Гидробиологический мониторинг по общим показателям

Почти с самого начала изучения первичной продукции исследователи  различали «валовую первичную продукцию» (англ.: Gross Primary Production - GPP) и «чистую первичную продукцию» (англ.: Net Primary Production - NPP). Валовая продукция – это общее количество органического вещества, образованного организмом-продуцентом, а чистая продукция – это валовая продукция за вычетом трат самого продуцента на дыхание. Иными словами: NPP = GPP – R, где R – траты на дыхание. Реальный прирост массы продуцентов – это и есть чистая первичная продукция. Именно это вещество и может использоваться потребителями, именно оно и создает основу для поддержания всей трофической цепи.

В настоящее время  гидробиология не располагает безупречной  методикой измерения первичной продукции в водной среде и в системе допущений, принятых для расчета различных видов продукции, есть много неточностей, свидетельствующих о наличие практически непреодолимых трудностей, связанных с объективной сложностью природных экосистем. Вследствие этого, все получаемые оценки продукции следует считать приближенными и даже ориентировочными.

1. Кислородная модификация метода склянок

 

Первоначально, широко распространенным и традиционным методом определения  первичной продукции фитопланктона являлась кислородная модификация метода склянок. Кислородный метод определения первичной продукции (ПП) основан на измерении количества выделенного в процессе фотосинтеза кислорода, которое пропорционально образовавшемуся органическому веществу. Однако, следует учитывать, что, по-видимому, не существует строгих постоянных соотношений между образованием первичного органического вещества, потреблением углекислоты и выделением кислорода в процессе фотосинтеза. Повышение точности измерений количества поглощенной в процессе фотосинтеза углекислоты и выделенного кислорода не повышает надежности оценок ПП органического вещества, т.к. при пересчете значений регистрируемых показателей неопределенность стехиометрических соотношений в балансовом уравнении фотосинтеза не устраняется. Вместе с тем, использование одних и тех же модификаций скляночного метода для определения значений первичной продукции позволяло производить различного рода сопоставления продуктивности фитопланктона в различных районах Мирового океана и оценки состояния природных морских экосистем. В связи с вышеизложенным, значения ПП органического вещества чаще всего выражают в единицах кислорода или единицах углерода, при этом возможен перевод одних показателей в другие.

Однако следует сделать вывод, что кислородный метод измерений первичной продукции органического вещества менее чувствителен по сравнению с используемой практически повсеместно радиоуглеродной модификацией метода склянок. Тем не менее, он хорошо зарекомендовал себя для исследований проводимых мезо- и эвтрофных районах моря, однако в малопродуктивных (олиготрофных) зонах океана кислородный метод практически неприменим. К несомненным достоинствам этого метода следует также отнести возможность определения как чистой, так и валовой первичной продукции. При этом кислородная модификация метод склянок довольно проста и не требует специально оборудования.

 

2. Радиоуглеродный метод определения первичной продукции (модификация метода склянок)

 

Принцип определения  первичной продукции радиоуглеродным методом основан на допущении, согласно которому внесенный в склянки меченый углерод включается в процессы фотосинтеза органического вещества с той же скоростью , что и не меченный изотоп углерода С₁₄. В настоящее время радиоуглеродный метод является наиболее распространенным классическим методом определения первичной продукции (ПП) как в морях, так и в пресных водоемах. Полученная радиоуглеродным методом оценка ПП не может быть безоговорочно отнесена ни к валовой, ни к чистой продукции. Однако, установлено, что при краткосрочных экспозициях склянок (2-4 часа) радиоуглеродный метод дает значения продукции, близкие к валовой, а при длительных (12-24 часа) - близкие к чистой. Следует отметить, что экспозиция склянок в течение суток приемлема только в умеренных и холодных водах при очень низких уровнях фотосинтеза, в тропических и продуктивных водах экспозиция проб не должна превышать 6-10 часов. Определения первичной продукции радиоуглеродным методом осуществляется по стандартной схеме: отбор проб, добавление изотопа, экспозиция, фильтрация и определение радиоактивности фильтров.

В последние годы разработаны  и внедрены в практику работ электрохимические  методы определения кислорода в  воде для оценки ПП на основе погружаемых  датчиков. Однако повсеместное внедрения этих приборов в практику работ еще не произошло из-за высокой стоимости систем и отсутствия серийного выпуска отечественной аппаратуры.

 

3. Определение первичной  продукции и деструкции                    органического вещества

 

Отбор продукционно-деструкционных проб следует производить ежемесячно в течение вегетационного периода (с мая по октябрь). Перед работой склянки должны быть тщательно вымыты и высушены. В точке отбора проб измеряется прозрачность воды. Пробы отбираются батометром или ведром с разметочной веревкой до глубины утроенной прозрачности. Берется 1 л с каждого горизонта (горизонтов обычно 6 – через каждые 0,5 м от поверхностного слоя ). Глубина утроенной прозрачности соответствует нижней границе фотического слоя (в котором активно идет фотосинтез), где первичная продукция равна деструкции. Вода с каждого горизонта сливается в ведро по стенке для предотвращения ее насыщения кислородом из воздуха. Затем из смешанной воды заполняются три склянки. Склянки при заполнении должны быть погружены в воду, чтобы исключить попадание в них пузырьков воздуха. Две склянки оставляют на сутки в ведре, погруженном в воду в месте отбора пробы. Причем одну склянку подвешивают на поверхности ведра, чтобы она освещалась солнцем, а другую заворачивают в темный мешок и опускают на дно ведра – туда не должен проникать солнечный свет. В 3-й склянке проба сразу же фиксируется: добавляются поочередно 1 мл MnCl₂ и 1 мл щелочного раствора KI. Необходимо пользоваться разными пипетками. При этом в склянке происходит взаимодействие в щелочной среде гидроокиси марганца с растворенным в воде кислородом. На дне склянки образуется осадок из йода, количество которого эквивалентно содержанию растворенного в воде кислорода и учитывается титрованием раствора тиосульфата. Осадок должен отстояться не менее 10 минут, затем в склянку добавляют 5 мл раствора HCl для его растворения. При этом часть жидкости сливается через край, что не имеет значения для определения. Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. Осадок гидроксида марганца, выпавший в щелочной среде, растворяется, окисляет йодид-ион до йода, который окрашивает раствор в желтый цвет. Затем отбирают 50 мл раствора и переносят его в коническую колбу объемом 250 мл. Затем раствор титруют тиосульфатом натрия до светло-желтого цвета, непрерывно помешивая. Далее прибавляют 1 мл 0,5% раствора крахмала и продолжают титровать до исчезновения синей окраски.

Объем тиосульфата, пошедшего на титрование, записывают и далее рассчитывают кислород:

О₂=n*N*8*1000/50 (мг О₂/л сутки), где n – количество тиосульфата, пошедшего на титрование, N – нормальность тиосульфата с учетом поправки (нормальный раствор – раствор, 1л которого содержит 1 г-экв. растворенного в-ва – 1н.; г-экв. – количество граммов в-ва, присоединяющее 1г-атом водорода – 1.008г или 0,5г-атома кислорода – 8 г); 8 – эквивалентная масса кислорода, 1000 – пересчет на 1л пробы, 50 – объем раствора. По такой же схеме определяют содержание кислорода через сутки в светлой и темной склянках.

 

4. Расчёт первичной продукции и деструкции органического вещества.

 

 

Р_{первичная} = О_2св. – О_2т. * 0,75,    

(1)

 

где  Р - продукция, [мг орг. в-ва/л сутки],

0.75 - коэффициент пересчёта  из единицы измерения мг О₂/л сутки в единицу измерения мг орг. в-ва/л сутки,

 О_2св. – О_2т. - [мг О₂/л сутки].

 

D = О_2ист. – О_2т. * 0.75 ,

где D – деструкция.

(2)

 

Р_чистая = Р – D,

(3)

 

Р_{массовая} = Р * 0.7 * 3 ,

(4)

 

где 3 – коэффициент  прозрачности.

Поскольку источником углерода для автотрофных организмов служит, как правило диоксид углерода СО₂ , то первичную продукцию в настоящее время чаще всего оценивают в количестве углерода, связанного за определенное время наземной растительностью или океаническим (озёрным) фитопланктоном в расчете на единицу площади. В случае фитопланктона, характеризующегося высокой скоростью образования органического вещества в расчете на единицу биомассы, первичную продукцию оценивают для небольших промежутков времени, чаще всего для суток. Если же речь идет о наземной растительности, у которой скорость образования органического вещества в расчёте на единицу биомассы, существенно меньше, первичную продукцию оценивают за год, или за вегетационный сезон.

