Проект «Геоэкологический мониторинг и экологически безопасное природопользование»

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Факультет географии и геоэкологии

«Инновационная образовательная среда в классическом университете»

Проект «Геоэкологический мониторинг и экологически безопасное природопользование»

Крылова Ю.В., Курашов Е.А.

Методические указания к проведению летней учебной полевой практики по исследованию внутренних водоемов северо-западного региона России.

УДК 502

Рецензент: проф., докт. геогр. наук Д.А.Субетто (Российский госуд. педаг. ун-т им А.И.Герцена)

 

Работа выполнена в рамках национального проекта «Образование» при финансовой поддержке программы «Инновационная образовательная среда в классическом университете»

 

 

Крылова Ю.В., Курашов Е.А.

Методические указания к проведению летней учебной полевой практики по исследованию внутренних водоемов северо-западного региона России: Метод. пособие.- СПб, 2007. - 81 с.

ISBN

 

Пособие представляет собой курс по проведению полевой практики студентов на внутренних водоемах. Результаты полевых исследований позволяют понять роль основных ландшафтных, геохимических, гидрохимических, гидробиологических факторов в формировании облика современных водных экосистем северо-западного региона России. В связи с этим в процессе обучения осуществляется знакомство с физико-географическими особенностями изучаемых объектов и различными методами для оценки экологического состояния водоемов, необходимыми при мониторинговых исследованиях.

Пособие предназначено для студентов и магистрантов естественных факультетов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 020800 «Экология и природопользование».

Рекомендовано к изданию Ученым советом факультета географии и геоэкологии СПбГУ.

 

© Ю.В. Крылова, Е.А. Курашов, 2007

© Факультет географии и геоэкологии

Санкт-Петербургского государственного университета, 2007

 

ISBN

 

Содержание

Введение
1. Изучаемые объекты и методы определения состояния водоемов
1.1. Изучаемые объекты и их физико-географические и гидрологические характеристики
1.2. Необходимость комплексных исследований пресноводных водоемов.
2. Стандартные способы и приборы для отбора проб воды для определения химических компонентов
3. Необходимые вспомогательные показатели и методы их определения.
3.1. Температура – фактор, влияющий на процессы в водоеме. Способы измерения температуры.
3.2. Термический режим озер и его связь с распределением веществ.
3.3. Прозрачность воды и ее значение для протекания биологических процессов
4. Методы с использованием гидрохимических анализов.
4.1.Растворенный кислород как фактор экологического состояния водоема.
4.1.1. Методика определения содержания растворенного кислорода методом титрования (по Винклеру)
4.2. Натурные наблюдения за изменением концентрации кислорода в течение дня..
4.3 Использование метода Винклера при определении первичной продукции (по Винбергу).
4.3.1. Изучение динамики изменения продукции в течение 6-8 часов на оптимальной глубине.
4.3.2. Определение суммарного содержания лабильных органических веществ.
4.4. Понятие окисляемости. Метод перманганатной окисляемости
4.4.1. Перманганатная окисляемость (метод Кубеля)
4.4.2.Динамика величины перманганатной окисляемости в течение светового дня.
5. Применение инструментальных методов для определения ряда гидрохимических показателей.
5.1. Фотоэлектроколориметрические методы.
5.1.1. Фосфор – лимитирующий фактор фотосинтетической активности. Фосфорная нагрузка и эвтрофирование.
5.1.1.1.Определение фосфатов с молибдатом аммония
5.1.2. Кремний
5.1.2.1 Определение кремния с молибдатом аммония
5.1.3. Нитраты
5.1.3.1. Определение нитратов с салицилатом натрия
5.1.4. Аммиак и ионы аммония
5.1.4.1.Определение с реактивом Несслера
5.1.5. Железо
5.1.5.1.Определение с роданидом
5.2. Ионометрический метод
5.2.1. Водородный показатель(рН)
5.2.2. Изучение динамики рН и других параметров в течение дня на озере.
5.2.3. Изучение закономерности изменения рН и других параметров от глубины
6. Метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии (ААС)
6.1. Расчет содержания железа в водном гуминовом веществе.
7. Хроматографические методы определения органических веществ
7.1. Определение органических веществ в сложных природных смесях
7.2. Изучение динамики изменения содержания низкомолекулярных веществ в течение 8-ми часов
8. Биоиндикация в рамках полевой практики.
8.1. Использование индекса Вудивисса для оценки экологического состояния водных объектов.
8.1.2. Методика отбора и обработки проб бентоса
8.1.3. Оценка качества воды по индексу Вудивисса (TBI)
9. Заключение
Рекомендованная литература.
Приложение 1. Краткий определитель донных беспозвоночных, обитающих в водотоках.

