Меню

В реке биологические системы

Биологическая классификация рек

Лекция 7

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОД

Биологические методы оценки – это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема. Рассматриваются различные типы населения водоемов – перифитон, бентос, планктон, нектон, макрофиты и др.[3, 23, 24, 35, 40].

Специалисты многих стран при мониторинге рек используют бентосных макробеспозвоночных для оценки влияния на качество воды ряда антропогенных загрязнений.

Классификация с использованием бентосных макробеспозвоночных не дает полную экологическую картину всех искусственных и естественных загрязнений, которые встречаются в проточных водах. Не имеется также никакой единой классификации рек, которая пригодна для всех географических областей. Однако для рек, которые пересекают национальные границы, потребность в классификации имеется.

Сущность классификации рек Международной организации по стандартизации (ИСО) заключается в сравнении между поведением бентосных макробеспозвоночных в чистых условиях и в наблюдаемой среде. По ИСО рекомендуется пять классов качества вод по бентосным макробеспозвоночным, табл. 1.1 [59].

Биологическая классификация рек

Классификация качества по бентосным макробеспозвоночным Характеристика
Высокое Естественное поведение бентосных макробеспозвоночных
Хорошее Не пострадавшее биологическое сообщество
Посредственное Несколько пострадавшее биологическое сообщество
Бедное Умеренно пострадавшее биологическое сообщество
Плохое Сильно пострадавшее биологическое сообщество – экстремальная реакция на антропогенное загрязнение.

При этом типе классификации принимают во внимание естественную изменчивость биологических объединений [15].

Оценка сапробности воды по показателям перифитона.В гидробиологии под сапробностью понимают способность организмов жить при большом содержании органических веществ в среде. Сапробность является функцией потребностей организма в органическом питании и устойчивости возникающих при разложении органических соединений ядовитых веществ: H2S, CO2, NH3, H+, органических кислот.

Из гидробиологических показателей качества в России наибольшее применение нашел так называемый индекс сапробности водных объектов, который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне) [55].

Полисапробная зона – содержится много не стойких органических веществ и продуктов их анаэробного разложения. Фотосинтеза нет. Дефицит О2, полностью идет на окисление. В воде – сероводород и метан. На дне много детрита, идут восстановительные процессы; железо в форме FeS. Ил черный с запахом сероводорода. Много сапрофитной микрофлоры, гетеротрофных организмов: нитчатые и серные бактерии, бактериальные зооглеи; простейшие – инфузории, жгутиковые, олигохеты, водоросль Polutoma [1].

Альфа-мезосапробная – начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, СО2, мало О2, сероводорода, метана – нет. Железо в форме закиси и окиси. Идут окислительно-восстановительные процессы. Ил серого цвета. Преобладают бактериальные зооглеи, эвглена, хламидомонада, личинки хиромонид.

Бета-мезосапробная – произошла минерализация. Увеличивается число сапрофитов. Содержание О2 колеблется в зависимости от времени суток. Ил желтый, идут окислительные процессы. Много детрита, цветение воды (фитопланктон), диатомовые и зеленые водоросли, роголистник. Много корненожек, инфузорий, червей, моллюсков, личинок хиромонид. Есть ракообразные, рыбы, но численность их невелика.

Олигосапробная – чистые водоемы. Цветения не бывает, содержание 02 и С02 не колеблется. Детрита мало. Бентос малочисленен. Встречаются водоросли рода Melozira, коловратки, дафнии, личинки веснянок, поденок, моллюски, стерлядь и т.д.

Установлено, что фактически в ряду олигосапробы – мезосапробы – полисапробы возрастают не только специфическая стойкость к органическим загрязняющим веществам и к таким: их последствиям, как дефицит кислорода, но и их эврибионтность, т. е способность существовать при различных условиях среды.

Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа. Поэтому термин «сапробность» в последнее время употребляют, когда говорят о степени общего загрязнения вод. Для оценки общего загрязнения поверхностных вод в современных ситуациях, например в случае токсического загрязнения или антропогенного увеличения минерализации, использование только одного сапробиологического анализа оказывается уже недостаточным.

В системе Роскомгидромета для оценки сапробности воды по организмам перифитона рекомендуется применять метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека. Данный метод учитывает относительную частоту встречаемости (обилие) гидробионтов h и их индикаторную значимость s (сапробную валентность). Для статистической достоверности результатов исследования необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой частоты встречаемости (обилия) h равной 30.

Индекс сапробности указывают с точностью до 0,01. Для ксеносапробной зоны он находится в пределах 0–0,50 – очень чистые; олигосапробной – 0,51-1,50 – чистые; бета-мезосапробной – 1,51-2,50 – умеренно-загрязненные; альфа-мезосапробной – 2,51-3,50 – тяжело загрязненные; полисапробной – 3,51-4,00 – очень загрязненные [39].

Методы оценки качества вод, основанные на применении отдельных крупных таксонов зообентоса:Метод крупных таксонов широко применяется в практике гидробиологического мониторинга благодаря простоте вычислений, отсутствию трудоемких таксономических определений. Теоретическим обоснованием и условием универсальности метода является повсеместное распространение используемых таксонов в водоемах разных типов с разным уровнем загрязнения. Такими группами являются олигохеты и личинки хирономид.

В своих исследованиях Е. В. Балушкина предложила оценивать загрязненность воды по соотношению численности представителей отдельных подсемейств хирономид с помощью индекса:

где: , и – вспомогательные величины для подсемейств Tanypodinae, Chironomae, Orthocladiinae.

Вспомогательные величины рассчитываются по сумме численности N представителей каждого из подсемейств, выраженной в процентах от общей численности хирономид и слагаемого 10, иначе говоря, α=N+10. Подобранное эмпирически число 10 ограничивает пределы возможных значений, определяя оптимальное соотношение градаций индекса и степени его чувствительности.

