билет-6

КВАЛИФИКАЦИОННОЕ ЗАДАНИЕ № 6

Биологическая продуктивность гидроэкосистем. Состав и основные понятия.

Документация, оформляемая при биотестировании.

Миграции химических элементов в природной среде и факторы, влияющие на нее.

Поведенческие аспекты и загрязнение окружающей среды.

Продукция зообентоса и ихтиомассы (рыб). Методы расчета вторичной продукции.

1.Биологическая продуктивность водных экосистем

Динамика экосистем

Экосистема — это сообщество живых существ вместе с его физической средой обитания, функционирующее как единое целое.

Экосистемы характеризуются определенной структурой.  Как правило, в любой экосистеме можно выделить три  группы организмов: продуцентов (в водных экосистемах – фитопланктон и фитобентос), консументов (зоопланктон и зообентос) и редуцентов (бактериопланктон и бактерибентос).

Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания. Цепь питания последовательность организмов, по которой передается энергия, заключенная в пище.  Биотическая часть водных экосистем  организована в виде трофической пирамиды, основу которой составляют первичные продуценты. В водной экосистеме это водоросли, которые дают органическое вещество для формирования второго трофического уровня — беспозвоночных консументов, которые, в свою очередь, являются базисом для рыб — верхнего звена трофической пирамиды в водных объектах.

Экосистемы подвержены непрерывным изменениям. Одни виды постепенно отмирают или вытесняются, уступая место другим. Внутри экосистем постоянно протекают процессы разрушения и новообразования.

Поступательные и  циклические изменения в экосистемах, чем они не были бы  вызваны сопровождаются изменением суммарной биомассы экосистемы.

Биомасса — суммарная масса всех тел живых организмов экосистемы или отдельных ее трофических уровней. Выражается обычно в единицах массы (веса), приходящейся на единицу площади или объема (г/м2, кг/га).

В результате роста и размножения гидробионтов в водоемах происходит непрерывное новообразование биомассы. Это экосистемное явление называют биологической продуктивностью.

Органическое вещество, создаваемое в экосистемах в единицу времени (год, месяц и т. п.), называют биологической продукцией.

  Различают первичную и вторичную продукцию сообщества.

Первичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени продуцентами. Она делится на валовую и чистую. Валовая первичная продукция — это общая биомасса, созданная растениями. Часть ее расходуется на поддержание жизнедеятельности растений — траты на дыхание (40—70 %). Оставшаяся часть составляет чистую первичную продукцию, которая в дальнейшем используется консументами и редуцентами.

Вторичная продукция — биомасса, созданная за единицу времени консументами. Она различна для каждого следующего трофического уровня.

Продуктивность водоема зависит в первую очередь от фотосинтетической деятельности автотрофных организмов и различна в разных водоемах. По уровню продуктивности природные водоемы могут классифицироваться как:

  ·  дистрофные (непродуктивные);

  ·  олиготрофные (малопродуктивные);

  ·  мезотрофные (среднепродуктивные);

  ·  эвтрофные (высокопродуктивные).

Классификация водоемов по их трофности (продуктивности) применима для всех природных водоемов. Трофический уровень водной экосистемы сильно связан с содержанием в воде биогенов — растворенных минеральных веществ, являющихся удобрением для водных растений. К ним относятся прежде всего соединения фосфора и азота.

Дистрофныеводоемы с небольшим количеством питательных веществ, бедные растительным планктоном, обычно с водой, окрашенной в желтый или коричневый цвет. Пример — озера с большим количеством гумусовых кислот.

Олиготрофные водоёмы  - водоёмы с невысоким уровнем первичной продукции. К олиготрофным относят воды, занимающие большие пространства в центр. субтропич. областях Мирового ок., первичная продуктивность к-рых из-за недостатка биогенных элементов низка. Среди континент. водоёмов к олиготрофным водоёмам  относят обычно озёра и горные реки с холодной, насыщенной кислородом, бедной биогенными элементами, прозрачной водой. Максимальная  первичная продукция олиготрофных водоёмов составляет 0,1—0,3 г С/м2 в сут. Масса фитопланктона в олиготрофных водоёмах  невелика, но его видовое разнообразие может быть большим. Гидробионты представлены оксифильными формами: из рыб обычны  сиговые и лососёвые  (из личинок хирономид обычен танитарзус). Пресные олиготрофные водоёмы  ценны как источник чистой воды.

Мезотрофные водоёмы - водоемы со средним уровнем первичной продукции. В морях — это переходные зоны между субтропическими и субполярными водами, среди континентальных водоёмов — некоторые озёра и водохранилища. Максимальная первичная продукция мезотрофных озёр 0,3— 2,0 г С/м2 в сутки.   Фитопланктон в мезотрофных водоёмах развит хорошо, состав гидробионтов отличается разнообразием.

Эвтрофные водоёмы   (от греч. eutrophfa — хорошее питание) —  водоёмы с высоким уровнем первичной продукции. В море это обычно прибрежные воды и зоны апвеллинга, богатые биогенными элементами. К эвтрофным, а часто и к высокоэвтрофным относят зоны эстуариев и лиманов, где концентрация биогенных элементов особенно высока. Первичная продукция таких вод составляет до 5 г С/м2 в сутки. Из континентальных водоёмов часто эвтрофны неглубокие озёра, водохранилища и пруды с развитой прибрежной растительностью, в которых часть образующегося органического вещества накапливается в донных отложениях и, окисляясь, вызывает недостаток кислорода в придонных слоях воды и заморы. Фитопланктон развит хорошо и количественно богат. Максимальная  первичная продукция планктона  — до 4,0 г С/м2 в сутки. В эвтрофных водоемах часто возникает «цветение» воды, вызываемое массовым развитием синезелёных и др. водорослей.  Из рыб для таких водоеов характерны характерны  карповые (в зообентосе — личинки хирономусов).

Первичная продукция водоемов, поверхность которых освещается в сходной степени, может различаться в десятки и сотни раз. Она зависит от видового состава растений в водоеме, их количества, оптических свойств воды, концентрации биогенов, температуры. Поскольку с продвижением вглубь освещенность снижается, а концентрация биогенов возрастает, вертикальное распределение первичной продукции имеет два максимума.  Один максимум наблюдается вблизи поверхности за счет оптимума освещенности, второй – на некоторой глубине, где имеется много биогенов и необходимый минимум освещенности.

В Мировом океане по величине первичной продукции выделяют 3 зоны: открытые районы, прибрежные воды и апвеллинги. Чистая продукция этих вод равна соответственно 50, 100 и 300 г С/м2 в год. Суммарная величина первичной продукции Мирового океана равна 15 – 18 млрд. тонн С в год, валовая – 25 – 30. По сравнению с валовой продукцией суши (140 млрд. тонн), продукция гидросферы в 3 раза ниже, а на единицу площади – в 9 – 10 раз.  Причина – большая концентрация хролофилла в фитомассе водорослей из-за отсутствия древесины и корней.

Заметно выше, чем в Мировом океане, темп первичного продуцирования в континентальных водоемах, что объясняется большим поступлением биогенов с суши и перемешиваемостью воды.

3. Миграция - это процесс перемещения химических элементов в пространстве и во времени, приводящий к их концентрации или рассеянию.

Понятие М. х. э. введено Ферсманом, количественное выражение миграционной способности в зоне гипергенеза дано Полыновым и для водной миграции уравнение выведено Перельманом. В зависимости от геохим. условий элементы способны изменять свою миграционную способность, но тем не менее можно говорить о вполне подвижных, подвижных и инертных элементах (Коржинский), понимая под подвижностью элемента произведение коэф. диффузии на максимальную концентрацию, достигаемую для данного элемента в изучаемом процессе. К элементам с очень высокой миграционной способностью относятся: Cl, Br, I, N, В, Ra, Na; с высокой — К, Са, Ge, U, Fe; со средней — Аl, Si, Mg, TR; низкой — Zr, Nb, Та, Sb; очень низкой — платиновые металлы. Качественно миграционная способность оценивается расстоянием выноса элемента из материнской п., градиентом падения его концентрации, его участие” в образовании м-лов разл. генезиса, летучестью или растворимостью его соединений. М. х. э. осуществляется в виде свободных атомов (инертные газы, пары ртути), в виде молекул [азот, кислород, пары воды, галоид-водородные кислоты, легколетучие галогениды — (неметаллов) при вулканических извержениях и т. п., в виде ионов (в растворах и в расплавах)] как простых, так и комплексных и, наконец, в виде коллоид, частиц (золи, илистые частицы и т. д.), т. е. миграция происходит в жидком, газообразном и твердом состоянии и приводит к перераспределению хим. элементов, к накоплению одних и удалению других, к их разделению и новым сочетаниям. М. х. э. имеет место во всех геохим. процессах и лежит в основе непрерывно протекающего круговорота веществ в природе.

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние.

Внутренние факторы миграции определяются строением атомов. От них зависит способность элементов давать летучие, растворимые или инертные формы. К ним относятся:

электростатические свойства ионов:

ионный потенциал – отношение заряда иона к его радиусу,

энергетический коэффициент ионов);

свойства связи соединений, включая строение кристаллической решетки (определяют способность соединения противостоять разрушению);

химические свойства соединений (это уже с учётом условий среды – например, более высокой устойчивости кислородных соединений в большинстве гипергенных обстановок);

гравитационные свойства атомов (проявляются при кристаллизации, седиментации, выветривании);

радиоактивные свойства.

Внешние факторы миграции — ландшафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных химических (окислительно-восстановительных, щёлочно-кислотных) обстановках:

температура (в целом повышение ускоряет физико-химическую миграцию, а для некоторых видов миграции, например, биогенной, нужны определённые диапазоны температур);

давление (повышение давления в равновесной системе приводит к изменению системы в сторону уменьшения объёма);

степень электролитической диссоциации (зависит от соотношения свойств растворителя и растворяемого вещества, температуры раствора и его концентрации);

концентрация водородных ионов, определяющая кислотность-щёлочность среды (pH);

окислительно-восстановительный потенциал;

поверхностные силы коллоидных систем (определяют масштабы селективной сорбционности);

комплексы типоморфных ионов в почвах и водах (что такое типоморфные ионы – будет рассмотрено далее);

геоморфологические факторы (рельеф);

радиационные характеристики среды;

жизнедеятельность организмов и техногенез – наиболее сложные по механизму влияния.

5. Методы расчета. Вторичную продукцию можно рассчитывать на единицу площади или объема за те или иные сроки. Ее величину обычно выражают в единицах сырой или сухой массы, в энергии или в количестве образующихся белков, жиров и углеводов. Для обитателей Мирового океана принимают следующее процентное содержание отдельных веществ в сырой биомассе и ее энергоемкость. При второй схеме используются методы, оценивающие продукцию как разность между скоростью ассимиляции и диссимиляции. Теоретически наиболее точная, она на практике мало используется из-за трудности определения величин ассимиляции. К третьей схеме относятся все способы расчета, основанные на использовании данных о росте особей и возрастной структуре популяции. В первоначальном варианте метод учитывал только прирост особей. Для этого устанавливались биомасса, численность и средний размер животных в смежные сроки наблюдений. Зная на основе предварительных исследований величины суточных приростов особей данного размера, вычисляют увеличение их массы за весь срок наблюдений. В более поздних вариантах метод был дополнен учетом массы образуемых половых продуктов. В некоторых случаях при параболическом типе роста гидробионтов их прирост может быть приближенно оценен по интенсивности газообмена. Третья схема расчетов наиболее употребительна. В четвертой схеме используют данные по динамике численности, причем для всех особей принимается некоторая средняя масса. Продукция определяется по скорости размножения с учетом средней численности популяции. Четвертая схема наиболее часто используется для определения продукции бактерий и других организмов, размножающихся делением надвое. Их суточную продукцию (Р) находят по формуле Р=0,693п-В, где п — число генераций в сутки, В — исходная (начальная) биомасса. Используя радиоуглеродный метод, найдено, что около 6% ассимилированного водной микрофлорой углерода образуется за счет гетеротрофной ассимиляции С02 и продукцию бактерий можно определить по величине темновой фиксации углекислоты. Темп и эффективность вторичного продуцирования. Суммарная величина органического вещества, образованного в популяциях животных, прямо пропорциональна их количеству и темпу продуцирования. Так как биомасса зоопланктона и зообентоса в разных участках гидросферы неодинаковы, уже по этой причине величины вторичного продуцирования сильно варьируют. Не меньшее влияние на величину вторичного продуцирования оказывает скорость роста животных, зависящая как от особенностей самих организмов, представленных в различных участках гидросферы разным» формами, так и от крайне варьирующих условий существования. Из них наиболее важны температура, газовый и солевой режим воды, степень ее проточности и особенно обеспеченность животных пищей, а также характер пищевых отношений, складывающихся в водоеме. В действительности продукция первичных консументов обычно далеко не достигает этого предела, так как «пригнанность» систем созидания и потребления органического вещества не очень велика, особенно в слабосбалансированных сообществах. Прирост количества потребителей лишь с некоторым запозданием следует за увеличением биомассы продуцентов, и какая-то часть последних, порой весьма значительная, не используется консументами. Поэтому соотношение между величинами продукции на двух смежных трофических уровнях всегда оказывается меньшим, чем коэффициент К. Обычно суммарная продукция следующего трофического уровня не превышает 0,1—0,2 той, которая аккумулирована в организмах предыдущего звена пищевой цепи. Например, в Мировом океане, где первичная продукция достигает 550 млрд. т, продукция зоопланктона равна 53 млрд. т, т. е. составляет около 10% от образованной растениями. В Байкале продукция фитофагов не превышает 8% от аккумулированной в водорослях. В оз. Мендота (США) годовая продукция организмов первого трофического уровня составляла 1936 Дж/см2, второго—174 Дж/см2, т. е. менее 10%. В озерах и водохранилищах отношение продукции нехищного зоопланктона к, первичной продукции обычно колеблется в пределах 2—20%, в гумифицированных водоемах — до 3—30%; консументы аккумулируют в своем теле 5—13% рациона. Продукция хищного зоопланктона составляет в среднем около 20% продукции мирного, рационы мирных и хищных форм равны в среднем 40% продукции их пищевых организмов.