Определение жесткости и щелочности воды.

Определение жесткости. В колбу вместимостью 250 см³ помещают первую часть пробы анализируемой воды объемом 100 см³, 5 см³ буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора хромового темно-синего или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора и титруют раствором трилона Б до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).

Вторую часть пробы объемом 100 см³ помещают в колбу вместимостью 250 см³, добавляют 5 см³ буферного раствора, от 5 до 7 капель раствора индикатора или от 0,05 до 0,1 г сухой смеси индикатора, добавляют раствор трилона Б, которого берут на 0,5 см³ меньше, чем пошло на первое титрование, быстро и тщательно перемешивают и титруют (дотитровывают) до изменения окраски в эквивалентной точке от винно-красной (красно-фиолетовой) до синей (сине-фиолетовой).

Обработка результатов определения. Жесткость воды Ж, °Ж (жесткость общая) вычисляют по формуле:

Ж = M·F·K·V_тp/V_np , (7)

где: М - коэффициент пересчета трилона Б, равный 2 С_тр, где С_тр - концентрация раствора трилона Б, моль/м³ (ммоль/дм³), (как правило М = 50);

F - множитель разбавления исходной пробы воды при консервировании (как правило F = 1);

К - коэффициент поправки к концентрации раствора трилона Б, вычисленный по формуле (1);

V_тр - объем раствора трилона Б, израсходованный на титрование, см³;

V_пр - объем пробы воды, взятой для анализа, см³.

За результат измерения принимают среднеарифметическое значение результатов двух определений. Приемлемость результатов определений оценивают исходя из условия:

|Ж₁ - Ж₂| ≤ r, (8)

где r - предел повторяемости (таблица 3);

Ж₁ и Ж₂ - результаты определений, °Ж (общая жесткость).

Если расхождение между двумя результатами превышает установленное значение, то определение жесткости воды повторяют.

Определение щелочности. Налить 100 мл анализируемой пробыв коническую колбу емкостью 250 мл.

Добавить в колбу 1...2 капли раствора фенолфталеина и взболтать

Таблица 3

жидкость, если после добавления указанного индикатора жидкость окрасилась в красный цвет, следу­ет приступить к титрованию раствором соляной кислоты.

Зафиксировать уровень раствора кислоты в бюретке.

Титровать жидкость раствором кислоты до ее обесцвечи­вания. Титрование вести при интенсивном и частом пе­ремешивании жидкости и капельном добавлении раствора кислоты в колбу.

Определить количество раствора кислоты, израсходован­ного из бюретки для титрования пробы по фенолфталеину - Ф, мл.

Ввести в колбу 2 капли раствора метилоранжа и взбол­тать жидкость.

Титровать жидкость раствором кислоты до перехода ок­раски от желтой к оранжевой (но не красной), добавляя в колбу раствор кислоты по каплям и хорошо взбал­тывая жидкость.

Определить количество раствора кислоты, израсходован­ного из бюретки для титрования пробы по метилоранжу - М, мл.

Вычислить общую щелочность пробы воды: количество израсходованного на титрование пробы раствора кислоты в мл (Ф+М) соответствует значению общей щелочности Щ_о (щелочность общая) воды в мг-экв/кг.

Вычислить значение бикарбонатной щелочности воды (Щ_б) по формуле:

, мг-экв/кг (9)

Оборудование и материалы:

Термометр спиртовой (электронный), рН-метр, химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, шрифт Снеллена, штативы, баня водяная.

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве воды и области её применения в водопользовании.

Литература:

1. РД 52.24.496-2005 Температура, прозрачность и запах поверхностных вод суши. Методика выполнения измерений. [Текст]. – Введ. 2005-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2005 – 6 с.

2. ГОСТ Р 52769-2007 Вода. Методы определения цветности. [Текст]. – Введ. 2009-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 7 с.

3. ГОСТ Р 52407-2005 Вода питьевая. Методы определения жесткости. [Текст]. – Введ. 2007-01-01. – М. : Стандартинформ, 2010 – 13 с.

4. ГОСТ Р 52963-2008 Вода. Методы определения щелочности и массовой концентрации карбонатов и гидрокарбонатов. [Текст]. – Введ. 2008-09-29. – М. : Стандартинформ, 2009 – 30 с.

5. ГОСТ 3351-74 Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. [Текст]. – Введ. 1975-07-01. – М. : Изд-во стандартов, 2003 – 6 с.

6. ГОСТ 18164-72 Вода питьевая. Метод определения сухого остатка [Текст]. – Введ. 1974-01-01. – М. : Изд-во стандартов, 1974 – 3 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Из огромного количества физико-химических факторов, влияющих на окружающую природную среду, сравнительно немногие имеют ведущее экологическое значение. К таким факторам прежде всего относятся физико-химические свойства воды, растворенные и взвешенные в ней вещества, а также загрязнение водоемов, вызванное деятельностью человека.

Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнедеятельность живых организмов. Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но и обеспечивает комфортную окружающую среду.

Температура воды - важнейший фактор, влияющий на протекающие в водоеме физические, химические, биохимические и биологические процессы, от которого в значительной мере зависят кислородный режим и интенсивность процессов самоочищения. Значения температуры используют для вычисления степени насыщения воды кислородом, различных форм щелочности, состояния карбонатно-кальциевой системы, при многих гидрохимических, гидробиологических, особенно лимнологических исследованиях, при изучении тепловых загрязнений.

Для измерения температуры используются ртутные, спиртовые и контактные электронные термометры.

Прозрачность (или светопропускание) природных вод обусловлена их цветом и мутностью, т.е. содержанием в них различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ.

Воду в зависимости от степени прозрачности условно подразделяют на прозрачную, слегка мутную, мутную, сильно мутную. Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в водоем белую пластину определенных размеров (диск Секи) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (как правило, шрифт средней жирности высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.

Ослабление интенсивности света с глубиной в мутной воде приводит к большему поглощению солнечной энергии вблизи поверхности. Появление более теплой воды у поверхности уменьшает перенос кислорода из воздуха в воду, снижает плотность воды, стабилизирует стратификацию. Уменьшение потока света также снижает эффективность фотосинтеза и биологическую продуктивность водоема.

Определение прозрачности воды – обязательный компонент программ наблюдений за состоянием водных объектов. Увеличение количества грубодисперсных примесей и мутности характерно для загрязненных и эвтрофных водоемов.

Запах - свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде

компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.

На запах воды оказывают влияние состав содержащихся в ней веществ, температура, значения рН, степень загрязненности водного объекта, биологическая обстановка, гидрологические условия и т.д.

Показателями запаха служат характер и его интенсивность которые определяются органолептически. Для определения запаха обычную пробирку наполняют исследуемой водой примерно на ¾ объёма, закрывают её корковой пробкой, несколько раз встряхивают, затем вынимают пробку и сразу определяют запах.

Вкус и привкус воды, их интенсивность и характер определяют органолептическим методом только для воды питьевого назначения при температурах около 20°.

Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами.

Характер вкуса или привкуса определяют ощущением воспринимаемого вкуса или привкуса (соленый, кислый, щелочной, металлический и т. д.).

Испытуемую воду набирают в рот малыми порциями, не проглатывая, задерживают 3-5 с.

Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20 ^оС и оценивают по пятибалльной системе (нет, очень слабая, слабая, заметная, отчетливая, очень сильная).

Факторами формирования рН являются содержание ионов водорода (гидроксония – H₃O+) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов:

CO₂ + H₂0 ⇔ H+HCO₃- ⇔ 2H+CO₃².

При диссоциации гидрокарбонатов Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂ также образуются ионы НСО₃-. Увеличение их концентрации ведет к увеличению рН вследствие гидролиза.

Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком:

pH = -lg[H+].

Для поверхностных вод, содержащих наибольшие количества двуокиси углерода, характерна слабо щелочная реакция. Изменения величины рН тесно связаны с процессами фотосинтеза (из-за потребления СО2 водной растительностью) и распада органических веществ.

Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, перегное и болотных водах.

Величина концентрации ионов водорода (рН) в речных водах обычно колеблется в пределах 6,0-6,5, океане 7,9-8,3 рН. рН воды шахт и рудников достигает иногда единицы, а содовых озер и термальных источников десяти. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина рН для большинства речных вод составляет 6,8-7,4, летом 7,4-8,2.

Сухой остаток характеризует содержание в воде нелетучих растворенных веществ (главным образом минеральных) и органических веществ, температура кипения которых превышает 105–110°С. Сухой остаток определяют гравиметрическим и расчетным методами. Перед определением сухого остатка

пробу необходимо фильтровать либо отстаивать для отделения от взвешенных веществ.

Основными ионами, определяющими сухой остаток,, являются карбонаты, бикарбонаты, хлориды, сульфаты, нитраты, натрий, калий, кальций, магний. Данный показатель влияет на другие показатели качества питьевой воды, такие как привкус, жесткость, коррозирующие свойства и тенденция к накипеобразованию.

Воду с сухим остатком свыше 1000 мг/л называют минерализованной, до 1000 мг/л – пресной. Воду, содержащую до 50 – 100 мг/л, считают слабоминерализованной (дистиллированная),100 – 300 мг/л–удовлетворительно минерализованной, 300 – 500 мг/л – оптимальной минерализации и 500 – 1000 мг/л – повышенно минерализованной. Минерализованной водой является морская, минеральная, пресной – речная, дождевая, вода ледников.

Цветность питьевой воды обусловлена содержанием органических и неорганических веществ природного и техногенного происхождения (гуминовые и фульвокислоты, трехвалентное железо, марганец и др.).

Цветность воды определяют визуально или фотометрически, сравнивая окраску пробы с окраской условной 1000-градусной шкалы цветности воды, приготавливаемой из смеси бихромата калия K₂Cr₂O₇ и сульфата кобальта CоSO₄. Для воды поверхностных водоемов этот показатель допускается не более 20 градусов по шкале цветности.

Если окраска воды не соответствует природному тону, а также при интенсивной естественной окраске, определяют высоту столба жидкости, при котором обнаруживается окраска, а также качественно характеризуют цвет воды. Соответствующая высота указанного столба воды не должна превышать: для воды водоемов хозяйственно-питьевого назначения – 20 см; культурно-бытового назначения – 10 см.

Мутность воды обусловлена содержанием взвешенных в воде мелкодисперсных примесей – нерастворимых или коллоидных частиц различного происхождения.

Мутность — это количественная мера света, рассеянного и поглощенного водой из-за присутствия в ней частиц суспензии.

Существует опасность перепутать мутность и окрашенность. Мутность — это недостаток прозрачности воды. Вода может быть сильно окрашенной, она даже может быть темно-коричневой, но все-таки прозрачной и не содержать частиц суспензии.

В России мутность воды определяют фотометрическим путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результат измерений выражают в мг/литр при использовании основной стандартной суспензии каолина или в ЕМ/литр (единицы мутности на литр) при использовании основной стандартной суспензии формазина. Последнюю единицу измерения называют также Единица Мутности по Формазину (ЕМФ) или в западной терминологии FTU (Formazine Turbidity Unit).

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Вода с большим содержанием солей называется жёсткой, с малым содержанием — мягкой.

Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленную гидрокарбонатами кальция и магния Са(НСО₃)₂; Mg(НСО₃)₂, и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO₄, CaCl2, MgSO4, MgCl2).

Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.

Щелочность воды (water alkalinity), мг-экв/л, определяется суммой содержа­щихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот — угольной, органических, а также бикарбонатных и карбонатных ионов.

Общая щелочность воды обычно определяется только анионами угольной кислоты (карбонатная щелочность). Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксид-ионы:

CO₃^2- + H₂O <=> HCO^3- + OH^-

HCO^3- + H₂O <=> H₂CO³ + OH^-

Щелочность определяется количеством сильной (соляной, серной) кислоты, необходимой для нейтрализации 1 дм3 воды. Щелочность большинства природных вод определяется только гидрокарбонатами кальция и магния, pH этих вод не превышает 8,3.

Лабораторная работа 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ БПК₅ СТОЧНЫХ ВОД

Время: 2-ч.

Цель работы: ознакомиться с методами определения биохимического потребления кислорода.

Перед выполнением работы необходимо изучить РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом, ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК_полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.

Порядок выполнения:

Метод определения биохимического потребления кислорода основан на способности микроорганизмов потреблять растворенный кислород при биохимическом окислении органических и неорганических веществ в воде.

Биохимическое потребление кислорода определяют количеством кислорода в мг/дм³, которое требуется для окисления находящихся в воде углеродосодержащих органических веществ, в аэробных условиях в результате биохимических процессов.

Определение БПК проводиться в некоторых стандартных условиях. В качестве таковых приняты следующие: продолжительность инкубации 5 сут., температура (20 +/- 1) °C, отсутствие доступа света и воздуха.

1. Определение начинают с заполнения и инкубации склянок. Если проба не содержит визуально заметного количества взвешенных веществ, 1,0 - 1,4 дм³, ее помещают в достаточно большую (2 дм³) колбу.

2. Устанавливают pH в пределах 6 - 8 по универсальной индикаторной бумаге добавлением раствора соляной кислоты или гидроксида натрия 1 моль/ дм³ и доводят температуру пробы до (20 +/- 1) °C, нагревая (при помощи водяной бани) или охлаждая ее (под струей водопроводной воды).

3. Энергично взбалтывают пробу не менее 10 мин., чтобы насытить ее кислородом. Насыщение пробы кислородом можно также осуществить, пропуская через нее воздух с помощью аквариумного микрокомпрессора. После завершения процедуры насыщения пробу следует оставить на 3 - 5 мин. для удаления избытка воздуха (до отсутствия поднимающихся к поверхности мелких пузырьков).

4. Если проба содержит грубую взвесь, ее наливают в склянку (лучше цилиндр) вместимостью не менее 1 дм³ и отстаивают 0,5 - 1 ч.

5. После отстаивания отбирают сифоном осветлившийся средний слой воды в колбу для насыщения кислородом. Если пробу отстаиванием в течение часа осветлить не удается, ее фильтруют через бумажный фильтр "белая лента". Всегда в результатах анализа следует указывать принятый способ предварительной обработки воды.

6. Подготовленную пробу наливают в 3 сухие кислородные склянки, заполняя их до края так, чтобы внутри склянки не образовывалось пузырьков. В одной из 3-х склянок сразу же фиксируют и определяют концентрацию растворенного кислорода. Время между аэрацией пробы и фиксированием кислорода при определении его концентрации не должно быть более 15 мин.
Две другие склянки закрывают, помещают пробками вниз в наполненную дистиллированной водой фотографическую кювету или кристаллизатор (гидрозатвор) и устанавливают в термостат. При использовании склянок БПК колпачок заполняется той же пробой. Склянки выдерживают при отсутствии доступа света в термостате при (20 +/- 1) °C в течение 5 сут. По истечении этого срока в инкубированных склянках определяют концентрацию неизрасходованного растворенного кислорода.

7. Сразу же после заполнения склянки (или после инкубации) фиксируют растворенный кислород, для чего в склянку с пробой воды вводят отдельными пипетками 1 см³ (при вместимости склянки до 150 см³) или 2 см³ (при вместимости более 150 см²) раствора хлорида (сульфата) марганца и 1 или 2 см³

щелочного раствора йодида калия (при вместимости склянки до 150 см³ и более 150 см³ соответственно).

Пипетку погружают каждый раз до половины склянки и поднимают вверх по мере истечения реактива из нее. Затем быстро закрывают склянку стеклянной пробкой таким образом, чтобы в ней не оставалось пузырьков воздуха, и содержимое тщательно перемешивают 15 – 20 - кратным переворачиванием склянки до равномерного распределения осадка в воде по всему объему склянки. Склянки с зафиксированным в них кислородом помещают в темное место для отстаивания (на время не менее 10 мин. и не более 24 ч).

8. После того, как опустившийся на дно осадок будет занимать менее половины высоты склянки, к пробе приливают 5 или 10 см³ (в зависимости от вместимости склянки) раствора соляной кислоты, погружая при этом пипетку до дна склянки к осадку (не взмучивать) и медленно поднимая ее вверх по мере опорожнения. Вытеснение из склянки части прозрачной жидкости для анализа значения не имеет.

Склянку закрывают пробкой и содержимое тщательно перемешивают. После полного растворения бурого осадка пипеткой с одной отметкой отбирают 50 см³ раствора, предварительно ополаскивая пипетку этим же раствором, переносят его в колбу для титрования и титруют раствором тиосульфата натрия из бюретки вместимостью 10 см³ до тех пор, пока он не станет светло-желтым. Затем прибавляют 1 см³ раствора крахмала и продолжают титрование до исчезновения синей окраски.
В склянках после инкубации повторяют определение растворенного кислорода, отбирая аликвоту из второй (следующей) склянки.

9. Вычисление и оформление результатов измерений БПК₅.

Массовую концентрацию растворенного в воде кислорода X, мг/ дм³, находят по формуле:

, (10)

где: C_m - концентрация раствора тиосульфата натрия, моль/дм³ КВЭ;

V_m - объем раствора тиосульфата натрия, пошедший на титрование, см³;

V - вместимость кислородной склянки, куб. см;

V₁ - суммарный объем растворов хлорида марганца и йодида калия,

добавленных в склянку при фиксации растворенного кислорода, см³;

М - молярная масса КВЭ кислорода, равная 8 мг/ммоль.

БПК ₅, мг/дм³, для неразбавленных проб (или потребление кислорода разбавляющей воды (БПК₅^р), мг/дм³) находят по формуле:

или (11)
где: Х_н - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) до инкубации, мг/дм³;

Х_к - массовая концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды (или разбавляющей воды) после 5 сут. инкубации, мг/дм³.

Биохимическое потребление кислорода БПК₅, мг/дм³, для подвергавшихся разбавлению проб находят по формуле:

(12)
где: Х_н - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды до инкубации, мг/дм³;

Х_к - концентрация растворенного кислорода в пробе анализируемой воды после 5 сут. инкубации, мг/дм³;

БПК₅ - биохимическое потребление кислорода в пробах разбавляющей воды, мг/дм³;

Р - степень разбавления пробы, равная 1000/V, где V – объем анализируемой воды в 1 дм³ смеси после разбавления пробы.

За результат БПК₅ принимают среднее арифметическое измерения в двух склянках, подвергавшихся инкубации, если расхождение между ними не превышает величины предела повторяемости.

Оборудование и материалы:

Химические реактивы, химическая посуда, дистиллированная вода, водяная баня, рН-метр (универсальная индикаторная бумага).

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о биохимической потребности кислорода.

Литература:

1. ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПК_полн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах.

2. РД 52.24.420-2006 Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Биологическое потребление кислорода (БПК) — количество кислорода, израсходованное на аэробное биохимическое окисление под действием микроорганизмов и разложение нестойких органических соединений, содержащихся в исследуемой воде.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями, претерпевая аэробное биохимическое окисление с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. В водоемах с большим содержанием органических веществ большая часть растворенного кислорода потребляется на биохимическое окисление, лишая таким образом кислорода другие организмы. При этом увеличивается количество организмов, более устойчивых к низкому содержанию растворенного кислорода, исчезают кислородолюбивые виды и появляются виды, терпимые к дефициту кислорода. Таким образом, в процессе

биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации растворенного кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.

Определение БПК основано на измерении концентрации растворенного кислорода в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Инкубацию пробы проводят без доступа воздуха в кислородной склянке (т.е. в той же посуде, где определяется значение растворенного кислорода) в течение времени, необходимого для протекания реакции биохимического окисления. Так как скорость биохимической реакции зависит от температуры, инкубацию проводят в режиме постоянной температуры (20±1)°С, причем от точности поддержания значения температуры зависит точность выполнения анализа на БПК.

Погрешность в определении БПК может внести также освещение пробы, влияющее на жизнедеятельность микроорганизмов и способное в некоторых случаях вызывать фотохимическое окисление. Поэтому инкубацию пробы проводят без доступа света (в темном месте).

Динамика биохимического потребления кислорода при окислении органических веществ в воде приведена на рис. 1.

Рис.1 Динамика биохимического потребления кислорода:

а – легкоокисляющиеся («биологически мягкие») вещества – сахара, формальдегид, спирты, фенолы и т.п.;

в – нормально окисляющиеся вещества – нафтолы, крезолы, анионогенные ПАВ, сульфанол и т.п.;

с – тяжело окисляющиеся («биологически жесткие») вещества – неионогенные ПАВ, гидрохинон и т.п.

Таким образом, БПК – количество кислорода в миллиграммах, требуемое для окисления находящихся в 1л воды органических веществ в аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов. Ориентировочно принимают, что БПК₅ составляет около 70% БПК_полн, но может составлять от 10 до 90% в зависимости от окисляющегося вещества.

Лабораторная работа 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ БИОИНДИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ

Время: 2-ч.

Цель работы: интегральная экспресс-оценка качества среды обитания живых организмов по флуктуирующей асимметрии лис­товой пластины березы повислой (Betula pendula).

Перед выполнением работы студентам необходимо изучить общие принципы биоиндикации и особенности использования растений в качестве биоиндикаторов.

Порядок выполнения:

1. Сбор материала. Выборку листьев древесных ра­стений необходимо делать с нескольких близко растущих деревь­ев на площади 10 х 10 м или на аллее длиной 30— 40 м, в исключительных случаях с 2—3 растений. Выборка листьев травянистых растений делается с нескольких экземпляров на площади 1 м². Используются только средневозрастные растения, исключая мо­лодые и старые. Всего надо собрать не менее 25 листьев среднего размера с одного вида растения. Листья собирать из нижней части кроны, на уровне поднятой руки, с максимального количества доступных веток, направленных условно на север, запад, восток и юг. У березы использовать листья только с укороченных побегов. На каждой площадке исследуют максимальное количество видов (но не менее одного древесного и одного травянистого), однако конкретный объем выборки должен определяться на основе ста­тистических методов.

2. Обработка материала. Весь собранный материал должен быть снабжен точ­ной информацией о месте сбора, наличии вблизи возможного загрязнения интенсивности движения транспорта, времени сбора и исполнителе. Хранить собранный материал можно не более неде­ли на нижней полке холодильника.

Рис. 2. Измерение длин жилок на листьях травянистых и древесных по­род (объяснение см. в тексте)

3. Обработка заключается в измерении длин жилок на листьях справа и слева. На рис. 2 цифрами обозначены листья следую­щих деревьев: 1 — березы, измеряется первая жилка от основа­ния листа; 2 — тополя, первая жилка от основания листа; 3 — остролистного клена, средняя жилка боковых пластин справа и слева; 4 — мать-и-мачехи, вторая жилка от основания черешка; 5 — клена американского, первая жилка от основания черешка; 6 — сныти, первая жилка от основания черешка; 7 — клевера ползучего, первая жилка от основания черешка.

Жилки измеряются курвиметром или линейкой с точностью до 1 мм. Интерес представляют не размеры жилок, а разница их длины справа и слева.

С одного листа снимают показатели по пяти параметрам (рис. 3). Отдельно фиксируют «загнутость» макушки листа (рис. 4). Данные измерений заносят в табл. 3 Величину флуктуирую­щей асимметрии оценивают с помощью интегрального показате­ля — величины среднего относительного различия по

признакам (среднее арифметическое отношение разности к сумме промеров листа справа и слева, отнесенное к числу признаков).

Рис. 3. Параметры промеров листьев для детального расчета:

1 — ширина половинки листа (лист складывают пополам, потом разгибают и по образовавшейся складке проводят измерений); 2 — длина второй жилки от осно­вания листа; 3 — расстояние между основаниями первой и второй жилок; 4 — расстояние между концами этих жилок; 5 — угол между главной и второй от основания жилками

Рис. 4. Примеры «загнутости» макушки листа:

1 — не загнута; 2 — загнута влево; 3 — загнута вправо; 4 — «ласточкин хвост»

Коэффициент флуктуирующей асимметрии определяют по формуле, предложенной В. М. Захаровым:

, (13)

где – среднее различие между сторонами;

– различие значений признаков между левой (l) и правой (r) сторонами;

n – число выборок.

Качественные признаки считают по проценту ассиметричных листьев:

, (14)

где – число ассимитричных особей;

– число симметричных листьев.

Показатель асимметрии указывает на наличие в среде обита­ния живых организмов негативного фактора. Это может быть хи­мическое загрязнение, изменение температуры, обитание биоло­гического объекта на краю ареала и др. Показатель откликается повышением на изменение фактора и стабилен при адаптации к имеющимся условиям. Таким образом, на основании периодиче­ского вычисления показателя можно проследить изменения усло­вий обитания объекта.

При балльной оценке используют таблицу соответствия баллов качества среды значениям коэффициентов асимметрии (см. табл. 4).

Таблица 4

4. Занести данные по всем листьям в табл. 5. Провести статистическую обработку данных.

5. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.

Таблица 5

6. Провести экспресс-оценку загрязнения окружающей среды по результатам всех измерений. Сделать вывод о качестве среды обитания живых организмов в соответствии с табл. 4.

Баллы соответствуют следующим характеристикам среды оби­тания живых организмов: 1 — чисто; 2 — относительно чисто («нор­ма»); 3 — загрязнено («тревога»); 4 — грязно («опасно»); 5 — очень грязно («вредно»).

Оборудование и материалы:

курвиметр (линейка), транспортир, гербарий листьев березы повислой.

Форма отчёта:

Краткое описание проведенных исследований с указанием полученных результатов, результаты обработки полученных данных по расчетным формулам, выводы о качестве окружающей среды.

Литература:

1. Последствия Чернобыльской катастрофы: Здоровье среды / под ред. В. М. Захарова, Е. Ю. Крысанова. — М.: Моек. отд. Международного фон­да «Биотест», 1996.

2. Стрельцов А. Б. Региональная система биологического мониторинга. — Калуга: Изд-во Калужского ЦНТИ, 2003.

3. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование : учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др.; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. — М.: Издатель­ский центр «Академия», 2007. — 288 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оцен­ке механического и кислотного состава почв, их плодородия, ув­лажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержа­ние в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфоло­гическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор­мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изме­нение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ран­ним заморозком. Поэтому при определении морфологических из­менений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: