X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Живые организмы освоили четыре среды обитания. Водная среда была первой, в которой возникла и распространилась жизнь. Только потом организмы овладели наземно-воздушной, создали и заселили почву и сами стали четвёртой специфической средой жизни. Вода как среда обитания имеет ряд специфических свойств, таких как большая плотность, сильные перепады давления, малое содержание кислорода, сильное поглощение солнечных лучей. Кроме того, водоемы и их отдельные участки различаются солевым режимом, скоростью течений, содержанием взвешенных частиц. Для некоторых организмов имеют значение также свойства грунта, режим разложения органических остатков и так далее. Все обитатели водной среды получили в экологии общее название гидробионтов.

Вопросы, касающиеся влияния газов О₂ и СО₂ в воде на гидробионтов являются очень актуальными. Под влияние природных и антропогенных факторов газовый состав гидросферы может изменится, что приведет к изменению состава гидробиоты. Поэтому актуальность темы связана со значительным распространением исследуемого явления и заключается в необходимости разработки рекомендаций по совершенствованию работы в рассматриваемой области.

Гидробионты населяют Мировой океан, континентальные водоемы и подземные воды.

Объект исследования: река Тобол.

Предмет исследования: динамика CO2 и O2. в водной среде

Цель работы: выявить влияние газового состава гидросферы на состав гидробиоты.

Для достижения поставленной цели нам предстоит решить следующие задачи:

Диагностическая задача: выявить влияние газов CO2 и O2 в воде на водную биоту.

Теоретическая задача: провести теоретическое обоснование влияния газов CO2 и O2 на гидробиоту.

Методическая задача: подобрать и апробировать методы лабораторного исследования.

Экспериментальная задача: провести лабораторные исследования газового состава водной среды.

Прикладная задача: разработать рекомендации по регулированию содержания O₂ и CO₂ в воде.

Теоретическая значимость исследования заключается в проведении теоретического обоснования влияния газов CO₂ и O₂ на гидробиоту.

Практическая значимость заключается в подборке и апробации методов лабораторного исследования, проведение лабораторного исследования газового состава водной среды.

Глава 1. Теоретическое обоснование влияния газового состава водной среды на биоту

1.  
   Характеристика водной среды

Гидросфера как водная среда жизни занимает около 71% площади и 1/800 часть объема земного шара. Более 94% воды сосредоточено в морях и океанах. В пресных водах рек, озер количество воды не превышает 0,016 % общего объема пресной воды. Соотношения эти постоянны, хотя в природе, не переставая, идет круговорот воды.

В водной среде обитает примерно 150 000 видов животных, или около 7% общего их количества и 10 000 видов растений (8%) [1].

Вода – это уникальная среда во многих отношениях. Молекула воды, состоящая их двух атомов водорода и одного атома кислорода, удивительно стабильна. Вода является единственным в своем роде соединением, которое одновременно существует в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Вода – это не только источник жизни для всех животных и растений на планете, но и среда их обитания. Например, огромное количество видов рыб, в том числе караси, которые населяют реки и озёра, а также аквариумные рыбки, которые населяют аквариумы в наших домах. Как видите, все они прекрасно себя чувствуют среди водных растений. Рыбы дышат жабрам, извлекая растворенный кислород из воды. Некоторые же виды рыб, например, макроподы дышат атмосферным воздухом, поэтому им нужно периодически поднимаются на поверхность.

Воды в природных условиях содержат растворенные соли, газы, органические вещества. Их концентрация меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий среды. При концентрации солей до 1 г/кг вода считается пресной, до 25 г/кг — солоноватой и более 25 г/кг — соленой.

В пресных водах обычно преобладают ионы НСО^3-, Са²⁺, Mg²⁺. По мере увеличения общей минерализации растет концентрация ионов S0^4-, Cl^-, Na⁺, K⁺. В высокоминерализованных водах преобладают ионы хлора и натрия, реже — магния и очень редко — кальция. Прочие элементы содержатся в очень малых количествах, но почти все естественные элементы периодической системы можно найти в природных водах.

Из растворенных газов в воде присутствуют азот, кислород, двуокись углерода, благородные газы, редко — сероводород и углеводороды.

Концентрация органических веществ невелика. Она составляет: в реках — около 20 мг/л, в подземных вода и в океанах — около 4 мг/л. Исключение составляют болотные воды и воды нефтяных месторождений, воды, загрязненные промышленными и бытовыми стоками, где концентрация органических веществ может быть велика[2].

1.  
   Дыхание растений и животных

Дыхание характерно всем живым организмам. Благодаря дыханию организм получает энергию для жизни: растет, развивается, питается, размножается, двигается, воспринимает окружающий мир.

Из чего же организм получает энергию? Из органических веществ. В клетках организма органическое вещество окисляется с помощью кислорода. В результате образуются более простые органические вещества или углекислый газ, а также выделяется энергия. Эта энергия «связывается» в специальных молекулах — АТФ. И уже благодаря им энергия используется там, где она нужна. Например, при синтезе белка, делении клетки и т. д. АТФ образуются в митохондриях.

