Глава 1. Материалы и методы исследований.

Введение.

        В июне 2010 года наша кафедра проходила учебную практику на биостанции Дубравы п. Садовое Астраханской области (16.06-05.07) и на станции Приладожская п. Кузнечное Ленинградская область (13.07-20.07).

Целью практики было ознакомиться с природными процессами пресноводных водоемов и оценить их экологическое состояние. Для достижения цели перед нами были поставлены следующие задачи:

ü отбор и обработка проб в условиях полевой практики, обработка полученной информации,

ü построение графиков и сводных таблиц, их анализ.

На протяжении всей практики мы определяли показатели первичной продукции, концентрации растворенного кислорода, перманганатной окисляемости, содержание минеральных компонентов (кремний, фосфаты, железо), так же определяли наличие определенных индикаторных групп организмов. Для определения содержания различных органических веществ в водных объектах проводилось экстрагирование проб с их последующей обработкой с помощью хромато-масс-пектрометра. Также был проделан ряд измерений с помощью многопараметрического автоматического зонда YSI 6600-D.

Так как природа содержания химических соединений на водных объектах различна, такие как метаболизм биоты, антропогенная нагрузка, геохимия ландшафта, то необходимо комплексное исследование пресноводных водоемов с использованием различных методик. Современные технические средства позволяют определить практически все ингредиенты природного состава вод и антропогенного загрязнения - это методы атомно-абсорбционной и эмиссионной спектрофотометрии для неорганических веществ и хромато-масс-спектрометрии для идентификации органических соединений. Так же в практической работе применяются более доступные методы анализа - фотометрические, титрометрические.

Глава 1. Материалы и методы исследований.

Физико-Географическое описание.

Астраханская область.

Астраханская область, площадь которой составляет 44 тыс. кв. км, расположена на юго-востоке Восточно-Европейской равнины, в пределах Прикаспийской низменности, в умеренных широтах, в зоне пустынь и полупустынь. На юге и юго-востоке территория омывается водами Каспийского моря, в которое впадает протекающая по области р.Волга.

Территория Астраханской области в тектоническом отношении располагается в пределах двух платформ: значительная часть приурочена к докембрийской Восточно-Европейской платформе, самая южная - к эпигерцинской Скифской. Основную площадь территории области составляют аккумулятивные равнины. В её состав входит морская равнина. В северо-восточной части области в окрестностях озера Баскунчак находится денудационная равнина. Основной ландшафт области представляет собой равнину, сформированную под действием эндогенных процессов. Она осложнена формами рельефа, которые образовались под влиянием ветра, текучих вод, физического выветривания и др. С северо-запада на юго-восток эту территорию пересекает Волго-Ахтубинская пойма, обильные водные потоки которой при впадении в Каспийское море образуют обширную дельту. В пределах поймы и дельты пустынные ландшафты сменяются лугами, ленточными лесами, густыми зарослями тростника и рогоза, яркими цветами лотоса. Пойма занимает низменное пространство между Волгой и Ахтубой, которое заливается в период паводков речными водами. Рельеф пойменно-дельтовой части очень динамичен, ежегодно претерпевает определенные изменения: одни речушки в результате обмеления отмирают, другие возникают; изменяется очертание берегов, островов; появляются новые отмели, осередки, острова.

Климат Астраханской области умеренный, резко континентальный - с высокими температурами летом, низкими - зимой, большими годовыми и летними суточными амплитудами температуры воздуха, малым количеством осадков и большой испаряемостью. Средняя температура января -10 градусов (на севере), -6 градусов (на юге); средняя температура июля + 25 градусов. Количество осадков — около 200 мм в год. Климат в районе Волго-Ахтубинской поймы имеет свои определенные особенности. В течение всего года температура воздуха в ночные часы выше, чем на окружающих пустынных пространствах. Летом в дневные часы в пойме и дельте много тепла расходуется на испарение, поэтому прогрев воздуха уменьшается, и температура его понижается на 2 - 3°С по сравнению с прилегающими пустынными ландшафтами. Повышенное увлажнение и растительный покров поймы и дельты понижают летом температуру поверхности почвы на 15°С по сравнению с окружающими их пустынными почвами. В южной части дельты безморозный период на 15 - 30 дней длиннее, чем в северной части.

Рис.1 Карта озер биостанции «Дубрава». Координаты точек отбора проб.

Карельский перешеек.

