Экологическое состояние водных объектов Круглянского района

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

экологический вода гидрохимический

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание как отечественных, так и иностранных ученых, политиков, а также широких масс общественности привлечено к глобальным и региональным экологическим проблемам. Пройдя очередной этап научно-технической революции и выйдя на новый уровень цивилизационного развития, человечество обратилось к формированию нового уровня взаимоотношений с окружающей средой. Внедрение и развитие концепции рационального природопользования становится одним из приоритетных направлений в экономике, хозяйстве и политике многих стран мира. Одной из самых острых проблем человечества становится нехватка чистой питьевой воды.

Вода широко используется во всех сферах жизни, поэтому очень сильно подвержена загрязнению.

Река Друть является важной водной артерией Могилевской области. Несомненно, это один из важнейших природных объектов области, который, вследствие высокой экологической значимости и широкого и массового промышленного и бытового использования, требует тщательного изучения и постоянного и организованного мониторинга. Поэтому тему данной работы можно считать актуальной в наши дни и достойной научного изучения.

Объектом изучения данной работы являются водные объекты Круглянского района.

Предметом изучения данной работы является гидрохимический состав и структура водного населения водных объектов, на основе которых оценено их экологическое состояние в Круглянском районе.

Цель данной работы:

- дать оценку экологического состояния водотоков в пределах Круглянского района;

Задачи работы:

- изучить гидрохимический состав поверхностных вод Круглянского района, оценить степень их загрязненности;

- исследовать видовой состав и таксономическую структуру водных объектов;

- рассчитать индекс видового разнообразия Шеннона;

- рассмотреть степень природного и техногенного загрязнения водных объектов, выявить тенденции в изменении экологического состояния

Методы изучения. При сборе и анализе материалов для данной работы применялись как общетеоретические, так и специфические методы исследований водных объектов. Из общегеографических методик использованы описательный метод, необходимый для формирования целостной и объективной картины экологического состояния водотоков района, а также картографический метод.

1. Методика гидроэкологических исследований

Методы могут быть подразделены на следующие три группы: общие, специфические и частные методы.

Общие методы касаются всей геоэкологии. Это различные формы диалектического метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени. В естествознании диалектический метод выступает как сравнительный (например, в биологии, географии, химии) метод, с помощью которого раскрывается всеобщая связь явлений, или как исторический. Иногда оба этих метода сочетаются в единый сравнительно-исторический метод, который глубже и содержательней каждого из них в отдельности и широко используется в гидроэкологии.

Специфические методы касаются не предмета в целом, а лишь одной из его сторон (явления, сущности явления, количественной стороны) или же определенного приема исследований. К особенным методам относятся, в частности, анализ и синтез, индукция и дедукция.

Анализ, (греч. analysis - разложение) и синтез (греч. synihesis-соединение) в самом общем значении - это процессы мысленного или фактического разложения целого на составные части и восстановления целого из частей соответственно. Цель анализа - познание частей как элементов сложного целого.

Синтез, напротив, есть процесс объединения в единое целое частей, свойств, отношений выделенных посредством анализа. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве.

Дедукция (от лат. deduciio - выведение) - один из основных способов рассуждения (умозаключения) и методов исследования. Под дедукцией в широком смысле понимается любой вывод вообще, в более специфическом и наиболее употребительном смысле - доказательство или выведение утверждения (следствия) из одного или нескольких других утверждений (посылок) на основе законов логики, носящее достоверный характер.

Индукция (от лат. induciio - наведение) еще один тип умозаключения и метод исследования. Как форма умозаключения индукция обеспечивает возможность перехода от единичных фактов к общим положениям. В качестве метода исследования индукция понимается как путь опытного изучения явлений, в ходе которого от отдельных фактов совершается переход к общим положениям. Отдельные факты как бы наводят на общее положение. В реальном познании индукция всегда выступает в единстве с дедукцией.

Специфическими методами являются также практические методы: наблюдение, эксперимент, сравнение, измерение. Исключительно важны математические приемы и методы, роль которых неуклонно возрастает по мере все более широкого применения счетно-вычислительных машин.

К частным методам относятся специальные методы, действующие либо только в пределах отдельной отрасли естествознания, либо за пределами той отрасли, где они возникли. Так методы физики, используемые в других отраслях естествознания привели к созданию геофизики и физической химии. Распространение химических методов привело к созданию геохимии, биохимии и т.д. [5]

В ходе прогресса методы могут переходить из более низкой категории в более высокую: частные превращаются в особенные, особенные в общие.

Методическую основу гидроэкологии как современной науки составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Экологическая практика охватывает собой множество приемов и методов исследований, адекватных многообразию направлений экологии и потому здесь перечислены лишь некоторые из них.

* Режимные систематические (мониторинговые) наблюдения за состоянием водных объектов и процессов и влияющими на них антропогенными (техногенными) факторами;

* аналитические исследования природных и искусственных объектов;

* исследования морфологических параметров природных водных объектов;

* статистические методы оценки процессов и явлений, происходящих на водных объектах и их водосборах;

* дистанционные методы исследований и методы специальной картографии водотоков и водосборов;

* методы математического моделирования гидроэкологических процессов;

* системный анализ гидроэкологической информации;

* методы социальной демографии;

* паспортизации природных и искусственных водных объектов;

* экологический менеджмент;

* экологический аудит.