Существуют бактерии, которым для окисления веществ и получения энергии не нужен кислород. Однако подавляющему большинству организмов он нужен. Это касается всех растений и животных. Поэтому важно обеспечить поступление в их организмы кислорода. Растения и животные решают эту проблему несколько по-разному.

Растения, также как и животные, дышат. А для этого они поглощают из воздуха кислород и выделяют в воздух углекислый газ. У них нет специальных органов дыхания. Однако есть специальные приспособления: устьица на листьях, чечевички на коре деревьев, межклетники, заполненные воздухом. У растений, в отличие от животных, есть процесс фотосинтеза, при котором газообмен обратный: растение поглощает из воздуха углекислый газ, а выделяет в него кислород. Поэтому важно заметить, что растения все-таки дышат лишь в темное время суток, когда фотосинтеза нет, либо протекает его темновая стадия.

При активном процессе фотосинтеза выделяется куда больше кислорода, чем его поглощается для дыхания. Поэтому суммарно в светлое время суток растение выделяет кислород и поглощает углекислый газ. Хотя при этом поглощение кислорода и выделение углекислого газа также происходят, т. е. осуществляется процесс дыхания.

В темное время суток растения выделяют углекислый газ и поглощают кислород, т. е. газообмен осуществляется только для процесса дыхания.

Больше всего кислорода требуется для растущих частей растения, так как там процесс дыхания идет более интенсивно. Очень слабо дышат семена. Корни растений также дышат, однако в почве воздуха кислорода меньше, чем на поверхности. Поэтому плотно прибитая почва затрудняет дыхание корней.

Более просто устроены животные, например, губки, черви, которые дышат всей поверхностью тела. У остальных животных есть специальные системы органов дыхания. Причем они отличаются у разных групп организмов. Так членистоногие имеют разветвленную систему трахей во всем теле, рыбы дышат жабрами, у лягушек появляются легкие, а также они дышат через кожу, у пресмыкающихся, птиц и млекопитающих в основном легочное дыхание.

Водные животные получают кислород из воды, наземные - из воздуха. В воде кислорода находится меньше, туда он попадает из воздуха. Поэтому важно, чтобы водная поверхность контактировала с воздушной средой. Когда водоемы полностью затягивает льдом или на их поверхности разливается нефть, то водные организмы могут задохнуться.

Основная задача дыхательной системы животных доставить в кровь кислород и забрать из нее углекислый газ. То есть осуществить газообмен. Когда из легких кислород попадает в кровь, уже она доставляет его во все клетки организма. Из клеток в кровь поступает углекислый газ.

Углекислый газ, как ненужный продукт дыхания, должен выводиться из организма. У растений это происходит также как и поступление кислорода — через всю поверхность растения. У животных — посредством дыхательной и кровеносной систем.

Для дыхания нужен не только кислород, но и органическое вещество. Его окисление с выделением энергии можно сравнить с горением. Однако менее интенсивным. Как известно, при горении выделяется много энергии в виде тепла и света. И горят в основном органические вещества.

У животных и растений различается источник поступления органических веществ. Растения получают органическое вещество для окисления в митохондриях в результате фотосинтеза. То есть они сами синтезируют органическое вещество из неорганических в хлоропластах. Животные вынуждены поглощать исходные органические вещества, так как не могут их синтезировать из неорганических веществ.

Таким образом, у животных и растений процесс дыхания сходен на клеточном и молекулярном уровне. Однако отличается способ поглощения кислорода из внешней среды и его доставка в клетки организма. «Горючее», т. е. органическое вещество для дыхания растения получают сами. Животные получают его из пищи. И у растений, и у животных в результате дыхания выделяется углекислый газ [3].

1.  
   Кислород и диоксид углерода в газовом составе гидросферы

В природной воде кислород содержится в виде растворенных молекул. Кислород – мощный окислитель, который играет особую роль в формировании химического состава природных вод. Вода обогащается кислородом тремя главными путями. Во – первых, за счет работы фотосинтезирующих растений, во – вторых, за счет вторжения (инвазии) из атмосферы, в – третьих, за счет поступления вод с высокой концентрацией кислорода. Убыль кислорода из водных объектов происходит через потребление О₂ на окисление органических веществ, дыхание организмов, выход в атмосферу (эвазия), приток воды с низкой концентрацией кислорода [4].

Концентрация растворенного кислорода в природных водах колеблется в ограниченных пределах (от 0 до 14 мг/л, при интенсивном фотосинтезе, в полдень, возможна и более высокая концентрация). Концентрация кислорода в поверхностных водах значительно меняется в течении суток, сезона и года. Так например, потребление кислорода мало зависит от суточных изменений солнечной радиации, а фотосинтез полностью определяется ею, и поэтому в течении дня происходит накопление кислорода, а в темное время суток наоборот, расходование.

Кислород очень важен для существования большинству организмов, населяющих водоемы. Как сильный окислитель кислород играет важную санитарно-гигиеническую роль, способствуя быстрой минерализации органических остатков [5].