Влияние относительной численности особей подсемейства Chironominae снижено вдвое на том основании, что в наиболее чистых водах относительная численность Orthocladiinae + Diamesinae приближалась к 100% (без учета зарослевых форм), в наиболее грязных относительная численность Tanypodinae также составляла 100%. Тенденция же увеличения относительного количества Chironominae по мере загрязнения выражена в меньшей степени и их индикаторное значение в целом ниже, что и нашло отражение в уменьшении [3]. Значения индекса K от 0,136 до 1,08 характеризуют чистые воды; 1,08-6,5 – умеренно загрязненные; 6,5-9,0 – загрязненные; 9,0-11- грязные.

Биотический индекс Вудивисса.Этот метод оценки пригоден только для исследования рек умеренного пояса и не подходит для озер и прудов. Оценка состояния рек проводится по 15-балльной шкале. В этом методе используется показатель, который называется биотический индекс Вудивисса. Его определяют по специальной таблице.

Чтобы оценить состояние водоема по методу Вудивисса, нужно:

1) выяснить, какие индикаторные (показательные) группы имеются в исследуемом водоеме;

2) затем необходимо оценить общее разнообразие бентосных организмов. Определить количество «групп» бентосных организмов в пробе. При использовании метода Вудивисса за «группу» принимается любой вид плоских червей, моллюсков, пиявок, ракообразных, водяных клещей, веснянок, сетчатокрылых, жуков, любой вид личинок других насекомых. Определив количество групп в пробе, находят соответствующий столбец в таблице;

3) на пересечении строки и столбца по специальной таблице находят индекс Вудивисса. Его значение изменяется от 0 до 15 и измеряется в баллах. Состояние водоема определяется так: 0-2 балла – очень сильное загрязнение (5-7 класс качества), водное сообщество находится в сильно угнетенном состоянии; 3-5 баллов – значительное загрязнение (4-5 класс качества); 6-7 баллов – незначительное загрязнение водоема (3 класс качества); 8-10 баллов и выше – чистые реки (1-2 класс качества).

Согласно биотическому индексу Вудивисса, по мере повышения уровня загрязненности вод происходит изменение видовой структуры бентосных организмов. Вследствие, чего происходит отмирание индикаторных таксонов, достигших предела толерантности [7, 1, 3, 33].

Индекс Гуднайт-Уотлея.Эта простая, но надёжная методика биоиндикации используется только для определения загрязнения водоёма органическими веществами. Для определения значений олигохетного индекса годятся только материалы дночерпательных проб [8, 9].

Значение индекса а равно отношению количества обнаруженных в пробе олигохет (малощетинковых червей) к общему количеству организмов (включая и самих червей) в процентах по формуле

Степень загрязнения воды органикой дана в табл. 1.2.

Классический вариант олигохетного индекса (ОИ) впервые был предложен Гуднайтом и Уотлеем в 1961 г. ОИ рассчитывается как отношение численности олигохет к общей численности организмов в пробе. При этом состояние реки считается хорошим, если ОИ меньше 60%, сомнительным при ОИ в пределах 60-80%, река тяжело загрязнена, если ОИ превышает 80%. По показателю обобщенного индекса судят о степени эвтрофикации водоема.

Источник

Что такое биосистема: определение и виды

Окружающий мир состоит из миллиардов живых организмов: растений, насекомых, животных, которые за многие века научились мирно сосуществовать между собой. Но возникновение антропогенных факторов часто приводит к равновесию в природе. И это негативно влияет на состояние различных биосистем. О том, что означает этот термин, вы узнаете из нашего материала.

что такое биосистема

Понятие

Если смотреть в глобальном масштабе, то биосистема – это совокупность и взаимоотношения между всеми живыми организмами. Но подобным образом рассматривать это понятие довольно трудно.

Поэтому принято разделять биосистему на семь различных видов:

  • Молекулярная;
  • Клеточная;
  • Тканевая;
  • Организм;
  • Популяционная;
  • Видовая;
  • Биогеоценоз;
  • Биосферная.

Все эти виды выражают многогранность форм жизни, но в то же время являются обособленными единицами, способными расти и развиваться, а также приспосабливаться к внешним изменениям. Биосистемы различаются сложностью взаимосвязи между элементами. К примеру, молекулярная и клеточная намного проще, чем «организм». К сложным относятся биогеоценоз и биосфера.

Биосистема существует, пока взаимодействуют ее элементы. При этом она оказывает непосредственное влияние на свои компоненты.

Что это значит? Все составляющие зависят от биосистемы, а она не может существовать без своих составляющих. К примеру, возьмем такую биосистему, как организм человека. Его работа напрямую зависит от взаимодействия клеток и органов. И если убрать хотя бы одну составляющую, то жизнедеятельность этой системы нарушится. Но в то же время организм обеспечивает клетки и органы полезными веществами и энергией.

виды биосистем

Влияние человека на природные биосистемы

Деятельность человека отрицательно влияет на биогеоценоз. Ведь в каждой подобной биосистеме существует хрупкое равновесие. Возьмем, к примеру, такой биогеоценоз, как лес. На его территории сосуществует огромное количество растений, животных, насекомых и так далее. Трава, листья и кустарники являются пищей для парнокопытных. Они же, в свою очередь, становятся жертвами хищников. Трупы этих животных являются пищей для насекомых и удобряют растения. При этом количество живых организмов, как бы это ни казалось странным, регулируется самой природой и находится в определенном равновесии.

антропогенные факторы

После вырубки участка, уменьшается ареал обитания животных, после чего происходит миграция, которая нарушает баланс между растениями, парнокопытными и хищниками. Это ведет к сбою в работе биосистемы, и может привести к ее гибели.

