Физико-химические свойства воды и грунта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Физико-химические свойства воды и грунта

2011 г.

Содержание

Введение

Глава 1. Физико-химические свойства воды и грунта

1.1 Плотность и вязкость воды

1.2 Термические свойства воды

1.3 Механико-динамические свойства грунтов

1.4 Вещества, содержащиеся в природной воде

Глава 2. Определение временной или карбонатной жесткости воды

2.1 Понятие и методы устранения жесткости воды

2.2 Проведение анализа

Глава 3. Физико-химические явления в водоемах

3.1 Восприятие света, звука на водные организмы и их влияние

3.2 Восприятие давления и движения воды

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Живые существа, населяющие Землю, обитают в атмосфере, литосфере и гидросфере: Гидросфера служит местом обитания для огромного количества водных организмов, или гидробионтов.

Вода как среда обитания имеет ряд специфических свойств, таких как большая плотность, сильные перепады давления, относительно малое содержание кислорода, сильное поглощение солнечных лучей и др. Для жизни придонных организмов имеют значение свойства грунта, режим разложения органических остатков и т.п. Поэтому наряду с адаптациями и общими свойствами водной среды ее обитатели должны быть приспособлены и к разнообразным частным условиям.

Цель курсовой работы - изучить физико-химические свойства воды и грунта и их влияние на состав населения, ознакомить с понятием жесткости воды, изучить физико-химические явления в водоемах.

Задачи:

изучить физико-химические свойства воды, плотность и вязкость, термические и оптические свойства и их влияние на состав населения.

ознакомиться со свойствами грунтов и их влияние на состав населения.

знать какие вещества содержит природная вода.

изучить физико-химические явления в водоемах.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ И ГРУНТОВ

1.1 Плотность и вязкость воды

Плотность и вязкость определяют условие движения гидробионтов. Чем выше плотность воды, тем она становится средой более опорной, т.е. тем легче организмам удерживаться в ней. (Константинов, 1986. С.21)

Плотность воды. Плотность чистой воды при 4°С равна 1 г/см³, плотность природных вод в связи с присутствием в них различных растворимых солей достигает 1,347 г/см^з, что существенно изменяет условия плавания гидробионтов. (Константинов, 1986. С.21)

Высокая плотность отражается на строении тела гидрофитов. Так, если у наземных растений хорошо развиты механические ткани, которые обеспечивают прочность стволов и стеблей, то у гидрофитов механические ткани сильно редуцированы, т.к. растения поддерживаются водой. Погруженные гидрофиты обладают хорошей плавучестью, которая создается специальными приспособлениями (воздушные мешки, вздутия). Так, листья лягушатника лежат на поверхности воды и под каждым листом имеют наполненный воздухом плавучий пузырь, который позволяет листу плавать на поверхности воды. (Степановских,1999)

Организмы, которые могут существовать в широком диапазоне давлений, называются эврибатными, не выдерживающими больших колебаний этого фактора - стенобатными. Стенобатные формы, живущие на небольших глубинах, называются мелководными, обитающие на больших глубинах -глубоководным». Например, голотурии Elpidia и Myriotrochus встречаются на глубинах 100 - 3000 м, червь Priapulus Candatus - прибрежных и на глубинах до 7000 м. Только на литорали встречаются моллюски Pafella Purpura, червь Arenicola, лишь на глубине свыше 5 - 6 см обитают рачки Storthyngura furcata, многие погонофоры, головоногие моллюски, рыбы и др.

С повышением давления сначала наблюдается стимуляция двигательной активности живо, затем ее подавление и смерть, которое, по-видимому, связана с необратимыми изменениями структуры протоплазмы вследствие сдвига равновесия золь - гель в сторону повышения вязкости. У ряда гидробионтов, в частности личинок ракообразных, головоногих моллюсков, повышение давления вызывает движение вверх и положительный фототаксис, снижение -обратную реакцию: очевидно, давление - важный фактор, определяющий распределение планктона по вертикали.

Вязкость представляет особое свойство тел оказывать сопротивление сдвигу их слоев друг относительно друга. Сопротивление сдвигу, возникающее при относительном движении 2-х смежных слоев воды, пропорционально площади этих слоев и градиенту скорости вдоль оси, перпендикулярной к направлению движения потока. Единицей вязкости является пауз (пз). Пауз - это такая вязкость, при которой градиент скорости, равный 1 см/сек., на 1 см. расстояния слоями жидкости приводит к возникновению силы внутреннего трения в 1 дину на 1 см² поверхности касания слоев. Обычно вязкость воды обозначается в сотых долях пауза - сантипаузах (спз). Малая вязкость воды обеспечивает организмам быстрое плавание, т.к. на преодоление внутреннего трения приводимых в движение слоев воды затрачивается небольшая сила. С повышением t вязкость воды понижается, что сказывается на условиях плавания организмов в воде. С увеличением солености вязкость повышается (Константинов 1986. С.27)

1.2 Термические свойства воды

Температура, как фактор внешней среды, имеет определяющее значение для каждого вида животных, обитающих в морских солоновато-водных и пресных водоемах в разнообразных условиях полярных, умеренных и тропических широт. На всех тропических уровнях в любой экосистеме - от простейших до рыб, на всех уровнях развития живого, температура выступает в качестве основного абиотического фактора, влияющий на функционирование всех систем организма.