Введение

 

Работа выполнена при поддержке Национальной программы «Инновационная образовательная среда в классическом университете» в рамках проекта «Геоэкологический мониторинг и экологически безопасное природопользование».

Руководство разработано для студентов-географов, получающих специальности по направлению «Экология» и является апробированным курсом обучения методам полевых исследований на острове Валаам (республика Карелия) и района поселка Кузнечное (Ленинградская область). Основной целью курса является ознакомление с процессами, которые протекают в пресноводных водоемах, по результатам их сравнительного анализа с использованием определенных показателей и освоение гидрохимических и гидробиологических методов для оценки экологического состояния водоемов. В задачи практики входит сбор материала и его обработка в условиях экспедиции и дообработка в университетских лабораториях с применением различных аналитических подходов.

1. Изучаемые объекты и методы определения состояния водоемов

Изучаемые объекты и их физико-географические и гидрологические характеристики

Перед началом проведения полевой практики студентам необходимо проработать карту-схему изучаемого района с выделением исследуемых объектов. Следует (по возможности, если имеются литературные материалы) получить и изучить климатическую характеристику района, а также морфометрию и гидрологические параметры водоемов. Необходимо уделить внимание таким основным морфометрическим показателям изучаемого водоема как площадь, объем, средняя глубина и наибольшая глубина.

Если в районе изучаемых объектов существуют источники антропогенной нагрузки, то необходимо указать эти источники поступления загрязняющих веществ в изучаемые водоемы с целью последующей грамотной интерпретации полученных результатов.

В том случае, если объекты удалены от всевозможных антропогенных источников и, невозможно выявить явное антропогенное воздействие, то при написании отчета следует стараться избегать таких слов как «загрязнитель», «загрязнение» и т.д., и связывать полученные результаты, в основном, с особенностями протекания природных процессов.

Методы с использованием гидрохимических анализов.

В этом разделе приведены методики, которые будут использованы студентами в качестве инструмента для получения ряда показателей необходимых для правильной интерпретации протекающих в водоеме биотических процессов. При изучении динамики первичной продукции, кислорода и перманганатной окисляемости (показатель суммарного содержания органических веществ) в течение дня с измерением основных физических параметров и слежением за погодными характеристиками студенты должны сделать выводы о взаимосвязи изучаемых показателей. Поскольку целью данного пособия является знакомство студентов с процессами, протекающими в водоемах, то подробности химизма в методиках опущены (не приведены химические реакции взаимодействия соединений).

Натурные наблюдения за изменением концентрации кислорода в течение дня.

Ход эксперимента

Студенты изучает кислородную динамику в течение светового дня на разных глубинах (в зависимости от величины прозрачности). Для этого пробы воды как минимум отбираются (как описано в п.4.1.1.) в поверхностном горизонте (примерно 30 см от поверхности воды), на глубине одной прозрачности, на глубине двух прозрачностей, в придонном горизонте. Для более точных оценок пробы можно отбирать более дробно, например, учитывая слой металимниона. После получения результатов строятся графики зависимости концентрации кислорода от времени и температуры на разных глубинах. Измерение температуры осуществляется с помощью опрокидывающихся термометров, прозрачность – по диску Секки. Концентрацию кислорода определяют методом Винклера (см. п.4.1.1., ход определения).