 

 

Заключение

Гидробиологические  показатели характеризуют качество воды как среды обитания живых  организмов, населяющих водоемы. Разные организмы обладают разной реакцией на воздействие загрязнителей. Это позволяет с помощью гидробиологических методов оценить степень загрязнения вод, а точнее, степень вредности для организмов совокупного действия всех присутствующих в воде загрязнителей.

Хлорофилл a - основной пигмент зеленых растений, в том числе одноклеточных водорослей (фитопланктона). Из нескольких десятков пигментов, содержащихся в фотосинтетическом аппарате водорослей, хлорофиллу a отведена важнейшая роль в процессе фотосинтеза. Информация о концентрации хлорофилла a и ее изменчивости в водном объекте служит критерием при оценке запасов биомассы фитопланктона и его

продукции, а также  индикатором загрязнения вод. Соотношение между концентрацией хлорофилла а и продуктами его превращений, а также другими пигментами (хлорофилл b, хлорофилл c₁ + c₂, каротиноиды) характеризуют физиологическое состояние водорослей.

Новообразование органического  вещества в водоеме — процесс, осуществляемый растительными организмами в результате их фотосинтетической деятельности. Уровень первичной продукции определяет общую трофность водоема, а также продукцию всех представителей водной экосистемы, начиная с зоопланктона и заканчивая рыбными ресурсами. Вследствие необходимости точного количественного определения первичной продукции возник целый ряд методов ее измерения (биогенный, кислородный, по концентрации CO2, хлорофильный, радиоуглеродный и т. д.). Практически все методы имеют один существенный недостаток — низкий уровень чувствительности. Исключением является радиоуглеродный метод, который в настоящее время принят как основной для определения первичной продукции в водоемах. В течение последних лет в эти методы внесено много существенных поправок, а также предложены различные модификации.

Гидробиологический мониторинг по деструкции органического вещества позволяет изучить пространственно временную динамику деструкции органического вещества планктона, оценить вклад фито-, бактерио- и зоопланктона как компонентов экосистемы в общий процесс дыхания, а также решить такие задачи, как:

• оценка вклада в деструкцию органического вещества составляющих планктона на основе экспериментальных и натурных исследований;

• сравнительный анализ различных методов расчета дыхания  составляющих планктонной биоты;

• исследовать пространственно - временную динамику деструкции органического вещества планктона;

• выявить факторы, оказывающие  наибольшее влияние на структурно функциональные характеристики планктонной биоты;

 

Список используемой литературы

1. ГОСТ 17.1.4.02−90 .
2. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. Под. ред. В.А.Абакумова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 318 с.
3. Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 228 с.
4. Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 232 с.
5. Общая гидробиология. Константинов А.С.. М.: Высшая школа, 1967. 490 с.
6. Гольд В.М., Гаевский Н.А., Григорьев Ю.С., Попельницкий В.А., Гехман А.В.. Теоретические основы и методы изучения флуоресценции хлорофилла: Учеб. пособие - Красноярск: изд-во КГУ, 1984. - 82 с.
7. А.К.Тыныбеков, Ж.Э. Куленбеков, М.С. Алиев. Экспериментальное измерение фитопланктона оз. Иссык-Куль. Международная научно-техническая конференция «Инновации в образовании, науке и технике». Известия КГТУ. №9. 2006. c. 89-93.

¹ Гольд В.М., Гаевский Н.А., Григорьев Ю.С., Попельницкий В.А., Гехман А.В.. Теоретические основы и методы изучения флуоресценции хлорофилла.

² Гольд В.М., Гаевский Н.А., Григорьев Ю.С., Попельницкий В.А., Гехман А.В.. Теоретические основы и методы изучения флуоресценции хлорофилла.

³ А.К.Тыныбеков, Ж.Э. Куленбеков, М.С. Алиев. Экспериментальное измерение фитопланктона оз. Иссык-Куль. Международная научно-техническая конференция «Инновации в образовании, науке и технике». Известия КГТУ. №9.