Исследователь Исследователь

Исследователь
  
новости  |  о проекте  |  карта сайта  |  форум  |  подписка на новости
Разделы сайта

Другие материалы
ПРАКТИКА
Версия для печати

Измерение первичной продукции в малых озёрах Кенозёрского Национального Парка в зимний период радиоуглеродным методом.


Автор: Алёшин Степан
Научный руководитель: Саввичев Александр Сергеевич

Введение.

Наша гимназия уже четвёртый год сотрудничает с Кенозерским Национальным Парком(КНП). За это время у нас состоялись 4 летних и 2 зимних экспедиции в КНП. Собрав литературу, изучив отчеты других научных организаций, работавших в КНП, нам стало ясно, что «малые озера Кенозерья и Лекшмозерья» являются одним из самых главных достояний Парка.

Действительно, на территории КНП расположено два относитель но больших озера — Кенозеро и Лекшмозеро. На каждом из них имеются поселения с достаточно развитой хозяйственной деятельностью. На каждом из них имеется моторный флот, следы деятельности которого можно наблюдать, определяя концентрацию жидких углеводоро дов в поверхностной пленке воды.

Малые озера, а их на территории парка заведомо больше 100, свободны от хозяйственной деятельности. Все они достаточно уникальны по своим гидрохимическим и гидрологическим характеристикам.

Напомним, что по территории парка проходит водораздел Атлантического и Северного Ледовитого океанов; узкий естественно-природный моренный вал шириной до 100 метров и высотой около 7—15 метров разделяет озера Вильно и Масельгское — это озера, воды которых со временем попадут в разные океаны. Обращаясь к классификации, принятой в лимнологии, отметим, что среди малых озер КНП имеются озера олиготрофного, мезотрофного и дистрофного типов. Озера заметно отличаются друг от друга по таким важным гидрологическим и гидрохимическим показателям как рН, общая минерализация воды, содержание растворенного и взвешенного органического вещества.

По данным двух летних экспедиций, которые проводились ДНТТМ и Донской Гимназией, рН в малых озерах КНП варьировало от 6,1 в дистрофных заболоченных лесных озерах до 7,8 в озерах, подстилаю щие породы которых содержали известковые породы. Некоторые малые озера Парка по результатам анализов были классифицированы как ультроолиготрофные, содержание взвешенного органического вещества в 10—15 раз уступало показателю Онежского озера (данные по Онежскому озеру опубликованы Петрозаводскими гидробиологами). Общие бактериологические показатели озер Масельгское и Хижозеро показали, что вода этих озер полностью пригодна для питья без какой либо предварительной обработки.

Естественное природное разнообразие и уникальность малых озер КНП определили наш интерес к такой важной гидрологической характеристике как первичная продукция в озере. Нам не удалось найти какой либо литературы такого типа для озёр КНП. Отметим, что первичная продукция зимнего периода является важнейшей гидробиологической характеристикой озера, так как определяет жизнедеятельность практически всех обитателей водоема. Маленькая первичная продукция приводит к недостатку питательных веществ для гетеротрофов, так автохтонные органические вещества в водоёме в этом случае почти отсутствуют.

* * *

В процессе подготовки к исследованиям мы познакомились с литературой по лимнологии (наука об озерах) и гидробиологии. Оказалось, первичная продукция зависит от многих факторов: содержание в водоёме биогенных элементов, температуры и количества света.

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.

Теоретическая часть.

Первичная продукция.

Первичная продукция — это количество биомассы, образованной в единице объёма за какое-товремя. Для водных экосистем первичную продукцию измеряют в мг/м3Чсутки, иногда измеряют первичную продукцию под определённой площадью, тогда расчитывают биомассу образованную за час в столбе воды площадью 1 м2.

Фотосинтез.

Суммарный процесс фотосинтеза включает в себя поглощение и улавливание световой энергии, превращение ее в химическую энергию и запасание этой химической энергии в конечных продуктах фотосинтеза.

