Свойства воды, как лимитирующего фактора в экосистеме

Выделяют следующие характеристики, важные для описания воды как лимитирующего фактора в экосистеме: соленость, реакция среды (рН), газовый состав, жесткость, доступная площадь водного зеркала и др.

Соленостью принято называть количество граммов солей, находящихся в одном литре морской воды и выражаемое в промилле (^о¤_оо). К числу наиболее растворенных в морях солей, по мере убывания, относятся хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, магния, калия и кальция. Моря имеют различную соленость, средняя величина которой составляет: Азовское – 14^о¤_оо, Черное – 18^о¤_оо, Средиземное -–28^о¤_оо, Мировой океан – 35^о¤_оо.

Пресной считается вода, имеющая минерализацию до 1000 мг/литр, что указывает на количество растворенных веществ в 1 литре воды. Минерализация может измеряться в частицах на миллион частиц воды (parts per million) – сокращенно ppm. К числу наиболее растворенных в пресных водоёмах, по мере убывания, относятся гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды кальция, натрия, магния, калия. Соотношение между единицами измерения мг/л и ppm считается: 1мг/л = 1ppm.

Водяной обмен для водных организмов (гидробионтов) тесным образом связан с солевым. Для всех гидробионтов характерно наличие проницаемых для воды покровов тела, поэтому различие в концентрации растворенных солей в водной среде и в клетках организма, создает осмотическое давление воды. Поток воды всегда направлен в сторону большей концентрации солей, то есть в сторону создания большего давления. Например, весной тополь для подачи воды в крону, создает давление до 30 атмосфер, при этом чешуйки почек лопаются и растущие листья имеют доступ к солнечному свету. Для создания такого осмотического потока корневая система тополя имеет большую концентрацию солей, чем почва.

Для поддержания необходимого осмотического равновесия между средой и организмом гидробионты тратят часть биологической энергии. Чем больше разница концентраций между организмом и средой, тем больше траты биологической энергии.

Свойство растворов различных концентраций создавать осмотическое давление можно использовать практически. В Норвегии уже запущена опытная электростанция, работающая на осмотическом давлении в устье реки, впадающей в море, т. е. на разнице концентраций морской и пресной воды.

рН – это показатель, характеризующий концентрацию свободных ионов водорода в воде. Для удобства введен специальный показатель, условно названный рН, по сути это десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, т.е. рН = -lg(Н⁺). Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н⁺ и ОН^-, образующихся при диссоциации воды. Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода по сравнению с ионами ОН^-, то вода будет иметь щелочную реакцию и значение рН>7. При повышенном содержании ионов Н ⁺ вода имеет кислую реакцию, при этом значение рН< 7. В чистой деминерализованной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга, в таких случаях вода нейтральна, и рН = 7.

Поэтому показатель рН воды – один из важнейших, определяющих её экологическое качество. В зависимости от величины рН, в экосистеме может изменяться скорость протекания биологических и химических процессов. Поэтому распространение и численность популяций существенно зависит от реакции почвы или водной среды.

В природных пресных водах рН обычно находится в пределах 6.5-8.5, в атмосферных осадках 4.6-6.1, в болотах 5.5-6.0, в морских водах 7.9-8.3 Выпадение "кислых дождей" вызывает закисление различных объектов окружающей среды. Сейчас проблема "кислых дождей" стала приобретать глобальный характер. Влияние закисления сводится к следующему. Снижение рН ниже 3, также как повышение выше 9, приводит к повреждению протоплазмы корней большинства сосудистых растений. Изменение рН в почве вызывает ухудшение условий питания: снижается доступность биогенных элементов для растений. Снижение рН до 4,0 - 4,5 в почве или донных осадках в водных экосистемах вызывает разложение глинистых пород (алюмосиликатов), вследствие чего среда становится токсичной из-за поступления в воду ионов алюминия (Al). Даже железо и марганец, необходимые для нормального роста и развития растений, при низких рН становятся токсичными вследствие перехода в ионную форму. Пределы устойчивости к закислению почвы у разных растений различны, но только немногие растения могут расти и размножаться при рН ниже 4,5. При высоких значениях рН, т. е. при подщелачивании, также создаются неблагоприятные условия для жизнедеятельности растений. В щелочных почвах железо, марганец, фосфаты присутствуют в виде малорастворимых соединений и плохо доступны для растений.

Для многих видов организмов, как бактерий, так и высших животных и растений, концентрация кислорода и двуокиси углерода, которые составляют в атмосферном воздухе 21 % и 0,03 % по объему соответственно, являются лимитирующими факторами. В водных экосистемах количество и состав газов, растворенных в воде, сильно варьирует. В водных объектах – озерах и водохранилищах, богатых органическим веществом – кислород становится фактором, лимитирующим процессы окисления, и тем самым приобретает первостепенную важность.

В воде содержится значительно меньше кислорода, чем в атмосферном воздухе. Растворимость кислорода в воде повышается с понижением температуры и снижается с повышением солености.

Общее количество кислорода в воде обеспечивается поступлением из двух источников: из атмосферного воздуха (путем диффузии) и из растений (как продукт фотосинтеза). Физический процесс диффузии из воздуха протекает медленно и зависит от ветра и движения воды, поступление кислорода при фотосинтезе определяется интенсивностью последнего и зависит прежде всего от освещенности и температуры воды. Вследствие этих причин количество кислорода, растворенного в воде, сильно изменяется в течение суток, в разные сезоны, а также отличается в различных физико-географических и климатических условиях.

Вода, поступающая из почвы в растения, почти полностью испаряется через поверхность листьев. Это явление называется транспирацией. Транспирация - уникальное явление в наземных экосистемах, играющее важную роль в энергетике экосистем. Рост растений существенно зависит от транспирации. Транспирация – это выделительная система растений, позволяющая им, избавится от избытка воды в виде росы, после использования необходимых для фотосинтеза солей. Роса – это лишенная растворимых веществ вода.

Жесткость водных экосистем обусловлена наличием в растворах двухвалентных катионов, в основном Са⁺² и Мg⁺² и измеряется в мг-экв/л.

В пресноводных экосистемах преобладают ионы кальция, образующие бикарбонатную жесткость. В морских экосистемах преобладают ионы магния, образующие хлоридную и сульфатную жесткость. Это происходит из-за поглощения морскими организмами растворенного кальция для создания скелетных и других образований (раковин, чешуи и др.)

Водные экосистемы также нуждаются в солнечном свете, от которого зависит фотосинтез. Количество света, проходящего в толщу воды, прямопропорционально зависит от площади поверхности водоёма. Зона фотосинтеза расположена до глубины 40 – 60 метров и зависит от прозрачности воды.

Происхождение гидросферы. В мантии и коре Земли воды в 25 раз больше, чем в гидросфере. Мантия содержит 5 – 7% связанной воды. После её дегазации (вулканическая деятельность), выветривании и выходе ювенильных вод из рассолов на дне океанов гидросфера может получать до 7% воды из недр планеты со скоростью 1 мм в 1000 лет (эндогенные воды) в виде водяного пара или в жидкой фазе. Суммарный объём такой, «изгнанной» из земных недр, воды может достигать 2-3 млд км³ за последние 60 млн. лет. При фотолизе, разложении молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излучения, земля теряет около 7,2 км³ в год.

Значение гидросферы в жизни биосферы огромно: в ней протекает основное количество химических реакций, обусловливающих производство биомассы и химическую очистку биосферы. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Сложнейшие реакции в животных и растительных организмах могут протекать только при наличии воды. Климат на Земле во многом зависит от водных пространств и содержания водяного пара в атмосфере. Вода представляет собой ресурс, относящийся ко всей экосистеме.