Диоксид углерода в воде находится в виде растворенных молекул газа CO2. Однако часть их (примерно 1 %) вступает во взаимодействие с водой, образуя угольную кислоту:

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Обычно CO2 и H2CO3 не разделяют и под диоксидом углерода подразумевают их сумму (CO2 + H2CO3). Источниками диоксида углерода в природных водах являются процессы окисления органических веществ, которые происходят с выделение CO2 в воде, почве и илах, которые соприкасаются с водой. Также к источникам CO2 относятся дыхание водных организмов, биохимический распад, окисление органических остатков.

В подземных водах источником CO2 могут быть вулканические газы, которые выделяются из недр земли. Происхождение этих газов связано с дегазацией мантии, а также со сложными процессами метаморфизации осадочных пород. Именно поэтому в некоторых подземных водах и источниках глубинного происхождения часто определяется высокое содержание диоксида углерода.

Убывание содержания диоксида углерода наблюдается при фотосинтезе. Если при интенсивном фотосинтезе происходит полное потребление CO2, то последний может быть выделен из ионов HCO3¯.

Диоксид углерода может расходоваться на растворение карбонатов и химическое выветривание алюмосиликатов.

Убыванием содержания CO2 в воде может послужить выделение газа в атмосферу. Между CO2 атмосферы и CO2 поверхностных вод существует непрерывный обмен, направленный на установление между ними равновесия, согласно закону Генри-Дальтона. Обычно же поверхностные воды суши, в которых протекают различные процессы разложения органического вещества и которые связаны с почвами, имеют большее содержание CO2 и поэтому выделяют его в атмосферу. Лишь при очень сильном фотосинтезе, когда CO2 практически исчезает, может происходить поглощение CO2 из атмосферы.

Содержание диоксида углерода в природных водах чрезвычайно разнообразно - от нескольких десятых долей до 3000-4000 мг/л. Наименьшая концентрация CO2 наблюдается в поверхностных водах, особенно минерализованных (моря, соленые озера), наибольшая - в подземных и загрязненных сточных водах. В реках и озерах концентрация CO2 редко превышает 20-30 мг/л [6].

1.  
   Влияние кислорода и диоксида углерода на биоту

ПДК кислород рыбохоз. = 6,о мг/дм³

При снижении концентрации О₂ ниже норматива, в воде создается его дефицит, развивается замор – массовая гибель гидробионтов от недостатка О₂ в воде.

Летние заморы в период «цветения вод», интенсивного развития водорослей развиваются ночью «молниеносно». Зимние заморы обычны в лимнических системах из-за развивающегося дефицита О₂, интенсивно расходуемого на окисление разлагаемой (отмершей) летней биоты. В водотоках заморы – редкое явление.

Классическим примером являются зимние заморы на р. Оби. Скорость движения замора – 30 – 40 км/сутки. Дефицит О₂ доходит до 97,9%. Основная причина замора – окисление гуминовых веществ за счет кислорода: рыбы погибают от асфиксии (удушья), в присутствии окисных закисных соединений железа окисление гуминовых веществ протекает особенно энергично, питание р. Оби идет из заболоченных мест богатых закисными соединениями железа, притоки р. Оби несут огромное количество гуминового органического вещества [7].

Кроме гибели гидробионтов, в водоеме сформировываются неблагоприятные зоогигиенические условия, например, осуществляются накопление органических веществ и распространение сапрофитной микрофлоры, отрицательно воздействующей на рыб.

У рыб, пребывающих долгое время в воде с критическим содержанием кислорода, наблюдаются следующие признаки: понижается активность, рыбы оказываются вялыми, мало употребляют корма, наступает истощение, ощутимо снижается устойчивость к неблагоприятным факторам среды и возбудителям болезней.

Советский ученый Г. И. Шпет отметил некоторые признаки поведения рыб: «При содержании в воде кислорода в пределах 2 мг/л карп начинает беспокоиться, затем все чаще заглатывает воздух, а при содержании кислорода, близком к 0,5 мг/л, делает это беспрерывно и теряет аппетит. Потеря аппетита карпами может привести к значительному истощению и гибели рыб».

В ниже представленной таблице показаны величины насыщения воды кислородом.

Таблица 2

Насыщение воды кислородом

Зоны обеспечения рыб(карпа) кислородом	Температура от 0,5 до 2°С		Температура от 5 до 10 °С
	Содержание О2 в воде мг/л	Насыщение воды кисло- родом, %	Содержание О2 в воде мг/л	Насыщение воды кисло- родом, %
Критическая(нижняя)	0,5-4,5	3-32	0,5-3,5	3-32
Пороговая (нижняя)	5-6,5	34-47	4-5	35-40
Оптимальная (зона комфорта)	8-14	55-101	7-11	57-97
Пороговая(верхняя)	15-16	103-115	13-14	103-115
Критическая(верхняя)	17 и выше	116 и выше	15 и выше	116 и выше

Недостаток О₂ оказывает негативное влияние на рыбу при содержании ее в зимовальных прудах. Понижение кислорода до 2,5-3,0 мг/л приводит к угнетению рыб, её беспокойству и подниманию в верхние слои воды. В следствии постоянного движения рыбы истощаются и затем в большей мере подвергаются заражению паразитами и умирают.

Из этого следует, что кислородный режим водоемов оказывает влияние на рыб и в некоторой степени на возникновение и развитие заразных болезней. Если контролировать изменение газового состава в водоеме можно создавать хорошие условия для рыб, профилактировать возникновение заразных болезней.

