1. Гидробиология наука о жизни организмов в воде
 Скачать 247.92 Kb.
|
|
1. Гидробиология - наука о жизни организмов в воде. Гидробиология – это наука о живом населении вод, включающая взаимоотношения между организмами и средой, определяющая биологическую продуктивность и роль организмов в трансформации энергии и вещества гидросферы. Гидробиология и водная экология тесно связаны прежде всего с науками о гидросфере – гидрохимией, гидрофизикой, гидрологией. идробиология связана и с рядом биологических дисциплин (зоологией, ботаникой, микробиологией). Условия жизни в водной среде определяются физико-географическими особенностями водоёма, многие из которых, например химический состав воды, в особенности состав биогенных элементов и растворённых газов и их количество, характер донных отложений, прозрачность воды и др., находятся под сильным влиянием водных организмов и часто определяются их жизнедеятельностью. Поэтому в той мере, в какой Г. изучает значение жизненных явлений в общей совокупности взаимообусловленных процессов в водной среде, она имеет общие задачи с комплексными географическими дисциплинами — лимнологией и океанологией. На этом уровне исследований решаются такие проблемы, как биологическая структура океана, биолимнологическая и биоокеанологическая типология водоёмов и водных масс, закономерности круговорота вещества и потока энергии. Цель гидробиологии состоит в понимании экологических процессов, происходящих в водной среде. Основными задачами гидробиологии как науки является: 1. Изучение населения гидросферы для определения запасов тех или иных гидробионтов; 2. Прогнозирование возможных изменений состояния биологических параметров гидросферы; 3. Регулирование состава и численности сообществ гидробионтов; 4. Охрана водных экосистем от нежелательных воздействий антропогенного фактора. 2. Предмет, методы и задачи гидробиологии. Гидробиология – это наука о живом населении вод, включающая взаимоотношения между организмами и средой, определяющая биологическую продуктивность и роль организмов в трансформации энергии и вещества гидросферы. Предметом исследований гидробиологии являются экологические процессы в водной среде, т. е. процессы взаимодействия гидробионтов, их популяций и сообществ между собой и с абиотическими компонентами водных экосистем. Цель гидробиологии может быть определена как понимание экологических процессов, происходящих в водной среде, и управление ими с целью оптимизации управления водными ресурсами. Основной задачей гидробиологии является изучение экологических процессов в гидросфере в интересах ее освоения и оптимизации взаимодействия человеческого общества с водными экосистемами. Конкретные практические задачи гидробиологии: 1. Повышение биологической продуктивности водоемов для получения из них наибольшего количества биологического сырья. 2. Разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, в том числе оптимизация функционирования экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод. 3. Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей. 4. Оценка вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних от недопустимых повреждений. 5. Мониторинг состояния водных экосистем. Главным методом гидробиологии, как и остальных экологических дисциплин, является системный подход, т.е. рассмотрение экосистемы как целого, и количественный учет протекающих в ней потоков энергии, вещества и информации. Следовательно, гидробиология всегда оперирует величинами численности организмов, биомассы – массы организмов, и их продукции - прироста органического вещества (в единице объема воды, под единицей площади водоема, на единице площади его дна). Для количественного учета используют различные приборы как специфически гидробиологические – дночерпатели, драги, планктонные сети, планктоночерпатели, батометры различных конструкций, так и многие приборы заимствованные из арсеналов гидрохимии, гидрофизики, гидрологии. В последнее время часто используются погружные и дистанционные биофизические приборы. 3. История возникновения и развития гидробиологии. В целом говоря о истории развития гидробиологии выделяют три этапа: I этап – в центре внимания организм в среде обитания – аутэкологическое направление, вводятся понятия планктон, нейстон, бентос, эврибионтные и стенобионтные организмы. Ихтиология обособляется в самостоятельную науку. Ведущие немецкие ученые – А. Тинеманн, И. Вольтерек, российские – Н.М. Книпович, С.А. Зернов, В.А. Жадин, В.Г. Богоров и др. этап – вводятся количественные методы, изучается сила воздействия отдельных факторов на количественное распределение популяций – исследования шли по пути демэкологии. Изучаются взаимоотношения организмов, популяций со средой и друг с другом, биоценозы – путь синэкологии. Обособляется ветвь трофологии (ведущие ученые данного направления – Н.С. Гаевская, И.К. Ивлева). Получили развитие кинетические, продукционные исследования, идея баланса вещества и энергии в биоценозе. Ведущие ученые этого этапа: А.Л. Бродский, В.С. Ивлев, Л.А. Зенкевич, Г.Г. Винберг, Д. Хатчинсон, С.Н. Строганов, Н.Н. Никольский и др. этап – системный подход к исследованию водных экосистем. Идея биотического баланса послужила платформой внедрения в гидробиологию системного подхода. Системный анализ – это комплексное, последовательное изучение организации и функциональных связей организменных и надорганизменных структур, их взаимодействие. Ихтиология возвращается в классическую гидробиологию. Имена ведущих специалистов (начало XXI в.) – А.С. Константинов, В.Д. Федоров, А.Ф. Алимов, Л.А. Сиренко, С.П. Китаев и др. Выдающимися учеными отечественной гидробиологии являются Лев Александрович Зенкевич, Георгий Георгиевич Винберг, Леонид Михайлович Сущеня, Александр Павлович Остапеня, Нина Николаевна Хмелева, Галина Афанасьева Галковская, Тамара Михайловна Михеева. 4. Задачи гидробиологических исследований на рыбохозяйственных водоемах и методы их реализации. Гидробиологические исследования решают теоретические и практические, прикладные задачи. Из теоретических можно выделить: – исследование внутренних закономерностей структуры и организации водных экосистем, которые и определяют круговорот вещества и поток энергии в них; – исследование зависимостей круговорота вещества и потоков энергии от воздействия факторов внешней среды, в том числе и антропогенных. К основным прикладным задачам гидробиологии можно отнести: – исследование состояния флоры и фауны водоема и соотношения численности особей и их биомассы. Такие исследования имеют важную роль для оценки используемых в аквакультуре природных и искусственных водоемов; – повышение биологической продуктивности водоемов. Эта задача особенно важна для предприятий аквакультуры, поскольку повышение биологической продуктивности водоёмов часто напрямую связано с повышением эффективности аквакультурного производства; – разработка биологических основ обеспечения качества воды. Качество водной среды является первым из четырёх наиболее важных качественных составляющих успешного культивирования гидробионтов (качество водной среды, качество популяции культивируемых гидробионтов, качество корма, качество антипаразитарной ветеринарии); – оптимизация функционирования искусственных экосистем, создаваемых для промышленной очистки аквакультурных, питьевых и сточных вод; – экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, воздействия на другие водоёмы, создания предприятий аквакультуры, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей; – оценка вновь создаваемых промышленных, аквакультурных и других сельскохозяйственных предприятий с целью охраны природных и искусственных водных экосистем от нежелательных воздействий; – мониторинг состояния естественных и искусственных гидроценозов, в том числе, используемых в аквакультуре. 5. Перспективные направления развития гидробиологии в Беларуси. Цели гидробиологии: в первую очередь чтобы польза > вреда; возможность научно обосновать и предположить возможные изменения; практическое использование результатов гидробиологических исследований. Основные направления гидробиологии: рыбоводство – разведение и выращивание рыбы; сохранение гидробионтов. 6. Абиотические факторы: температура, свет, соленость, хим-ие св-ва (кислород, азот, углекисл.газ, метан, сероводород). Абиотические факторы – компоненты и явления неживой, неорганической природы (климат, свет, температура, прозрачность вода, содержание в О2, СО2, Fe и др. химических элементов, электропроводность, давление и т.д.). По отношению к кислороду организмы делятся на эври- и стеноксидные формы, способные соответственно жить в пределах широких и узких колебаний концентрации кислорода. В случае, когда адаптация гидробионта к данной кислородосодержащей среде оказывается недостаточной, он погибает. Если подобное явление приобретает массовый характер, то это называется замором. Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов. Взвешенные в воде вещества с известной степенью условности могут быть подразделены на: возмущенный грунт, содержащий небольшее количество органического вещества, детрит, в котором его сравнительно много. Взвешенные в воде вещества с известной степенью условности могут быть подразделены на: возмущенный грунт, содержащий небольшее количество органического вещества, детрит, в котором его сравнительно много. 7. Физико-химические свойства воды и грунта. Химический состав и строение молекул воды. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, и одного атома кислорода, но т.к. первые имеют 3 изотопные формы, а вторые – 6,то существует 36 разновидностей воды из которых в природе встречается только 9. Молекула воды имеет форму тетраэдра, по вершинам которого располагаются два отрицательных и два положительных заряда, расположенные по полюсам. Такой тип расположения зарядов определяет дипольный характер воды, в связи с этим растворенные в воде электролиты легко диссоциируют на ионы. Абиотические факторы: температура, свет, соленость, хим-ие св-ва (кислород, азот, углекисл.газ, метан, сероводород). По отношению к кислороду организмы делятся на эври- и стеноксидные формы, способные соответственно жить в пределах широких и узких колебаний концентрации кислорода. В случае, когда адаптация гидробионта к данной кислородосодержащей среде оказывается недостаточной, он погибает. Если подобное явление приобретает массовый характер, то это называется замором. Обогащение воды углекислым газом происходит в результате дыхания водных организмов. Взвешенные в воде вещества с известной степенью условности могут быть подразделены на: возмущенный грунт, содержащий небольшее количество органического вещества, детрит, в котором его сравнительно много. Взвешенные в воде вещества с известной степенью условности могут быть подразделены на: возмущенный грунт, содержащий небольшее количество органического вещества, детрит, в котором его сравнительно много. 8. Термические и оптические свойства воды. Термический режим водоемов. По сравнению с почвой и воздухом вода отличается гораздо большей термостабильностью. Повышению термостабильности в природных условиях способствует аномальное свойство воды – уменьшать свою плотность с понижением температуры от 4 до 0°С. Образование льда препятствует промерзанию водоемов и сохраняет гидробионтов от гибели. У воды сравнительно низкая теплопроводность и это сильно ограничивает распространение температурных изменений от одних участков водоема к другим. С глубиной температура изменяется неравномерно. Термометр, миновав теплый поверхностный слой, обычно регистрирует резкое понижение температуры. Поверхностный слой обычно называют слоем перемешивания (эпилимнионом), а область быстрого скачкообразного изменения температуры– термоклином (металимнион). Поскольку в тропиках поверхностный слой теплее, чем в высоких широтах, а глубинные воды везде однородно холодные (гиполимнион), то характер термоклина меняется с глубиной. Очень мощные термоклины наблюдаются в тропиках. В некоторых глубоководных районах океана температура с глубиной медленно возрастает, это явление объясняют действием тепла, выделяющегося из внутренних областей Земли. Имеющаяся слоистость называемая температурной стратификацией предупреждает прогревание дна даже сравнительно мелких водоемов в жаркие периоды года. Образованию температурной стратификации способствует также свойство вода уменьшать свою плотность с понижением температуры от 4 до 0°С, поэтому зимой подледные холодные воды, не погружаются на глубину, плавая на более теплых, а летом более теплые не опускаются ко дну, т.к. держатся на более холодных водах. 9. Экологическое значение плотности и давления вод для гидробионтов. Химический режим природных вод. Плотность. Плотность тканей морских животных в основном примерно равна плотности морской воды в поверхностных слоях. Она вместе с давлением влияет на перемещение гидробионта в воде, тем самым гидробионт выбирает себе благоприятные показатели и находится в них. Давление. Организмы испытывают давление, которое возрастает при погружении на каждые 10 м соответственно на 1 атмосферу. Внешнее давление нейтрализуется внутренним, что и позволяет животным обитать на больших глубинах. Среди морских животных по отношению к давлению различают эврибатные (широкий диапазон глубин обитания) и стенобатные (узкий диапазон глубин обитания) виды. На дне глубоководных желобов жизнь может существовать под давлением более 1000 атмосфер. Начиная с некоторых глубин (максимум несколько сотен метров) давление становится столь высоким, что регулирование плавучести с помощью плавательного пузыря или воздушных камер становится невозможным. Это ограничивает проникновение на глубину рыб и головоногих моллюсков, использующих этот механизм. Гидрохимия - это наука, изучающая химический состав природных вод (атмосферных, поверхностных, подземных и морских), а также его изменения во времени и пространстве под действием естественных (химических, физических биологических) и антропогенных факторов и процессов. Химический состав природной воды определяется значением рН, общей и карбонатной жесткости, сухого остатка и других компонентов химического состава. Под влиянием климатических и других условий химический состав природных вод изменяется и приобретает характерные черты, иногда специфические для различных видов природных вод (атмосферные осадки, реки, озера, подземные воды). Гидрохимический режим — это закономерное изменение химического состава воды водного объекта во времени, обусловленное физико-географическими условиями бассейна и антропогенным воздействием. Гидрохимический режим проявляется в виде многолетних сезонных и суточных колебаний концентрации компонентов химического состава и показаний физических свойств воды, изменений процессах загрязнения и самоочищения объектов, уровня загрязненности воды. Гидрологический режим включает многолетние, сезонные и суточные колебания уровня воды (режим уровня), расходов воды (режим стока), ледовых явлений (ледовый режим), температуры воды (температурный режим), количества и состава переносимого потоком твердого материала (режим наносов), изменений русла реки (режим руслового процесса). 10. Растворенные и взвешенные в воде вещества. Активная реакция и окислительно-восстановительный потенциал. Природные воды классифицируют по ряду признаков, простейший из них - солесодержание воды: пресная вода - солесодержание до 1 г/дм3; солоноватая - солесодержание 1 - 10 г/дм3; соленая - солеесодержание более 10 г/дм3. У речных и подземных вод солесодержание изменяется от 50 - 200 до 1500 - 2000 мг/дм3. Наибольшее количество растворенных примесей содержат воды океанов и морей, г/дм3: Балтийского моря - 11, Каспийского - 13, Черного - 19, Атлантического океана - 36. Воды классифицируют также по преобладающему аниону - на гидрокарбонатную, хлоридные или сульфатные. Пресные воды относятся обычно к гидрокарбонатному классу, так как содержание гидрокарбонатов кальция и магния в них достигает 60 - 70%. Примеси природных вод по степени дисперсности (крупности) подразделяют на истинно-растворенные (ионно- или молекулярно-дисперсные), распределенные в воде в виде отдельных ионов, молекул; коллоидно-дисперсные с размером частиц от 1 до 100 нм; грубодисперсные с размером частиц более 100 нм (0.1 мкм). Коллоидные примеси представляют собой агломераты из большого числа молекул с наличием поверхности раздела между твердой фазой и водой. Из-за малых размеров коллоидные частицы не теряют способности к диффузии и обладают значительной удельной поверхностью. Например, если кубик вещества объемом 1 см3 раздробить на более мелкие кубики с длиной ребра 10 нм, то количество таких кубиков составит 1018 единиц с общей площадью поверхности 600 м2. Коллоидные частицы не выделяются из воды под действием силы тяжести, не задерживаются обычными фильтрующими материалами (песком, фильтровальной бумагой) и различимы в рассеянном свете (конус Тиндаля). Грубодисперсные примеси (так называемые взвешенные вещества) имеют столь большую массу, что практически не способны к диффузии. С течением времени устанавливается определенное седиментационное равновесие, и примеси либо выпадают в осадок, либо всплывают на поверхность (при плотности частиц меньше плотности воды). Длительно оставаясь во взвешенном состоянии, грубодисперсные примеси обусловливают мутность воды. Чем больше размер частиц грубодисперсных примесей, тем быстрее устанавливается седиментационное равновесие и тем легче выделяются они из воды при отстаивании или фильтровании. Так, скорость отстаивания частиц песка и ила размерами 100 и 20 мкм составляет в неподвижной воде при 10°С соответственно около 7 и 0.4 мм/с. В современной науке давно существует понятие активированной воды. У этой воды окислительно–восстановительный потенциал (ОВП) сильно отличается от того значения, которое устанавливается в обычной чистой питьевой воде на воздухе, и вода после специальной обработки становится химически и биологически активной. Основным способом получения активированной воды была электрохимическая активация. Понятие «электрохимическая активация» появилось в 1974 году, когда было установлено, что вода, получающаяся после электролиза, обладает биологической активностью. На аноде образуется вода, насыщенная кислородом, на катоде – водородом. Выяснили, что это разные сорта воды, и их влияние на живые организмы принципиально отличается. Окислительно-восстановительный потенциал водного раствора определяется активностями окислителей и восстановителей. В воде всегда есть окислители и восстановители. |