Климат на Земле зависит от атмосферной воды. Запас влаги в атмосфере (13 тыс км³) составляет всего 0,0005% от её общего количества в гидросфере. Легко плывущие по небу белые пушистые облака вовсе не являются невесомыми. Один км³ такого пуха содержит до 2000 т воды. По мнению российского академика Монина Андрея Сергеевича, если бы из атмосферы исчез весь её водяной пар, то планета остыла бы на 20^оС, а исчезни весь СО₂ – чуть больше чем на 7^оС.

Глобальный круговорот воды. Согласно современным представлениям, вода движется по четырем основным направлениям:

4) влагоперенос на суше (сток речных, поверхностных и подземных вод).

Продолжительность полного цикла в системе «океан – атмосфера», если его рассматривать как отношение объёма воды в Мировом к скорости его испарения с поверхности, составляет 4000 лет.

Если океану прекратить годовой сток пресной воды (осадки и с суши), то за это время его уровень мог бы снизится чуть более 1м. Во влагообмене участвует 517 – 577 тыс. км³. С поверхности океана испаряется воды в 7 раз больше, чем с суши, а осадков выпадает только в 4 раза больше.

За 40 дней весь поверхностный пятисотметровый слой воды в океане проходит через фильтрационный аппарат планктона, а в течение года вся вода в океане очищается планктоном. Концентрация растворенных в морской воде солей составляет около 3,5 %, причем по химическому составу на 99,9 % это десять ионов: натрий, калий, хлор, бром, фтор, магний, кобальт и др. Соотношение главных ионов на протяжении миллионов лет остается постоянным, несмотря на непрерывный обмен веществ между океаном и сушей.

Источниками централизованного водоснабжения являются поверхностные воды, доля которых в общем объёме водозабора составляет 68 %, и подземные воды – 32 %.

Вода составляет основную массу организмов животных и растений. Ткани большинства живых организмов на 50 - 80 % состоят из воды. У ряда организмов содержание воды еще выше: в теле медузы, например, содержится около 95 % воды, в тканях моллюсков - 92 %. Внутренняя среда практически всех известных организмов является водной, и все обменные процессы протекают именно здесь.

Водный обмен протекает в двух направлениях: поступление воды в организм и выделение воды из организма.

У высших растений он представляет собой насасывание воды из почвы корневой системой, проведение ее вместе с растворенными веществами к отдельным органам и клеткам и выведение путем транспирации. В водном обмене у высших растений около 5 % воды используется в ходе фотосинтеза, остальная часть идет на компенсацию испарения и поддержание осмотического давления.

Животные получают воду в виде питья и с пищей. Выводится вода с мочой и экскрементами, а также путем испарения. Многие организмы способны получать и отдавать воду через кожные покровы или специализированные участки кожи. В наземных экосистемах это многие растения, беспозвоночные животные, амфибии, получающие влагу из росы, тумана, дождя. В водных экосистемах этой способностью обладают практически все организмы.

7.3 Источники и виды загрязнений водных ресурсов. Промышленные загрязнения

Основная причина загрязнения водных бассейнов – сброс в водоемы неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными предприятиями, коммунальным и сельским хозяйством.

Если город, например, потребляет в день 600 тыс. м³ воды, то он дает около 500 тыс. м³ сточных вод. Нерациональное ведение сельского хозяйства также способствует загрязнению водных источников. Остатки удобрений и ядохимикатов, вымываемые из почвы, попадают в водоемы и загрязняют их.

Загрязнения, поступающие в сточные воды, условно можно разделить на несколько групп:

По физическому состоянию выделяют нерастворимые, коллоидные и растворенные примеси. По своей природе загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные загрязнения обычно представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворами кислот, щелочей и другими веществами.

Органические загрязнения, в свою очередь, подразделяются по происхождению на растительные и животные. Растительные органические загрязнения представляют собой остатки растений, бумаги, растительное масло и др. Загрязнения животного происхождения – это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества и др.