Вырубка леса, осушение озер и рек, выброс токсичных отходов, постройка антропогенных объектов – все это отрицательно влияет на состояние биосферы Земли. За последнее столетие, когда промышленность начала развиваться бешеными темпами, исчезло огромное количество видов представителей флоры и фауны. И человечество продолжит уничтожать биосистему планеты такими же темпами, то в скором времени мы останемся единственными выжившими организмами на Земле.

Источник

В реке биологические системы

Все клетки (за исключением тех, которые находятся в состоянии покоя) живут в том или ином водном растворе. Клетки высших животных омываются сывороткой крови, клетки растений -в тканевом соке, а такие живущие вне организмов клетки, как бактерии, существуют в разного рода водных средах. Растения и животные сами создают свою внутреннюю среду, а клетки микроорганизмов вступают в обмен непосредственно с внешней средой.

Читайте также:  Река шеридан неожиданно кончился

Говоря о потребности клеток в воде, удобно пользоваться понятием водной активности среды, в которой они обитают. Водная активность аw, — мера эффективной концентрации воды в растворе, т. е. концентрации воды, доступной для химических реакций. В любом водном растворе часть воды связана с молекулами или ионами растворенного вещества в комплексы, называемые гидратами. Именно образование гидратов переводит растворенное вещество в раствор. Поскольку молекулы воды, участвующие в образовании гидратов, не доступны для других реакций, водная активность раствора ниже, чем водная активность чистой воды. Давление паров раствора, которое прямо связано с водной активностью, также ниже, чем у чистой воды. Действительно, водная активность определяется как отношение давления паров раствора, р, к давлению паров чистой жидкой воды, /?0, при той же температуре:

Водная активность численно равна относительной влажности воздуха, находящегося в равновесии с раствором. Таким образом, если насыщенный раствор хлорида кальция (aw = 0,75 при 25°С) поместить в сосуд малого объема, то заключенный в этом сосуде воздух будет иметь относительную влажность 75%. Как следует из закона Рауля, водная активность слабых растворов равна доле свободных молекул воды в этом растворе.

Высшие растения и животные

В табл. 5 указаны значения водной активности некоторых растворов, представляющих биологический интерес. Все многоклеточные организмы для нормального роста и метаболизма нуждаются в высокой водной активности. Сыворотка крови человека — среда, в которой мы живем, характерна для всех млекопитающих. По своей водной активности она лишь незначительно отличается от активности дистиллированной воды. Фактически ее активность соответствует 0,9%-му солоноватому раствору NaCl, который обычно называют физиологическим раствором. Клеточный сок большинства растений по своей водной активности сходен с кровью животных.

Таблица 5. Водная активность некоторых растворов, представляющих биологический интерес
Таблица 5. Водная активность некоторых растворов, представляющих биологический интерес

Растения пустынь. Можно было бы предположить, что клетки растений и животных, приспособившихся к жизни в безводных условиях, предъявляют не столь жесткие требования к наличию воды, как клетки других организмов. Однако это не так. Различные виды живых организмов, обитающие в пустыне, обладают сложными механизмами, которые позволяют им приспособиться к окружающим условиям, поддерживая в своих внутренних жидкостях водную активность, мало отличающуюся от той, которая присуща видам, живущим во влажной среде. Растения достигают этого главным образом тем, что просто запасают воду впрок. В большинстве пустынь время от времени выпадают дожди, и некоторые растения, например кактусы и другие суккуленты, накапливают и хранят воду в стеблях и листьях, используя ее в засушливые периоды. Кроме того, эти растения могут уменьшать скорость испарения воды из листьев и стеблей, закрывая устьица (поры), через которые в нормальном состоянии происходит газообмен. Поскольку процесс фотосинтеза, протекающий в организме, зависит от интенсивности газообмена с атмосферой, закрытие устьиц приводит к замедлению роста. По данным П. С. Нобеля, лишь у немногих видов растений пустыни водная активность клеточных жидкостей падает до столь низкой величины, как aw = 0,96 при 25°С.

Другие растения пустынь не запасают воду, но проходят свой полный жизненный цикл за короткий период времени, когда имеется вода, оставляя на последующий засушливый период только покоящиеся семена или луковицы. Покоящиеся клетки, по всей видимости, находятся в состоянии водного равновесия (или близком к нему) с внешней средой. Состояние покоя может быть также реакцией некоторых многолетних растений на чрезвычайную засуху.

Выживание таких растений критическим образом зависит от обильного, хотя и редкого орошения земли дождями. Другим потенциальным источником воды являются водяные пары, которые присутствуют в атмосфере даже в самых засушливых земных пустынях в огромных-по марсианским стандартам-количествах. При высокой дневной температуре относительная влажность воздуха в пустынях очень низкая, однако ночью, когда температура резко понижается, воздух многих пустынь на Земле насыщается парами воды, которые затем конденсируются в виде росы или тумана. Эти источники воды не играют важную роль в жизни растений (за исключением, пожалуй, лишь произрастающего в Чили кустарника Nolana mollis), и среди высших растений нет достоверно установленных примеров использования паров воды в процессе фотосинтеза и роста. Листья некоторых растений, например бромелиевых * , поглощают водяные пары из атмосферы, что способствует их выживанию. Но растению трудно сделать это в таких количествах, чтобы обеспечить свой рост, поскольку даже в насыщенном парами воздухе количество воды незначительно. Например, 1 г жидкой воды занимает объем в 1 см3, тогда как то же количество воды в виде пара в воздухе, насыщенном водяными парами при 25°С, занимает объем 43 500 см3. Излишне говорить, что процесс поглощения растениями водяных паров протекает чрезвычайно медленно.

