Tadeusz Trzmiel

Instytut Biochemii Technicznej

Wykład „Ochrona Środowiska”

(2007)

1. Wprowadzenie w zagadnienia związane z ochroną środowiska.

Środowisko  - to ogół elementów przyrodniczych, w tym także przekształconych w wyniku działalności człowieka, a w szczególności powierzchnia ziemi, kopaliny, wody, powietrze, zwierzęta, rośliny, krajobraz oraz klimat.

Ochrona środowiska  - to podjęcie lub zaniechanie działań, umożliwiające zachowanie lub przywracanie równowagi przyrodniczej, poprzez:

·         racjonalne kształtowanie środowiska i gospodarowanie zasobami środowiska zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju

·         przeciwdziałanie zanieczyszczeniom

a) zapobieganie

b) ograniczanie

·         przywracanie elementów przyrodniczych do stanu właściwego

Zrównoważony rozwój - to taki rozwój społeczno-gospodarczy, w którym następuje proces integrowania działań politycznych, gospodarczych i społecznych, z zachowaniem równowagi przyrodniczej oraz trwałości podstawowych procesów przyrodniczych, w celu zagwarantowania możliwości zaspokajania podstawowych potrzeb poszczególnych społeczności lub obywateli zarówno współczesnego pokolenia, jak i przyszłych pokoleń.

Ochrona naturalnych zasobów przyrody wchodzi w zakres ekologii (nauki, która bada wzajemne zależności między organizmami oraz ich zespołami, a ich żywym i martwym środowiskiem).

Nauka o ochronie środowiska przyrodniczego przed zanieczyszczeniami powstającymi w wyniku działalności człowieka to sozologia, popularnie zwana ochroną środowiska.

Środowisko „naturalne” (poprawniej – środowisko przyrodnicze) można traktować jako ekosystem czy też mikro-, mini-, makro- autonomiczne ekosystemy (np. palmiarnia).

Ekosystem - to układ ekologiczny obejmujący żywe organizmy (biocenozę) i środowisko nieożywione (biotop), w którym zachodzi obieg materii i przepływ energii.

Biocenoza – zespół organizmów zwierzęcych, roślinnych i drobnoustrojów żyjących na określonym terenie (biotopie), stanowiący autonomiczną jednostkę ekologiczną o biologicznej równowadze dynamicznej.

Można uogólnić, iż całe środowisko naturalne znajduje się w równowadze dynamicznej, to znaczy ciągle ulega zmianom w sposób naturalny. Zmiany te często są odwracalne. W przypadku organizmów żywych mówimy o tzw. homeostazie, czyli tendencji organizmów do ustabilizowania cech wewnętrznych pozwalająca im na przeżycie, wbrew zmieniającym się czynnikom otoczenia (np. zima-lato, itp.).

Rozpatrując ekologiczne aspekty równowagi w ekosystemach należy jeszcze wspomnieć o sukcesji ekologicznej. Sukcesja ekologiczna to naturalne następstwo (po sobie) wybranych gatunków drobnoustrojów, roślin i zwierząt. Np. kolejno występują grupy mikroorganizmów prowadzących sukcesywną przemianę materii. Proces kolejnych dominacji drobnoustrojów z różnych grup powtarza się, aż do całkowitego rozkładu substratu – występuje m.in. przy samooczyszczaniu wód.

Filozoficzne aspekty obecności człowieka w ekosystemach.

Działalność człowieka wynikającą z jego naturalnych potrzeb m.in. fizjologicznych (np. siusianie, jedzenie i stąd polowanie, uprawa roli, itp.) można uznać za naturalny element zmian zachodzących w ekosystemach. W tym aspekcie obecność człowieka kształtuje nowe środowisko naturalne. Natomiast świadoma działalność człowieka wynikająca z jego potrzeb psychicznych (choćby wojny, uprzemysłowienie) zmienia środowisko przyrodnicze (m.in. poprzez zakłócenie równowagi dynamicznej w ekosystemach), podporządkowując je swoim celem. Zakłóca homeostazę, aż do ustalenia nowej równowagi. Mówimy o antropogenizacji środowiska przyrodniczego. To środowisko można uznać za „naturalne” jedynie dla człowieka. Bezwzględnie niebezpieczna jest destrukcja „naturalnego” środowiska człowieka, która w krańcowym przypadku może doprowadzić do zagłady ludzkości.

Synekologia – dział ekologii, który bada zjawiska zachodzące w biocenozie w zbiorowiskach organizmów oraz zależności między zbiorowiskami a ich siedliskiem (m.in. synergizm – współdziałanie).

Wszystkie organizmy żywe zamieszkujące naturalne ekosystemy wypełniają ściśle określone funkcje:

·         producenci – przetwarzają energię słoneczną i gromadzą ją w substancjach chemicznych,

·         konsumenci – zużywają te substancje i nagromadzoną w nich energię,

·         destruenci – zapewniają mineralizację substancji organicznej i tym samym zamykają krążenie materii i energii w ekosystemach.

Abiotyczne czynniki – czynniki nieożywione występujące w danym biotopie (środowisku naturalnym, przestrzeni życiowej – podłoże życia danej biocenozy), obejmujące fizyczne i chemiczne czynniki środowiska (temperaturę, światło, natlenienie, stężenie biogenów czyli pierwiastków niezbędnych do rozwoju żywych organizmów – makroelementy, mikroelementy i ultraelementy, itp.

Oddziaływanie abiotycznych czynników (w połączeniu z działalnością człowieka) wpływa selektywnie na skład gatunkowy biocenozy oraz kształtuje rozmieszczenie i obfitość gatunków.

Toksyny – substancje chemiczne wytwarzane przez organizmy żywe (np. niektóre bakterie, pleśnie) mające właściwości trujące dla innych organizmów (m.in. antybiotyki). Stąd niemożność występowania pewnych gatunków organizmów obok siebie.

Ekotoksyny – substancje chemiczne (nieorganiczne i organiczne) nagromadzone w nadmiarze w biotopie w wyniku degradacji środowiska naturalnego, mający negatywny wpływ na cały ekosystem. Hamują zazwyczaj procesy metaboliczne.

Czynniki toksyczne to szkodliwe czynniki fizyczne lub trujące substancje chemiczne, przenikające ze środowiska do organizmu (czy całej populacji). Wywołują zaburzenia procesów życiowych a nawet śmierć.

Ksenobiotyki to substancje obce i szkodliwe dla środowiska naturalnego, syntetyzowane sztucznie przez człowieka i nie występujące naturalnie w przyrodzie.

Polutanty – zanieczyszczenia (substancje odpadowe, powstające w wyniku działalności człowieka bądź uboczne, powstałe w wyniku procesów biodegradacji ksenobiotyków).

Losy polutantów – ustalenie losów zanieczyszczeń w ekosystemach (co się z nimi dzieje?).

Refrakcyjne związki – substancje trwałe, nie podlegające wcale, bądź w małym stopniu biodegradacji (np. niektóre detergenty. pestycydy, polimery, itp.).

Adaptacja – wytworzenie się zmian biochemicznych i fizjologicznych (zarówno strukturalnych jak i enzymatycznych) umożliwiających organizmowi lepsze wykorzystanie warunków środowiska zewnętrznego lub większe uniezależnienie się od jego szkodliwego wpływu.

1.1. Pojęcia Ochrony Środowiska

Ochrona środowiska to przedsięwzięcia podejmowane w celu:

1.      zapobiegania,

2.      ograniczania (często doraźne rozwiązania),

3.      usuwania

następstw zanieczyszczania środowiska i w efekcie jego degradacją (zniszczeniem).

Zakres ochrony obejmuje w szczególności biosferę.

Biosfera – sfera życia; przestrzeń (środowisko) zamieszkałe przez organizmy,

·         litosfera – powierzchnia i cienka warstwa skorupy ziemskiej,

·         hydrosfera – całość wód powierzchniowych,

·         atmosfera – ale jedynie jej dolna część.

Należy zawsze mieć na uwadze:

1.      Przed czym mamy się bronić? Czyli wiedzieć, czy ochrona jest niezbędna (np. freon, pestycydy)?

2.      Jakie metody i sposoby należy zastosować?

3.      Jak poznać czy ochrona jest skuteczna?

4.      Czy w wyniku ochrony nie zachwialiśmy przypadkiem równowagi w ekosystemie?

ad.1) Skąd wiemy, co jest szkodliwe? [Zasadniczy przedmiot mojego wykładu]

·         posiadana wiedza na temat czynnika X,

·         dedukcyjne wyczucie zagrożenia środowiska przez czynnik X (niezbędna wiedza z zakresu ochrony środowiska - m.in. znajomość losów polutantów podobnych do czynnika X, znajomość szlaków biodegradacji ksenobiotyków, podstaw biochemii ekologicznej, itp.),

·         badania laboratoryjne, m.in. test ekspozycji – kontrola składu gatunkowego mikroorganizmów danej biocenozy w odniesieniu do różnych dawek czynnika X działających w czasie,

·         monitoring (kontrola) ekosystemu tj. cykliczne lub ciągłe pomiary stężenia zanieczyszczeń (związki refrakcyjne) i wybranych parametrów ekosystemu – fizycznych chemicznych i biologicznych,

·         wizualne obserwacje szkodliwych skutków czynnika X,

ad 2) metody i sposoby ochrony

·         zapobieganie i ograniczanie zanieczyszczeniu – głownie nowe technologie m.in. biotechnologie, technologie bezodpadowe, nowe techniki, ulepszone procesy jednostkowe i procesy zapobiegawcze, np. filtry fizyczne, chemiczne i biologiczne,

·         usuwanie szkód - m.in. technologie remediacji.

ad. 3) czy ochrona jest skuteczna

·         monitoring ekosystemu (w tym stężenie zanieczyszczeń),

·         BZT5 (pięciodobowe biochemiczne zapotrzebowanie na tlen)

·         ChZT (ilość tlenu potrzebna na utlenienie związków organicznych na drodze chemicznej),

·         wyniki badań synekologicznych (m.in. skład ilościowy i jakościowy drobnoustrojów),

·         oznaczenie zmienności modyfikacyjnej organizmów, będącej wynikiem działania warunków środowiska,

·         współczynnik specyfiki gatunkowej – stosunek zawartości zanieczyszczeń (np. metalu, ksenobiotyku) w danym gatunku mikroorganizmów do średniej zawartości tego zanieczyszczenia we wszystkich gatunkach tworzących biocenozę (niektóre gatunki mikroorganizmów wykazują zdolność akumulacji zanieczyszczeń, tzw. drobnoustroje wskaźnikowe,

·         współczynnik toksyczności – stosunek zawartości danej substancji chemicznej w wybranym elemencie organizmu żywego do wartości NDS (najwyższe dopuszczalne stężenie substancji nie wywierające w czasie ekspozycji ujemnych skutków na ten organizm),

·         wskaźnik Coli – liczba pałeczek okrężnicy (Escherichia coli) wykryta metodą fermentacyjną w 1dm3 wody lub metodą filtracyjną w 100cm3,

·         stopień oczyszczenia: stosunek ilości zanieczyszczeń usuniętych do ich początkowego stężenia (np. w BZT5),

·         skład gatunkowy drobnoustrojów.

- ZARYS EKOLOGII BIOCHEMICZNEJ -

2. ODDZIAŁYWANIA WEWNĄTRZ EKOSYSTEMÓW

Podział oddziaływań w ekosystemie

Oddziaływania pomiędzy żywymi organizmami można podzielić na dwa typy:

1. Oddziaływania z udziałem substancji stanowiących dla otrzymujących je organizmów źródło energii lub składników strukturalnych.
2. Oddziaływania za pomocą związków chemicznych odgrywających głównie rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych. Związki te są wytwarzane i wydzielane przez żywe organizmy do środowiska w niewielkich ilościach, wiele z nich znanych jest biochemikom (np. antybiotyki) i zaliczanych jest do metabolitów wtórnych.

Pomiędzy organizmami żyjącymi we wspólnym środowisku na drodze ewolucji wytworzyło się mnóstwo zależności nazwanych w tym rozdziale oddziaływaniami wewnątrz ekosystemu. Organizmy stanowiące biocenozę wpływają na siebie wzajemnie oraz na biotop na ściśle określonych zasadach, w ten sposób formuje się tak zwana równowaga ekologiczna, każda obca ingerencja w ekosystem może zakłócać tą równowagę i doprowadzić do trwałych szkód w środowisku.

Wzajemne zależności w ekosystemie możemy podzielić na trzy grupy:

1.      Pierwsza grupa zależności dotyczy konkurencji pomiędzy organizmami w ekosystemie o terytorium bytowania, dostęp do światła, wody i składników odżywczych.

2.      Druga grupa to oddziaływania mające na celu wzajemną komunikację i przekazywanie sobie różnego typu informacji pomiędzy organizmami.

3.      Trzecia grupa dotyczy oddziaływań w sferze psychologicznej, zależności takie można zaobserwować wśród zwierząt, ale przede wszystkim to człowiek wykształcił w sobie możliwość wpływania na innych poprzez praktyki psychologiczne.

Zarówno w pierwszej jak i drugiej grupie ogromną rolę odgrywają substancje chemiczne, a więc możemy podzielić oddziaływania pomiędzy organizmami na dwie podstawowe grupy odnośnie substancji chemicznych biorących udział w tych oddziaływaniach.

1. Z udziałem substancji i cząsteczek, stanowiących dla otrzymujących je organizmów źródło energii lub składników strukturalnych.
2. Z udziałem cząsteczek, które odgrywają wyłącznie lub przede wszystkim rolę nośników informacji lub regulatorów procesów ekologicznych przepływu energii i substancji przez ekosystem.

Cząsteczkowe rozpatrywanie relacji w środowisku to główne zadanie ekologii biochemicznej, a więc w kolejnych punktach pracy będę omawiała oddziaływania pomiędzy organizmami pod kątem związków biorących w nich udział.

2.1. Oddziaływania z udzi...