 

4.3 Использование метода Винклера при определении первичной продукции (по Винбергу).

Основными компонентами водных экосистем, способными самостоятельно создавать (продуцировать) органическое вещество являются автотрофные организмы (водоросли, высшая водная растительность) и хемосинтетики (бактерии). Однако именно органическое вещество растительного происхождения является исходной энергетической основой для всех последующих этапов продукционного процесса. В основе образования первичного органического вещества находится, как известно, балансовое равновесие фотосинтеза. Поскольку первичная продукция является основой энергетических потоков в системе, в этом разделе подробно повествуется об образовании органического вещества и об уровнях трофии.

Органические вещества, которые образуются в водных экосистемах в результате фотосинтеза растений или бактериального хемосинтеза называют первичной продукцией.

Первичная продукция - скорость новообразования органического вещества за счет автотрофов. По ориентировочным расчетам первичная продукция в озерах варьирует от 4 млн. до 2.1х10⁷ т С в год или 8.4х10⁶ - 4.4х10⁷ т органического вещества, где «С»- углерод. Концентрация углекислоты в воде, используемая фитопланктоном, в 10 раз больше содержания ее в атмосферном воздухе.

Создавать органическое вещество своего тела могут и микроорганизмы - хемосинтетики, но на основе использования энергии различных химических реакций. Хемосинтетики - это хемосинтезирующие бактерии или хемотрофы. Углерод они, как и в случае с фотосинтезом получают за счет углекислого газа, но используют в качестве энергии энергию окисления неорганических веществ и ферментов. Хемосинтезирующие бактерии - серобактерии, водородные, железобактерии, нитрифицирующие, марганцевые. Хемосинтезирующие бактерии встречаются во всех водоемах. Они обитают в толще воды, на поверхности и в глубине грунта. В наибольшей степени они концентрируются там, где анаэробные условия сменяются аэробными, т.к. для своей жизнедеятельности нуждаются в кислороде и восстановленных соединениях, которые, в частности, образуются в результате анаэробного распада органических веществ.

Основная часть первичного органического вещества в гидросфере создается в результате фотосинтеза планктонных водорослей. Причем органические соединения могут быть частью самих клеток, а могут выделяться во внешнюю среду, таким образом, внося свой вклад в среду обитания организмов, населяющих экосистему. Органические вещества, синтезируемые во внешнюю среду, называют внеклеточной продукцией организмов, которые их производят. При этом фотосинтезирующие формы производят наибольшее количество специфических соединений в период максимальной амплитуды фотосинтеза. Покажем на примере фотосинтеза основную схему образования интересующих нас веществ.

Схема 1

свет

CO₂ + H₂O → органическое вещество (внутри клеток и внеклеточная продукция) +O₂ + H₂O

Количество органического вещества, продуцируемого в единицу времени, называется продуктивностью.

Сравнивая результаты жизнедеятельности водного сообщества на свету и в темноте, можно рассчитать значение первичной продукции в единицу времени (сутки, часы).

Суточная продукция является величиной, с помощью которой можно рассчитать годовую продукцию, а по величине годовой продукции определить трофический тип водоема. Это возможно, поскольку первичная продукция служит мерой интенсивности процесса новообразования органического вещества (основы трофической пирамиды).

Таблица 2. Форма представления результатов измерений продукции.

Гори-зонт (h, м)	Т^оС 1-й день	Т^оС 2-й день	[O2] мг/л контр., 1-й день	[O2] мг/л контр., 2-й день	[O2] мг/л свет.	[O2] мг/л темн	A   мг/л	R   мг/л	P   мг/л
0,3
Глуби- на одной прозрач- ности
Глуби- на 2-х прозрач-ностей

 

По самой большой величине эффективной продукции делают вывод об оптимальной глубине зоны фотосинтеза. На основании этого на следующий день ставятся эксперименты, описанные в п.4.3.1.

Далее необходимо построить графикизависимости валовой продукции, скорости деструкции и эффективной деструкции от глубины и температуры,

Проанализировав зависимости, делаются вывода о протекающих в различных водоемах продукционно-деструкционных процессах.