Карельский перешеек расположен к северу и северо-западу от Санкт-Петербурга, между Финским заливом и Ладожским озером. С запада Карельский перешеек омывается Финским заливом Балтийского моря, а с востока - Ладожским озером. Практически вся поверхность Карельского перешейка образована рыхлыми отложениями ледникового, водно-ледникового, озерного и морского генезиса, лежащими на кристаллических породах Балтийского щита и перекрывающих их осадочных породах Русской плиты. Выходы пород на дневную поверхность отмечаются только на севере (в районах Кузнечного, Каменогорска, Светогорска, Выборга). Холмисто-моренные ландшафты с многочисленными озерами и террасами формируют центральную часть территории Карельского перешейка. Южная и северная части образованы террасовыми уровнями озерно-ледниковых, озерных и реже морских бассейнов, впоследствии сильно заболоченные и заозеренные.

Холмистый рельеф местности, близкое залегание к поверхности кристаллических пород, обилие глубоких впадин и котловин в сочетании с избыточной увлажненностью территории способствовал образованию множества озер. На площади Карельского перешейка их насчитывается около 700 с общей акваторией 710 кв. км. Большинство озер перешейка своим возникновением обязаны леднику, таковы озера Вуокса, Суходольское, Комсомольское, Балахановское и др.

Климат Карельского перешейка умеренный, переходный от континентального к приморскому. В конце октября начале ноября появляется первый снежный покров (залегает устойчиво). Весна из-за частых возвратов холодов протекает медленно. Лето в регионе умеренно теплое и сравнительно короткое. Самый теплый месяц июль. По условиям погоды осень - самый неблагоприятный период года. В основном, на территории преобладает пасмурная, ветреная и ненастная погода. До образования устойчивого снежного покрова снег обычно несколько раз стаивает. В год выпадает 600-700 мм осадков (в центральной части - до 850 мм). Территория находится под воздействием сравнительно влажных западных воздушных масс и атлантических циклонов. Достаточность и частичная избыточность увлажнения предопределяют развитие лесной растительности и разнообразие болот, среди которых много верховых, сфанговых. Преимущество среди лесов составляют ельники и сосняки, значительна роль вторичных мелколиственных лесов. Среди лиственных пород встречаются береза, ольха, осина. Примерно 7-8 % территории занимают болота, где собирают клюкву, голубику, морошку. Леса Карельского перешейка богаты разнообразными животными. Встречаются медведи, лисицы, рыси, хорьки, зайцы, белки, а в средней части - волки. В лесах встречаются рябчики, тетерева, а близ болот - глухари, кулики, дикие утки и гуси.
В озерах больше 50 видов и разновидностей рыб. Наиболее распространены - окунь, плотва, щука, ерш и лещ. В некоторых озерах встречаются налим, уклея, язь, красноперка, густера, карась, совсем редко - cиг, ряпушка, пелядь. При этом чем крупнее озеро, тем разнообразнее видовой состав.

Рис.2. Озера карельского перешейка, п. Кузнечное, ст. «Приладожская».

Методика.

Для получения наиболее полной информации о состоянии изучаемой водной экосистемы мы применяли различные методы: гидрохимические, гидробиологические, инструментальные и различные инструментальные. Так же проводились описания погодных условий в момент отбора проб, измерения температуры и прозрачности воды.

1. Гидрохимические методы исследования необходимы для получения ряда показателей необходимых для правильной интерпретации протекающих в водоеме биотических процессов.

1.1 Методика определения содержания растворенного кислорода методом титрования (по Винклеру).

Метод основан на способности гидроксида марганца (П) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) вновь переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество йода. Выделившийся йод оттитровывают тиосульфатом натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора, и по его количеству, пошедшему на титрование, вычисляется количество кислорода.

Содержание растворенного кислорода в воде (мг/л) рассчитывают по формуле:

[O₂] = (V_{тиосульф *} N_{тиосульф *} 8 _* 1000)/ V_пробы ,

где V_{тиосульф}. — объем Na₂S₂O₃, пошедшего на титрование пробы, мл; N_{тиосульф} — нормальность Na₂S₂O₃ с учетом поправки; 8 — эквивалентная масса кислорода, соответствующая 1 мл 1 н. Na₂S₂O₃; V_пробы - объем пробы, отобранный из склянки, равный 50 мл.

Нормальность тиосульфата определяется по бихромату калия.