Летом при недостатке кислорода в водоеме следует использовать все средства по его возобновлению. Элементарным и доступным методом будет служить увеличение проточности прудов. При этом ставят различные аэраторы, которые помогают насыщению воды кислородом.

Если невозможно создать сменяемость воды и ее проточность, применяют дождевальные установки и с помощью насосов разбрызгивают воду в пруду. Для перемешивания воды можно использовать лопастные - моторные лодки и камышекосилки. Одновременно с этим регулируют кормление (иногда уменьшают, а иногда на несколько дней прекращают дачу корма) и ограничивают удобрение прудов.

Для жизнедеятельности рыб огромное значение имеет содержание свободной углекислоты в воде. При достаточном количестве кислорода увеличение СО₂ негативно действует на рыб.

Допустимые концентрации СО₂ в воде рыбоводных прудов лежат в пределах 10-40 мг/л. В большом объеме диоксид углерода ядовит для рыб, так как он нарушает их дыхание.

Важно учитывать, что для рыб необходимо учитывать соотношение О₂ и СО₂, а не просто абсолютное содержание в водоеме.

Для карпа, например, губительно соотношение кислорода и диоксида углерода, приближающееся к 0,02.

При существенных суточных колебаниях содержания О₂ в воде или долгом понижении количества его сильно замедляет рост рыб даже незначительное количество СО₂. При таких условиях карп меньше употребляет пищи и у него понижается усвояемость питательных веществ. При соотношении кислорода и углекислого газа от 0,3 до 0,4 карпы усваивают 41% азота кормов, а при соотношении от 0,2 до 0,1 - всего лишь 11%. При повышенном количестве диоксида углерода в воде способность крови усваивать кислород понижается.

В зимовальных прудах особенно внимательно нужно следить за количеством углекислого газа, так как рыбы сбиваются в стаи и поэтому часто наблюдается недостаток кислорода. Известны случаи, когда содержание углекислого газа в воде зимовальных прудов достигало 128 мг/л.

Можно сделать вывод, что избыток диоксида углерода означает ухудшение питания рыб, в последствии чего понижается их упитанность и устойчивость к неблагоприятным условиям среды и к возбудителям заразных болезней.

Следовательно, контроль за содержанием свободной углекислоты и устранение ее отрицательного действия являются важным звеном в общем комплексе мер по созданию оптимальных зоогигиенических условий в рыбоводных прудах [8].

Глава 2. Характеристика объекта и методики исследования

2.1. Характеристика реки Тобол

Тобо́л — река в Казахстане и России, левый и самый многоводный приток Иртыша. Длина реки — 1591 км, площадь её водосборного бассейна — 426 000 км².

Тобол образуется при слиянии реки Бозбие с рекой Кокпектысай на границе восточных отрогов Южного Урала и Тургайской столовой страны. Среднее и нижнее течение реки — в пределах Западно-Сибирской равнины в широкой долине с извилистым руслом. В бассейне Тобола — около 20 тысяч озёр общей площадью 9000 км². Правый берег возвышается над левым так как Тобол протекает над глубинным разломом земной коры и разграничивает Курганский синклинорий и Тоболо-убаганское поднятие.

Питание в основном снеговое, вниз по течению возрастает доля дождевого. Половодье с 1-й половины апреля до середины июня в верховьях и до начала августа в низовьях. Среднегодовой расход воды — в верхнем течении (898 км от устья) 26,2 м³/с, в устье 805 м³/с (максимальный соответственно 348 м³/с и 6350 м³/с). Средняя мутность 260 г/м³, годовой сток наносов 1600 тысяч тонн. Замерзает в низовьях в конце октября — ноябре, в верховьях в ноябре, вскрывается во 2-й половине апреля — 1-й половине мая.

Наиболее крупные притоки реки: слева — Уй, Исеть, Тура, Тавда; справа — Убаган [9].

Вода реки Тобол в створе с. Звериноголовское обладает высокой комплексностью загрязненности 40,0%. Отмечены превышения ПДК по содержанию среднегодовых концентраций: меди - 7,5 ПДК, марганца - 17,6 ПДК, цинка - 1,1 ПДК, железа общего - 2,2 ПДК, трудноокисляемых органических веществ (по ХПК) - 1,3 ПДК, сульфатов - 2,2 ПДК, фенолов - 2,2 ПДК.

В створе д. Арбинка, расположенном на реке Тобол в 1,5 км выше плотины Курганского водохранилища, характерными загрязняющими веществами являются: медь - 2,8 ПДК, марганец - 23,9 ПДК, цинк - 2,1 ПДК, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5) - 1,7 ПДК, ХПК - 2,5 ПДК, сульфаты - 2,5 ПДК, фосфор фосфатов - 2,4 ПДК, магний - 2,1 ПДК, нефтепродукты - 1,5 ПДК. Коэффициент комплексности загрязненности воды составил 54,7%.

В створе п. Смолино (в черте г. Кургана) вода р. Тобол загрязнена медью - 5,8 ПДК, марганцем - 35,1 ПДК, цинком - 1,3 ПДК, железом общим - 1,1 ПДК, БПК5 - 1,4 ПДК, ХПК - 2,1 ПДК, сульфатами - 2,3 ПДК, фосфором фосфатов - 2,8 ПДК, магнием - 1,7 ПДК, фенолами - 2,3 ПДК, нефтепродуктами - 1,2 ПДК, никелем - 1,0 ПДК. Отмечена высокая комплексность загрязнённости - 52,9%.

В створе с. Костоусово, в 16 км ниже г. Кургана вода реки Тобол обладает высокой комплексностью загрязненности - 59,9%. Характерными загрязняющими веществами являются: медь - 6,7 ПДК, марганец - 21,5 ПДК, цинк - 2,0 ПДК, БПК5 - 1,5 ПДК, ХПК - 2,2 ПДК, азот нитритов - 1,6 ПДК, сульфаты - 2,6 ПДК, фосфор фосфатов - 1,9 ПДК, магний - 2,0 ПДК, фенолы - 2,3 ПДК, нефтепродукты - 2,2 ПДК, азот аммония и общее содержание ионов - на уровне ПДК.

Ниже по течению реки Тобол в створе с. Белозерское отмечены превышения ПДК по содержанию среднегодовых концентраций: меди - 5,8 ПДК, марганца - 30,4 ПДК, цинка - 2,3 ПДК, БПК5 - 1,4 ПДК, ХПК - 1,5 ПДК, азота аммония - 1,0 ПДК, азота нитритов - 1,6 ПДК, сульфатов - 2,6 ПДК, фосфора фосфатов - 1,9 ПДК, магния - 2,4 ПДК, фенолов - 2,0 ПДК, нефтепродуктов - 1,0 ПДК, сухого остатка - 1,2 ПДК. Коэффициент комплексности загрязненности воды в створе р. Тобол с. Белозерское составил 57,4%.

На протяжении реки Тобол в створах в пределах Курганской области вода по значению УКИЗВ (величина индекса загрязненности воды варьирует в диапазоне от 5,14 до 6,35 единиц) характеризуется как «грязная», что соответствует 4 классу качества воды, разряду Б, за исключением в створе с. Звериноголовское - 4 класса качества, разряда А. Особо выделяется своим загрязняющим эффектом марганец - критический показатель загрязнённости (КПЗ), который характерен для р. Тобол на всем ее протяжении[10].

2.2. Методика исследования

Изучение органолептических свойств воды[11]

Определение запаха воды

В колбу емкостью 150-200 мл наливают 100 мл анализируемой воды при комнатной температуре, накрывают часовым стеклом или притертой пробкой, встряхивают вращательным движением, открывают и определяют характер и интенсивность запаха. Потом колбу нагревают до 60°C и также оценивают запах.

По характеру запахи делятся на 2 группы:

Запахи естественного происхождения (от живущих в воде и отмерших организмов, от влияния почв и т. п.): ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, плесневый, рыбный, сероводородный, травянистый, неопределенный.

Запахи искусственного происхождения (от промышленных выбросов и т. п.) называются по соответствующим веществам: хлорфенольный, бензиновый, хлорный и т.п.

Определение цветности воды

При визуальном определении цветности воды в прозрачный цилиндр из бесцветного стекла с ровным дном наливают 100 мл исследуемой пробы, при необходимости профильтрованной, и, просматривая сверху на белом фоне, подбирают раствор шкалы с тождественной окраской.

Определение прозрачности воды

Воду хорошо перемешивают и наливают в высокий цилиндр с внутренним диаметром 2,5 мм и дном из плоско отшлифованного стекла. Цилиндр устанавливают над стандартным шрифтом на высоте 4 см. Просматривают шрифт сверху через столб воды и, сливая или доливая воду в цилиндр, находят высоту столба воды, позволяющую читать шрифт.

Определение содержания взвешенных веществ

Для анализа берут 500 мл воды. Фильтр перед работой взвешивают. Фильтруют. После фильтрования фильтр с осадком высушивают до постоянной массы при 105°C, охлаждают в эксикаторе, взвешивают.

Содержание взвешенных веществ (мг/л) определяют по формуле:

(m₂ – m₁) * 1000 / V,

где m₁ – масса фильтра с осадком взвешенных частиц, г;

m₂ – масса бумажного фильтра до опыта, г;

V – объем воды для анализа, л.

Определение сухого остатка

Чтобы получить осадок около 100 мг, берут 1 л анализируемой профильтрованной воды, помещают порцию воды в предварительно взвешенную фарфоровую чашку и выпаривают на электроплитке (не доводя до кипения), добавляя воду по мере испарения воды в сушильный шкаф, нагретый до 100 градусов по Цельсию, и высушивают до постоянной массы.

Величину сухого остатка (мг/л) вычисляют по формуле:

(m₁-m₂)*1000/V,

где m₁ – масса пустой чашки, г;

m₂ – масса чашки с сухим остатком, г;

V – объём воды, взятой для определения, л.