Ход эксперимента

Вода отбирается из водоема батометром или ведром и переливается с помощью резинового шланга в 2-х литровую бутыль и в кислородную склянку. В кислородной склянке кислород фиксируется сразу, а бутыль помещают в темное место на время экспозиции. После окончания экспозиции из бутыли отбирают воду в кислородную склянку, фиксируют кислород с целью сравнения результатов до и после экспозиции.

Экспозиция проб воды в темноте осуществляется в течение нескольких суток. По изменению концентрации кислорода за время экспозиции пробы воды можно судить о количестве присутствующих лабильных органических веществ. Для этого полученные результаты в единицах мг О₂/л следует пересчитать на углерод.

Эксперименты, связанные с пунктами 4.1-4.3 демонстрируют возможности применения метода Винклера для решения разных задач.

Схема 2

АTФ + H₂O = AДФ + H₃PO₄

Энергия в клетках запасена в форме высокоэнергетических соединений, как правило в форме АТФ (аденозинтрифосфата). Обе эти молекулы (АТФ и АДФ (аденозиндифосфат)) находятся в спорах водорослей. Как только становится возможным фотосинтез, клетки начинают делиться и тем самым создается органическое вещество в водоеме в виде первичной продукции. В это самое время становится необходимым фосфатный ион для его синтеза в АТФ. Поэтому концентрация фосфатов в воде водоемов может быть минимальной в вегетационный период. Также, концентрация минерального фосфора может быть очень низкой в водоеме в период максимальной фотосинтетической активности в определенное время суток, когда практически весь минеральный фосфор синтезируется в органический. Такое превращение происходит в клетках фотосинтезирующих организмов- фитопланктоне, фитообрастаниях, высшей водной растительности. Для получения наглядного представления о таких процессах будет изучена зависимость концентрации минерального фосфора от времени светового дня на одном из озер.

Эвтрофирование многих водоемов обусловлено увеличением фосфорной нагрузки. Это хорошо видно из схем 1и 2. Чем больше фосфора, тем больше органического вещества может образоваться и тем выше может быть трофический статус водоема. Такая картина наблюдалась на Ладожском озере в 1980гг., когда фосфорная нагрузка от аллюминево-магниевого комбината способствовала переходу озера от олиготрофного состояния к мезотрофному. Таким образом, можно определить трофический уровень водоема, зная величину поступления в него фосфора (фосфорную нагрузку).

Для большинства малопродуктивных водоемов именно фосфор считается лимитирующим биогенным элементом. Естественное закисление озер происходит от нехватки в системе минерального фосфора. Примером таких водоемов могут служить озера, находящиеся на территории верхового болота. На практике они используются как модель для объяснения студентам зависимости рН от концентрации растворенного СО_2, не превращающегося в органическое вещество, как показано в схеме 1. Закономерности изменения рН в изучаемых озерах и метод его определения приведены в п.

Таблица 4. Калибровка фотоэлектроколориметра по растворам заданной концентрации

№ раствора в мерной колбе	Количество рабочего стандартного раствора, мл	Количество РО4 ^3-, мг	D(оптическая плотность)
	0,5	0,0005
		0,001
		0,002
		0,005
		0,001

 

Кремний

Предельно допустимая концентрация кремния в воде водоемов 10 мг/л, лимитирующий показатель вредности санитарно-токсикологический.

Кремний также как и фосфор является макроэлементом для поверхностных вод Северо-Запада. Он очень важен для построения диатомовых водорослей, представляющих собой одну из основных высоко продуктивных групп водорослей изучаемых объектов. Кремний потребляется диатомовыми водорослями, и активность потребления связана с фазами фотосинтеза. Следовательно, его динамика будет сильно зависеть от фотосинтетической активности.

 

5.1.2.1 Определение кремния с молибдатом аммония

Принцип метода. Метод основан на способности соединений кремния образовывать с молибдатами в кислой среде гетерополикислоту — комплексное соединение желтого цвета а. Интенсивность желтой окраски пропорциональна содержанию кремния.

Предел обнаружения по желтому комплексу кремнемолибденовой кислоты 0,2 мг/л. Диапазон измеряемых концентраций без разбавления пробы 0,2—20 мг/л, относительное стандартное отклонение до 2 %.

Проведению анализа кремния мешают железо(II), фосфаты. Мешающее влияние фосфатов устраняют, добавляя 5 мл 10 % щавелевой кислоты, железа (II)—персульфатом аммония. Влияние цветности и мутности учитывают, измеряя оптическую плотность исследуемой воды без добавления реактивов. Полученное значение оптической плотности вычитают из оптической плотности пробы, проведенной через весь анализ.

Реактивы.

1. Хлористоводородная кислота (HCl) пл. 1,12 г/см³.

2. (NH₄)₆Mo₇O₂₄*4H₂O., 5 % раствор.

3.Щавелевая кислота, 10% раствор.

4.Стандартные растворы кремния. Концентрация основного (можно хранить 1 год в полиэтиленовой посуде) в 1 мл 0,1 мг кремния. Рабочий раствор применяют свежеприготовленным путем разбавления основного в 10 раз. В 1 мл содержится 0, 01 мг кремния.

Ход определения.

В мерную колбу вместимостью 50 мл помещают 25 мл исследуемой воды (или меньший объем, разбавленный до 25 мл дистиллированной водой), прибавляют 1 мл хлористоводородной кислоты пл. 1,12 г/см³, 2,5 мл 5 % молибдата аммония и через 10 мин 2,5 мл 10 % винной или щавелевой кислоты. Перемешивают и через 15 мин фотоколориметрируют при фиолетовом светофильтре (410 нм) в кюветах с толщиной оптического слоя 5 см по отношению к дистиллированной воде, в которую одновременно добавлены те же реактивы. Окраска устойчива 20—30 мин.

При анализе окрашенных и слабомутных вод оптическую плотность исследуемой воды измеряют без добавления реактивов по отношению к дистиллированной воде и вычитают ее из оптической плотности пробы.

Содержание кремния (мг) находят по калибровочному графику сравнивая интенсивность окраски пробы и шкалы стандартных растворов.

Количества рабочего стандартного раствора, мл:

Готовят 2 шкалы стандартных растворов.

1. Для содержания кремния до 0,05 мг в пробе в ряд мерных колб вместимостью 25 мл вносят 0—0,5—1—2—3—4—5 мл рабочего стандартного раствора, что соответствует содержанию кремния 0—0,005—0,01—0,02—0,03—0,04—0,05 мг. Доводят объем до метки дистиллированной водой и переносят в колбы вместимостью 50 мл.

2. Для содержания кремния от 2 до 20 мг/л при определении по желтому комплексу. В ряд мерных колб вместимостью 25 мл вносят 0—0,5—1—2,5—5 мл основного стан­дартного раствора, что соответствует содержанию кремния 0—0,05—0,1—0,25—0,5 мг. Доводят объем до 25 мл дистил­лированной водой и переносят в колбы вместимостью 50 мл.

Стандартные растворы обрабатывают, как пробу, фотометрируют и строят калибровочные графики в координатах оптическая плотность- содержание кремния (мг).

Концентрацию кремния (мг/л) рассчитывают по формуле:

X = (А _* 1000)/V,

где А — содержание кремния, найденное по калибровочному графику или визуально по шкале стандартных растворов, мг; V — объем пробы, взятой для анализа, мл.

Для выражения результата анализа в виде силикат-аниона SiO₃^2- (мг/л) полученную концентрацию кремния (мг/л) умножают на коэффициент 2,7.

 

Нитраты

Предельно допустимая концентрация нитратов в воде водоемов 45 мг/л (или 10 мг/л по азоту), лимитирующий показатель вредности санитарно-токсикологический.