К бактериальным и биологическим загрязнениям относятся различные микроорганизмы, в частности дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии (как сапрофиты, так и патогенные формы). Бактериальное и биологическое загрязнение свойственно главным образом бытовым сточным водам и стокам некоторых промышленных предприятий. Среди последних необходимо указать на бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности и др.

Основными источниками загрязнения водоёмов служат предприятия чёрной и цветной металлургии, химической и нефтехимической, целлюлозно-бумажной, лёгкой промышленности.

Увеличения расходования воды промышленностью связано не только с быстрым ростом последней, но и с ростом водоёмкости производства, то есть увеличение расхода воды на единицу продукции.

Так на производство 1 тонны хлопчатобумажной ткани фабрики расходуют около 250 м³ воды, а на производство 1 тонны синтетического волокна – 2590 – 5000 м³. Много воды требуется химической промышленности и цветной металлургии: на производство 1 т аммиака затрачивается 1000 м³ воды, синтетического каучука – 2000 м³, никеля – 4000 м³, меди – 500 м³, пластмассы – 500-1000 м³. Для сравнения: на выплавку 1 т чугуна тратится 180 – 200 м³ воды. На выплавку 1 т стали – 150 м³ воды, на производство 1 т проката – 10-15 м³ воды, нефти – 20 м³.

Чёрная металлургия. Объём сбрасываемых сточных вод составляет около 12 млрд. м³, сброс загрязнённых сточных вод достиг 850 млн. м³. Так в России предприятия Магнитогорска, Липецка, Екатеринбурга, Челябинска, Череповца, Новокузнецка не обеспечивают нормативную очистку сточных вод.

Цветная металлургия. Объём сброса загрязнённых сточных вод превысил 537,6 млн. м³. Сточные воды загрязнены минеральными веществами, флетореагентами (цианизы, ксантогенаты), солями тяжёлых металлов (медь, свинец, цинк, никель, ртуть и другие), мышьяком, хлоридами и другими веществами.

Деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность. Главный источник образования сточных вод в отрасли – производство целлюлозы, базирующееся на сульфатном и сульфитном способах варки древесины и отбелки.

Нефтеперерабатывающая промышленность. В поверхностные водоёмы предприятиями отрасли было сброшено 543,9 млн. м³ сточных вод. В результате в водоёмы попали в значительном количестве нефтепродукты, сульфаты, хлориды, соединения азота, фенолы, соли тяжёлых металлов и др.

Химическая и нефтехимическая промышленность. В природные водные объекты сброшено за год 2467,9 млн. м³ сточных вод, вместе с которыми в водоём попали нефтепродукты, взвешенные вещества, азот общий, азот аммонийный, нитраты, хлориды, сульфаты, фосфор общий, цианиды, роданиды, кадмий, кобальт, марганец, медь, никель, ртуть, свинец, хром, цинк, сероводород, сероуглерод, спирты, бензол, формальдегид, фурфурол, фенолы, поверхностно-активные вещества, карбамиды, пестициды, полуфабрикаты.

Машиностроение. Сброс сточных вод травильных и гальванических цехов предприятий этой отрасли, например, в 1993 году составил 2,03 млрд. м³, в том числе загрязнённых – 0,95 млрд. м³, в первую очередь нефтепродуктами, сульфатами, хлоридами, взвешенными веществами, цианидами, соединениями азота, солями железа, меди, цинка, никеля, хрома, молибдена, фосфора, кадмия.

Лёгкая промышленность. Основное загрязнение водоёмов происходит от текстильного производства и процесса дубления кож. В сточных водах текстильной промышленности наличествуют взвешенные вещества, сульфаты, хлориды, соединения фосфора и азота, нитраты, синтетические поверхностно-активные вещества, железо, медь, цинк, никель, хром, свинец, фтор и другие. Кожевенное производство сбрасывает в водоёмы воду с высоким содержанием соединений азота, фенолов, синтетических поверхностно-активных веществ, жиров и масел, хрома, алюминия, сероводорода, метанола и фенальдегида.