Методика изучения физико-химических свойств воды

Определение показателя рН потенциометрическим

методом

Потенциометрия – электрохимический метод анализа, заключающийся в измерении электродного потенциала и нахождении зависимости между его величиной и концентрацией потенциалоопределяющего компонента в растворе. Потенциал всякого электрода можно измерить только по отношению к какому-либо постоянному потенциалу другого электрода. При потенциометрическом определении pH используются приборы (рН-метры, ионометры), устройство которых позволяет непосредственно получать величины pH и рХ, где рХ - отрицательный десятичный логарифм активности (концентрации) анализируемого катиона или аниона. Для определения показателя рН был использован pН-метр PH-410. pH-метр PH-410 – это портативный pН-метр, милливольтметр и термометр в одном устройстве. Данный прибор предназначен для измерения уровня pН, ЭДС и температуры в различных растворах.

Определение общей жесткости воды

комплексонометрическим методом

Для определения общей жесткости воды берут пипеткой 10мл анализируемой воды, перемещают её в коническую колбу ёмкостью 250-300 мл, добавляют 5мл аммиачного буферного раствора и несколько кристаллов хромогена черного, встряхивают. Пробу титруют раствором трилона Б до изменения окраски до фиолетовой

Жесткость воды в моль/литр рассчитывается по формуле:

Ж=V₂*Cn*1000/V_1,

где V₁ – объём пробы воды взятой для анализа;

C_{n –} нормальность раствора трилона Б;

V₂ – объём израсходованную на титрование раствора трилона Б.

Определение содержания О₂ и NaCl кондуктометрическим

методом

Прямая кондуктометрия – метод, позволяющий определять концентрацию электролита путем измерения электропроводности раствора.

В прямой кондуктометрии непосредственно определяют концентрацию электролита по х его раствора. На методе прямой кондуктометрия основаны конструкции солемеров и др. кондуктометрических устройств, позволяющих определять олеум, а также различные соли в минеральной, речной и морской водах, физиологических жидкостях и др. Прямую кондуктометрию применяют при контроле регенерации ионитов, очистки воды, промывки осадков, при оценке качества вин, соков и других напитков, чистоты органических растворителей, газов, твердых солей, текстильных материалов, бумаги, зерна, почвы и т.д.

Определение оксида углерода

К коническую колбу объемом 100 мл помещают 50 мл анализируемой воды, отфильтрованной от примесей. В пробу добавляют 1 мл фенолфталеина, титруют 0,01 Н раствором NaOH. Процесс продолжается до появления устойчивой слабо розовой окраски, которая не исчезает в течение 2 – 3 минут. Послу чего проводят расчет концентрации CO₂ (мг/л) по формуле:

[CO₂]= (44 *V₂*N*1000) / V₁,

где V₁ – объем пробы (мл);

V₂ – объем раствора NaOH, пошедший на титрование (мл);

44 – коэффициент эквивалентности CO₂ 1 ммоль раствора NaOH.

Определение гидрокарбонатов

В коническую колбу объёмом 100 мл добавляют 10 мл анализируемой воды, прибавляют несколько капель метилоранжа. Пробу титруют 0,1н раствором соляной кислоты, постепенно перемешивая до изменения окраски раствора в розовый цвет.

Концентрация гидрокарбонатов рассчитывается по формуле:

[HCO₃^-]=(V₂*N*1000) /V_1,

где V₁ – объём пробы воды взятой для анализа;

V₂ – объём раствора HCI пошедший на титрование;

N – нормальность раствора HCI.

Определение сульфат ионов

В химический стакан объемом 200 мл помещают 100 мл профильтрованной пробы, добавляют 3 – 4 капли метилоранжа и несколько капель концентрированной соляной кислоты HCl до появления устойчивого розового окрашивания. Смесь упаривают. При исчезновении розовой окраски снова добавляют соляную кислоту. После упаривания до 1/3 объема добавляют 5 – 10 мл 5% раствора BaCl₂. Образовавшийся осадок количественно переносим на фильтр, несколько раз промывая дистиллированной водой для полного переноса осадка BaSO₄ на фильтр, воду добавляют в сосуд, где происходит осаждение, а затем выливаем на фильтр. После высушивания фильтра с осадком, его помещают в прокаленные до постоянной массы тигли. Высушивают фильтр первоначально на слабом огне до обугливания не допуская горения, а затем в муфельной печи. Затем прокаливают высушенный остаток добела при температуре 700 – 750°C. Тигель полностью охлаждают в эксикаторе, а затем проводят взвешивание. Содержание сульфатов (мг/л) определяют по формуле:

[SO₄^2-]= (m₂ – m₁) * 0,4115 * 1000 / V,

где m₁ – постоянный вес пустого тигля (мг);

m₂ – вес тигля с осадком (мг);

0,4115 – коэффициент пересчета на SO₄^2-;

1000 – пересчет объема на 1 л;

V – объем исследуемой пробы (мл).

Глава 3. Результаты исследования

Рис.1. Точки отбора проб воды

Отбор проб для анализа проводился на реке Тобол, весной. Точки отбора представлены на рисунке 1.

3.1. Результаты изучения органолептических свойств воды

В анализируемых пробах воды были определены органолептические свойства. Запах в пробах №1, 2, 3, 4, 5 при комнатной температуре отсутствует, но при нагревании появляется запах неопределенного характера. В пробе №6 при комнатной температуре присутствует запах неопределенного характера, при нагревании он усиливается. Через 14 дней во всех пробах появился запах сероводорода из-за разложения органики. Цветность во всех пробах составляет 5 градусов.