Кванты света поглощаются пигментом хлорофиллом — веществом, от которого зависит зеленый цвет растений. Когда свет падает на молекулу хлорофилла, один из ее электронов переходит на более высокий энергетический уровень, т. е. оказывается в «возбужденном состоянии». Молекулы хлорофилла организованы таким образом, что возбужденные электроны не возвращаются сразу же в «основное состояние», а передаются другим молекулам. В результате свободная энергия акцепторной молекулы — ее химический потенциал-повышается. Таким путем световая энергия превращается в химическую. «Дырка» в молекуле хлорофилла заполняется электроном, который поступает от воды: при этом вода окисляется и выделяется молекулярный кислород. Хлорофилл, следователь но, играет роль промежуточного соединения на пути электронов от низкого энергетического уровня в молекуле воды к высокому энергетическому уровню в конечном акцепторе электронов. Именно в молекуле хлорофилла световая энергия используется для того, чтобы «перекачивать» электроны на этот высокий энергетический уровень. Современные представления об этом процессе иллюстрирует схема, приведенная на рис. 1. Из этой схемы видно, что в общем процессе участвуют две фотосистемы (т. е. этапы, на которых используется световая энергия), связанные между собой через систему переноса электронов. В цепи переноса электронов происходит ряд окислительно-восстановительных реакции, и в каждой из этих реакций электроны переходят на несколько более низкий энергетический уровень. Часть энергии, отдаваемой на отдельных этапах переноса электронов, используется для синтеза АТФ из АДФ из неорганического фосфата, а также синтезируется НАДФЧН из НАДФ и иона Н+, выделившегося при фотолизе воды. Поэтому можно сказать, что синтез АТФ и НАДФЧН сопряжен с переносом электронов.

Таким образом, световые реакции фотосинтеза дают два богатых энергией соединения: АТФ и восстановленный НАДФ. Эти соединения поставляют энергию для последующих реакций, не требующих участия света и приводящих в конечном счете к восстановлению СО2 до сахаров. Восстановление СО2 начинается с фиксации молекул СО2 молекулами «акцептора», после чего атомы углерода вступают в цикл реакций (рис. 2), в результате которого акцепторные молекулы регенерируют и на каждые шесть фиксированных молекул СО2 образуется одна молекула глюкозы. Именно в этих темновых реакциях фотосинтеза химическая энергия, которую генерируют световые реакции, стабилизируется в молекуле глюкозы. В конце концов из молекул глюкозы образуется крахмал-соединение, в виде которого запасаются и атомы углерода, и энергия.

Невозможно переоценить значение фотосинтеза для всей жизни на Земле и для человечества в частности. Фотосинтез, в процессе которого улавливается и трансформируется энергия, не только поставляет «горючее», необходимое для существования всего живого; ему мы обязаны и теми энергетическими резервами, которыми располагает в настоящее время человечество с его все более усиливающейся индустриализацией, поскольку большая часть этих резервов представлена запасами ископаемого горючего. За счет фотосинтеза Земля получает ежегодно около 840 триллионов киловатт-часов, что более чем в 10 раз превышает мировое потребление энергии. Фотосинтез же поставляет и необходимый всем высшим формам жизни атмосферный кислород, который представляет собой его побочный продукт, высвобождающийся при окислении воды.

Пресный водоём как экосистема.

Любой природный водоем, например озеро или пруд, с его растительным и животным населением представляет собой отдельную экосистему. Эта природная система обладает способностью к саморегуля ции и непрерывному самовозобновлению.

Растения и животные, населяющие водоем, распределяются в нем неравномерно. Каждый вид встречается в тех условиях, к которым наиболее приспособлен. Поэтому в разных участках водоема образуются довольно постоянные и характерные для них видовые комплексы — сообщества растений и животных, члены которых связаны между собой более тесно, чем с другими. Наиболее разнообразные и благоприятные для жизни условия создаются в прибрежной зоне. Здесь вода теплее, так как прогревается солнечными лучами, и достаточно насыщена кислородом. Обилие света, проникающего до дна, обеспечивает развитие многих высших растений. Многочисленны и мелкие водоросли. В прибрежной зоне обитает и большинство животных. Одни приспособлены к жизни на водных растениях, другие активно плавают в толще воды (рыбы, хищные жуки-плавунцы и водяные клопы). Многие обитают на дне (беззубки, личинки некоторых насекомых, ряд червей и т. п.). Даже поверхностная пленка воды служит местом обитания специально приспособленных к ней видов. В тихих заводях можно видеть бегающих по поверхности воды хищных клопов-водо мерок и быстро плавающих кругами жуков-вертячек. Обилие пищи и другие благоприятные условия привлекают в прибрежную зону рыб.

В глубоких придонных участках водоема, куда слабо проникает солнечный свет, жизнь представлена иными бентосными формами. Фотосинтезирующие растения здесь не могут существовать. Нижние слои воды вследствие слабого перемешивания остаются холодными и содержат мало кислорода.