* ( Семейство растений тропических районов Америки. Прим. перев.)

Было обнаружено, что кустарник Nolana mollis, который растет в пустыне Атакама на севере Чили, конденсирует из атмосферы пары воды, выделяя соли (главным образом NaCl) через специальные солевые желёзки своих листьев. Пары воды конденсируются на листьях, когда их давление в атмосфере превышает давление паров выделяемого раствора соли. Хотя относительная влажность воздуха в этом районе Чили даже ночью редко превышает 80%, конденсат образуется в достаточном количестве-даже капает с листьев, увлажняя землю. Возможно, хотя и не доказано, что при высокой влажности, когда конденсируется довольно много воды, на листьях образуется раствор соли концентрацией ниже некоторого определенного критического значения, который, попадая в почву, может впитываться корнями растений. Затем соли выводятся, а вода используется растением. Как мы увидим далее, подобный механизм существует и у насекомых.

Было установлено, что некоторые лишайники, произрастающие в пустыне, также используют для фотосинтеза пары воды. Как и прочие микроорганизмы, лишайники не создают постоянной внутренней среды для своих клеток, которые должны выживать в изменяющихся условиях. Если говорить о лишайниках пустынь, то это означает, что они могут длительное время существовать в обезвоженном покоящемся состоянии и быстро активизироваться при контакте с водой. Жизнедеятельность пустынных лишайников зависит обычно от туманов или рос, которые обеспечивают их жидкой водой, но у некоторых видов лишайников чистый фотосинтез (превышение образования продуктов фотосинтеза над распадом углеводов в процессе метаболизма) возможен и при использовании только паров воды. Ланге и его коллеги показали, что Ramalina maciformis (лишайник, произрастающий в пустыне Негев) способен к фотосинтезу, когда относительная влажность воздуха превышает 80%. Было установлено также, что и антарктические виды лишайников используют для фотосинтеза пары воды. Очевидно, что, когда единственным источником влаги служат пары, рост происходит очень медленно.

Животные пустынь. Животные, обитающие в засушливых зонах, не запасают воду, а иногда даже и не пьют ее. Скорее всего, они сами производят се и сохраняют. Вопреки глубоко укоренившемуся представлению верблюд в действительности воду не запасает. Однако он способен выживать при значительном обезвоживании, выдерживая и преодолевая существенный недостаток воды. К числу наиболее интересных животных, не пьющих воду, относится кенгуровая крыса Dipodomys merriami, мелкий грызун, обитающий в пустынях Аризоны и Калифорнии (он подробно описывается в прекрасной работе Кнута Шмидта-Нильсена [28]). В нормальном состоянии кенгуровая крыса воду не пьет, даже если она имеется. По существу, всю необходимую воду это животное получает, окисляя органическое вещество (главным образом, углеводы), содержащееся в семенах и сухих растениях, которыми оно питается. Все аэробные организмы непременно производят воду в процессе метаболизма, но выживать только за счет такой воды способны лишь очень немногие животные.

Кенгуровая крыса — ночное животное: в течение жаркого дня она остается в подземной норе, где при относительно низкой температуре поддерживается высокая влажность. Кроме того, потеря воды из-за испарения ее телом сведена у этого животного до минимума благодаря отсутствию потовых желёз, выделению очень концентрированной мочи, сухих фекалиев и малой потере воды при дыхании. В лабораторных опытах Шмидт-Нильсен показал, что кенгуровая крыса может неограниченно долго жить без воды, питаясь сухим ячменем, при относительно низкой влажности — около 24%. При 10%-ной относительной влажности животные начинают терять вес, как бы сигнализируя этим, что при такой или более низкой влажности они не в состоянии поддерживать водный баланс. Когда при нормальной влажности их вместо ячменя кормили соевыми бобами, они выделяли так много мочи (вследствие высокого содержания белка в бобах), что вынуждены были пить воду для подддержания ее баланса. Кенгуровые крысы наделены такими мощными почками, что способны пить даже морскую воду!

Как видно из табл. 5, механизмы приспособления, выработанные кенгуровой крысой для жизни в пустыне, не связаны с каким-либо уменьшением основных водных потребностей клеток ее организма: водная активность крови Dipodomys фактически такая же, как и нашей собственной. Следует понять, что животные, которые не пьют воды, тем не менее ее используют. Питаясь растениями, они потребляют воду, входящую в состав продуктов фотосинтеза. Таким образом, углевод, который Dipodomys превращает в воду, как бы представляет собой источник воды.

Многие насекомые, обитающие в условиях ограниченного доступа влаги, например мучной хрущак Tenebrio molitor, в изобилии паразитирующий в муке и зерне, живет за счет воды, полученной в процессе метаболизма. Кроме того, Tenebrio и некоторые другие насекомые используют также пары воды, которые они способны улавливать из ненасыщенной атмосферы. Для этой цели Tenebrio выработал особый механизм — он заключается в образовании концентрированного солевого раствора в маленьких трубочках, связанных с кишечником, в котором абсорбируются пары воды, проникающие через стенку кишечника. Таким образом Tenebrio может получать воду из атмосферы, относительная влажность которой не превышает 88%. Поскольку давление пара в жидкостях тела этого насекомого (см. табл. 5) значительно выше указанного, для приобретения этой воды Tenebrio должен затрачивать определенную энергию. Сообщалось, что и другие насекомые способны извлекать пары воды из атмосферы всего лишь с 45%-ной относительной влажностью. В этих случаях для конденсации паров воды используются, по-видимому, не минеральные соли, а хорошо растворимые органические соединения.