Рис.2. Результаты измерения прозрачности

В анализируемых пробах №1,2,3,4,5 по оценке прозрачности вода очень мутная, в точке №6 вода мутная. Это обуславливается большим содержанием взвешенных веществ и коллоидных примесей. Ослабление интенсивности света с глубиной в мутной воде приводит к большему поглощению солнечной энергии вблизи поверхности. Появление более теплой воды у поверхности уменьшает перенос кислорода из воздуха в воду, снижает плотность воды, стабилизирует стратификацию. Уменьшение потока света также снижает эффективность фотосинтеза и биологическую продуктивность водоема.

Рис.4. Результаты измерения взвешенных веществ

В точках № 3,4,5 взвешенных веществ меньше, чем в точках № 1, 2, 6. Весной взвешенных веществ больше чем летом и зимой из – за половодья.

3.2. Динамика физико-химических свойств воды

Рис.3. Результаты измерения показателя pH

В точках №1 и № 5 вода имеет нейтральную реакцию, в точках №2, 3, 4 слабощелочная реакция, а в точке №6 – щелочная. Вода может использоваться в хозяйственно – питьевых и культурно – бытовых целях.

Рис.5. Результаты измерения минерализации

Вода в реке Тобол пресная. В точках № 1, 2, 3, 4 показатель минерализации повышен, но допустим. В точках № 6 минерализация удовлетворительна, а в точке №5 — оптимальна.

Рис.4. Результаты измерения сульфатов

Количество сульфатов в точках №1, 2, 5 не превышают ПДК (500 мг/л). В точках № 3 и №4 количество сульфатов превышает ПДК незначительно. В точке № 6 сульфатов очень много. Повышенное содержание сульфатов может быть последствием сбросов предприятий и сточных вод в реку. Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства воды и оказывают физиологическое воздействие на организм человека.

Рис. 6. Результаты измерения гидрокарбонатов

Гидрокарбонаты не характеризуют токсичность, не оказывают негативного влияния на организм и не искажают органолептические показатели воды. Допустимо содержание гидрокарбонатов до 1000 мг/л. Большее содержание не представляет существенной проблемы, поскольку при кипячении гидрокарбонаты разлагаются до углекислого газа и воды. Различия содержания гидрокарбонатов в анализируемой воде незначительны.

Рис.8. Результаты измерения хлорида натрия

Концентрация хлорида натрия выше 250 мг/дм³ придает воде соленый вкус. В пробах № 1,2,3,4,5 концентрация NaCl выше 250 мг/л, следовательно, вода имеет соленый вкус. В пробе №6 содержание соли достигает 700 мг/л и имеет неприятный вкус.

Рис.7. Результаты измерения жесткости воды

По лабораторным опытам было выявлено что, в точке №1 вода мягкая, в точках № 3, 4, 5, 6 вода умеренно жесткая, а в точке №2 – жесткая.

3.3. Изучение газового состава воды

Рис.5. Результаты измерения кислорода

Содержание кислорода в воде на разных участках реки Тобол изменяется незначительно. Кислород находится в воде в виде растворенных молекул. Кислород поступает в воду в результате происходящих в природе процессов фотосинтеза и из атмосферы. Расходуется кислород на окисление органических веществ, а также в процессе дыхания организмов. По содержанию кислорода река Тобол принадлежит к категории загрязненных рек.

Содержание углекислого газа во всех пробах одинаково 4,4 мг/л. Такое содержание углекислого газа приемлемо для водоема,оно не влияет на рост рыб и их усвояемость питательных веществ.

Главным источником поступления оксида углерода в природные воды являются процессы биохимического распада органических остатков, окисления органических веществ, дыхания водных организмов.

Одновременно с процессами поступления значительная часть диоксида углерода потребляется при фотосинтезе, а также расходуется на растворение карбонатов и химическое выветривание алюмосиликатов.

Уменьшение диоксида углерода в воде происходит также в результате его выделения в атмосферу.

3.4. Состав гидробиоты

Рис.9. Результаты измерения колоний бактерий

Подсчитав количество колоний гетеротрофных бактерий, можно сделать вывод, что река Тобол имеет грязный класс качества воды по бактериальным показателям.

Рис. 10. Результаты измерения колоний грибов

Подсчитав количество колоний грибов, можно сделать вывод, что в точках №1 и №6 удовлетворительно чистый класс качества воды по бактериальному показателю, в точке №3 загрязненный класс качества воды, в точках №2,4,5 класс качества воды – грязный.

Таблица 2

Результаты биоиндикации

№ точки	Микроорганизмы
Точка №1	Диатомовые водоросли 4 шт, осциллятории 6 шт.
Точка №2	Диатомовые водоросли 6 шт, инфузории 2 шт.
Точка №3	Диатомовые водоросли 2 шт.
Точка №4	Диатомовые водоросли 3 шт.
Точка №5	Инфузории: 3 шт. крупные и 20 шт. мелкие, 10 шт. еще меньше, плоский червь 1 шт.
Точка №6	Циста

Заключение

Таким образом, в работе было выявлено влияние газов CO₂ и О₂ гидросферы на биоту.