Бытовые сточные воды – это вода из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц, бытовых помещений промышленных предприятий и др. В бытовых сточных водах органическое вещество составляет 58 %, минеральные вещества – 42 %.

Суда. Сточные воды с судов подразделяются на три группы: фановые, или фекальные; хозяйственно-бытовые, включающие стоки из камбузов, душей, прачечных; подслановые, или нефтесодержащие. Для фановых сточных вод характерно высокое бактериальное, а также органическое загрязнения (химическое потребление кислорода достигает 1,5–2 г/л). Объём этих вод сравнительно невелик – суточный сток их, например, на всех судах бассейна Волги не превышает
5-6 тыс. м3. Подслановые воды образуются в машинных отделениях и отличаются высоким содержанием нефтепродуктов. В последние годы водоёмы приняли многие и многие тысячи единиц маломерного флота (катера, лодки с подвесными моторами). Маломерный флот стал серьёзным загрязнителем водоёмов.

Нефть и нефтепродукты. К числу наиболее вредных химических загрязнений относятся нефть и нефтепродукты. Ежегодно в океан попадает более 10 млн. т нефти. Загрязняют поверхность танкеры, содействует загрязнению и утечка нефти при подводном бурении. В период между 1973-1984 годами в США Институтом охраны окружающей среды и энергетики отмечено до 12000 случаев загрязнения вод нефтью. В период между 1970-1982 годами в мире зарегистрировано 169 крупных аварий танкеров и 17000 второстепенных случаев разлития нефти.

Бытовые отходы. В моря и океаны через реки, непосредственно с суши, а также с судов и барж попадают жидкие и твёрдые бытовые отходы. Часть этих загрязнений оседает в прибрежной зоне, а часть под влиянием морских течений и ветра рассеивается в разных направлениях. Бытовые отходы опасны не только тем, что они являются переносчиками болезней человека (главным образом кишечной группы – брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что содержат значительное количество кислородопоглащающих веществ. Кислород поддерживает жизнь в море, он – необходимый элемент процесса разложения органических веществ, поступающих в водную среду. Коммунальные же отбросы, поступающие в воду в очень больших количествах, могут значительно снизить содержание растворённого кислорода.

Загрязнение вод суши. Загрязняющие вещества условно можно разделить на несколько групп. По физическому состоянию выделяют нерастворимые, коллоидные и растворённые примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Производство и широкое применение синтетических поверхностно-активных веществ (ПАВ), особенно в составе моющих средств, обусловило поступление их со сточными водами во многие водоёмы, в том числе источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. Наряду с ПАВ широко распространёнными химическими загрязнениями водоёмов являются пестициды, которые поступают в водоёмы с дождевыми и талыми водами, смывающими их с растений и почвы, при авиа- и наземной обработке сельскохозяйственных угодий и лесов и со стоками предприятий производящих их.

Реальную опасность экологическому равновесию в океане представляют следующие формы антропогенного воздействия: загрязнение акваторий; нарушение механизма воспроизводства морских организмов; отторжение берегового и акваториального пространства для хозяйственных целей.

Реки выносят в океан промышленные отходы, сточные воды, сельскохозяйственные удобрения. Водные пространства морей и океанов – конечные вместилища подавляющего большинства отходов. Морские воды загрязняются в результате захоронения различных отходов, удаления нечистот и мусора с кораблей, при исследовании дна морей и океанов и, особенно в результате различных аварий. В Тихий океан, например, сбрасывается ежегодно около 9 млн. т отходов, а в воды Атлантики – свыше 30 млн. т.