Микроорганизмы

Жизнь в рассолах и сиропах. Как и другие клетки, микроорганизмы живут только в водных растворах, исключая период состояния покоя. Многие из них способны функционировать при гораздо более низкой водной активности, чем клетки высших растений и животных. Однако большинство видов микроорганизмов может развиваться при величине водной активности не ниже 0,90. Еще до того, как возникла наука, люди использовали это обстоятельство: хранили мясо и рыбу в сушеном или соленом виде. Фрукты хорошо сохраняются в насыщенном растворе сахарозы, каковым является, например, джем. Иногда и такие продукты портятся, что свидетельствует о способности некоторых организмов развиваться при водной активности 0,85 и даже 0,75 (см. табл. 5). Самая низкая водная активность, при которой зарегистрирован рост микроорганизмов, составляет 0,61. При такой водной активности в растворе сахара медленно растут плесневый грибок Xeromyces bisporus и дрожжи Saccharomyces rouxii, хотя и тот и другой организмы предпочитают большую концентрацию воды. Например, для роста Xeromyces оптимальна aw = 0,92. Способность развиваться при aw = 0,75 и ниже обнаружена не только у дрожжей и плесени, но тайже и у некоторых бактерий и водорослей.

Читайте также:  Какое питание у большинства рек южной америки

Может быть, эти микроорганизмы способны переносить низкую водную активность окружающей среды благодаря тому, что могут поддерживать высокую водную активность внутри клеток, т. е. там, где протекают основные химические процессы? Нет, это не так. Клеточные мембраны хорошо проницаемы для воды, так что предложенное объяснение неверно. Дело в том, что эти организмы научились жить при такой водной активности среды. (В обзоре А. Д. Брауна [3] описаны различные физиологические механизмы, которые делают возможной такую адаптацию.)

Жизнь в антарктической пустыне. Биологические исследования, проведенные в одной из самых суровых пустынь на Земле (и единственной, которая по своим условиям в какой-то степени приближается к марсианским), стали возможны после проведения Международного геофизического года (1957-1958), когда было привлечено внимание к отдаленному антарктическому континенту. Одним из результатов МГГ стал международный договор, ратифицированный в 1959 г. шестью государствами, который провозгласил Антарктиду нсмилитаризованной зоной, сохраняемой для научных исследований на протяжении 30 лет.

Известно, что этот континент покрыт огромной ледяной шапкой, но после проведения МГГ многие люди с удивлением узнали, что там есть области, свободные ото льда. Самая большая из них-холодная пустыня площадью в несколько тысяч квадратных километров, обычно называемая «сухие долины», — расположена недалеко от американской полярной станции Мак-Мер до в южной части Земли Виктории. Основной экологической особенностью этих долин является сочетание низкой температуры и дефицита жидкой воды. Средняя годовая температура воздуха составляет около — 20°С, а средняя температура в летнее время близка к 0°С. Осадки редки приблизительно 10 см в год (всегда только в виде снега). Незначительность осадков обусловлена ограниченной способностью холодной атмосферы удерживать пары воды. Эта область, отсеченная от основного движения ледников и от внутренних районов континента Трансантарктическими горами, свободна ото льда и насквозь продувается сильными и холодными, но очень сухими ветрами, постоянно дующими с высокого антарктического купола в сторону океана. Ветры способствуют испарению снега, сопровождаемому слабым таянием.

Есть основания полагать, что эти долины иссушались на протяжении тысяч лет. Хотя соленые озера и водоемы, питаемые в течение короткого антарктического лета талой водой ледников, не имеют стока, так как расположены на замерзшем грунте, объем воды в них меньше, чем они могут вместить. Эта разница обусловлена потерями при испарении. У некоторых озер есть террасы с сухими останками водорослей, отмечающие более высокий уровень воды в прошлом. Определение абсолютного возраста этих водорослей методом радиоуглеродного хронометрирования показало, что 3000 лет назад уровень, например, озера Ванда был на 56 м выше, чем сейчас. По оценкам возраст всей системы сухих долин лежит в пределах от 10 до 100 тыс. лет.

Жизнь в этих долинах почти целиком представлена микроорганизмами. По береговым линиям встречаются обильные популяции морских водорослей и цианобактерий (раньше их называли сине-зелеными водорослями). Эти организмы, осуществляющие фотосинтез, поддерживают жизнь больших популяций бактерий, дрожжей и плесневых грибков. Попадаются также микроскопические животные: простейшие, коловратки и тихоходки. Количество организмов заметно уменьшается по мере удаления от ручьев и водоемов. На сухих возвышенностях долин отсутствуют даже лишайники самые стойкие среди наземных антарктических организмов. Уильям Бойд, один из первых исследователей этого района, сообщал, что в некоторых образцах почвы из наиболее засушливых районов вообще не удается обнаружить бактерий. Позднее такой же результат получила целая группа биологов. Рой Кэмерон, специалист по почвенной микробиологии из Лаборатории реактивного движения, в течение восьми сезонов исследовал сотни проб грунта, взятых в этой пустыне. Приблизительно в 10% из них микроорганизмов обнаружить не удалось, а в большей части других их количество было очень незначительным. Роберт Бенуа и Кэлеб Холл получили сходные результаты. «На тех участках, где почва получает минимальное количество воды, писали они,-поверхностный слой толщиной в дюйм ( 2,5 см) чаще всего был полностью абиотическим (т.е. лишенным каких-либо форм жизни) или содержал менее 10 бактерий на грамм почвы». В пробах, взятых из более глубоких слоев, микроорганизмы обычно присутствовали, но на одном участке Бенуа и Холл не смогли обнаружить никаких бактерий в слое глубиной в метр.

Так как при увлажнении эти почвы способны поддерживать жизнь, можно заключить, что именно вода является фактором, лимитирующим возможность ее существования в почвах сухих долин. Низкая же температура не относится к таким факторам: действительно, многие микроорганизмы в этой области, особенно живущие в более низких и увлажненных местах, могут расти и осуществлять фотосинтез при температурах около О°С. В то же время, несмотря на обилие засоленных участков почвы и водоемов, у организмов, обитающих в этих долинах, редко обнаруживается «приспособленность к низкой водной активности. Этот и некоторые другие факты свидетельствуют о том, что небольшие популяции микробов, обнаруженные в сухих почвах, не местного происхождения, а занесены ветрами из других, более благоприятных для жизни районов. Такие организмы находят подходящие для себя условия только на некоторых ограниченных, защищенных участках сухих долин. Кэмерон, например, обнаружил водоросли, растущие на нижней стороне полупрозрачной гальки, где они были защищены от высыхания, а Имре Фридман установил, что бактерии и лишайники могут жить внутри полупрозрачных пористых скальных пород, под поверхностями, обращенными к северу и получающими достаточно солнечного света, чтобы растаял снег, который затем впитывается в породу.

Характерная для сухих долин скудность микробной жизни, обусловленная постоянной засухой, свойственна также и озерцу Дон Жуан — мелкому водоему площадью 4 8 га, который из всех водоемов нашей планеты, по-видимому, более всего похож на гипотетические (и, возможно, не существующие) марсианские лужи (фото 8). Когда это озерцо впервые обнаружили в 1961 г., оно было незамерзшим, хотя температура воды составляла — 24°С. Различные наблюдатели впоследствии отмечали, что точка его замерзания лежит в интервале температур -(48 ÷ 57)°С. Этот водоем насыщен хлоридом кальция, который кристаллизуется в виде гексагидрата СаСl2*6Н2O. Кристаллы, обнаруженные в озерце Дон Жуан, а до этого известные лишь по лабораторным экспериментам, получили минералогическое название-ан-тарктицит. Их образование стало возможным в результате совместного воздействия характерных для этих мест очень низких температур и высокой сухости воздуха.

Время от времени два пресноводных ручья, питающих озерцо, вероятно, приносят в него микроорганизмы, и поэтому не удивительно, что их там иногда обнаруживали. Первое сообщение о микроорганизмах, обитающих в этом водоеме с водной активностью около 0,40 (табл. 5), оказалось, однако, неожиданностью и впоследствии не подтвердилось. Озерцо, по-видимому, практически стерильно; это согласуется с тем фактом, что среди микроорганизмов этих долин редко встречаются устойчивые к высоким концентрациям солей.

Результаты этих исследований Антарктиды вопреки распространенному мнению свидетельствуют о том, что адаптационные возможности жизни не безграничны. Правильнее считать, что условия, при которых жизнь может существовать, фактически довольно ограниченны.

Заключение

Хотя способы адаптации организмов к жизни в пустынях при дефиците воды очень оригинальны и подчас удивительны, все они практически теряют смысл, если их оценивать с точки зрения исключительной сухости Марса. В качестве возможных моделей марсианских форм жизни среди всех известных на Земле видов, пожалуй, можно рассматривать только лишайники, способные использовать пары воды. Все другие виды прямо или косвенно нуждаются в жидкой воде.

К этим видам относятся и насекомые, о которых говорилось выше, так как водяные пары-это только добавка к их основному источнику воды, каковым являются углеводы растений. Нет сведений, что лишайники могут поглощать пары воды при относительной влажности ниже 80%, кроме того, те не способны заселять сухие долины Антарктиды-а ведь они по марсианским стандартам отличаются высокой влажностью. По-видимому, если на Марсе жизнь и существует, то в смысле использования воды она должна основываться на каких-то иных принципах, чем земная жизнь.

Источник



VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДЫ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ НЕВА)

Введение

3

Глава I. ИСТОРИЯ И ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОНИТОРИНГА

КАЧЕСТВА ВОДЫ

4

Краткая история мониторинга качества воды

4

Виды и структура мониторинга качества воды

6

Показатели качества воды

8

Глава II. БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: ЗАЧЕМ И ПОЧЕМУ?

9

2.1. Невский рак

13

2.1.1. Зачем нужны раки?

13

2.1.2. Как работают раки?

13

2.1.3. Особые требования

14

2.1.4. Как раку устроиться на работу?

14

2.2. Австралийский рак

15

2.3. Дополнительный контроль

16

2.3.1. Моллюски и рыбки, в очередь!

16

2.3.2.Улитки — «сотрудники» Водоканала

17

2.3.3.Как устроено «рабочее место» улитки?

18

Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ БИОТЕСТА: БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КАЧЕСТВА ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАКОВ

18

Заключение

20

Литература

21

Приложение

1

ВВЕДЕНИЕ

Контроль качества воды всегда является актуальной задачей. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) ежегодно в мире из-за низкого качества воды умирает около 5 млн. человек. Инфекционная заболеваемость населения, связанная с водоснабжением, достигает 500 млн. случаев в год. Это даёт основание назвать проблему водоснабжения доброкачественной водой в достаточном количестве одной из главных проблем человечества.

Более того, в мировой практике доступность и качество питьевой воды являются одной из главных составляющих в оценке экологического благополучия любого региона.

Качество воды в нашей стране постоянно контролируется различными службами. Биологический мониторинг наряду с химическим играет в этом процессе немаловажную роль.

Резкие изменения качества воды могут отслеживаться путем наблюдения за поведением водных обитателей в специальных условиях — установках биосигнализации, которые дают моментальную информацию о малейших изменениях в составе воды и дает возможность оперативно реагировать в случае необходимости.

Воздействие длительного загрязнения отслеживается с помощью растений и животных в их естественной среде обитания. Для долгосрочного мониторинга используют искусственные вещества, погруженные в воду.

Использование биомониторинга совместно с химическим анализом является наиболее эффективным и объективно отражает ситуацию с качеством воды на водном объекте.

Читайте также:  Река конго глубина реки

Объект исследования – качество водопроводной воды, пригодной к употреблению человеком.

Предмет исследования –биологический мониторинг качества воды.

Цель исследования— научно обосновать и экспериментально проверить качество водопроводной воды, пригодной к употреблению человеком посредством биологического мониторинга качества воды.

В соответствии с объектом, предметом и целью исследования выдвинута следующая гипотеза: мониторинг качества воды будет более точным, если будет доказана эффективность и целесообразность использования живых организмов (биологический мониторинг) как составной его части.

Исходя из поставленной цели, определения объекта и предмета, а также выдвинутой гипотезы определены задачи исследования:

Изучить необходимые для достижения цели исследования подходы, понятийный аппарат, принципы и методы, определяющие теоретическую и прикладную базу исследования.

Установить связь биологического мониторинга качества воды с повышением его эффективности.

Смоделировать биотест для доказательства эффективности биологического мониторинга качества воды.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:

теоретические методы: изучение и анализ научной литературы по теме исследования; обобщение, сравнение, моделирование;

эмпирические методы: наблюдение, качественный анализ результатов исследования.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 24 страниц.

Ключевые термины: биологический мониторинг, биотест, мониторинг, химические вещества, контроль качества воды

Глава I. ИСТОРИЯ И ОБЩИЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ

Первая глава рассматривает историю и общие вопросы, связанные с мониторингом качества воды, раскрывает его структуру и виды, а также вводит понятие «биологического мониторинга» качества воды.

Краткая история мониторинга качества воды

Жизнь человека во все времена была тесно связана с водой. Водные объекты, в особенности реки, способствовали возникновению древнейших очагов культуры в Месопотамии, Египте, Индии, Китае, на Армянском нагорье, в Центральной и Южной Америке. Возраст некоторых гидротехнических сооружений – оросительных и судоходных каналов, дамб и водохранилищ – около 8000 лет!

В то время, когда на территории современной Финляндии и Карелии еще кое-где таяли остатки льдов последнего периода оледенения, а река Нева на тот момент не успела образоваться, в Египте уже велись простейшие гидрологические наблюдения – на скалах в 400 км выше Асуана отмечали уровни воды во время разлива Нила.

Древние выполняли грандиозные, даже по современным масштабам, гидротехнические работы. Они сводились в основном к осушению болотистых заливных земель по берегам рек (Нил, междуречье Тигра и Евфрата, Инд, Хуанхэ), возведению дамб, созданию систем орошения.

Все эти виды работ требовали от древних строителей данных наблюдений за уровнем водных объектов и их режимом, состоянием и уровнем подземных вод; наблюдений за состоянием атмосферы [рис.1-2].

Рис.1 Карта водных ресурсов Древнего Египта

Рис.2. Карта водных ресурсов Ассирии

Уникальные гидротехнические сооружения были построены во время расцвета Римской империи. При правлении императора Нервы в Риме насчитывалось около 2мл жителей. Ежедневно по трубопроводам подавалось до 1 млрд. литров воды. В сутки на одного жителя приходилось 500 л. Эта величина характерна для современных городов с миллионным населением.

Отдельные части канализационной системы города, построенной в то же время, использовались вплоть до конца XIX в.

Важным рубежом можно считать конец XVII в., когда на основании экспериментальных измерений и расчетов осадков, стока и испарения впервые были установлены количественные соотношения фаз круговорота воды.

Как видно из истории, уже на ранних этапах развития цивилизации и культуры люди научились измерять важнейшие характеристики окружающей среды. Примером первых измерительных устройств могут служить «Нило- меры», применявшиеся для регистрации уровней воды на реке Нил; дождемеры, известные древнегреческим ученым, и даже древнейшие обсерватории (приливы) на территории Евразии и Северной Африки.

Важным рубежом в истории изучения окружающей среды можно считать эпоху Ренессанса, когда появились первые достаточно точные измерительные приборы (термометр Галилея, ртутный барометр Торричелли). Эпоха Ренессанса — время первых экспериментальных измерений и расчетов осадков, стока и испарения и начало регулярных наблюдений за погодой и климатом, в том числе и в России.

В XIX и особенно в XX в. благодаря ряду важных разработок в области ITстала возможной обработка данных в почти реальном масштабе времени и появилась возможность всестороннего исследования окружающей среды и прогнозирования природных явлений.

Идея глобального мониторинга появилась в 1971 г. на Стокгольмской конференциипо окружающей среде (1972г.)[5]. Первые предложения по разработке такой системы были выдвинуты Научным комитетом по проблемам окружающей среды. Первая концепция мониторинга была предложена профессором Р. Мэнном[1].В российской науке теоретические аспекты проблемы представлены концепциямиИ. П. Герасимова и концепцией Ю. А. Израэля[3].

Практическим применением наблюдений может служить использование с глубокой древности растений и животных как индикаторов для отыскания

пресных вод – метод наблюдения, именуемый теперь биологическим мониторингом.

Виды и структура мониторинга качества воды

Мониторинг – это система контроля, оценки и прогноза качества окружающей природной среды, включающая наблюдения за воздействием на человека.

Мониторинг качества воды–комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений качества пресных водоемов, позволяющая выделить изменения их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной (человеческой) деятельности[4].

Рис.3. Блок-схема системы мониторинга

В современной науке выделяют глобальный, национальный, региональный, локальный и импактный мониторинги.

Глобальный(биосферный или базовый) мониторинг осуществляется на основе международного сотрудничества и позволяет оценить современное состояние всей природной системы Земли в целом. В настоящее время создана глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС) с центром в Канаде[9].

Задачами программы ГСМОС (Вода) является следующее: мониторинг распространения и трансформации загрязняющих веществ в водной среде; оповещение о серьезном нарушении состояния водных объектов; напоминание правительствам о необходимости принятия мероприятий по охране, восстановлению и улучшению окружающей среды.

Программа ГСМОС (Вода) включает 7 основных пунктов: создание всемирной сети станций мониторинга; разработка единой методики отбора и анализа проб воды; осуществление контроля за точностью данных; использование современных систем хранения и распространения информации; организация повышения квалификации для специалистов; подготовка методических справочников; обеспечение необходимым оборудованием.

Национальный мониторинг осуществляется в пределах государства. В нашей стране его осуществляет Общегосударственная служба наблюдений и контроля состояния окружающей среды (ОГСНК), состоящая из нескольких уровней: станций наблюдения, осуществляющих наблюдения, обработку и обобщение данных; территориальных и региональных центров, осуществляющих обобщения, анализ материалов, составление местных прогнозов и оценку состояния окружающей среды по своей территории; Гидрометцентра и других центров.

Помимо ОГСНК мониторинг осуществляет ряд служб и ведомств, которые разрабатывают собой систематизированный свод сведений о водных ресурсах страны, данные регистрации водопользователей и учета использования вод. Основная задача – обеспечение народного хозяйства необходимыми данными о водных ресурсах, водных объектах, режиме, качестве и использовании природных вод, а также водопользователях.

Региональный мониторинг осуществляется за счет станций в регионах, куда поступает информация в пределах крупных районов, подверженных интенсивному хозяйственному освоению человеком.

Для проведения мониторинга вод суши организуется постоянная сеть пунктов наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных вод, специализированная сеть пунктов для решения научно-исследовательских задач или временная экспедиционная сеть пунктов.

Локальный мониторинг представляет собой наблюдения за водной и воздушной средой различных зон города, промышленных и сельскохозяйственных районов и отдельных предприятий.

Импактный мониторинг обеспечивает наблюдения в особо опасных зонах и местах, непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ.

Показатели качества воды

Современный мониторинг качества воды имеет две типичные задачи:

ежедневный мониторинг и контроль качества воды;

контроль после чрезвычайных ситуаций (усиленный контроль).

Ежедневный контроль качества подразумевает мониторинг по основным параметрам качества воды в обычном режиме. Усиленный контроль включает в себя проведение анализов по более широкому спектру параметров и быстрого принятия мер реагирования.

Обычно исследования проводятся так: берутся пробы воды, далее, проводятся соответствующие анализы на содержание в воде различных веществ и бактерий. Данные обрабатываются, и на основе полученных результатов делается вывод о качестве воды. Обработка может проводиться как вручную, так и в автоматическом режиме.

Можно выделить три группы показателей качества воды: физические ;химические; бактериологические.

К физическим параметрам относятся такие показатели как температура, мутность, цвет, запах, привкус воды.

Одним из важных химических показателей качества воды является содержание в ней фтора. Так, при его концентрации 2-8 мг/л возможны разные заболевания кожи. При концентрации 1,4 — 1,6 мг/л развивается кариес зубов.

Другим показателем качества является концентрация железа. Избыток придает воде красно-коричневую окраску, ухудшает ее вкус, вызывает отложение осадка в трубопроводах и их засорение. Избыток увеличивает риск инфарктов и заболеваний печени.

Кроме описанных выше параметров, также исследуются наличие в воде марганца, свинца, сероводородов и загрязненность воды нефтепродуктами.

Степень бактериологической загрязненности воды определяется числом бактерий, содержащихся в 1 3 см воды и должен быть до 100. Вода поверхностных источников содержит бактерии, внесенные сточными и дождевыми водами, животными и т.д. Для оценки загрязненности воды бактериями определяют содержание в ней кишечной палочки.

Необходимо отметить, что качество воды можно контролировать более чем по 180 показателям.

Рассмотрим следующую структуру данных, отображающих качество питьевой воды

Рис. 4. Нормативы показателей качества воды

На рисунке 4 показана таблица, в которой перечислены рассматриваемые в данном примере показатели качества воды вместе с их нормативами. На рисунке 5 показана таблица содержащая данные за 100 дней.

Рис. 5. Таблица данных о качестве воды

Кроме исследуемых параметров качества данная таблица содержит 2 переменные: дата измерения и район, в котором брались пробы воды. Таблица отсортирована сначала по району, затем по дате. Все данные в таблице смоделированы.

ГЛАВА II. БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ: ЗАЧЕМ И ПОЧЕМУ?

Вторая глава раскрывает сущность биологического мониторинга, доказывает его необходимость и чрезвычайную значимость в процессе контроля качества воды.

Мониторинг качества воды – это анализ влияния природных и человеческих факторов на состояние водных источников и окружающей среды в целом. Результаты мониторинга позволяют выявить причины изменения состояния окружающей природной среды и, на основе этой информации, осуществить контроль над ситуацией.

Мониторинг качества сточных вод требуется для соблюдения местных норм по сбросу сточных вод в окружающую среду промышленными или иными предприятиями, а также для улучшения работы канализационных сетей, станций очистки и снижения текущих материальных затрат.

Как уже отмечалось в I главе, оценка качества воды химическими методами осуществляется путем постоянного отбора проб воды для анализа на контрольной точке. Технически возможно использование системы постоянного контроля за некоторыми компонентами (содержание кислорода, кислотность, общее содержание солей, а также наиболее распространенные тяжелые металлы и органические соединения). Но такая система контроля не всегда дает истинное представление о состоянии водного объекта.

Использование системы биологического мониторинга дает представление о качестве воды в целом. Критерии выбора биологических организмов (тест-организмов) для мониторинга качества воды:

Источник

Adblock
detector