Инструментальные методы.

2.1. Измерение температуры проводилось с помощью опрокидывающегося термометра, который позволяет определить температуру на заданной глубине.

2.2. Прозрачность определяется с помощью диска Секке (диаметр 30 см)

Температура, прозрачность могут быть лимитирующими факторами, поэтому очень важно измерение этих показателей.

Железо.

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).

Для определения концентраций минеральных компонентов строятся калибровочные графики – зависимость оптической плотности от количества минеральных компонентов, полученных при калибровке фотоэлектроколориметра. Зная оптическую плотность исследуемых растворов, можно по калибровочномуграфику определить содержания компонентов

Табл. 1.2.1. Таблица суточного хода концентраций показателей оз. Макаркино 30.06.10

 Рис. 1.2.1.

Из графика  (рис.1.2.1.)  видно, что эффективная продукция с 6.00 до 9.00, а деструкция увеличивалась. Причиной этому являются уменьшение концентрации кислорода, который уходит на потребление и погодные условия (общая облачность 6 баллов). В период с 9.00 до 12.00 деструкционные процессы резко уменьшаются, а продукционные увеличиваются. Это можно объяснить увеличением эффективности процессов фотосинтеза, связанного с солнечной погодой, которая способствовала интенсивному проникновению солнечных лучей в поверхностные слои и образования биологической продукции. В принципе это время является оптимальным для развития фотосинтнза.

 Рис. 1.2.2.

В период с 15.00 до 18.00 температура поверхности воды повысилась относительно дневных отметок (с 28,62 градусов до 30.09 градусов цельсия) (рис 1.2.2.), однако концентрация эффективной продукции снизилась. Это объясняется наступлением сумерек. Лучи света уже не столь интенсивно проходят сквозь толщи вод, хотя температура воды по сравнению с показателями за утреннее время суток увеличивается, но это объясняется физическими процессами, также уменьшается перенос кислорода из воздуха в воду. К 21.00 по этим же причинам эффективная продукция достигает своего минимума (-1,9 мг/л), а деструкция – максимума (4,2 мг/л).

Процессы фотосинтеза сильно замедляются, что влияет на образование биологической продуктивности водоема.

 Рис. 1.2.3.

Количество кислорода минимально в 6.00 (табл. 1.2.1.), в этот же временной отрывок содержание железа больше, чем в вечернее время суток Можно предположить, что кислород расходовался на окисление железа. Трехвалентное железо наоборот увеличилось в концентрации в период деструкции(утреннее и вечернее время суток), а в период фотосинтетической активности концентрация железа снижается. Можно предположить, что причиной этому является переход из минеральной формы в органическую. В утренние часы организмы запасают определенные минеральные компоненты, а потом начинают фотосинтезировать. В подтверждение можно привести значения концентраций кремния и фосфора при суточной динамике на оз. Макаркино (рис 1.2.4.). 

Рис 1.2.4.                                         Рис. 1.2.5.

Днем концентрация минерального фосфора наблюдается очень низкой в водоеме в период максимальной фотосинтетической активности, когда практически весь минеральный фосфор синтезируется в органический. К вечеру (21.00) его концентрация резко увеличивается, точнее концентрация минеральных форм, это связано с увеличением деструкционных процессов, перехода из органических форм фосфора в минеральные. (рис. 1.2.5.)

Динамика кремния сильно зависит от фотосинтетической активности. Кремний потребляется диатомовыми водорослями, и активность потребления связана с фазами фотосинтеза. В период с 6.00 до 9.00 концентрация кремния увелиличивается, когда увеличивается деструкция, а в период высокой продуктивности кремний активно используется диатомовыми водорослями и его концентрация уменьшается.

 Рис. 1.2.6.

Перманганатная окисляемость как косвенный показатель суммарного показания органических веществ в воде прямопропорционально проявляет зависимость от температуры, концентрации кислорода и продуктивности. В максимальные значения температуры и концентрации кислорода в 18.00 показатель органического вещества тоже принимает максимальное значение (рис. 1.2.6.) Учитывая значения всех перечисленных показателей, делаем вывод, что оз. Макаркино относится к мезотрофному типу. Однако данное предположение условно, т.к. трофность, как интегральная характеристика озера, определяется за год или сезон.

Таблица 1.3.1. Ладожское озеро

Рис. 1.3.1.                                               Рис. 1.3.2

Озеро