Были решены поставленные задачи:

Выявлено влияние газов CO₂ и O₂ в воде на биоту.

Проведено теоретическое обоснование влияния газов CO₂ и O₂ на биоту.

Подобраны методы лабораторного исследования, такие как определение содержания кислорода в воде, определение содержания оксида углерода, гидрокарбонатов и т.д.

Проведены подобранные методы лабораторных исследований.

Содержание растворённого кислорода в воде характеризует кислородный режим водоёма или водотока и имеет важнейшее значение для оценки его экологического и санитарного состояния. Кислородный режим водоемов существенно влияет на рыб и косвенно на характер возникновения и течения заразных болезней. Минимальное содержание растворённого кислорода, обеспечивающее нормальное развитие рыб, составляет около 5 мг/дм³. Понижение его до 2 мг/дм³ вызывает массовую гибель (замор) рыбы.

Содержание кислорода также оказывает влияние и на других гидробионтов: при оптимальном содержание кислорода они нормально развиваются, а при недостатке – их развитие задерживается и возможна гибель организмов.

Для жизни рыб большое значение имеет количество в воде свободной углекислоты. Увеличение ее отрицательно действует на рыб даже при достаточном содержании кислорода. Допустимые концентрации свободной углекислоты в воде рыбоводных прудов лежат в пределах 10-40 мг/л.

Направленным изменением газового режима в водоеме возможно создавать благоприятные условия для организмов, стимулировать их рост, профилактировать возникновение заразных болезней.

Теоретическая значимость исследования заключается в проведении теоретического обоснования влияния газов CO₂ и O₂ на гидробиоту.

Практическая значимость заключается в подборке и апробации методов лабораторного исследования, проведение лабораторного исследования газового состава водной среды.

Список литературы

Степановских А.С. Экология. Учебник для вузов, 2010. - С.109.

Химический состав океанических, речных и озерных вод /URL: http://3ys.ru/geokhimicheskoe-pole-biosfery-zemli/khimicheskij-sostav-okeanicheskikh-rechnykh-i-ozernykh-vod.html (дата обращения 19.05.2017)

Дыхание у растений и животных /URL: http:// scienceland.info/biology6/respiration-animal-plant (дата обращения 22.05.2017)

Общая гидробиология: учебно–методическое пособие / З.Г.

Гольд, В.М. Гольд. – 2-е изд., перераб. – Красноярск: Сиб. федерал. ун-т, 2013(дата обращения 23.05.2017)

Влияние различных условий на возникновение болезней у рыб /URL: http://www.zooclub.ru/aqua/sprav/1-3.shtml (дата обращения 22.05.2017)

Газовый режим /URL:http://studbooks.net/860947/ekologiya/gazovyy _ rezhim (дата обращения 22.05.2017)

Общая гидробиология: учебно–методическое пособие / З.Г.

Гольд, В.М. Гольд. – 2-е изд., перераб. – Красноярск: Сиб. федерал. ун-т, 2013 (дата обращения 23.05.2017)

Влияние различных условий на возникновение болезней у рыб

/URL: https://zooclub.ru/aqua/sprav/1-4.shtml (дата обращения 22.05.2017)

Тобол /URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%BE %D0%B1%D0%BE%D0%BB (дата обращения 22.05.2017)

Природные ресурсы и охрана окружающей среды Курганской области в 2016 году. Доклад. – Курган, 2017 (дата обращения 21.05.2017)

Методы экологического мониторинга качества сред жизни и оценки их экологической безопасности: учебное пособие / О.И. Бухтояров, Н.П. Несговорова, В.Г. Савельев, Г.В. Иванцова, Е.П. Богданова. – Курган: Изд-во Курганский гос. ун-та,2015 (дата обращения 20.05.2017)

Степень насыщения кислородом – физико-химический показатель воды /URL: https://voda70.ru/articles/15 (дата обращения 20.05.2017)

Растворённый кислород /URL: http://water-rf.ru/%D0%93%D0%BB %D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9/1336/%D0%A0%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D1%91%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4 (дата обращения 22.05.2017)

Основные показатели качества воды /URL: http://vodeco.ru/general-water/osnovnie-pokazateli.html (дата обращения 22.05.2017)

Оценка качества воды для питьевых, технических и ирригационных целей /URL: http://abratsev.ru/hydrosphere/quality.html (дата обращения 21.05.2017)

Показатели качества воды /URL: http://www.analizvod.ru/pokazateli_voda/sulfaty.html (дата обращения 23.05.2017)

Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. Пособие для студ. высш. учеб. Заведений. – М.: Гуманит. изд. Цент ВЛАДОС, 2001. (дата обращения 23.05.2017)

Научная статья: Воздействие фитопланктона на кислородный режим рыбохозяйственного водоема в условиях низких температур https://cyberleninka.ru/article/n/vozdeystvie-fitoplanktona-na-kislorodnyy-rezhim-rybohozyaystvennogo-vodoema-v-usloviyah-nizkih-temperatur (дата обращения 25.05.2017)

Код для цитирования: Скопировать