Как экологический фактор, температура влияет на географическое распространение и зональное распределение гидробионтов, на скорость и характер протекание различных жизненных процессов, а также может иметь сигнальное значение. (Константинов, 1986. С.46)

Температурный диапазон существования гидробионтов - приблизительно от 0 до 43⁰С - согласно Фраю и Бретту может быть условно разделен на зоны, характеризующие верхние и нижние границы жизнедеятельности (пессимизм) и оптимальную зону функционирования живых систем (оптимизм).

Виды, адаптированные к существованию в широком температурном диапазоне (более 10-15⁰С), называются эвритермными (например, моллюск Hydrobia anonsis живет при температуре от -1 до 60⁰С) (Константинов, 1986. С.43). Эвритермные виды встречаются главным образом в мелких континентальных водоемах и на литорали морей высоких и умеренных широт, где значительны суточные и сезонные колебания (Степановских, 1999. С.155).

Виды, обитающие в узком температурном диапазоне, называются стенотермными. Они могут быть теплолюбивыми (рачок Thermosbaeno mirobilis обитает при 45-48⁰С, не выдерживая охлаждение до +30⁰С) и холодолюбивыми, или криофильными (многие принолерные организмы, не встречающиеся при положительных температурах). Чем вариабельнее термические условия в местообитании, тем эвритермнее его население.

Адаптация пойкилотермных гидробионтов к изменчивости температурных условий идет по двум линиям, одна из них - выработка эвритермности, другая - выбор мест обитания с устойчивым температурным режимом или такая их смена, при которой организмы избегают воздействия крайних температур. Так, многие беспозвоночные и рыбы уходят осенью из охлаждающихся вод прибрежья в открытые зоны водоемов, а весной мигрируют в обратном направлении.

Обычно морские организмы менее эвритермны, чем обитатели континентальных водоемов. Эвритермность гидробионтов определяется и степенью подавления их жизнедеятельности с уклонением условий от оптимальных.

У многих гидробионтов, периодически подвергающихся действию отрицательных температур, вырабатываются адаптации, предупреждающие замерзание клеточного сока. Благодаря таким адаптациям многие литоральные организмы переносят понижение температуры до -10⁰С. Моллюск Palingero polaris. вмерзая в лед, легко выносит охлаждение до -11⁰С и ниже, окружая себя слизью, ингибирующей рост ледяных кристаллов. Замерзание соков тела предупреждается выработкой специальных антифризов - гликопротеидных молекул, которые, действуя на водородные связи между гидролями, ослабляют структуру льда так, что он тает.

Чем чаще и сильнее периодические изменения температур в естественных местообитаниях гидробионтов, тем выше их устойчивость к Холодовым и тепловым передвижениям. (Константинов, 1986. С.43-46)

1.3 Механико-динамические свойства грунтов

Эти свойства определяют условия существования бентосных организмов (возможности их передвижения, закапывание, прикрепление и др.), но не безразличны и для обитателей пелагиали, особенно в мелких водоемах. Например, взмучивание илистых грунтов данными ракообразными часто ведет в прудах к гибели многих представителей зоопланктона, фильтровальные аппараты которых засоряются минеральными частицами. Из отдельных механико-динамических свойств грунтов наибольшее экологическое значение для гидробионтов имеют размеры частиц, плотность их прилегания друг к другу и стабильность взаиморасположения, степень смыва течениями и аккумуляции за счет оседания взвешенного материала. Механические свойства грунтов характеризуются их механическим, или гранулометрическим составом, под которым понимают размер зерен, образующих данные осадки.

Мелкозернистые грунты в зависимости от содержания в них тонких фракций (частиц мельче 0,01 мм) делятся на:

- песок (примесь тонких фракций менее 5%);

- илистый песок (примесь 5-10%);

- ил (примесь 30-50%);

- глинистый ил (примесь более 50%).

В тех случаях, когда в грунте присутствует несколько разномерных фракций, он называется мешаным. По отношению к грунтам среди гидробионтов различают стеноэдафические и эвриэдафические формы, из которых первые бывают приурочены к какому-либо одному субстрату, а вторые могут обитать на разных грунтах. Среди стеноэдафических организмов различают литофалов, обитающих на камнях, псалкиофилов, живущих на песке или в его толще, пелофилов, жизнь которых связана с илистыми грунтами, и аргиллофилов, встречающихся на глине.