Особые условия создаются и в толще воды открытых участков водоема. Она заселена массой мельчайших растительных и животных организмов, которые сосредоточены в верхних, более прогреваемых и хорошо освещаемых слоях воды. Здесь развиваются различные микроскопические водоросли, водорослями и бактериями питаются многочисленные простейшие — инфузории, а также коловратки и ракообраз ные. Весь этот комплекс мелких взвешенных в воде организмов называют планктоном. В круговороте веществ и в жизни водоема планктону принадлежит очень важная роль. В планктоне основную роль играют автотрофы, так как они образуют органику, которой потом питается вся экосистема. Важнейшая характеристика фитопланктона — продукция, так как от неё зависят все гетеротрофы.

Целью нашей работы было измерение количества органического вещества, новообразованного фитопланктоном, в малых озёрах КНП за зимний период.

Методика.

Радиоуглеродный метод определения первичной продукции.

Суть метода.

Определение первичной продукции радиоуглеродным методом основано на включении в растительную клетку в процессе фотосинтеза ионов биогенных элементов, меченых по углероду 14С. Потом можно, измерив радиоактивность пробы, узнать сколько 14С было включено клеткой. Большим достоинством этого метода является то, что он не учитывает тот 14С, который за время экспозиции был сначала ассимилирован, а потом выведен, например в виде углекислоты во время дыхания. В настоящее время радиоуглеродный метод является наиболее распространенным методом определения первичной продукции как в морских, так и в пресных водоемах.

Продукционные склянки.

Продукционные склянки для экспонирования проб фитопланкто на могут быть разного объема (от 100 до 500 мл) в зависимости от количества фитопланктона в водоеме или исследуемом районе океана. Использование склянок того или иного объема зависит также и от сезона, когда проводятся измерения. Поэтому в каждом конкретном случае исследователь сам выбирает продукционные склянки.

Склянки изготовляют из белого стекла, пропускающего практически всю фотосинтетически активную часть светового спектра (от 360 нм. до 700 нм.).

Отбор проб для экспонирования

Пробы с естественными популяциями фитопланктона отбирают непосредственно перед постановкой опыта, для отбора проб используют пластиковые батометры или хорошо промытые металлические батометры. Склянка должна быть окрашена в черный цвет. В течение всех доэкспозиционных манипуляций пробы необходимо оберегать от прямого солнечного света. Место для отбора проб выбирается в зависимости от направления ветра, течения и т. д., чтобы исключить всевозможные загрязнения проб.

Добавление изотопа в продукционные склянки.

При установке небольшого количества продукционных склянок изотоп добавляют из ампул объёмом 1мл. При этом кончик ампулы осторожно отламывают или отбивают и содержимое с помощью шприца переносится в продукционную склянку.

Заполнение продукционных склянок пробой.

Пробу в продукционную склянку добавляют с помощью резиновой трубки, соединённой с горлышком батометра. На конце трубка должна иметь сеточку из планктонного газа для удаления зоопланктона. Трубку опускают в склянку и заполняют последнюю осторожно по стенке. Заполненные склянки помещают в светонепроницаемый ящик до момента их экспонирования.

Экспонирование проб с фитопланктоном.

Пробы опускают на соответствующий горизонт. Затем экспониру ют некоторое время, которое зависит от многих факторов: времени года, трофности водоёма. По окончании экспозиции, пробы фиксируют 40% раствором нейтрального формальдегида. Затем пробы отфильтровывают на мембранные фильтры.

Фильтрование проб.

Следует проводить непосредственно после взятия пробы, чтобы избежать разрушения фитопланктона в результате длительного воздействия нейтрального формальдегида.

Фильтрование проб проводится на фильтр Зейтца, основой которого является мембранный фильтр. Для фильтрования проб предварительно готовят мембранные фильтры. Их обрезают до нужного диаметра (по размеру фильтра Зейтца), маркируют соответствующим номером шариковой ручкой, затем их взвешивают на аналитических весах с точностью до сотых миллиграмма. Затем фильтры помещают в фильтровальную установку и фильтруют пробы при 0,2—0,3 атм. После фильтрования мембранные фильтры с осадком помещают в эксикатор с соляной кислотой.

Обработка соляной кислотой.

После фильтрования влажный осадок содержит капельки раствора меченой соды, сорбированного на поверхности клеток и в толще осадка, который может внести большую ошибку при просчёте фильтров. Поэтому непосредственно после фильтрования мембранные фильтры обрабатывают парами концентрированной соляной кислоты. После обработки мембранные фильтры высушивают.