Не менее опасная ситуация наблюдается в России, например, в Москве-реке и Оке. У 100% выловленных рыб выявлены серьёзные генетические аномалии. Больше всего мутантов попадается в водах в районе Серпухова и Воскресенска. Рыбы здесь страдают не только циррозом печени и ожирением, но и болезнями глаз. По предварительным данным содержание токсинов в организме аномальных плотвы, лещей, и рыб других пород превышает норму в десятки и сотни раз.

Множество проблем накопилось в США и Канаде в связи с загрязнением Великих озёр. По заключению Национального исследовательского совета США и Королевского общества Канады, они аккумулируют в себе огромное количество токсичных химикатов. Учёные утверждают, что нужно 150 лет пить озёрную воду, чтобы получить ту дозу токсичных веществ, которую получают жители прибрежных районов, отведав только раз озёрной форели. Из десяти рыб выловленных в штате Мичиган и проверенных в лаборатории, девять оказались заражёнными токсичными веществами до такой степени, что не годились в пищу. У птиц и 16 видов хищных животных, обитающих в этом регионе, было обнаружено нарушение процесса воспроизводства, что привело к уменьшению популяций.

В марте 1995 года в Калифорнийском заливе (США) были обнаружены трупы 324 дельфинов и 8 китов. По мнению специалистов, одна из главных причин трагедии – загрязнённость водного бассейна отходами нефтехимии и другими токсичными веществами, сбрасываемыми промышленностью США и Мексики.

1 т нефти способна покрыть до 12 км² поверхности моря. А нефтяная плёнка нарушает все физико-химические процессы: повышается температура поверхностного слоя воды, ухудшается газообмен, рыба уходит или погибает, но и осевшая на дно нефть долгое время вредит всему живому. Нарушается обмен океана с атмосферой: энергией, газами, теплом и влагой, в результате перестаёт размножаться планктон – основной продукт питания морских обитателей.

Не меньше чем нефть опасно загрязнение тяжелыми металлами. Французские исследователи установили, что дно Атлантического океана загрязнено попадающим с суши свинцом на расстоянии 160 км от берега и на глубине до 1610 м. Более высокая концентрация свинца в верхнем слое донных отложений, чем в более глубоких слоях, свидетельствуют о том, что это следствие человеческой деятельности, а не природных процессов.

Пестициды обнаружены в различных районах Балтийского, Северного, Ирландского морей, в Бискайском заливе, у западного побережья Англии, Исландии, Португалии, Испании. На основании анализа снежного покрова Антарктиды было определено, что на поверхности этого, весьма удалённого материка осело около 2300 тонн пестицидов, хотя они там никогда не применялись.

В моря и океаны через реки, непосредственно с суши, а также с судов и барж попадают жидкие и твердые бытовые отходы. Часть этих загрязнений оседает в прибрежной зоне, а часть под влиянием морских течений и ветра рассеивается в разных направлениях.

Бытовые отбросы очень опасны, так как являются переносчиками болезней человека: брюшного тифа, дизентерии, холеры. Они также содержат значительное количество кислород поглощающих веществ. Твердые бытовые отбросы являются причиной аварий в судоходстве, опутывая гребные винты судов, засоряя трубопроводы систем охлаждения двигателей. Известны случаи гибели крупных морских млекопитающих из-за механической закупорки легких кусками синтетической упаковки. Подсчитано, что в прибрежной зоне Гавайских островов, весьма посещаемых туристами мест, плавает несколько миллионов всякого рода пластмассовых пакетов.

Захоронение жидких и твердых радиоактивных отходов в море в 59-60-е годы осуществляли многие страны, имеющие атомный флот. В 1950-1992 гг. Советским Союзом в водах Ледовитого океана затоплены ядерные отходы суммарной активностью 2,5 млн. кюри - в том числе 15 реакторов и экранная сборка атомного ледокола «Ленин», 13 реакторов аварийных атомных подводных лодок (включая шесть с не выгруженным ядерным топливом). Великобритания затапливала радиоактивные отходы в Ирландском море, а Франция - в Северном.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: