников. Таким образом, конечности представляют собой многоколенный рычаг, способный к сложным и разнообразным движениям в отличие от параподий кольчатых червей, совершающих однообразные взмахи в одной плоскости. Конечности, расположенные в разных отделах тела, могут быть специализированы для выполнения несхожих функций — захвата и измельчения пищи, движения, дыхания и т.д. Брюшные сегменты у многих артропод лишены конечностей.
Органы дыхания членистоногих разнообразны. В соответствии со средой обитания они представлены органами водного дыхания — жабрами или органами атмосферного дыхания — легкими и (или) трахеями.
Центральная нервная система образована передним отделом («головным мозгом»), расположенным над кишечником, и брюшной нервной цепочкой.
В связи с редукцией целома формируется смешанная полость тела — миксоцелъ, вследствие чего кровеносная система не замкнута, кровь приводится в движение сокращениями сердца, расположенного над кишечником и имеющего парные щели — остии. Кровь — гемолимфа, смешанная с полостной жидкостью.
Органы выделения представлены видоизмененными метанеф-ридиями (выделительными железами) и мальпигиевыми сосудами — слепо замкнутыми трубочками, открывающимися в полость кишки.
Членистоногие в громадном большинстве раздельнополы. Развитие обычно с метаморфозом, реже прямое.
Экология. Тип Членистоногие — самый многочисленный и разнообразный тип животных, что связано с необычайной пластичностью этой группы. Атмосфера, поверхность и глубины морских и пресных водоемов, разные слои почвы, снежные поля и вечные льды — все эти биотопы населены членистоногими, среди которых имеются паразиты животных и растений, живущие на покровах тела хозяина, а также в различных органах и тканях. Паразитизм распространен очень широко и иногда приводит к тому, что животное утрачивает даже признаки типа. В таких случаях лишь его онтогенетическое развитие указывает на принадлежность к членистоногим.
Тип Членистоногие включает ряд подтипов, состоящих из нескольких классов. Среди классов членистоногих наиболее широко    представлены Ракообразные, Паукообразные, Насекомые и Многоножки.
КЛАСС МЛЕКОПИТАЮЩИЕ (MAMMALIA)
Млекопитающие — наиболее высокоорганизованный класс позвоночных. Первые представители появились на Земле, по-видимому, в триасовом периоде. Предками древних млекопитающих были неспециализированные палеозойские рептилии, еще не утратившие некоторых черт, присущих амфибиям: слабое ороговение кожи,  наличие эпидермальных желез и ряд других признаков. Такой предковой группой считают зверозубых рептилий, вымерших к середине юрского периода. В процессе эволюции первые млекопитающие , дивергировали на две крупные ветви, одна из которых в конце  триаса дала начало однопроходным, или первозверям, а вторая в меловом периоде уже была представлена группами более высокоорганизованных настоящих зверей — сумчатыми и плацентарными.
Эволюция млекопитающих сопровождалась рядом аромор-фозов: 1) высокоразвитая нервная система, особенно кора больших полушарий, обеспечившая приспособление к условиям существования путем изменения поведения; 2) дифференцировка позвоночного столба на четко выраженные отделы и перемещение конечностей с боков под тело; 3) возникновение органов, обеспечивающих развитие зародыша в теле матери и выкармливание детенышей молоком; 4) появление шерстного покрова, позволяющего сохранять тепло; 5) полное разделение кругов кровообращения и возникновение теплокровности; 6) возникновение альвеолярных легких, повысивших интенсивность газообмена и как следствие — общий уровень обменных процессов.
Современные млекопитающие представлены тремя подклассами: Однопроходные (Первозвери), Сумчатые и Плацентарные.
К однопроходным (Monotremata), или первозверям (Prototheria), относятся только утконос, ехидна и близкая к ней проехидна. Первозвери характеризуются очень примитивными чертами: 1) размножаются путем откладывания крупных (около 14 мм в диаметре), богатых питательным желтком яиц; 2) кишечник и мочеполовой синус открываются наружу не самостоятельными отверстиями, а впадают в клоаку; 3) соски отсутствуют, и млечные железы, имеющие строение типичных трубчатых желез, открываются многочисленными отверстиями на особом железистом поле, с которого молоко слизывается детенышами; 4) плечевой пояс сходен с плечевым поясом пресмыкающихся; 5) правое отверстие в сердце снабжено лишь одним клапаном; 6) температура тела низкая и колеблется от 26 до 34 "С. Только у ехидны имеется выводковая сумка — складка кожи на брюхе, в которую открываются млечные железы и которая образуется только на время размножения. Мягкие губы отсутствуют, и челюсти покрыты роговым клювом.
