Биогенные вещества как фактор развития фитопланктона на примере новосибирского водохранилища

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный университет»

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Специализация «Химическое материаловедение»

 

ЗАДАНИЕ НА ПРЕДКВАЛИФИКАЦИОННУЮ ПРАКТИКУ

Студентки 5 курса Орловой Ольги Павловны

по теме Определение фотосинтетических пигментов в воде

1. Литературный  обзор. 5 недель (02.09 – 05.10.2013 г.)

Просмотр реферативных журналов 1977 – 2013 гг.

Просмотр периодических журналов по теме работы:

неорганическая химия, аналитическая химия.

Работа с учебниками, монографиями и другими научными изданиями.

Составление картотеки использованной литературы.

Завершение написания литературного обзора по теме (с разбивкой по разделам).

2. Экспериментальная  часть. 10 недель (07.10 – 14.12.2013 г.)

Инструктаж по ТБ.

Биогенные вещества как фактор развития фитопланктона на примере Новосибирского водохранилища.

Проведение пробных экспериментов.

3. Оформление отчета  по практике. 3 недели (16.12.2013 – 04.01.2014 г.)

4. Защита отчета  по практике (кафедра, 26.12.2013 г.)

 

Зав. кафедрой        В.А. Новоженов

Научные руководители       Е.Г. Ильина

                                                                                               В.В. Кириллов

Студент         О.П. Орлова

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Биогенные элементы - химические элементы, входящие в состав организмов и имеющие определённое биологическое значение. Прежде всего - это кислород (составляющий 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо и другие. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности. Успехи аналитической химии и спектрального анализа расширили перечень биогенных элементов: находят всё новые элементы, входящие в состав организмов в малых количествах (микроэлементы), и открывают биологическую роль многих из них. В.И. Вернадский считал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов в естественных условиях, вероятно, играют определенную физиологическую роль. Многие элементы имеют большое значение только для определённых групп живых существ. Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений - от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов. При нарушении поступления в организм того или иного биогенного элемента возникают различные заболевания и отклонения от нормальной жизнедеятельности.

Цель: изучить закономерности распределения и динамику концентраций биогенных веществ.

Задачи:

1. Проанализировать формы нахождения биологических веществ в природных водах.
2. Значение биогенных соединений в цикле развития фитопланктона.
3. Проанализировать содержание биогенных веществ в Новосибирском водохранилище:

А) Пространственная  неоднородность

Б) Сезонная динамика

4. Оценить трофический статус Новосибирского водохранилища по содержанию биогенных веществ.

 

 

 

 

 

 

1 биогенные элементы и их роль в жизни водоема

Биогенными веществами (биогенами) называются минеральные вещества, входящие в состав живых организмов и активно участвующие в их жизнедеятельности. К ним относятся соединения азота, фосфора, кремния, углерода и некоторых микроэлементов. В природные воды биогенные вещества поступают главным образом при распаде животных и растительных организмов, жизнедеятельность которых протекает в водной среде, с площади водосбора и со сточными водами. Концентрация биогенных веществ в природных водах обычно невелика и, как и режим биогенных веществ в водных объектах, сильно зависит от  температуры воды, которая определяет интенсивность жизнедеятельности организмов и процессы образования и разложения органических веществ [1].

На биологическую продуктивность отрицательно может повлиять как недостаток, так и избыток отдельных биогенных веществ. Находятся биогены в воде в виде ионов и коллоидов.

К числу основных биогенных компонентов, присутствующих в природных водах, относятся соединения азота и фосфора, которым принадлежит ведущая роль в развитии жизни в водоемах. Одновременно они служат одним из показателей загрязнения воды, а кроме того, некоторые из соединений этих элементов обладают токсичностью. Динамика концентрации азота и фосфора зависит от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в гидроэкосистемах.

Азот присутствует в природных водах в составе разнообразных неорганических и органических соединений. К числу первых относятся аммонийные (NH4+), нитритные (NO2–) и нитратные (NO3–) ионы. К органическим соединениям, в состав которых входит азот, относятся главным образом аминокислоты и белки тканей организмов и продукты их распада. Они могут находиться в воде, как в виде растворенных молекул, так и различных взвесей и коллоидов, которые образуются при биологических процессах и биохимическом распаде остатков микроорганизмов.