Находясь на несвойственном им субстрате, организмы испытывают угнетение в своем развитии или вовсе погибают. например, личинки комара Chironomus dorsalis, выращиваемые на крупном песке, обнаруживали отход в 88%, на мелком кресле - 57%, а на песчанистом иле и иле соответственно 23 и 16%. Полихеты, посаженные на крупный песок, не строят трубок, в которых обычно обитают, и через 7 дней погибают. На мелком песке они затрачивают на строительство трубок 50-80 мин., через 20 дней их отход достигает 80%, на заиленном мелком песке и иле животные затрачивали на строительство трубок соответственно 20% и 0%.

Мелкозернистые грунты, особенно илистые, могут испытывать различную степень уплотнения и в верхних горизонтах лежат более рыхло, чем в нижних. По мере уплотнения грунтов зарывание в них становится затруднительным, и организмы в меньшей степени проникают в толщу осадков. С другой стороны, слишком мягкие, полужидкие грунты становятся недостаточно опорными и потому тоже избегаются организмами.

По данным А.А.Зенкевича (1951), в Баренцевом море с переходом от гравия к песку и илу средний вес гидробионтов, обитающих на грунте, снижается соответственно с 1,34 г до 0,31 г и 0,05 г. Средний вес организмов, обитающих внутри грунта, составляет 3 мг, а в иле - 8 мг. Среди крупных частиц, которые трудно раздвигать, мелким организмам передвигаться легче, и этим объясняется разница в размере животных, обитающих на илистом грунте и гравии. Условиями движения внутри грунта с различным гранулометрическим составом могут объясняться и размерные различия в составе организмов интерстициальной фауны. Например, на морских пляжах в песках со средним размером песчинок более 0,4 мм обычно преобладают мелкие и средние инфузории, не имеющие явных морфофизиологических приспособлений к жизни в песке; для песков с размером песчинок 0,12-0,4 мм характерны крупные ползающие инфузории с вытянутой лентовидной или нитевидной формой тела, в очень плотных песках с размером песчинок менее 0,1 мм инфузории отсутствуют.

Отрицательно сказывается на развитии бентоса перемешиваемость грунта, обуславливающая перетирание животных, разрушение их норок и домиков, не дающая возможности укорениться растительности. Перемешиваемость грунта может вызываться не только движениями воды, но и деятельностью самих организмов. Например, популяция полихеты Arenicola плотностью в 40 экз/м² ежедневно пропускает через кишечник 1,5 кг грунта, а за год - около 0,25 м², т.е. перемещает весь грунт в слое глубиной 20-30 см, в котором обитает. (Константинов, 1986. С.29-32)

1.4 Вещества, содержащиеся в природной воде

Природная вода существует не в виде химического соединения, состоящего из водорода и кислорода, а представляет собой сложное тело, в состав которого помимо молекул воды входят разнообразные вещества. наибольшее экологическое значение для водного населения имеют степень насыщения воды различными газами, концентрация ионов минеральных солей, органических веществ, состав и концентрация взвешенных веществ.

Газы

Количество отдельных газов, присутствующих в воде, зависит от их природы, парциального давления в атмосфере и состояние самой воды (ее температуры и солености).

Наибольшее значение для водного населения имеют кислород, углекислый газ, сероводород и метан (Константинов, 1986. С.27-28).

Рассмотрим состав газов Ивано-Арахлейских озер, расположены на юге Витимского плоскогорья, между Яблоневым хребтом и отрогами хребта Цаган-Хуртей. Располагаются они цепочкой по дну долины на высоте около 1000 м. Для района характерны более суточные и сезонные колебания температур, высокий уровень радиации, преимущественно прямой. Озера разнообразные по морфометрии, трофическим типам и биологической продуктивности.

Вода в озерах гидрокарбонатно-кальциевая. Биологическая продуктивность озер возрастает от оз. Арахлей к оз. Иргень, также увеличивается и содержание в воде органических веществ.

В малоснежные годы (1966-1972) озера отличаются высокой интенсивностью продуктивных процессов в течение всего года, отсутствие зимнего трофолитического перехода и кислородных заторов. В многоснежные годы (1975-1980) лимич. режим озер Забайкалья мало отличался от такового в других географических регионах: дютосинт. процессы прекращались, когда последовательно освещенность снижалась до 1% от поверхностной, трофолитический период длился с декабря по март, наблюдались кислородные заторы. В мелководных озерах до 3-5 м глубиной, запас О₂ подо льдом быстро исчерпывается и уже в феврале наблюдается его дефицит. Поэтому в многоснежные годы (1972-1979), когда снег снижает энергию фотосинтеза водорослей, в озерах, богатых органическими веществами и характеризующиеся малыми глубинами, наблюдались заторы рыб.

Озеро Иргень. Интенсивность газоотделения в центре озера в августе и сентябре ниже, чем на прибрежных станциях, в феврале-апреле наоборот.

На центральной станции оз. Иргень газ азотно-метановый. Только в июле-августе 1974 г. отмечено преобладание метана над азотом. В снежную «заторную» зиму 1973 г. содержание О₂ в пробах газа, отобранных во вторую половину последнего периода, было ниже, чем в 1970-1972 гг.

Во второй половине последнего периода (февраль-апрель) состав газа изменяется: свыше 93% составляет азот, мало метана и углекислоты. Отмечен и О₂, его присутствие, по-видимому, связано с последним фотосинтезом микрофитобентоса. Обнаружено, что понижение содержания углекислоты сопровождалось увеличением концентрации О₂, содержание водорода на этой станции дважды только превысило 1%. Это наблюдалось в 1972 г. - в пробе, отобранной в феврале-марте, его содержалось 1,17, а марте-апреле - 1,59%. Содержание О₂ в этих пробах было высоким: 20,45 и 12,52%.

Значительная часть растворенного в воде О₂ расходуется на окисление метана, что нередко приводит к массовым заторам рыб.

По-видимому, причиной изменения интенсивности данного газоотделения явился подъем уровня воды в оз. Иргень с 1967 г. по 1933 г. и его влияние на характер зарастания озера водной растительностью.

Озеро Иван. На центральной станции озера газоотделение настолько слабое, что в 1971-1973 гг. не удалось собрать ни одного образца газа. На меньших глубинах отмечено более интенсивное газоотделение.

У северо-западного берега озера наиболее интенсивное выделение газа отмечено в августе-сентябре 1971 г., газ азотно-метановый, содержание метана в пробе больше в период открытой воды и меньше в конце зимы. В последнем случае наблюдалось высокое содержание О₂, несмотря на снежную зиму 1972-73 гг.

Отношение метана к азоту изменялось в следующих пределах: центр 0,33-1,76, прибрежье 0,05-1,54, отношение СО₂ к азоту: центр 0,001-0,02, прибрежье 0,002-0,1.

Озеро Арахлей. На центральной станции озера данное газоотделение не зафиксировано ни летом, ни зимой. Несмотря на крайне замедленное газоотделение и здесь прослеживается сезонная динамика. Высокое содержание метана (62,84%) обнаружено в пробах, собранных с августа по декабрь. В пробах газа, собранных с декабря по май, более 96% составляет азот, метан - более 1%.

Таким образом, морфометрия озер, глубина воды, неполнота продукции органических остатков в водной толще определяют характер накопления органических веществ в осадках озер. Общая численность микробиальных сообществ обуславливали интенсивность процессов газоотделения и соответствуют трофности озер. Большое значение имеет температура воды и грунта, обнаружены сезонные изменения количества и состава данных газов во всех изученных озерах. (Топалов, 1991, с.9, 10, 44-50).

Ионы минеральных солей. Значение минеральных ионов в жизни годробионтов многогранно. Одни из них, получившие название биогенов, необходимы растительности для обеспечения процессов биосинтеза. К таким биогенам, лимитирующим рост и развитие гидробионтов относятся ионы, содержащие азот, фосфор, кремний, железо. Другое значение минеральных ионов связано с влиянием на солевой состав гидробионтов.

Немаловажное значение для водных организмов имеет концентрация Са²⁺Mg²⁺ суммарное содержание которых определяет жесткость воды, которая является необходимым условием для существования гидробионтов с известковым скелетом (моллюски, кокколитофориды, кораллы и др.). Суммарную концентрацию всех минеральных ионов, имеющихся в воде, обозначают как соленость.

Виды, выносящие значительные колебания солености, называются эвригалийными в отличие от стеногалийных, не выдерживающих больших изменений концентрации солей. К эвригалийным относятся рачки Chyclovus iphaericus, леснечатый червь Macrostoma hustris и инфузория Plluronema chrysalis, способные жить в солоноватой, пресной и морской воде.

Взвешенные вещества подразделяют условно на взмученный грунт, содержащий небольшое количество органического вещества, и дендрит, в котором его сравнительно много.

Присутствие в воде больших количеств взвеси может ухудшать условия фотосинтеза. Неблагоприятное действие она оказывает на животных, так как при оседании захоранивает организмы, обитающие в грунте, и нарушает питание гидробионтов-фильтратов. Например, данная фауна очень мутной реки Риони по сравнению с прозрачными реками Кавказа в 2-3 раза беднее по числу видов в 200-250 раз - по количеству организмов. Крайне бедны реки Сырдарья, Амударья и многие другие, отличающиеся высокой мутностью. (Константинов, 1986, с.33-37).

Глава 2. Определение временной или карбонатной жесткости воды

2.1 Понятие и методы устранения жесткости воды

Жесткость подразделяют на постоянную и временную, она же карбонатная, она же устранимая жесткость связана с присутствием в воде наряду с Ca ²⁺ и Mg ²⁺ гидрокарбонатных или бикарбонатных анионов (HCO₃). Временную жесткость можно устранить кипячением - отсюда и ее название. При кипячении воды гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с этими катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

Ca²⁺ + 2HCO^-₃ = CaCO₃ v+ H₂O + CO₂^

Метод определения карбонатной жесткости путем титрования пробы воды соляной кислотой измеряют вовсе не жесткость так таковую, то есть не концентрацию Ca²⁺ и Mg²⁺ , а щелочность - концентрацию в растворе гидрокарбонатных ионов.

Если строго следовать определению карбонатной жесткости, то ее корректное измерение должно быть основано на кипячении заданного объема воды с последующим взвешиванием образовавшегося осадка (накипи), но на практике это трудно выполнимо. Поэтому поступают иначе.

Определение карбонатной жесткости воды приводится путем ее титрования соляной кислоты. Титрование - добавление в исследуемую пробу раствора реагента, концентрация которого заранее известна. По расходу этого реагента - он взаимодействует с тем веществом, содержание которого хотят определить, рассчитывают концентрацию определяемого вещества. Для аквариумных нужд удобно пользоваться 0,05 M раствором соляной кислоты. А также необходим индикатор метиловый оранжевый, который нужен для того, чтобы установить момент окончания титрования.

2.2 Проведение анализа

Точно отмеряют 50 мл исследуемой воды и добавляют несколько капель раствора метилового оранжевого.

При титровании в растворе произойдут следующие реакции:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравним это и приведенное выше уравнение, которое показывало, что происходит с гидрокарбонатами кальция при кипячении. Как и при кипячении конечными продуктами этих реакций являются вода и углекислый газ. Только кальций здесь участия не принимает, так как ионы водорода, которые образуются в растворе при добавлении туда HCl вступают в реакцию не с ионами кальция, а именно с гидрокарбонатными ионами.

Кислоту удобно набрать в шприц до отмеченного заранее деления и из него дозировано добавлять в раствор. Сначала порции кислоты могут быть большими, но к концу титрования надо быть аккуратным и осторожным. Цвет может поменяться даже от одной капли. Способность раствора реагировать с ионами водорода по мере добавления кислоты будет постепенно уменьшаться и, наконец окажется почти совсем исчерпанной - кончатся гидрокарбонатные ионы и последняя капля кислоты резко сместит рН, так как связывать возникающие при ее диссоциации в воде ионы водорода уже будет «некому». При величине рН меньшей 4 гидрокарбонатных ионов в растворе уже нет. Индикатор при этом значении рН изменит цвет раствора с желтого на оранжевый. Тут титрование надо прекратить. Лучше проделать эту процедуру несколько раз, точно засекая какой объем кислоты был израсходован. Затем вычислить средний объем пошедший на титрование кислоты. Зная этот объем рассчитывают карбонатную жесткость по формуле:

Жесткость карбонатная _{(мг-экв/л.)} = (1000*С_{кислоты} * V_{кислоты}) / V_воды

С_{кислоты} - концентрация кислоты в молях,

V кислоты - объем раствора кислоты, использованный при титровании (мл)

V_воды - объем пробы воды, взятой для титрования (мл.)

Если С кислоты = 0,05 M, а V воды = 50 мл, то жесткость карбонатная (мг-экв/л.) = (1000*0,05*V кислоты)/50 = V кислоты

То есть титрование 50 мл воды 0,05 M соляной кислоты, то в этом случае карбонатная жесткость в мг-экв./л. Будет численно равна объему кислоты (в мл.), израсходованному для титрования. Например, если на титрование ушло 1,5 мл. раствора кислоты, то карбонатная жесткость воды 1,5 мг - экв./л. Для перевода в градусы KH значение в мг-экв/л. Надо умножить на 2,804.

1,5*2,804 = 4,2 ?KH

На самом деле этим методом мы определили щелочность воды, то есть ее способность связывать ионы водорода, которые образуются при диссоциации в воде соляной кислоты.

Гидрокарбонатный ион может поступать в воду не только при растворении карбонатов кальция и магния, но и при растворении иных солей. Всем известная питьевая сода являет собой пример такого соединения NaHCO₃. Если внести питьевую соду в аквариум, то растворившись она даст ионы натрия и гидрокарбоната. Гидрокарбонатные ионы присоединяют к себе ионы водорода, поэтому вода в аквариуме от внесения питьевой соды становится менее кислой или приобретает щелочную реакцию, но это зависит от дозы. Небольшие ее добавки застрахуют от неожиданных скачков рН. Решить достаточно соды внесено или нет можно измерив щелочность. Зная щелочность вы можете оценить насколько вода в аквариуме способна противостоять закислению, то есть оценить буферность. Если щелочность пресной воды низкая (менее мг/экв/л), то ее буферность невелика. Такая вода может резко скиснуть, например при неожиданной остановке фильтра. Интервал значений щелочности 1,2-2 мг-экв/л пригоден для большинства рыб и растений. Буферность воды при этом будет вполне достаточной для поддержания стабильной активной реакции воды рН. Обычно щелочность аквариумной воды как раз и оказывается в указанном интервале или даже имеет еще большие значения 3 мг-экв/л и выше (в этом случае возможны проблемы с выращиванием многих растений и нашествия водорослей). В регионах с мягкой слабокислой водой она может быть очень низкой. Если вносили в аквариум соду, чтобы поднять и стабилизировать рН, то не нужно удивляться если «карбонатная жесткость» вдруг превысит общую. Если вносили в воду аквариума NaHCO₃, то есть не связанные с кальцием и магнием гидрокарбонатные ионы, то естественно их будет больше, чем ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ . Вот в этом и состоит суть парадокса, когда формула:

Общая жесткость = Постоянная жесткость + Временная жесткость не выполняется из-за того, что временная больше общей.

термический давление водный динамический

Глава 3. Физико-химические явления в водоемах

3.1 Свет, звук и их влияние на водные организмы

На водные организмы большое влияние оказывают световой режим и прозрачность воды. Интенсивность света в воде сильно ослаблена, так как часть падающей радиации отражается от поверхности воды, другая поглощается ее толщей. Ослабление света связано с прозрачностью воды. (Степановских, 1999, с.155).

Количество проникающего в воду света уменьшается с глубиной. Глубина проникновения света в воду зависит от широты места, времени года и суток, метеорологических факторов и от прозрачности.

Волны различной длины адсорбируются водой неодинаково. Интенсивно поглощающиеся инфракрасные и красные лучи, с одной стороны, и фиолетовые, с другой стороны. На глубину ниже 100 м в морях и 10-20 м в пресных водоемах проникают только синие и зеленые лучи.

Все автотрофные растительности могут жить только в верхних, освещенных слоях воды (Яшнов, 1969, с.131). Из-за недостатка света они полностью отсутствуют в многокилометровой толще глубинных океанических вод.

Животным свет нужен для распознавания среды и ориентации движений: части он имеет сигнальное значение, определяющее многие стороны поведения гидробионтов (Константинов, 1986, с.49).

Многие организмы зоонианктона морей и пресноводных водоемов, находящиеся днем на определенной более или менее значительной глубине, вечером поднимаются в вышележащие слои, а затем пробыв в этих слоях некоторое время, спускаются вниз на ту глубину, с которой начался подъем. Подъем организмов и опускание их происходит путем активных движений, поэтому суточные вертикальные миграции сильнее выражены у животных, обладающих хорошими развитыми органами движения (гидромедузы, веслоногие раки, ветвистоусые раки, мидиды и др.).

У многих морских организмов, живущих в полусветлой области зрения сильно увеличены и функциональность даже при небольшом количестве света. У глубоководных животных, обитающих в абсолютном мраке, глаза редуцированы или полностью отсутствуют. (Яшнов, 1969, с.131-132).

В светлых поверхностных слоях воды обитают ярко окрашенные животные, глубоководные же виды обычно лишены пигментов. В сумеречной зоне обитают животные, окрашенные в цвета с красноватым оттенком, что помогает им скрыться от врагов, так как красный цвет в сине-фиолетовых лучах воспринимают как черный (морской окунь, красный коралл, различные ракообразные и др.). (Степановских, 1999, с.159).

Сигнальное значение света через те или иные двигательные реакции. У многих гидробионтов выражен фототропизм, причем у планктонных форм - положительный, у бентосных - отрицательный. У большинства фотонегативных бентосных живые личинки светолюбивы, благодаря чему некоторое время держатся в толще воды, где находят там благоприятные условия. С возрастом личинки становятся фотогенативными и, опускаясь на дно, переходят к бентосному образу жизни.

Знак фототропизма может зависеть от состояния внешней среды. В условиях дефицита О₂ многие представители пресноводного бентоса из фотонегативных становятся фотопозитивными и, ориентируясь на свет, всплывают к поверхности, где респираторные условия лучше.

В условиях сильного освещения фотопозитивные организмы могут приобретать отрицательный фототропизм и уходить от света. По этой причине в прозрачных водоемах во время высокого стояния Солнца многие водоросли перемещаются из самого поверхностного слоя воды на глубину несколько метров, избегая повреждающего действия излишней радиации. Например, вод. Gymnodinium kovalerkyi и Prorocentrium micans становятся фотонегативными при ингибирующей фотос. освещенности 20 тыс.лк. Знак фототр. имеет приспособительное значение.

Огромное значение имеет свет как источник информации о среде, а также для ориентации движений. В связи с этим у гидробионтов хорошо развиты различные фоторецепторы. Многие морские формы способны к свечению, или биолюминесценции. (Константинов, 1986, с.50). Биолюминесценция - это окисление сложных органических соединений (люцеферинов) с помощью белковых катализаторов (люцефероз). В ходе реакции избыточная энергия возбужденной молекулы люцеферина выделяется в виде квантов света (Чернова, 1988, с.70).

К числу их относятся многие одноклеточные животные и растения, кишечнополостные, черви, ракообразные, головоногие моллюски, иглокожие, оболочники и рыбы. Некоторые из них светятся диффузным светом, у других имеются специальные органы свечения. Особенно сложно устроены у некоторых представителей высших раков, головоногих моллюсков и рыб. Органы свечения рыб, глубоко погруженные в кожу и покрытые с поверхности прозрачным эпителием, при наибольшем развитии состоят из светящихся классов, окруженных со стороны, обращенной внутрь, рефлектором, покрытым слоем пигмента, с наружной стороны находится линза. К светящемуся органу подходят нервы и кровеносные сосуды.

Значение этих органов заключается в освещении пространства, просматривании добычи, защиты от врагов и распознавании особой одного вида. (Яшнов, 1969, с.132-133).

У водных организмов фоторецензия развита слабее, чем у наземных в связи с быстрым угасанием света в воде. Поэтому гидробионты близорукие, особенно беспозвоночные. Близорукость полезна для распознавания мелких объектов, которыми очень часто питаются гидробионты. Так, пресноводная американская рыбка Lepomis хорошо различает 2-х миллиметровых рачков на расстоянии 1 см. У глубоководных рыб с огромными, так называемыми телескопическими глазами, способны к восприятию слабых световых раздражений несколько выше.

Некоторые водные животные различают поляризованный свет и ориентируют свои движения в соответствии с плоскостью поляризации. По солнцу и голубому небу (поляризованный свет) ориентируют свои движения бокоплав Talitrus saltator: если поместить над рачком поляроид и начать его вращать, то соответственно поворачивается и рачок. Такая же реакция обнаружена у рака Eupagurus bernharolus, краба Uca tangari. Звук, электричество и магнетизм играют в жизни гидробионтов сигнальную роль (средства общения, ориентации и оценки среды). Восприятие звука у водных животных развито лучше, чем у наземных. Звук быстрее и дальше распространяется в воде, чем на суше. Некоторые гидробионты могут улавливать инфразвуковые колебания, благодаря чему «слышат» звуки, возникающие от трения волн о воздух. Вследствие этого, например, медузы заранее узнают о приближении шторма и отплывают от берегов, где могли бы пострадать от ударов волн (Константинов, 1986, с.53).

Китообразные, например, отыскивают пищу и ориентируются при помощи эхолокации - восприятие отраженных звуковых волн. Принцип локатора дельфина заключается в излучении звуковых волн, которые распространяются перед плывущим животным. Встречая препятствие, например, рыбу, звуковые волны отражаются и возвращаются к дельфину, который слышит возникающее эхо и таким образом обнаруживает предмет, вызывающий отражение звука (Степановских, 1999, с.173).

Большое значение в жизни гидробионтов имеют шумовые нагрузки, связанные с деятельностью человека - работой лодочных и корабельных моторов, турбин, подводным бурением, сейсморазведкой и др. Например, экскреция NH₄ и интенсивность дыхания креветки Crangon crangon при 32 дБ в условиях круглосуточного воздействия была в 1,4 раза выше, чем у животных в звуконепроницаемых бассейнах. Одновременно снижались объемы дыхания, темп роста и доля яйценосных самок, привыкание не наблюдалось даже после месячного содержания животных в таких условиях. (Константинов, 1986, с.53).

3.2 Восприятие давления и движения воды

Существование гидробионтов определяются особенности физических явлений, возникающих в результате взаимодействия гидросферы с другой оболочкой Земли, ее вращение и влияние космических факторов.

Для гидробионтов давление имеет большое экологическое значение, чем для аэробионтов, так как барические контрасты в гидросфере выражены сильнее, чем на суше.

С продвижением вглубь давление воды быстро возрастает. Гидробионты, способные существовать в широком диапазоне давления, называются эврибатными, а не выдерживать большие колебания этого фактора - стенобатными. Например, голотурии Elpiala и Myriotrochus встречаются на глубине от 10 до 8000 м, только глубже 4,5-5 км обитают актинии сем. Galatheontemidae, лишь мелководоем ограничивают распространение многих литоральных форм. Помимо давления на вертикальном распространении гидробионтов могут влиять и другие факторы.

Какой-либо корреляции между сложностью организации гидробионтов и их толерантностью к изменениям давления нет. Реакция на его повышение сверх приспособительных возможностей у всех водных животных сходна: сначала возбуждение и усиление двигательной активности, затем титамус, инактивация и гибель. У многих гидробионтов повышение давления вызывает положительный фототаксис, снижение - отрицательный. Величина давления сигнализирует животным глубину их нахождения и они выбирают ее, подчиняясь барическому градиенту.

Гидростатическое давление влияет не только на распределение гидробионтов, но и на метаболизм и состояние различных биологических структур. Действие давления усиливается с понижением температур и максимально - в морских глубинах, где вода холоднее. С повышением давления и понижением температуры молярные объемы веществ уменьшаются, молекулы сближаются, их подвижность ограничивается и реакционная способность падает.

У глубоководных организмов вырабатываются различные биохимические адаптации, в какой-то мере нейтрализирующие неблагоприятные последствия высоких давлений. В некоторых случаях синтезируются ферменты с меньшим объемом, чем у предшественников, и давление не только не тормозит, но даже ускоряет их образование. В других случаях требуемое количество растений обеспечивается за счет дополнительных энергозатрат. Нередко в условиях высоких давлений меняется структура белков и других соединений в направлении уменьшения объема их молекул. Регулируя концентрацию, состав и активность имеющихся ферментов, организмы в той или иной степени стабилизируют обмен в условиях переменного давления. Такая способность, выработавшаяся исторически, выражены у эврибатных форм. Например, с повышением давления объемное действие пируваткиназы у поверхностных и глубоководных рыб падает сильнее, чем у мезопелагических, обитающих в более широком диапазоне давлений.

Давление может влиять на объем метаболизма, изменяя состояние цитоплазмы. С повышением давления равновесие в системе золь-гель смещается в правую сторону, так как это ведет к снижению объема системы. Так как повышение температуры смещает равновесие в обратном направлении, оно ослабляет барический эффект. В условиях возросшего давления гидробионты меняют свое отношение к температуре, становясь теплолюбивее.

Согласно данным ряда авторов, на больших океанических глубинах прекращается метаболическая активность бактерий, которая сохраняется у представителей микрофлоры, обитающих в кишечниках глубоководных амфипод и голотурий. Симбиотическая барофильная микрофлора отличается от свободноживущей на тех же глубинах и, вероятно, существует благодаря высокой концентрации питательных веществ в кишечниках своих хозяев.

Органами восприятия гидростатического давления у гидробионтов служат различные газовые камеры (плавательные пузыри рыб, газовые включения в цитоплазмах простейших, воздухоносные полости в подошве некоторых медуз, в раковинах головоногих и брюхоногих моллюсков и др.). Изменение давления газа в камерах, воспринимаемое различными рецепторами, служит организмам датчиком глубины их нахождения и позволяет активно контролировать ее.

Движение воды имеет для гидробионтов прямое и косвенное значение. В первом случае речь идет о переносе пелагических организмов в горизонтальном направлении, перемещении их по вертикали и вымывании бентосных форм из грунта. Косвенное влияние движение воды на гидробионтов сказывается через принос пищи и О₂, унос метаболитов, выравнивание температурных и других гидрологических градиентов, а также через воздействие на формирование грунтов.

Движение воды гидробионты воспринимают с помощью различных рецепторов. Рыбы оценивают объем и направление течения органами боковой линии, ракообразные - антеннами, моллюски - рецепторами в выростах мантии. У многих беспозвоночных есть виброрецепторы, воспринимающие колебания воды. У гребневиков они обнаружены в эпителии, у гидромедуз - по краям манубриума, у раков представлены вееровидными органами, находящимися в углублениях поверхности тела, личинки насекомых воспринимают вибрацию воды волосками и щетинками.

Заключение

Из моей курсовой работы можно сделать следующие выводы:

1. Основными физическими свойствами воды являются плотность и вязкость, которые определяют условия движения гидробионтов. Чем выше плотность воды, тем она становится средой более опорной, т.е. тем легче организмам удерживаться в ней. С повышением вязкости возрастает сопротивление активному движению организмов и условие их плавучести улучшаются.

2. Температура является основным абиотическим фактором, который влияет на функционирование всех систем организма. Температурный диапазон температур, в которых могут существовать живые организмы, колеблется от 0 до 43⁰С. Гидробионты выработали различные адаптации к перенесению неблагоприятных температурных условий - выработка эвритемности, выбор мест обитания с устойчивым температурным режимом и адаптации, предупреждающие замерзание клеточного сока.

3. Свойства грунтов определяют условия существования бентосных организмов (возможности их передвижения, закапывание, прикрепление и др.). Если организмы находятся в несвойственном им грунте, то они испытывают угнетение и в конечном счете погибают.

4. Природная вода представляет собой соединение, в состав которой помимо молекул воды входят и другие разнообразные вещества - различные газы, ионы минеральных солей и взвешенные вещества.

5. Жесткость воды бывает постоянная и временная (карбонатная), которая связана с присутствием в воде наряду с Са²⁺ и Mg²⁺ гидрокарбонатных и бикарбонатных ионов. Для устранения этой жесткости используют метод титрования.

6. Свет является важным условием существования организмов в оде. Для растительности он необходим для фотосинтеза, а животным свет нужен для распознавания среды и ориентации движений, часто он имеет сигнальное значение, определяющее многие стороны поведения гидробионтов. Звук, электричество и магнетизм играют для гидробионтов сигнальную роль средства общения, ориентации и оценки среды.

Список литературы

1. Константинов А.С. «Общая гидробиология»: Учеб. для студентов биол. спец. вузов: - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 2006. - 472 с.: ил.

2. Яшнов В.А. «Практикум по гидробиологии». - М.: 2009 г. Изд-во «Высшая школа».

3. Топалов А.А. «Донное газообразование в озерах Забайкалья». Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ие, 1991 г.

4. VIII съезд Гидробиологического общества РАН. (Калининград, 16-23 сентября 2001). Тезисы докладов. Т.2. Калининград, 2008.

5. Степановских «Общая экология». - Курган: ГИПП «Зауралье», 2009.

6. Чернова Н.М., Пылова А.М. «Экология»: Учебное пособие для студентов биол. спец. пед. инс-ов - 2-е изд. перераб. - М.: «Просвещение» - 1988 г.

Размещено на Allbest.ru