Как правило, в гидроэкологических исследованиях эти и другие применяемые методы исследований используются совместно или комплексируются.

Будучи одной из наук гидрологического цикла, гидроэкология использует общие для него теоретические и эмпирические методы: анализ и синтез, дедукцию и индукцию, наблюдение, сравнение (включая измерение) и эксперимент (включая моделирование). Эмпирические методы подразделяются на «полевые» и «лабораторные», соответственно тому, проводятся ли они в условиях, приближенных к естественным или в условиях, контролируемых исследователем. И те и другие могут предполагать использование инструментария: измерительного и аналитического оборудования, устройств для фиксации, снятия и обработки данных. Эмпирические данные могут быть использованы лишь после их теоретической обработки, то есть после включения в логическую конструкцию: гипотезу, теорию, концепцию.

В последнее время особую важность приобрели планомерные, поддающиеся эффективному анализу экологические исследования, складывающиеся в мониторинг - систему долгосрочных наблюдений, оценки, контроля и прогноза состояния и изменения объектов. Мониторинг принято делить на фоновый, глобальный, региональный и импактный (в особо опасных зонах и местах). По способам ведения различают космический, авиационный и наземный мониторинг. В систематизации и анализе накапливаемых данных особое значение имеет создание баз данных и использование ГИС-технологий.

1.1 Методы исследования химического состава воды

В течение нескольких последних десятилетий аналитическая химия природных вод претерпела весьма существенные изменения, обусловленные как общим развитием естественных наук, так и быстрым расширением и усложнением задач, выдвигаемых практикой. Эти задачи в свою очередь определялись новыми знаниями о свойствах и возможных областях использования водных ресурсов.

Используемые в настоящее время в практических целях методы химического анализа природных вод можно подразделить на: 1) химические; 2) электрохимические; 3) оптические; 4) фотохимические; 5) хроматографические. Такие сложные физико-химические методы анализа, как хромато-масс-спектрометрический, нейтронно-активационный, радиохимический, а также методы низкотемпературной люминесценции, несмотря на их высокую информативность, не нашли пока широкого применения при проведении массовых определений из-за их сложности и дорогостоящей аппаратуры.

В природных условиях вода всегда содержит в своем составе разнообразные химические вещества. Одни из них оказывают вредное влияние на организм животных, другие позволяют косвенно судить о загрязнении воды органическими веществами и тем самым определить степень ее опасности в распространении инфекционных и инвазионных заболеваний.

К гидрохимическим относятся методы, предусматривающие проведение химической реакции и последующее количественное определение образующихся продуктов реакции. В настоящее время это в основном методы объемного анализа. Распространенные ранее весовые методы из-за их трудоемкости и длительности используются изредка в качестве арбитражных, когда возникают разногласия, например, при определении сульфатов, высоких концентраций нефтепродуктов, жиров.

Методы объемного анализа предусматривают взаимодействие исследуемого компонента с реактивом, который добавляется в виде раствора определенной концентрации (титрующий раствор) до того момента, когда количество прибавленного реактива не станет эквивалентно количеству определяемого компонента в растворе. Этот процесс называется титрованием, а момент окончания титрования - точкой эквивалентности. Конец титрования обычно устанавливают по изменению цвета индикатора, то есть вещества, которое изменяет свою окраску при концентрациях реагирующих веществ, близких к точке эквивалентности. Индикатор и условия титрования выбирают так, чтобы точка титрования индикатора совпадала с точкой эквивалентности или была возможно ближе к ней.

Чувствительность методов объемного анализа 10~^э -10^4% (массовая доля), погрешность определения 0,5-1,5%. Основным преимуществом объемного анализа являются простота, быстрота определения, а также широкие возможности использования разнообразных химических свойств веществ. Благодаря этим достоинствам методы объемного анализа в настоящее время являются основными при определении макрокомпонентов природных вод. [12]

В зависимости от типа реакций методы объемного анализа делятся на четыре большие группы: 1) кислотно-основное титрование; 2) титрование окислителями и восстановителями; 3) осаждение; 4) титрование с образованием комплексов.

При кислотно-основном титровании в качестве титрованных растворов обычно применяют кислоты и щелочи. В гидрохимии этим методом определяют диоксид углерода и гидрокарбонаты.

Метод определения диоксида углерода основан на количественном переводе угольной кислоты в ионы НС03при титровании пробы щелочью (рН8,2-8,4) в присутствии индикатора фенолфталеина:

Н₂СО₃+ ОН=НСО₃+ Н₂0; (1.1)

Н₂СО₃+ СО₃= 2НСО₃ (1.2)

Для определения гидрокарбонатных и карбонатных ионов используется их взаимодействие с сильной кислотой в результате чего образуется Н₂С0₃, которая распадается на С0₂и Н₂0. [12]

Метод предусматривает добавление избытка соляной кислоты (до рН-3), удаление образующегося диоксида углерода и последующее оттитровывание избытка кислоты раствором буры Na₂B₄0₇ в присутствии смешанного индикатора метилового красного - метиленового голубого.

Титрование окислителями и восстановителями применяется в основном при определении растворенного кислорода и окисляемости. Определение растворенного кислорода основано на взаимодействии гидроксида марганца с растворенным в воде кислородом, в результате чего образуется нерастворимое соединение четырехвалентного марганца коричневого цвета. При подкислении раствора в присутствии избытка йодистого калия образуется йод, количество которого эквивалентно содержанию растворенного кислорода и учитывается титрованием раствора тиосульфата:

Mg+2OH= Mn(OH)₂ (1.3)

2Mn(OH)₂+O₂= 2MnO(OH)₂ (коричневый) (1.4)

2Mn(OH)₂+4H+3I = Mn+I₃+3H₂O (1.5)

I₃+2S₂O₃= 3I+S₄0 (1.6)

Определение бихроматной окисляемости основано на окислении органических веществ бихроматом калия в кислой среде (в присутствии катализатора), избыток которого титруют раствором железо-аммонийных квасцов.

Методы осаждения используются при определении сульфатов и хлоридов. Метод определения сульфатов основан на их взаимодействии с солями свинца, в результате чего образуется слаборастворимый осадок PbS0₄в присутствии индикатора дитизона. В эквивалентной точке окраска индикатора изменяется из сине-зеленой в красно-фиолетовую.

Метод определения хлоридов основан на малой растворимости хлорида серебра AgCl, который выпадает из раствора при добавлении нитрата серебра AgN0₃к воде, содержащей хлоридные ионы:

Ag+CI=AgCl (белый осадок) (1.7)

После полного осаждения хлоридов избыток ионов серебра вступает в реакцию с ионами хромовой кислоты, которую добавляют как индикатор. При этом образуется осадок хромата серебра красного цвета.

Примерами титрования с образованием комплексов могут служить реакции взаимодействия ионов кальция и магния с трилоном Б, с которым эти ионы образуют малодиссоциироваиные комплексы.

Электрохимические методы. Группа электрохимических методов основана на измерении электрохимических свойств компонентов - окислительного потенциала, электрической проводимости, силы полярографического тока. Основные достоинства этих методов - простота выполнения определений, легкость автоматизации, низший предел обнаружения 10¹⁵ - 10⁷%, невысокая погрешность (0,5-5%). [12]

Потенциометрический метод анализа основан на измерении потенциала электрода, изменяющегося в результате химических реакций и зависящего от температуры и концентрации анализируемого раствора. Использование ионселективных электродов, выпускаемых отечественной промышленностью, позволило значительно расширить возможности практического применения метода в аналитическом контроле вод (рН, ионы натрия, кальция, магния, аммония, фториды, хлориды, нитраты и т.д.).

Метод титрования, при котором точку эквивалентности устанавливают по резкому скачку потенциала электрода, погруженного в анализируемый раствор, называют потенциометрическим титрованием. Этот метод преследует чисто прикладную цель количественного определения данного вещества в растворе путем его титрования стандартным раствором соответствующего реагента. При титровании в исследуемый раствор опускают индикаторный электрод, возникновение потенциала на котором обусловливается определяемым веществом непосредственно (если оно электроактивно) или косвенно (если оно неэлектроактивно) в результате химической реакции. В процессе данного взаимодействия за изменением концентрации определяемого вещества следят по изменению потенциала индикаторного электрода.

Для обнаружения скачка потенциала в конечной точке титрования применяются расчетные и графические способы. Первый способ основан на проведении ориентировочного титрования равномерными большими порциями стандартного раствора. Второй способ заключается в построении кривой титрования и нахождении точки перегиба.

Метод потенциометрического титрования используется при определении широкого круга ионов, входящих в состав природных вод в относительно высоких концентрациях: гидрокарбонатов, сульфатов, органических кислот и др. Анализ можно проводить в окрашенных и мутных водах.

Кондуктометрический метод основан на измерении электропроводимости анализируемых растворов электролитов, обусловленной движением ионов под действием электрического тока. Значение электрической проводимости зависит от природы электролита, его температуры и концентрации раствора. В гидрохимии кондуктометрический метод используется при определении общей минерализации.

Полярографический метод основан на измерении тока, изменяющегося в зависимости от напряжения в процессе электролиза, в условиях, когда один из электродов (катод) имеет очень малую поверхность (поляризующийся электрод), а другой (анод) - большую (неполяризующийся электрод). Поляризующимся катодом в классическом варианте являются капли ртути, вытекающие из тонкого отверстия капиллярной трубки. В настоящее время широкое распространение получили катоды: платиновый (вращающийся), графитовый, серебряный, стеклоуглеродный и др. Неполяризующимся анодом является «донная» ртуть или стандартные электроды сравнения с большой поверхностью. Ток, при котором достигается полный разряд всех ионов анализируемого вещества, поступающих в приэлектродное пространство вследствие диффузии, называется предельным диффузионным током.

Различные варианты полярографического метода нашли широкое распространение, главным образом в определении содержания ряда металлов (Си, Zn, Pb, Cd, Ni и др.) в природных водах.

Оптические методы. В основе метода лежит способность всех веществ поглощать лучистую энергию в виде квантов, соответствующих определенным длинам волн. Для количественной оценки концентрации веществ используются линии, или полосы, поглощения, располагающиеся в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной областях спектра.

Спектрофотометрический и фотометрический методы основаны на законе Бугера-Ламберта-Бэра, устанавливающем зависимость между оптической плотностью исследуемого вещества, его концентрацией и толщиной слоя раствора вещества:

D= lg(I₀/I) = еCl (1.8)

где I- интенсивность света, прошедшего через раствор; I₀- интенсивность падающего на раствор света; е - молярный коэффициент поглощения; С - концентрация поглощающего вещества, моль/л; l - толщина слоя светопоглощающего раствора.

Выполнение определения данным методом включает две основные процедуры: переведение исследуемого компонента в соединение, поглощающее свет, и нахождение его концентрации путем измерения светопоглощения раствора. В зависимости от технических условий концентрацию раствора можно определять:

визуально - путем сравнения цвета и интенсивности окраски исследуемого раствора с цветом и интенсивностью окраски стандартного раствора; этот способ называется колориметрическим и в настоящее время применяется крайне редко;

с помощью прибора, который снабжен фотоприемниками (фото-электроколориметрами), превращающими световую энергию в электрическую, и светофильтрами, выделяющими определенную узкую область спектра; этот способ имеет существенные преимущества перед колориметрическим, поскольку является объективным и не зависит от особенностей зрения наблюдателя, проводящего визуальное сравнение;

спектрофотометрически - с помощью прибора, когда измерения проводят при оптимальной длине волны; в этом случае значительно повышается чувствительность определения.

Спектрофотометрический метод включает измерение светопоглощения по спектру падающего излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра при строго определенной длине волны, которая соответствует максимуму кривой поглощения исследуемого вещества.

Фотометрический метод основан на определении спектра поглощения или измерении светопоглощения в видимом участке спектра. В отличие от светофотометрического, в фотометрическом методе используют световое излучение, пропущенное через широкополосные светофильтры.

Концентрацию компонента при фотометрическом и спектрофо-тометрическом определении находят по градуировочному графику.

Достоинствами методов являются их низкий предел обнаружения (массовая доля 10⁵-10~^8%), возможность использования для определения широкого круга веществ; погрешность метода составляет 15-20%. [12]

В настоящее время фотометрические и спектрофотометрические методы используются при определении соединений биогенных элементов, основных групп загрязняющих веществ: фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов, жиров и специфических веществ: ксантогенатов, сероводорода, цианидов, метилового спирта, фторидов и т.д.

Люминесцентный метод основан на способности некоторых веществ при определенных условиях поглощать энергию и при переходе из возбужденного состояния в нормальное отдавать часть ее в виде лучистой энергии. Для возбуждения люминесценции обычно используют ультрафиолетовую или фиолетовую часть спектра. Определение концентрации веществ основано на измерении интенсивности люминесценции.

Преимуществами люминесцентного метода являются его очень низкий предел обнаружения (массовая доля 10^15%), быстрота определения, широкий круг анализируемых веществ.

В анализе природных вод люминесцентный метод используется для определения смолистых компонентов нефти, полициклических ароматических углеводородов, органических кислот, гумусовых веществ и других веществ естественного происхождения.

Методы эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии получили распространение в анализе тяжелых металлов. Они основаны на регистрации спектров излучения (фотографически) или спектров поглощения (фотоэлектрически).

О концентрации определяемых металлов судят по изменению интенсивности светового потока на спектральных линиях этих металлов.

Для группового определения тяжелых металлов в водах до сих пор в ряде случаев используется эмиссионный спектральный анализ. Метод основан на концентрировании и извлечении металлов хлороформом в виде их комплексов с диэтилдитиокарбаматом и 8-оксихинолином и последующем спектрографическом определении. Обычно сжигание производится в электрической дуге спектрографа, последующая расшифровка спектров - на микрофотометре.

Метод пламенной фотометрии - частный случай эмиссионной спектроскопии - заключается в следующем. Исследуемая проба с помощью распылителя вводится в виде мелких брызг в пламя горелки, которая работает на смеси горючих газов. В пламени атомы металлов, содержащихся в пробе, возбуждаются, а затем, переходя обратно из возбужденного в нормальное состояние, излучают свет определенных длин волн. Для каждого металла выделяются так называемые аналитические линии, по интенсивности которых судят о концентрациях исследуемых металлов. В гидрохимии этот метод наиболее часто применяют для определения натрия и калия, используя аналитические линии соответственно 589 и 768 нм. [23]

Наиболее перспективным, простым и селективным является атомно-абсорбционный метод. По точности и чувствительности этот метод превосходит многие другие. На результаты анализа практически не влияют посторонние вещества, поэтому отпадает необходимость трудоемкой подготовки пробы и применения методов предварительного разделения.

Фотохимические методы. Фотохимические реакции находят разнообразное применение в аналитической химии. Использование этих реакций в анализе природных вод основано на способности ультрафиолетового (УФ) излучения полностью разлагать органические соединения, содержащиеся в воде.

Установлено, что под действием УФ-излучения в минеральные формы переходят все элементы, способные содержаться в составе органических веществ. Так, углерод переходит в диоксид углерода, фосфор - в фосфаты, азот - в смесь нитритов и нитратов; образующиеся минеральные формы могут быть легко определены количественно существующими методами. Это дает возможность проводить анализ элементного состава органических веществ, не разделяя их на индивидуальные соединения. В гидрохимии фотохимические методы используются для определения органического углерода, органического азота, а также при определении органических форм галогенов, серы и органоминеральных соединений металлов.

Хроматографические методы. Хроматографические методы получили широкое распространение и используются для разделения жидких и газообразных смесей органических веществ, содержащихся в природных водах. Они основаны на различном распределении компонентов смеси между двумя фазами - подвижной и неподвижной.

В самом общем виде хроматографическая система - это сорбент, содержащий неподвижную фазу (или являющийся ею), через который пропускается подвижная фаза. На верху хроматографической системы находится исследуемая проба. По мере пропускания подвижной фазы одни компоненты смеси, более растворимые в ней, увлекаются и идут быстрее, другие, распределяющиеся в неподвижной фазе, отстают. Так происходит разделение компонентов смеси на отдельные хроматографические зоны.

В зависимости от агрегатного состояния исследуемого вещества (газ или жидкость), природы сорбента (твердое вещество или жидкость) и характера взаимодействия между сорбентом и разделяемыми компонентами хроматография делится на несколько видов

В зависимости от способа размещения неподвижной фазы различают варианты тонкослойной и колоночной хроматографии.

В тонкослойной хроматографии порошкообразный твердый сорбент (неподвижная фаза) наносят тонким слоем на пластинку, а жидкая фаза движется вдоль этого слоя под действием капиллярных сил. Тонкослойная хроматография является простым и быстрым методом анализа и в гидрохимии используется при определении нефтепродуктов, полициклических ароматических углеводородов, жиров, органических кислот и других веществ. Наиболее распространенным является вариант колоночной хроматографии с использованием хроматографа.

В зависимости от реализации хроматографического процесса колоночную хроматографию разделяют на жидкостную (в том числе высокоэффективную) и газовую. Преимуществом жидкостной хроматографии является возможность использования практически любых веществ без ограничений по их физико-химическим свойствам. Использование техники высокого давления и чувствительных детекторов в высокоэффективной жидкостной хроматографии существенно повысило эффективность разделения и чувствительность.

Основными видами жидкостной хроматографии являются адсорбционная, распределительная, ионообменная и гельхроматография.

Сущность адсорбционной жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанном на их различной адсорбции из раствора твердым сорбентом при прохождении потока подвижной фазы через колонку. В качестве сорбентов используются силикагель, оксид алюминия, активированный уголь, кизельгур и др.

В распределительной жидкостной хроматографии разделение компонентов происходит вследствие различного распределения молекул веществ между двумя жидкими фазами - неподвижной и подвижной. Колонка состоит из инертного сорбента, играющего роль носителя, на котором сорбируется неподвижная фаза. Подвижная фаза протекает через колонку. При этом происходит перераспределение компонентов смеси между неподвижной и подвижной фазами вследствие их различного сродства к ним. Обычно неподвижной фазой являются полярные соединения (вода, минеральные кислоты), подвижной фазой - значительно менее полярные соединения (органические растворители). Подвижная и неподвижная фазы не должны смешиваться между собой. В гидрохимии этот вид хроматографии используется в основном при разделении органических кислот.

В ионообменной жидкостной хроматографии используются специальные ионообменные сорбенты - иониты, которые способны обменивать в эквивалентных количествах находящиеся в их составе подвижные ионы на другие ионы, содержащиеся в растворе. Ионообменная хроматография используется при отделении аминокислот, сахаров и органических кислот от других соединений, содержащихся в воде.

Гель-хроматография - сравнительно новый метод хроматографии. Разделение в гель-хроматографии основано на различной степени проникновения молекул разделяемых веществ в гель (неподвижную фазу) и обусловлено размерами этих молекул. В процессе разделения небольшие молекулы попадают в сетку полимера и удерживаются в ней, в то время как большие молекулы вымываются из колонки. Носителями в гель-хроматографии являются сефадексы, биогели, другие полимеры и макропористые стекла, способные набухать в воде либо в органических растворителях. Гель-хроматография используется в основном для отделения высокомолекулярных соединений с низкой относительной молекулярной массой, в частности гуминовых и фульвокислот, от других компонентов, содержащихся в природных водах.

Газовая хроматография служит для разделения летучих веществ. Метод основан на распределении вещества между двумя фазами, одна из которых неподвижная, а другая - газ, протекающий через неподвижную фазу. Если неподвижной фазой является твердое вещество (силикагель, активированный уголь и т.д.)» то такой вид хроматографии называется газоадсорбционной хроматографией. Если же неподвижная фаза - жидкость, нанесенная тонкой пленкой на поверхность сорбента, вариант хроматографии называется газожидкостной хроматографией. Сущность метода газовой хроматографии состоит в том, что компоненты смеси наносятся на колонку, где они селективно удерживаются неподвижной фазой, образуя в газе-носителе отдельные зоны, которые затем регистрируются детектором в виде сигналов, являющихся функцией времени. Обычно используют насадочные или капиллярные колонки. Насадочные колонки наполняют сорбентом; при использовании капиллярной колонки ее внутреннюю стенку покрывают слоем жидкости (неподвижная фаза) или пылью сорбента.

Газовая (особенно капиллярная газовая) хроматография является высокоинформативным методом анализа, который позволяет производить разделение сложных смесей веществ, содержащихся в малых количествах (10^-12-10^-9мг/мл) в течение нескольких минут. [12]

В гидрохимии метод газовой хроматографии нашел широкое применение при определении пестицидов, органических кислот, аминов и др.

1.2 Методы гидробиологических исследований

Как наука экологическая гидробиология изучает взаимодействие обитателей вод - гидробионтов, их популяций и сообществ - биоценозов друг с другом и с неживой природой. На первых этапах развития гидробиологии наибольшее внимание уделялось экологическому изучению особей отдельных видов. Такое аут(о) экологическое направление сохранилось и в современной гидробиологии, но уже занимает подчиненное положение. На первый план выдвинулись популяционные (демэкологические) и синэкологические (биоценологические) исследования - изучение популяций и биоценозов как надорганизменных форм жизни с характерными структурными и функциональными особенностями. Особенно интенсивно в современной гидробиологии изучаются водные экосистемы - элементарные субъединицы («ячейки») биосферы, представляющие собой единства биоценозов с их средой. Выдвижение на первый план биоценологических исследований резко усилило системный подход с использованием всех средств системного анализа.

Применительно к отдельным организмам гидробиология ограничивается анализом их взаимодействия с окружающей средой без рассмотрения морфологии и физиологии самих организмов, поскольку этим занимаются специальные науки. Иной подход потребовался к демэкологическим и синэкологическим исследованиям, поскольку специальных наук, изучающих морфологию и физиологию надорганизменных систем, нет. В соответствии с этим гидробиологи должны изучать не только взаимодействие популяций и биоценозов с окружающей средой, но также выяснять их структуру и внутрисистемные взаимосвязи. Изученность надорганизменных систем пока еще очень невелика, так как концепции уровней организации живой материи, представляющая собой крупнейшее завоевание современной биологии, достаточно четко сформировалась только в последнее время. Вместе с тем совершенно ясно, что главный путь к управлению живой природой лежит через познание закономерностей существования и взаимодействия надорганизменных систем, для чего необходимо их изучение в структурном и функциональном отношениях. По этой причине оно стало центральной задачей современной экологии и соответственно гидробиологии. Однако не исчезла необходимость и в экологическом изучении отдельных организмов как компонентов более сложных биологических систем. Это тем более справедливо, что для новых концепций в экологии, связанных с изучением надорганизменных систем, требуется много новых сведений аутэкологического характера.

В экологическом аспекте гидробиология изучает тот участок биосферы, который лежит в пределах водной оболочки Земли и может быть назван биогидросферой. Познание биогидросферы во всей полноте - задача не только гидробиологии, но и таких наук, как гидрология, гидрохимия, гидрофизика, гидрогеология и ряда других, с которыми она тесно контактирует. [5]

Особенно близко гидробиология соприкасается с океанологией и лимнологией - географическими дисциплинами, изучающими соответственно морские и континентальные водоемы. Анализируя внутриводоемные процессы, океанологи и лимнологи должны учитывать функциональные особенности живого компонента, т.е. располагать нужными экологическими (гидробиологическими) сведениями. В свою очередь для гидробиолога экологический анализ невозможен без знания многочисленных гидрологических характеристик, определяющих условия существования водных организмов, их функциональный облик, особенности их взаимодействия друг с другом и с неживым окружением. Однако, тесно контактируя с океанологией и лимнологией, гидробиология как наука - биологическая по своим целям и задачам - коренным образом отличается от этих дисциплин географического профиля.

Из биологических дисциплин наиболее тесно связаны с гидробиологией зоология, ботаника, микробиология, физиология и биогеография. Опираясь на них, гидробиолог получает представление о составе населения водоемов и ряд других сведений, используемых при экологическом анализе. В свою очередь развитие перечисленных биологических дисциплин в настоящее время невозможно без учета данных по экологии водного населения.

К основным методам гидробиологии относятся учет количества (концентрации) различных групп гидробионтов в пределах своего местообитания, оценка функциональной роли этих групп в экосистемах и моделирование экосистем с целью прогноза их состояния и управления ими. Учет численности и биомассы (суммарной массы) особей, с одной стороны, позволяет уточнить представления об их экологии. Например, сравнивая численность особей данного вида (возраста, состояния) на разных грунтах, можно видеть, какому из них и в какой степени отдается предпочтение; сходным образом можно выявить отношение особей к температуре, солености и другим факторам среды. С другой стороны, определяя численность и биомассу разных групп населения, судят о структуре популяций и биоценозов, динамике их состояния, локальной изменчивости. Наконец, данные о количестве тех или иных организмов необходимы для суммарной оценки их роли в различных экосистемных процессах.

Для количественного учета населения используют разнообразные приборы, обычно погружаемые в водоем с борта судна (дночерпатели, драги, планктонные сети, планктоночерпатели, батометры и др.). С их помощью облавливаются определенные участки воды или грунта, устанавливается видовой состав, численность и биомасса организмов, найденных в пробах, с последующим пересчетом на единицу площади или объем.

В ряде случаев для оценки количества организмов в водоемах используют биофизические и биохимические методы. Например, по концентрации хлорофилла и АТФ судят соответственно о количестве водорослей и бактерий; по спектральному составу выходящего из воды света (дистанционная спектроскопия) - о содержании хлорофилла. Подводные и надводные телевидение, фотографирование, эхолокация, а также визуальные наблюдения, выполненные с самолетов, подводных лодок, батискафов, с помощью аквалангов и в стационарных подводных лабораториях, дополняют арсенал средств, с помощью которых получают представление о концентрации и распределении водного населения, о структуре популяций и гидробиоценозов. В последнее время к перечисленным средствам добавляются и приобретают особую перспективность наблюдения из космоса, позволяющие почти одномоментно оценивать многие параметры состояния гидросферы и ее населения в целом.

Для оценки функциональной роли отдельных групп населения в экосистеме устанавливают их значение в трансформации веществ и энергии. С этой целью используют физиологические, микробиологические, биохимические, биофизические, токсикологические и многие другие методы. Для моделирования процессов взаимодействия между различными компонентами экосистем, прогноза их состояния и поведения в тех или иных возможных ситуациях применяют методы математики и системного анализа.

Основная задача гидробиологии - изучение экологических процессов в гидросфере в интересах ее освоения, нахождения тех форм отношения людей к водным экосистемам, при которых польза от экосистем была бы наибольшей, а вред - наименьшим. Биологические основы освоения гидросферы разрабатываются применительно к условиям комплексной эксплуатации водоемов, когда интересы различных форм водопользования и водопотребления тесно увязываются друг с другом в соответствии с перспективами наиболее рационального природопользования.

Из конкретных практических задач гидробиологии прежде всего можно назвать ту, которая связана с повышением биологической продуктивности водоемов, получением из них наибольшего количества биологического сырья. Вторая не менее важная задача гидробиологии - разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, поскольку потребность в ней с ростом цивилизации непрерывно увеличивается, а имеющиеся природные запасы истощаются, особенно в результате загрязнения водоемов.

Гидробиологи принимают участие в оптимизации экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод, для обеспечения космонавтики и в некоторых других целях. К исключительно важным задачам гидробиологии, приобретающим все большее значение, относится экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей. К этому же кругу задач относится гидробиологическая экспертиза, оценивающая значение вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних от недопустимых повреждений.

Общая гидробиология изучает биогидросферу в экологическом аспекте. Специфику экологии водоемов разного типа (морей, озер, рек и др.) рассматривает частная гидробиология. В прикладном аспекте выделяют гидробиологию продукционную (биологические основы повышения продуктивности водоемов), санитарную (участие в решении проблем чистой воды), техническую и навигационную (изучение биологических явлений в воде, с которыми необходимо считаться соответственно промышленности и навигации). В последнее время формируются новые разделы прикладной гидробиологии. В частности, один из них связан с выявлением состояния водных объектов и тенденцией их изменений под влиянием антропогенных воздействий, другой - с прогнозом изменений гидроэкосистем при гидростроительстве и экологической экспертизой проектов различных сооружений.

В связи с разработкой некоторых общих проблем в гидробиологии обособились отдельные направления, из которых главные - трофологическое (пищевые связи, биологическая трансформация веществ), энергетическое (поток энергии, ее биологическая трансформация), этологическое (поведение гидробионтов), токсикологическое (влияние токсикантов на гидробионтов и экосистемные процессы), радиологическое (вопросы, связанные с поступлением в водоемы радионуклидов), палеогидробиологическое (выявление исторических изменений водных экосистем) и ряд других.

Одно из наиболее молодых направлений гидробиологии - системное - представляет собой приложение общей теории систем и ее методов к водной экологии. Оно рассматривает общие проблемы организации биосистем в гидросфере, их поведение, самоорганизацию, саморегуляцию и управление, разрабатывает моделирование как специфический подход к изучению и описанию биосистем, прогнозу их состояния при изменениях окружающей среды. Помимо перечисленных направлений развиваются и некоторые другие, выдвигаемые запросами жизни и логикой развития науки.

Количественная обработка проб. Количественная обработка проб, которая заключается в подсчете количества организмов каждого вида по возможности по возрастным стадиям или размерным группам. Счетный метод довольно трудоемкий, но в то же время пока еще самый точный. При других методах (объемный, весовой, химический и т.д.) получаемые оценки носят суммарный характер. Значение самих организмов, отдельных видов как индикаторов различных свойств воды при этих методах совершенно не оценивается. Эта цель достигается лишь при счетном методе. При относительно «бедных» планктоном водах организмы зоопланктона подсчитываются целиком во всей пробе. Удобно использовать для этого камеру Богорова или кристаллизатор Цееба. Камера Богорова имеет вид стеклянной пластинки с желобом или с сообщающимися канавками, разделенными призматическими перегородками. Кристаллизатор Цееба представляет прямоугольную ванночку с бортиками. Дно ванночки с нижней стороны разграфлено параллельными линиями на полоски. Каждая полоска умещается в поле зрения бинокуляра с увеличением 4х8. Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с большим количеством организмов. Поэтому подсчет всех организмов в исследуемой пробе технически невозможен. Следует ограничиться подсчетом небольшой порции планктона с последующим пересчетом на всю пробу. Пробу доводят до определенного объема (25, 50, 100 см³) в зависимости от обилия планктона [5]. Чем чаще встречается организм в данной пробе, тем большее разбавление нужно применять для его подсчета. Напротив, немногочисленные организмы требуют приведения пробы к небольшому объему. Таким образом, в зависимости от частоты подсчитываемого организма пробу следует разбавлять или концентрировать. И.А. Киселев предложил разбавлять пробу в том случае, если количество просчитываемых организмов в порции более 1000, или сгущать ее, если количество организмов в порции менее 100. Проба зоопланктона выливается в мерный цилиндр. Если ее объем меньше нужного для подсчета, то пробу доливают чистой профильтрованной (лучше дистиллированной) водой. Если, напротив, требуется меньший объем, чем данная проба, то последнюю концентрируют. Производится это следующим образом. Пробу отстаивают до тех пор, пока практически весь планктон не осядет на дне сосуда, в течение 15-20 мин. Затем осторожно, чтобы не взмутить осадка, оттягивают с помощью резиновой груши излишек воды сифоном в виде стеклянной изогнутой трубки, входное отверстие которой (опущенное в пробу) затягивается частым газом (№70-77) Приставшие к газу организмы смываются дистиллированной водой с помощью пипетки. Приведенная к известному объему проба, выливается в круглодонную колбу и равномерно взбалтывается. С помощью штемпель-пипеток разных объемов (от 0,1 до 5 мл), не дав осесть организмам на дно, отбирают порцию пробы. Часть пробы, взятую штемпель-пипеткой, выливают в камеру Богорова и в ней просчитывают число организмов каждого вида. Эта операция проводится дважды, после чего всю пробу просматривают под бинокуляром в кристаллизаторе Цееба для определения и подсчета редких и крупных видов. В случае отсутствия штемпель-пипетки пользуются обычной градуированной пипеткой на 10 см³ с достаточно широким диаметром (желательно 10 мм), предварительно отрезав нижнюю оттянутую ее часть. Число организмов в порциях пересчитывается на весь объем пробы и записывается в специальную карточку. От определения количества организмов в пробе переходят к определению численности (количество организмов в 1 м³) зоопланктона. Если проба отобрана путем процеживания объема воды через сеть Апштейна [5], то расчет производится следующим образом:

Х = (1.9)

где х - количество организмов в 1 м³ воды, экз./м³; n - количество организмов в пробе, экз.; v - объем воды, процеженной через сеть, л.

Если отбор проб произведен количественной сетью Джеди [5], то прежде всего рассчитывают коэффициент планктонной сети (или множитель перевода на 1 м³) исходя из радиуса ее входного отверстия. Коэффициент сети рассчитывается следующим образом:

К = (1.10)

где s - площадь входного отверстия сети, см²; h - горизонт, слой облова, см.

Вычислив коэффициент сети при горизонте облова 0,1 м, находим коэффициенты при горизонтах 0 -2, 2-5, 5-10 м и т.д. простым делением значения К при горизонте облова 1 м соответственно на 2, 3, и 5.

Численность организмов N находится умножением количества организмов в пробе n на коэффициент сети К. Следующим этапом количественной обработки проб зоопланктона является получение данных по биомассе. Биомасса зоопланктона определяется умножением индивидуальной массы (веса) каждого организма на его численность. Однако следует учитывать, что длина и масса зоопланктеров одного и того же вида может значительно изменяться, в разных водоемах, различных климатических зонах, а также в зависимости от сезона. Поэтому желательно для каждого крупного водоема или по крайней мере для каждой географической области рассчитать свои массы для зоопланктонных организмов. Метод определения массы организмов путем непосредственного взвешивания очень трудоемок. Поэтому уже достаточно продолжительное время широко используется способ, основанный на расчетах, учитывающих соотношение между массой и длиной тела особи. Однако многочисленные данные, опубликованные в литературе, часто плохо согласуются между собой. Это объясняется недостаточностью материала и другими погрешностями методик. Е.В. Балушкина и Г.Г. Винберг [21] сопоставили и критически оцепили все содержащиеся в литературе уравнения и материалы, позволяющие по измерениям длины тела находить массу планктонных животных. В результате было предложено в качестве общего способа выражения зависимости между длиной и массой тела особи степенное уравнение

W= gl^b (1.11)

где l-длина тела организма, мм; W - масса тела, мг; g - масса тела, мг сырой массы при длине тела равной 1 мм; b - показатель степени. Промеры организмов осуществляются под бинокуляромпо возрастным стадиям: взрослые формы, молодь, яйценосные самки. Измеряются не менее 30 экземпляров каждого вида определенной стадии.

Индексы гидроэкологической оценки. Метод крупных таксонов широко применяется в практике гидробиологического мониторинга благодаря простоте вычислений, отсутствию трудоемких таксономических определений. Теоретическим обоснованием и условием универсальности метода является повсеместное распространение используемых таксонов в водоемах разных типов с разным уровнем загрязнения. Такими группами являются олигохеты и личинки хирономид.

В своих исследованиях Е.В. Балушкина [5] предложила оценивать загрязненность воды по соотношению численности представителей отдельных подсемейств хирономид с помощью индекса:

К= (1.12)

где: A_r, A_ch и A₀ - вспомогательные величины для подсемейств Tanypodinae, Chironomidae, Orthocladiinae.

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

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

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

Чтобы оценить состояние водоема по методу Вудивисса, нужно:

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

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

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