Определение активности осадка на фильтрах.

Активность осадка на фильтрах определяется жидкостным сцинтилляционным счетчиком.

Принцип работы сцинтилляционного счетчика заключается в том, что испускаемая источником излучения b частица в результате торможения, возбуждает атомы и молекулы сцинтиллятора. Энергия возбужденных электронов в молекулах сцинтиллятора переходит в энергию квантов света. Фотоны попадают на катод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и вызывают эмиссию электронов. ФЭУ усиливает фототок. Конечный ток, собираемый на аноде, прекращается в импульс напряжения, который может быть посчитан специальным счетчиком импульсов.

Титрометрический метод определения общего содержания углекислоты в воде.

Принцип метода.

Углекислота в воде присутствует в трех формах: свободной , карбонатной и бикарбо-натной. Соотношение всех трех форм в воде зависит от рН.
pН 8,3 является границей существования свободной углекислоты и карбонатов, поэтому при доведении исследуемой пробы воды до pH = 8,3 все формы углекислоты переходят в бикарбонаты, которые и определяют прямым титрованием соляной кислотой.

Ход определения

Отбирают 100 мл исследуемой пробы в коническую колбу и добавляют 2—3 капли фенолфталеина. Затем осторожно по каплям добавляют 0,1 N NaOH до появления розовой окраски. Если рН исследуеомой пробы 8,3, то розовая окраска появляется непосредственно после добавления фенолфталеина. В этом случае щелочь в пробу не добавляют. После появления розовой окраски добавляют по каплям 0,05 N HCl до исчезновения окраски, а затем добавляют 5—10 капель смешанного индикатора и оттитровывают с помощью бюретки 0,05 N HCl, до появления ярко-розовой устойчивой окраски.

Расчет общего содержания углекислоты в пробе проводят по формуле:

мг С/Л

где V — объём титруемой пробы (в мл.);

а — объём HCl, пошедшей на титрование (в мл.);

0,6 — эквивалент углерода.

Расчёт первичной продукции.

Основная формула расчёта первичной продукции в общем виде:

где Р — величина первичной продукции;

R — исходная активность;

r — активность водорослей на фильтре;

Ск — общее количество углерода (во всех формах), растворенного в воде.

Результаты.

Экспедиционная часть работы проводилась в период с 3 по 10 января 2000 года во время зимней комплексной экспедиции в КНП. Было обследовано 3 озера: Масельгское, Большее, Долгое. На этих озёрах было проведено измерение температуры в водной толще, определение содержания кислорода в воде и определение первичной продукции. Поверхностная температура озёр колебалась от 0 до 2°С. Толщина льда от 20 до 60 см. Концентрация кислорода составила от 3 до 6 мг/л. Сведения о первичной продукции, толщине льда и концентрации растворённой углекислоты были сведены в таблице:

Выводы.

Практическое значение нашей работы заключается в том, что данные по первичной продукции в зимнее время для озёр северо-западной части РФ были известны только для Ладожского озера. Нами были впервые получены эти данные для других озёр северо-западной части РФ.

Исследованные нами озёра можно отнести к олиготрофным, так же нами было показано, что первичная продукция в зимний период может существовать, несмотря на низкие температуры, отсутствие вертикального перемешивания и плохую освещённость водоёма.

Так же по нашим данным можно говорить о том, что толщина льда, а она — показатель освещённости водоёма, не является фактором, определяющим первичную продукцию.

Данные, полученые нами в этом году, подтверждают прошлогодние исследования, которые показали, что в озёрах наблюдается дефицит кислорода, что косвено говорит о малой интенсивности фотосинтеза.

Последующее занесение наших данных в летопись КНП позволит проведить мониторинг, на основе которого можно изучать процессы происходящие в этих озёрах. А изучение процессов происходящих в естественных экосистемах — одна из основных задач заповедника.

Список литературы.

  1. Океанология. Биологическая продуктивность океана. Под ред. Виноградова М. Е. Т.2. М., 1977.
  2. Бульон В. В. Закономерности в первичной продукции в лимнических экосистемах. СПб., 1994.
  3. Хромов В. М., Семин В. А. Методы определения первичной продукции в водоёмах. М., 1975.
  4. Свенсон К., Уэбстер П. Клетка М.,1980.

на первую страницу | наверх

© 2002-2011 Разработка сервера: Межвузовский "Физтех-центр". Администратор сайта : admin@researcher.ru
При создании сервера использованы АРП-технологии.

Arp.site