环境容量含两个方面
绝对容量 环境的绝对容量(WQ)是某一环境所能容纳某种
污染物的最大负荷量,达到绝对容量没有时间限制,即与年限无关。环境绝对容量由环境标准的规定值(WS)和
环境背景值(B)来决定。数学表达式有以浓度单位表示的和以重量单位表示的两种。以浓度单位表示的环境绝对容量的计算公式为:
WQ=WS-B
其单位为 ppm。例如某地土壤中镉的背景值为0.1ppm,农田土壤标准规定的镉的最大容许值为1ppm,该地土壤镉的绝对容量则为0.9ppm。
任何一个具体环境都有一个空间范围,如一个水库能容多少立方米的水;一片农田有多少亩,其耕层土壤(深度按20厘米计算)有多少立方米(或吨);一个大气空间(在一定高度范围内)有多少立方米的空气等。对这一具体环境的绝对容量常用重量单位表示。以重量单位表示的环境绝对容量的计算公式为:
WQ=M(Ws-B)
当某环境的空间介质的重量M以吨表示时,WQ的单位为克。如按上面例子中的条件,计算10亩农田镉的绝对容量,可以根据土壤的密度,求出耕层土壤的重量(M吨),并把它代入上式,即可求得。如土壤容重1.5克/厘米3,10亩农田对镉的绝对容量为1800克。
年容量 年容量(WA)是某一环境在
污染物的积累浓度不超过环境标准规定的最大容许值的情况下,每年所能容纳的某污染物的最大负荷量。年容量的大小除了同环境标准规定值和
环境背景值有关外,还同环境对
污染物的净化能力有关。若某
污染物对环境的输入量为A(单位负荷量),经过一年以后,被净化的量为A′,(A′/A)×100%=K,K称为某污染物在某一环境中的年净化率。以浓度单位表示的环境年容量的计算公式为:WA=K(WS-B)。以重量单位表示的环境年容量的计算公式为:WA=K·M(WS-B)。年容量与绝对容量的关系为:WA=K·WQ。如某农田对隔的绝对容量为0.9ppm,农田对镉的年净化率为20%,其年容量则为0.9×20%=0.18ppm。按此
污染负荷,该农田镉的积累浓度永远不会超过土壤标准规定的镉的最大容许值1ppm。
可变化的环境容纳量
环境容纳量既然是环境对生物制约的具体体现,那么只要生物或环境因素发生变化,环境容纳量也就会发生相应的变化。它是环境资源状况(数量、质量、分布和波动等)、生物对资源的利用状况(数量、形式、效率和波动等)以及生态调节机制(种内、种间关系等)等共同作用的结果。也就是说,环境容纳量是一个动态的变量。
酵母菌在密闭发酵装置中的纯培养,可以作为研究环境容纳量的微观模型。有人用不同的实验条件培养酵母菌(Saccbaromyces cerevisiae)。[1]在不更换
培养基的条件下,酵母菌种群数量表现出典型的Logistic增长(“S”型):在菌群增长的早期,培养基(资源)接近“无限”环境,酵母菌表现出
指数增长的模式;随着菌群数量的增长、由于培养基中营养物质的消耗和菌群
代谢产物在培养基中积累,限制了菌群的增长,其生存环境逐渐变得“有限”了,其增长速度逐渐降低;当培养基资源被耗尽,增长速度达到最小(0),酵母菌数量达到最大,菌群老化(然后依靠降低代谢、消耗自身或其他死亡的菌体维持生存,最终崩溃);其增长曲线总体上表现为“S”型,属于典型的有限环境中的有限增长模式。
那么,在什么样的条件下,酵母才可能实现无限增长呢?我们再来关注一下酵母菌其他
实验组的情况。如果每隔一段时间给酵母菌更换一次
培养基(24h、12h、3h不等),改变菌群生存环境中的营养供给和代谢产物的积累状况,菌群表现
指数增长(“J”型,马尔萨斯(Malthus)
方程)的时间随着更换培养基
时间间隔的缩短而延长。当每隔3h更换一次培养基时,菌群数量表现出不受资源限制的无限增长(
指数增长)模式。这实际上是发酵工程中微生物
连续培养技术的原理。外部通过不断向系统输入所需的资源和系统不断地向外部输出
代谢物,来维持环境的稳定性,从而人工形成无限环境,保证了微生物长期处于
指数增长状态,显著提高了系统的生产效率。这是通过人为干预实现的无限环境中无限生长,也就是环境容纳量达到无限大。