Биоэкология ЙошкарОла, 2005 3 ббк 28. 708
 Скачать 7.87 Mb.
|
|
2.1. ВОДА. ВЛАЖНОСТЬ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР Значение воды в биосфере Свойства воды и ее экологическая роль для живых организмов.Вода является главной средой для водных организмов и играет решающую роль в жизни наземных биоценозов. Вода – самое распространенное на поверхности Земли химическое соединение. Это единственное вещество, встречающееся в природе одновременно во всех трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Вода необходима для существования наземных организмов и является их постоянной составной частью. Вода составляет от массы растений, насекомых – 45-65, млекопитающих – 60-70, человека – 60 % (Экология, 2002). Наиболее важные функции и свойства воды следующие 1. Вода – универсальный растворитель, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только вводной среде. 2. Вода как реагент участвует во многих химических реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза. 3. Транспортная функция осуществляет передвижение по организму воды и растворенных в ней веществ и выведение продуктов жизнедеятельности из организма. 4. Структурная функция состоит в том, что цитоплазма клеток содержит от 60 доводы, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость цитоплазматической мембраны, у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы. 5. Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость – смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде высокая теплопроводность – позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме высокая теплота испарения – используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений. 18 6. Вода имеет высокую температуру кипения. Для того чтобы заставить молекулы воды двигаться со скоростью, достаточной для разрыва водородных связей, требуется затратить много тепловой энергии, при этом вода переходит в пар. Вода, испаряясь, способствует охлаждению тела. Процесс охлаждения в живом мире а) транспирация у растений, б) потоотделение у животных. 7. Вода имеет высокую температуру замерзания (плавления. При давлении 1 атм. вода имеет температуру С. 8. Самая высокая плотность воды при температуре +С. При охлаждении ниже +С плотность воды уменьшается, объем увеличивается, причем в момент замерзания происходит увеличение объема в среднем на 10%. Плотность льда меньше плотности воды. Лед остается на поверхности, защищая водоем от замерзания. Классификации животных и растений по отношению к воде. У наземных животных принято выделять следующие группы 1. Гидрофилы – влаголюбивые животные (мокрицы, комары, моллюски, амфибии и водные млекопитающие) (рис. 5); 2. Мезофилы – обитатели районов с умеренной влажностью (многие насекомые, птицы, млекопитающие 3. Ксерофилы – это животные, не переносящие высокой влажности (верблюды, пустынные грызуны и пресмыкающиеся) (рис. 6). Рис. 5. Гидрофил Рис. 6. Ксерофил Способы регуляции водного баланса у животных разнообразнее, чему растений, их можно подразделить на поведенческие, морфологические и физиологические. К числу поведенческих приспособлений относят поиск водопоев, выбор места обитания, рытье нор и т.д. К морфологическим способам поддерживания нормального водного баланса относятся образования, способствующие задержанию воды в теле (грубые утолщения кожного эпителия – бородавки у амфибий ороговевший эпидермису рептилий и т.д.). Для восполнения запасов воды у животных кроме питья и поглощения влажной пищи определенное значение имеет метаболическая вода, образующаяся в организме при окислении запасов жира. Это – физиологическое приспособление к регуляции водного обмена (Наумов, 1963). Среди растений различают следующие экологические группы 1. Гидрофиты (рис. 7) – это водные растения, целиком или почти целиком погруженные вводу (элодея канадская, рдесты, водяной лютик, валлиснерия спиральная, уруть колосистая, ряски и др. Листья у гидрофитов тонкие, часто рассеченные выражена разнолистность (ге- терофилия). Корневая система сильно редуцирована или отсутствует совсем. Поглощение воды и минеральных солей происходит всей поверхностью тела. Опыление совершается над водой (реже вводе, а созревание плодов – под водой, так как цветоносные побеги выносят цветки над водой и после опыления снова погружаются. 2. Гигрофиты (рис. 8) – наземные растения, произрастающие в условиях повышенной влажности воздуха и часто на влажных почвах калужница болотная, купальница европейская, стрелолист обыкновенный, частуха подорожниковая). 3. Мезофиты (рис. 9) – могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. Произрастают при среднем увлажнении, умеренно теплом режиме и хорошей обеспеченности минеральным питанием. Это самая обширная и неоднородная группа по своему составу. Сюда входят деревья, кустарники и травы различных зон, многие сорные и большинство культурных растений. 4. Ксерофиты (рис. 10) – растут в местах с недостаточным увлажнением. Способны регулировать водный обмен, поэтому сохраняют активность и вовремя непродолжительной засухи. Это растения пустынь, степей, песчаных дюн и сухих сильно нагреваемых склонов. Ксерофиты подразделяются на суккуленты и склерофиты. Суккуленты – сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой враз- ных органах стеблевые (кактусы, стапелии, кактусовидные молочаи); листовые (алоэ, агавы, молодило, очитки); корневые (аспарагус, кислица. Склерофиты внешне сухие, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку (Горышина, 1976; Культиасов, 1982; Чернова, 1988). Таким образом, специфические пути регуляции водного обмена позволили растениям заселить самые различные по экологическим условиям местообитания. Рис. 7. Гидрофиты Рис. 8. Гигрофиты Рис. 9. Мезофиты Рис. 10. Ксерофиты 2.1.1. Комплексная оценка экологического состояния водоема При оценке комплексного экологического состояния поверхностного водоема необходимо учитывать то, что степень неблагополучия определяется многими параметрами, включающими как состояние самого водоема, его антропогенного загрязнения, состава водной фауны и флоры, таки состояние прибрежной полосы водоема. Выделяют следующие типы поверхностных водоемов озеро, пруд, река, ключи ручей. Озером называется покоящаяся или медленно текущая значительная масса воды в естественной впадине суши, не имеющая непосредственного контакта с морем (Ласуков, 1999). Большой интерес представляют озера Республики Марий Эл (прил, фото 1-3). В настоящее время их насчитывается более 200. Такие озера, как Яльчик, Глухое, Кичиер и др, имеют провальное происхождение. Они могут быть округлыми, если произошел однократный провал, могут быть лопастными, если было несколько провальных явлений. Пруд – это небольшой водоем, который образуется путем запруды текучих водоемов, заполнением естественных углублений. Искусственные пруды площадью 1 км обычно называют водохранилищами. Если пруд активно не подпитывается грунтовыми водами или притоками, он может зимой промерзать до дна, а летом пересыхать. Температурное расслоение воды (стратификация) отсутствует. Животный и растительный мир сходен с прибрежной областью озер. Ключи ручей. Ключами называются воды, пробивающиеся из-под земли. Они могут выходить на крутых склонах, выбиваются на дне небольшого бассейна или просачиваются сквозь землю, кое-где разливаясь тонким слоем воды. Ручей – это небольшой мелкий водоток с активным течением, длиной 3-5 км, может быть продолжением ключа или вытекать из озера. Четких критериев различия с малыми реками несу- ществует. Типичные биотопы камни на дне, заросли мхов, тихие заводи, свободная вода, чистое дно. Фауна формируется в соответствии с двумя факторами хорошим снабжением кислородом (он лучше растворяется в холодной воде) и быстрым течением воды. Много ручьев впадает в реку Илеть (одна из самых чистых рек Республики Марий Эл), поэтому вода там чистая и холодная, даже летом. Зато зимой эта река не замерзает. Рекой называется водоток значительных размеров, текущий вес- тественном русле и собирающий воды поверхностного и подземного стока своего водосборного бассейна (прил, фото 4). Река начинается с истока и далее делится натри участка верховье, среднее течение и низовье, оканчивается устьем. Речная долина образуется постоянным руслом, заполненным водой даже в межень (самый низкий уровень, поймой, которая заливается водой лишь в половодье, и коренными берегами (Методы гидрологических исследований …, 1996). ЗАДАЧА Оценить экологическое состояние водоема. Ход работы. При комплексной оценке экологического состояния реки, протекающей по территории города, исследования проводят в трех пунктах выше по течению реки, в центральной части города, ниже по течению реки за пределами города. 2. Используя шкалу, приведенную в табл. 2 проводят примерную оценку экологического состояния водоема. Таблица 2 Экологическое состояние водоемов Большаков и др, 2003) № п/п Показатели состояния Оценка в баллах да нет 1. Физическое загрязнение обилие наносов на дне водоема свалки мусора на берегу наличие кострищ необорудованные пляжи 1 1 1 1 0 0 0 0 2. Химическое загрязнение а) реакция воды кислая щелочная б) радужные и маслянистые пятна на поверхности водоема азотистые и фосфорные соединения за счет смыва удобрений и органических остатков (бурное развитие водной растительности. Биологическое загрязнение наличие сине-зеленых водорослей (цветение воды) наличие ряски в водоеме 1 1 0 0 4. Степень повреждения растительности на берегу (вытаптывание, механические повреждения растений) более чем на 50% 1 0 5. Наличие околоводных птиц уток куликов трясогузок 1 1 1 0 0 0 6. Отсутствие водомерок на поверхности водоема 1 0 ИТОГО 14 3. На основании суммирования всех перечисленных факторов можно сделать вывод об экологическом состоянии водоема (табл. 3). Таблица 3 Оценка степени экологического неблагополучия водоемов Оценка степени экологического неблагополучия водоемов Количество баллов Очень сильная Сильная Средняя Слабая 12-15 6-11 3-5 1-2 Определение показателей, характеризующих органолептические свойства воды Природная и питьевая вода содержит огромное количество компонентов, находящихся в низких (менее 1%) и ультранизких (менее 0,0000001%) концентрациях. В естественных условиях состав вод регулируется природными процессами, в тоже время в результате хозяйственной деятельности человека происходит значительное изменение состава природных вод. Качество воды отражает ее состав, потребительские свойства, те. ее пригодность для пищевого, хозяйственного или другого использования (Иванова и др, 1992). Обязательный контроль качества природной и питьевой воды проводится более чем по 50 показателям. Когда к качеству воды предъявляются особые требования, контроль проводится пои более компонентам, многие из которых составляют миллиардные и триллионные доли токсического вещества (микрограммы и нанограммы вещества на 1 л воды. Характеристика свойств воды может проводиться различными методами визуальным, органолептическим, визуально-калориметрическим, титриметрическим, турбидиметрическим и расчетным. Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, те. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом. К органолептическим характеристикам относятся запах, вкуси привкус, цветность, прозрачность, осадок, температура и др. ЗАДАЧА Определить качество воды, используя, ее органолептические свойства и получить информацию о составе воды. Запах воды обусловлен наличием в ней летучих пахнущих веществ, которые попадают вводу естественным путем или со сточными водами. Практически все органические вещества (особенно жидкие) имеют запахи передают его воде. Обычно запах определяют при нормальной Си при повышенной (60 0 С) температуре воды. Запах оценивается в баллах. Водой без запаха считается вода, запах которой не превышает х баллов (питьевая вода. Запах по характеру подразделяют на две группы (табл. 4), описывая его субъективно по своим ощущениям 1) запахи естественного происхождения (от живущих и отмерших организмов, от влияния почв, водной растительности и т.п.); 2) запахи искусственного происхождения, которые обычно значительно изменяются при обработке воды. Чистые природные воды запахов не имеют. Таблица 4 Характер и интенсивность запаха Естественного происхождения Искусственного происхождения – ароматный – болотный – гнилостный – древесный – плесневый – рыбный – сероводородный – травянистый – неопределенный – нефтепродуктов (бензиновый) – хлорный – уксусный – фенольный и др. Интенсивность запаха определяют по бальной шкале 0 - не ощущается 1 - обнаруживается только опытным исследователем 2 - слабый, обнаруживается в том случае, если указать на него 3 - заметный, вызывает неодобрение 4 - отчетливый, делающий воду непригодной для питья 5 - очень сильный, делающий воду совершенно непригодной (Муравьев, 1998). Ход работы. Колбу с притертой пробкой наполняют на 2/3 ее объема исследуемой водой, сильно встряхивают, открывают пробку и вдыхают ее запах. Для усиления интенсивности запахов воду подогревают до 60 С, предварительно закрыв ее часовым стеклом. 2. Колбу вращательным движением взбалтывают и, сдвинув стекло, быстро определяют запах. Оборудование и материалы 1) колбас притертой пробкой 2) часовое стекло 3) электрическая плитка 4) термометр 5) вода из водоема. Оценку вкуса у питьевой воды проводят при отсутствии подозрений на ее загрязненность. Различают четыре вкуса (соленый, горький, кислый, сладкий. Остальные вкусовые ощущения считаются привкуса- ми (солоноватый, щелочной, железистый, металлический, вяжущий, хлорный и др. Интенсивность вкуса и привкуса оценивают по 5- балльной шкале (табл. 5). Для питьевой воды допускаются значения показателей вкуси привкус не более х баллов. Таблица 5 Определение характера и оценка интенсивности вкуса и привкуса Интенсивность вкуса и привкуса Характер проявления вкуса и привкуса Оценка интенсивности вкуса и привкуса Нет Вкуси привкус не ощущаются 0 Очень слабая Вкуси привкус сразу потребителем не ощущаются, но обнаруживаются при тщательным тестировании Слабая Вкуси привкус замечаются, если обратить на это внимание 2 Заметна Вкуси привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв оводе Отчетливая Вкуси привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья 4 Очень сильная Вкуси привкус настолько сильные, что делают воду непригодной к употреблению 5 3. Анализируемую воду набирают в рот малыми порциями и задерживают нас, не проглатывая. После определения вкуса воду сплевывают. 25 4. Отмечают наличие вкуса и его интенсивность в баллах по шкале (табл. 5). При интенсивности запахов и привкусов выше х баллов водопотребление ограничивается, так как сильные запахи и привкусы могут быть показателями загрязнения воды сточными водами или свидетельствовать о наличии биологически активных веществ, выделяемых сине- зелеными водорослями. Цветность – это природное свойство воды, обусловленное наличием гуминовых веществ и комплексных соединений железа, которые придают ей окраску от желтоватого до коричневого цвета. Гуминовые вещества образуются при разрушении органических соединений в почве, вымываются из нее и поступают в открытые водоемы. Цветность воды определяется в градусах. Вода, имеющая цветность 20 С, считается бесцветной Вода, не подвергающаяся перед подачей потребителю обесцвечиванию, должна иметь цветность не выше 20 С (Руководство, 1977). Для приготовления шкалы цветности смешивают растворы № 1 и № 2 см. реактивы) в цилиндрах в следующих соотношениях (табл. 6): Таблица 6 Хромово-кобальтовая шкала цветности Растворы Шкала цветности Раствор № 1, мл 1 2 3 4 5 6 8 10 12 Раствор № 2, мл 99 98 97 96 95 94 92 90 88 Градусы цветности. Цветность можно определять визуально. Для этого наливают в цилиндр мл профильтрованной исследуемой воды, сравнивают ее с контрольными растворами шкалы цветности (согласно табл. 6) и определяют градусы цветности. Цветность можно определить на фотоэлектрокалори- метре (рис. 11). Для этого строят градуированный график по хро- мово-кобальтовой шкале цветности. Растворы с различной цветностью калориметрируют в кювете на 5 см в синей части спектра относительно дистиллированной воды. При цветности выше С водопотребление ограничивают. Рис. 11. Фотоэлектрокалориметр Оборудование и материалы) Фотоэлектрокалориметр КФК-2; 2) цилиндр на 100 мл 3) мерные колбы на 1 л. Реактивы 1) дистиллированная вода 2) стандартный раствор № 1: 0,0875 г бихромата калия, 2 г сульфата кобальта и 1 мл серной кислоты с пл. 1,84 г/мл растворяют в дистиллированной воде и доводят объем дол, раствор соответствует цветности 500 С 3) раствор № 2: 1 мл концентрированной SO 4 доводят дистиллированной водой дол) вода из водоема. Прозрачность (или светопропускание) воды обусловлена ее цветом и мутностью, те. содержанием в ней различных окрашенных ими- неральных веществ. Степень прозрачности выражается высотой столба жидкости в см, через который виден специальный шрифт. Воды для питьевого водоснабжения должны обладать прозрачностью не менее 30 см. Речные воды, кроме горных, могут иметь прозрачность 25 см. Уменьшение прозрачности природных вод свидетельствует об их загрязнении. Исследуемую воду наливают в цилиндр, под дно которого кладут на расстоянии 4 см шрифт. Сливают воду до тех пор, пока сверху через слой можно будет отчетливо прочесть этот шрифт. 7. Высоту столба оставшейся воды измеряют линейкой. Оборудование и материалы) цилиндр с плоским дном 2) шрифт, высота букв которого составляет 2 мм, а толщина линий букв – 0,5 мм 3) линейка 4) вода из водоема. Осадок оценивают количественно нет, незначительный, заметный, большой и качественно песчаный, глинистый, илистый, кристаллический, хлопьевидный. Взболтанную в колбе воду из источника наливают в цилиндр слоем примерно 30 см и оставляют нач (если вода отобрана из открытого водоема) или на сутки (если вода взята из подземных источников. 9. Осадок оценивают количественно и качественно, также отмечают цвет осадка. Большое количество осадка свидетельствует о загрязнении воды. Оборудование и материалы) колба 2) цилиндр. Температура является важной гидрологической характеристикой водоема, показателем возможного теплового загрязнения. При тепловом загрязнении происходит повышение температуры воды в водоеме по сравнению с естественными значениями температур в тех же точках в соответствующие периоды сезона. Основные источники промышленных тепловых загрязнений – тепловые воды электростанций и крупных промышленных предприятий, образующиеся в результате отведения тепла от нагретых агрегатов и машин. Электростанции часто сбрасывают в водоемы воду, имеющую температуру на 8-12 С больше, чем забираемая из того же водоема вода. Тепловое загрязнение опасно тем, что вызывает интенсификацию процессов жизнедеятельности и ускорение естественных жизненных циклов водных организмов, изменение скоростей химических и биохимических реакций, протекающих в водоеме. В условиях теплового загрязнения значительно изменяются кислородный режим, процесс самоочищения водоема, интенсивность фотосинтеза и т.п. 10. Погружают водяной термометр вводу водоема и выдерживают в погруженном состоянии на нужной глубине (10-15 см) не менее 5 минут. Не вынимая термометра из воды, производят отсчет показаний. Определяют температуру воды в нескольких местах водоема. 12. Рассчитывают разницу в значениях температуры. Температуру более глубоких слоев воды определяют, опуская термометр на глубину см. Оборудование и материалы 1) калибровочный водяной термометр. 13. Данные оформляют в табл. 7 и делают выводы Таблица 7 Органолептические свойства воды Пробы воды Запах, балл Вкусы и |