Однопроходные распространены только в Австралии, Тасмании и Новой Гвинее.
Сумчатые (Marsupialia) относятся к группе низших зверей (Metathe-ria) и обладают рядом своеобразных черт: 1) плацента, за редким исключением, отсутствует, и детеныши рождаются недоразвитыми и очень мелкими; они не могут сосать, и молоко впрыскивается им в рот благодаря сокращениям особой мышцы; 2) мозг очень примитивен; 3) у самок имеются две матки; 4) температура тела, хотя и выше, чем у однопроходных, но ниже, чем у плацентарных, и непостоянна.
Распространены сумчатые в Австралии, на соседних с ней островах, в Южной и Центральной Америке (рис. 273). Один вид широко распространен в Северной Америке. Сумчатые насчитывают около 180 современных видов. Благодаря почти полному отсутствию в Австралийской области плацентарных млекопитающих сумчатые образовали здесь целый ряд экологически конвергентных с ними групп. Так, сумчатый волк очень похож на настоящего хищника из семейства Собачьих, сумчатая белка — на белку-летягу, вомбат — на сурка, а сумчатый крот — на настоящего крота.
К плацентарным (высшие звери, или Eutheria) относится огромное большинство современных млекопитающих, которые распадаются на многочисленные и разнообразные отряды, включающие 4,5 тыс. видов. Благодаря высокой организации коры мозга плацентарные смогли расселиться не только по всей суше, но и по всему Мировому океану, проникли в воздушную среду (летучие мыши), где выдерживают конкуренцию с птицами.
Размножение и развитие. У одних видов млекопитающих детеныши рождаются беспомощными, у других — способными к активным действиям. Продолжительность беременности зависит от многих факторов: размеров тела, готовности потомства к самостоятельной жизни и др. Иногда беременность удлиняется латентным периодом, когда начавший развиваться зародыш на некоторое время приостанавливает развитие. Такая диапауза позволяет приурочить роды к благоприятному периоду. Размножаются млекопитающие ритмично, т.е. упорядоченно во времени, что определяется длительностью половых циклов. Готовность к размножению и приуроченность времени спаривания к определенному периоду обеспечиваются сложным регуляторным механизмом, действующим по сигналам внешней среды. В умеренных и высоких широтах таким сигналом служит изменение длины светового дня. В период размножения хищники и грызуны образуют пары или сложные семьи. Такие группы из нескольких самцов и самок с молодыми лучше обеспечивают воспитание молодняка. Часто они сохраняются и после периода размножения.
Экология. Широкое разнообразие млекопитающих способствовало расселению плацентарных практически во всех экологических нишах. Разные направления эволюции в пределах класса — сочетание дивергенции и параллелизма — привело к формированию множества экологических групп животных: землерои (землеройки, слепыши); авиабионты — рукокрылые; грызущие млекопитающие (грызуны и зайцеобразные); хищные звери; гидробионты, ведущие водный образ жизни (ластоногие); хтонобионты, приспособленные к быстрому бегу (парнокопытные и непарнокопытные: лошадь, зебра, буйвол и др.); хоботные (индийский и африканский слоны); лоеволазы (полуобезьяны и обезьяны, пис. 278V
Наиболее высокоорганизованные млекопитающие — высшие приматы, среди которых особое место занимает вид Человек разумный. Его преобладание в царстве животных обусловлено сильным развитием коры больших полушарий, формированием приспособительного поведения, способности к труду и общественным отношениям, базирующимся на совместной трудовой деятельности.

(345.5 KiB, 64 downloads)

© Размещение материала на других электронных ресурсах только в сопровождении активной ссылки

Вы можете заказать оригинальную авторскую работу на эту и любую другую тему.

Контрольные работы в Магнитогорске, контрольную работу купить, курсовые работы по праву, купить курсовую работу по праву, курсовые работы в РАНХиГС, курсовые работы по праву в РАНХиГС, дипломные работы по праву в Магнитогорске, дипломы по праву в МИЭП, дипломы и курсовые работы в ВГУ, контрольные работы в СГА, магистерские диссертации по праву в Челгу.

Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Архив сайта
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

magref@inbox.ru

+7(951)457-46-96

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!