Процесс перехода сложных органических соединений азота в более простые неорганические формы называется регенерацией биогенных элементов. Конечным результатом этого процесса является образование аммиака, который в присутствии кислорода (т.е. в аэробных условиях) под действием бактерий превращается в нитриты и нитраты [2].

Данные реакции являются экзотермическими, и выделяемая при этом энергия используется бактериями для поддержания своей жизнедеятельности. Азот образующихся минеральных соединений может использоваться растениями для синтеза органических веществ за счет энергии, получаемой в процессе фотосинтеза. Цикл замыкается.

При недостатке кислорода (т.е. в анаэробных условиях) при участии бактерий протекает процесс денитрификации, в результате которого в атмосферу выделяется свободный газообразный азот, переходящий затем.

4 NO3– + 5С + 2Н2О = 2N2 + CO2 + 4HCO3–

В итоге содержание связанного азота в гидроэкосистеме уменьшается.

Минеральные соединения азота поступают в гидроэкосистему не только за счет процессов регенерации в самом водоеме, но и из окружающей водоем почвы и, в меньшей степени, с атмосферными осадками. В незагрязненных пресных водоемах они не накапливаются, а потребляются растениями. Как правило,концентрация нитратных ионов в поверхностных незагрязненных водах составляет примерно 1 мг/л.

Однако кроме указанных естественных источников все большее значение приобретает поступление в гидроэкосистемы соединений азота с промышленными и бытовыми сточными водами, а также в результате смыва минеральных удобрений. При этом соотношение между поступлением азота и потреблением его растительными организмами может нарушаться, и концентрация этого элемента в водоеме может существенно возрастать.

Растворенный фосфор в природных водах также присутствует в виде неорганических и органических соединений, и основным фактором, определяющим его концентрацию, является соотношение между разложением содержащей фосфор органики и включением минерального фосфора в состав органических соединений растениями за счет энергии фотосинтеза [3].

Неорганический фосфор присутствует в водоемах главным образом в виде Н2РО4– (кислые воды) и НРО42–(нейтральные и щелочные воды). Фосфаты активно потребляются фитопланктоном, фитобентосом и высшими водными растениями. В процессе деструкции органического вещества большая часть фосфатов, использованных растениями и животными, возвращается в воду.

Основным источником неорганического фосфора в природных водах являются различные формы фосфата кальция (апатита), которые широко распространены в изверженных и осадочных породах. В норме в природных водах фосфор содержится в малых количествах – сотые и десятые доли миллиграмма на литр. Повышение концентрации фосфора в воде может быть связано и с накоплением продуктов разложения органических веществ, и свидетельствовать о загрязнении водоема [4].

Таким образом, азот в форме нитратов и фосфор в форме фосфатов наряду с углеродом, кислородом и водородом относятся к элементам питания, необходимым для роста и развития растений. В небольших количествах им требуются также и другие элементы, в частности железо, медь и кальций.

Однако лимитирующими веществами фотосинтеза (т.е. веществами, количество которых в воде обычно ограничено) являются именно нитраты и фосфаты. В незагрязненных пресных водоемах фотосинтез обычно лимитируется нехваткой фосфатов, а в загрязненных водах лимитирующим веществом часто становятся нитраты.

С другой стороны, существенное увеличение содержания элементов питания в водоемах (эвтрофикация) приводит к неблагоприятным последствиям – бурному развитию водорослей и других водных растений, соответствующему уменьшению (за счет высокой интенсивности процессов дыхания), а в отдельных случаях и полному исчезновению кислорода, гибели рыбы и образованию массы гниющих органических веществ, разложение которых приводит к дальнейшему снижению содержания кислорода [5].

 

2 Формы нахождения биогенных веществ в природных водах 

Азот присутствует в природных водах в составе разнообразных неорганических и органических соединений. К числу первых относятся аммонийные (NH4+), нитритные (NO2–) и нитратные (NO3–) ионы. К органическим соединениям, в состав которых входит азот, относятся главным образом аминокислоты и белки тканей организмов и продукты их распада. Они могут находиться в воде, как в виде растворенных молекул, так и различных взвесей и коллоидов, которые образуются при биологических процессах и биохимическом распаде остатков микроорганизмов.

Из соединений азота для водоемов наиболее характерны нитраты, поскольку их воды хорошо аэрированы и нитритный ион и аммоний в таких условиях неустойчивы. В естественных условиях  и незагрязненных водах концентрация нитратов чаще всего колеблется в пределах десятых долей миллиграмма на литр [6].

Более высокие концентрации нитратов связаны с загрязнением. Особое значение при этом имеет поступление нитратов с удобряемых полей, на которые вносятся огромные количества минеральных азотистых удобрений. Значительные количества нитратов вносятся со сточными водами городов и промышленности. Богатые нитратными водами сточные канавы ухудшают качество воды в водоеме, стимулируя массовое развитие водной растительности (в первую очередь — сине-зеленых  водорослей)  и  ускоряя  эвтрофикацию  водоемов.  Концентрация нитрат иона в  питьевой воде не должна превышать 45 мг/л.

Концентрация нитратов сильно колеблется в одном и том же пункте. Минимальное их содержание наблюдается в вегетационный период (сотые доли миллиграмма на литр). Во время интенсивного развития водных растений нитраты почти полностью исчезают из воды. Осенью содержание нитратов начинает увеличиваться и достигает максимума зимой, когда при минимальном его потреблении происходит разложение органического вещества и переход азота из органических форм в минеральные. Весной происходит уменьшение концентрации нитратов вследствие усиления жизнедеятельности растений [7].

Нитритами  называются  соли  азотистой  кислоты.  Нитрит-анионы  являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих, органических соединений и содержат атомы азота в промежуточной степени окисления «+3». Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соединения в нитриты в аэробных условиях. Некоторые виды бактерий в процессе своей жизнедеятельности также могут восстанавливать нитраты до нитритов, однако это происходит уже в анаэробных условиях.

Концентрация нитритных ионов в речной воде обычно выражается сотыми долями миллиграмма на литр. Появляются нитриты в  конце лета и осенью.

Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. Поэтому наличие в анализируемой воде повышенного содержания нитритов свидетельствует  о загрязнении  воды, причем  с учетом частично прошедшей трансформацию азотистых соединений из одних форм в другие. Содержание нитрит – иона  в питьевой воде не должно превышать 3 мг/л.

Нитраты и нитриты в воде могут быть природного и антропогенного происхождения. Соединения природного происхождения не достигают, как правило,  опасных для здоровья концентраций. Они  являются санитарными показателями, отражающими динамику  процессов  естественного  самоочищения  водных  объектов  от  органического природного  загрязнения.  Основным  источником  нитратов  антропогенного  происхождения являются минеральные азотные удобрения на всех этапах их жизненного цикла - от производства до  применения. Второй  по  важности  источник - жидкие  отходы промышленных животноводческих  комплексов. В  процессе  образования  жидких  отходов азот находится  в  составе органических  комплексов, но  при  вынужденном длительном хранении он минерализуется до нитратов, концентрации которых могут быть очень высокими [8].

 Соединения аммония содержат  атом азота в  минимальной степени окисления «+3». Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота). По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Концентрация аммония в речных водах, так же как и нитритов, обычно колеблется в пределах сотых, десятых долей миллиграмма на литр. В загрязненных водах концентрация нитритов и аммония резко возрастает.  

В природных и сточных водах фосфор может присутствовать в разных видах. В растворенном состоянии (иногда говорят - в жидкой фазе анализируемой воды) он может находиться в виде ортофосфорной кислоты (Н3РО4) и ее анионов в виде мета -, пиро- и полифосфатов.  Кроме того, существуют разнообразные фосфорорганические соединения — нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфолипиды и другие, которые также могут присутствовать в воде, являясь продуктами жизнедеятельности или разложения животных и растительных организмов. К фосфорорганическим соединениям относятся также некоторые пестициды [9].