 

Аммиак и ионы аммония

Основным источниками поступления ионов аммония в водные объекты (системы) являются животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с с/х угодий в случае использования аммонийных удобрений, а также сточные воды предприятий пищевой, коксохимической, лесохимической, химической и других отраслей промышленности. Предельно допустимая концентрация аммиака и ионов аммония в воде водоемов 2 мг/л по азоту (или 2,6 мг/л в виде иона NH⁴⁺), лимитирующий показатель вредности санитарно-токсикологический. Концентрация аммония в богатых органическим веществом водах увеличивается в связи с восстановительными процессами.

Железо

В изучаемых водах присутствует и широкий набор микроэлементов, и их состав конечно же зависит от геохимии ландшафта. Железо является одним из наиболее распространенных элементов геохимической среды на Северо-Западе России. В связи с этим две формы железа (2-х и 3-х валентное) подлежат определению непосредственно в полевых условиях. Общее железо (включая органические формы) может быть определено с помощью атомно-абсорбционной спектрофотометрии (см. п. 6).

Предельно допустимая концентрация общего железа в воде водоемов 0,3 мг/л, лимитирующий показатель вредности органолептический.

Определение с роданидом

Принцип метода. Метод основан на взаимодействии ионов трехвалентного железа с роданид-ионом в сильнокислой среде с образованием окрашенного в красный цвет комплексного соединения. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации железа. Определение проводят после предварительного окисления железа (II) персульфатом аммония в кислой среде. Метод позволяет обнаружить железо (Ш). В этом случае анализируют, не добавляя персульфата аммония, а интенсивность окраски измеряют немедленно, так как она быстро меняется. Таким образом, можно определить железо (II). По разнице между количеством железа, полученным при добавлении персульфата аммония и тем самым получения данных по содержанию общего минерального железа и количеством железа (II), можно вычислить содержание железа (III).

Предел обнаружения железа 0,05 мг/л. Диапазон измеряемых концентраций без разбавления пробы 0,05—2 мг/л общего железа.

Реактивы.

1. Роданид аммония (NH₄CNS) 50% раствор.

2.Персульфат аммония (NH₄)₂S₂O₈ кристаллический.

3. Хлористоводородная кислота пл. 1,19 г/см3.

4.Стандартные растворы железа.

Ход определения. Из тщательно перемешанной пробы отбирают 25 мл (или меньший объем, содержащий не более 0,1 мг железа), помещают в мерную колбу вместимостью 50 мл, Прибавляют 1 мл хлористоводородной кислоты пл. 1,12 г/см3, несколько кристалликов персульфата аммония, 1 мл 50% роданида аммония. Доводят объем до 50 мл дистиллированной водой. Через 10 мин фотоколориметрируют при сине-зеленом светофильтре (490 нм) в кюветах с толщиной оптического слоя 5 см по отношению к дистиллированной воде, обработанной, как проба.

Содержание общего железа (мкг) находят по калибровочному графику или визуально по интенсивности окраски пробы и шкалы стандартных растворов.

Калибровочный график. В ряд мерных колб вместимостью 50 мл вносят 0—0,5—1—3—5—10 мл рабочего стандартного раствора, что соответствует содержанию железа 0—2,5—5—15—25—50 мкг, доводят объем до 25—30 мл дистиллированной водой и проводят анализ, как исследуемой воды. Окраска устойчива в течение 2 ч.

Калибровочный график строят в координатах оптическая плотность — содержание железа (мкг).

Концентрацию железа (мг/л) рассчитывают по формуле:

X = A/V, где А — содержание железа, найденное по калибровочному графику, мкг; V —объем пробы, взятой для анализа, мл.

Рассчитав концентрацию Fe (II), можно внести поправочный коэффициент в величину окисляемости для получения более правильного значения концентрации органического вещества.

Ионометрический метод.

Водородный показатель(рН)

Водородный показатель в этом курсе используется с целью демонстрации студентами зависимости этого показателя от других изучаемых параметров среды. В частности, связь концентрации водородных ионов в водной среде с бикарбонатной системой, и как уже было упомянуто ранее с образованием органического вещества.

Покажем схему, по которой происходит естественное закисление озера. В таких случаях озеро может перейти в дистрофную стадию развития.

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃

Из реакции следует, что если СО₂ не будет расходоваться на образование органического вещества в процессе фотосинтеза, то количество угольной кислоты в водоеме будет расти и при ее диссоциации концентрация водородных ионов будет увеличиваться, и следовательно, уменьшаться рН среды. Основным фактором, влияющим на закисление озер, является нехватка в экосистеме фосфора.

Экспериментальные данные, полученные после обработки проб с озер, расположенных на территории верхового болота, демонстрируют процесс естественного закисления среды. От студентов требуется описание экотонов таких систем с целью выявления закономерностей.

В рамках данного курса применяется электрохимический способ определения водородного показателя с помощью рН-метра (модель Аквилон рН-410) и автоматического зонда YSI 6600-D.

Реактивы.

Все реактивы должны быть марки о.с.ч., гексан для хроматографии

1. Гексан (С₆Н₁₄)

2. Бура (Na₂B₄O₇*10 H₂O) (для подщелачивания анализируемой воды)

3. Фосфорнокислый калий однозамещенный (KH₂PO₄)

Ход определения. Студенты должны произвести экстракцию в гексан (универсальный органический растворитель) присутствующих в воде низкомолекулярных органических веществ и проанализировать экстракты в Лаборатории экспедиционных исследований на хромато-масс и -ИК-Фурье спектрометрах (далее будут называться хроматографами). Экстракция производится в делительной воронке из 500 мл фильтрованной воды в 5 мл гексана как при подщелачивании (рН=9,1), так и при подкислении (рН=3,5-4) пробы воды. Эти операции необходимы, чтобы максимально перевести из воды интересующие РОВ в экстрагент. Можно произвести экстракцию без подщелачивания и подкисления. Это зависит от поставленной преподавателем задачи.

Сначала в делительную воронку наливают 500 мл воды, отмеренную мерным стаканом, добавляют 7 глазных ложек буры затем 5мл гексана, отмеренного градуированной пробиркой и далее производят перемешивание в течение 3 минут. Подобную операцию делают также при добавлении фосфорнокислого калия с добавлением 3-х глазных ложек. Далее экстракт отделяют от воды с помощью крана делительной воронки, сливая воду. Экстракт с небольшим количеством воды переносят в пенициллиновую склянку и затем в пузырек на 50 мл, стараясь последние капли воды оставить в пенициллиновой склянке.

Переходящие из воды вещества в органический растворитель концентрируются в нем в зависимости от коэффициента распределения между водой и гексаном.

Экстракты (объем пробы 1-2,5 мкл) анализируют на хроматографах на колонке с универсальной фазой. Режим работы подбирает преподаватель. Студенты должны идентифицировать только известные вещества (имеющиеся в «библиотеке» данных), рассчитать их концентрацию, проверить сходимость по масс- и ИК-спектрам.

С хроматографическими методами студенты знакомятся при прочтении курсов лекций «Физико-химические методы контроля окружающей среды» и «Гибридные метода исследования окружающей среды». В этих курсах предусмотрены также практические занятия, на которых они учатся анализировать пробы на хроматографах, расшифровывать хроматограммы и анализировать полученные результаты.

Методы хромато-масс- и хромато –ИК-Фурье -спектрометрии позволяют идентифицировать вещества до формулы при сравнении с «библиотекой» данных.

Наряду с веществами природного происхождения в исследуемых водоемах могут присутствовать вещества антропогенного происхождения. Поскольку в ряде случаев вещества, синтезированные человеком могут совпадать по формуле с веществами, синтезированными биотой, то правильная интерпретация полученных результатов будет зависеть от многофакторного анализа организмов и среды изучаемой экосистемы.

Выбор точек отбора проб на содержание низкомолекулярных соединений с целью сравнения полученных результатов обусловлен не только различием изучаемых гидросистем, но и с пространственными неоднородностями водной поверхности в отдельном выбранном водоеме. При этом могут наблюдаться различия в составе фитопланктона и его метаболитов между зонами поверхностных неоднородностей воды в водоемах, выглядящих как участки с гладкой зеркальной водой и водой покрытой рябью. Концентрации метаболитов фитопланктона с поверхностно активными свойствами будут значительно выше на участке акватории с гладкой поверхностью воды, чем на участке с рябью. В таких случаях студенты по полученным хроматограммам увидят разницу в содержании низкомолекулярных веществ, входящих в состав внеклеточной продукции водорослей в местах, где наблюдается «рябь» или «гладь».

 

Ход работы.

Лучше данную работу осуществлять на небольшом внутреннем, мезо- или эвтрофном водоеме в солнечный день (перемешивание водной толщи должно быть незначительным, и водоем должен быть продуктивным). Отбор проб осуществляется с поверхности из одной и той же точки три раза – в утренние часы (9-10 ч), дневное время (14-15ч.) и в вечернее (19-20ч.). Время подбирается в зависимости от фаз фотосинтеза. Параллельно отбираются пробы на содержание растворенного кислорода и перманганатной окисляемости.

Производится анализ хроматограмм, отснятых с проб в разное время светового дня, выявляются закономерности динамики по концентрациям анализируемых веществ. Далее сопоставляются хроматографические результаты с параллельными данными по перманганатной окисляемости и кислороду в течение дня.

Заключение

Некоторые из представленных выше показателей (температура, рН, концентрация растворенного кислорода, концентрация нитратного и аммонийного азота) могут быть определены не стандартными гидрохимическими и гидрологическими методами изложенными выше, а при помощи автоматического многопараметрического зонда. В нашей практике мы используем зонд YSI 6600-D американского производства (рис.7). Кроме вышеперечисленных при помощи зонда могут быть определены следующие параметры: мутность, электропроводность, минерализация, окислительно-восстановительный потенциал, концентрация хлорофилла, численность сине-зеленых водорослей. Определение этих параметров непосредственно в водоеме в режиме реального времени помогает студентам получить более полное представление о характеристиках водной экосистемы и глубже понять протекающие в ней процессы. Однако, не следует думать, что использование автоматических зондов, подобных YSI 6600-D позволяет отказаться от стандартных гидрохимических и гидрологических методов, усвоить которые студенты должны в ходе проведения полевой практики. Эти методы совершенно необходимы, в частности, для калибровки датчиков зонда, интеркалибрации, а также для понимания сути протекающих в водной экосистеме химических и биологических процессов.

 

Рис. 7. Общий вид автоматического зонда YSI 6600 и его головная часть с датчиками.

 

В конце практики студенты в ходе подготовки отчета по практике для сравнительного анализа обследованных водоемов должны все результаты, полученные во время полевых исследований по гидрохимическим и гидробиологическим показателям, свести по каждому исследованному водоему в общую таблицу.

Кроме этого, должны быть построены графические зависимости определявшихся параметров от отдельных факторов (времени, температуры, глубины и т.д.). При этом желательно на одном графике располагать кривые изменения нескольких параметров для наглядного выявления закономерностей их изменения и взаимосвязи между определяемыми параметрами среды.

Итогом изучения метода биоиндикации должна быть сводная таблица, куда внесены полученные результаты по обнаруженным в каждом исследованном биотопе водным макробеспозвоночным, по вычисленным показателям качества воды по индикаторным организмам и химическим показателям с целью получения выводов об экологическом состоянии исследованных водоемов.

После работы в университетской лаборатории (определение микроэлементов методом ААС и органических веществ хроматографическими методами) необходимо дополнить общую таблицу результатов данными по содержанию в водоемах металлов. Также в отчете должны быть представлены хроматограммы и таблицы с веществами, имеющимися в «библиотеках» веществ. Все полученные результаты должны быть проанализированы.

Таким образом, написание отчета является итогом обработки и осмысления полученных во время практики данных и применения знаний, приобретенных за время учебного года по ряду дисциплин. Студенты, прошедшие такую практику получают основные навыки проведения комплексных мониторинговых исследований водны