Методы изучение пресных поверхностных водоёмов © Составитель: Гореликова Е. А., методист ГАУ КОДО КОДЮЦЭКТ, 2019. Методическая разработка для педагогических работников образовательных учреждений для организации исследовательской и проектной деятельности с учащимися в сфере гидробиологии. 1. Теоретическая часть 1.1. Особенности изучения пресных поверхностных водоёмов. Составной частью Глобальной Системой Мониторинга Окружающей среды является программа, посвященная водным проблемам – ГСМОС «Вода», с центром в Канаде. В этой программе принимают активное участие четыре специализированных учреждения ООН: Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО). Изучение поверхностных вод и контроль их качества в Российской Федерации осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 17.1.3.0782 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды, водоемов и водотоков». При этом проводят: - наблюдения за уровнем загрязнения поверхностных вод по физическим, химическим, гидрологическим и гидрологическим показателям в режимных пунктах; - наблюдения, предназначенные для решения специальных задач. Каждый из этих видов наблюдений осуществляют в результате: - предварительных (рекогносцировочных) наблюдений и исследований на водных объектах или их участках; - систематических наблюдений на выбранных пунктах. Для проведения мониторинга поверхностных водоемов организуют: - стационарную сеть пунктов наблюдений за естественным составом и загрязнением поверхностных вод; - специализированную сеть пунктов для решения научно-исследовательских задач; - временную экспедиционную сеть пунктов. В основе организации и проведения наблюдений за качеством поверхностных вод лежат следующие принципы: комплексность и системность наблюдений, согласованность сроков их проведения с характерными гидрологическими ситуациями, определение показателей качества воды по единым методикам. Соблюдение этих принципов достигается установлением программ контроля (по физическим, химическим, гидробиологическим и гидрологическим показателям) и периодичности его проведения, выполнением анализа проб воды по единым или обеспечивающим требуемую точность методикам. Под пунктом наблюдения следует понимать место на водоеме или водотоке, в котором производят комплекс работ для получения данных о качестве воды. Пункты наблюдений организуют на водоемах и водотоках, имеющих народно-хозяйственное значение, а также подверженных значительному загрязнению промышленными, хозяйственно-бытовыми, сельскохозяйственными сточным водами. Для изучения природных процессов и определения фонового состояния воды водоемов и водотоков пункты наблюдений создают на не подверженных прямому антропогенному воздействию участках, в том числе на водоемах и водотоках, расположенных на территориях заповедников и национальных парков и являющихся уникальными природными образованиями. Все пункты наблюдений за качеством воды водоемов и водотоков делят на четыре категории – в зависимости от частоты и детализации программ наблюдений. Назначение и расположение пунктов контроля определяются правилами наблюдений за качеством воды водоемов и водотоков (ГОСТ 17.1.3.07-82). Наблюдения по обязательной программе на водотоках осуществляют, как правило, 7 раз в год в основные фазы водного режима: во время половодья – на подъеме, пике и спаде; во время летней межени – при наименьшей расходе и при прохождении дождевого паводка; осенью ледоставом; во время зимней межени. Таблица 2 Параметры, определение которых предусмотрено обязательной программой наблюдений Параметр Единица измерения Гидрологические параметры: Расход воды (на водотоках) м3/с Скорость течения воды (на водотоках) м/с Уровень воды (на водоемах) м Гидрохимические параметры: Визуальные наблюдения Температура °С Цветность град Прозрачность см Запах баллы Концентрация растворенных в воде газов - кислорода, мг/дм3 (мг/л) двуокиси углерода Концентрация взвешенных веществ мг/дм3 (мг/л) Водородный показатель (рН) Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) мВ Концентрация главных ионов - хлоридных, сульфатных, мг/дм3 (мг/л) гидрокарбонатных, кальция, магния, натрия, калия, Сумма ионов (Σи) мг/дм3 (мг/л) Химическое потребление кислорода мг/дм3 (мг/л) Биохимическое потребление кислорода за 5 суток мг/дм3 (мг/л) мг/дм3 (мг/л) Концентрация биогенных элементов - аммонийных, нитритных и нитратных ионов, фосфатов, железа общего, кремния Концентрация широко распространенных загрязняющих веществ - нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, летучих фенолов, пестицидов и соединений металлов мг/дм3 (мг/л) Внедрение в систему наблюдений за качеством воды гидробиологических методов позволяет непосредственно выявить состав и структуру сообществ гидробионтов. Полная программа наблюдений за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает исследование: 1) Фитопланктона – общей численности клеток, числа видов, общей биомассы, численности основных групп, биомассы основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов – индикаторов сапробности (гнилостности); 2) Зоопланктона – общей численности организмов, общего числа видов, общей биомассы, числа основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов – индикаторов (сапробности); 3) Зообентоса – общей численности – общей численности, общей биомассы, общего числа видов, числа групп по стандартной разработке, числа видов в группе, числа основных групп, биомассы основных групп, числа массовых видов и видов – индикаторов сапробности; 4) Перефитона – общего числа видов, массовых видов, частоты встречаемости, видов – индикаторов сапробности; 5) Микробиологических показателей – общего числа бактерий, числа сапрофитных бактерий, отношения общего числа бактерий к числу сапрофитных бактерий; 6) Фотосинтеза фитопланктона и деструкции органического вещества, определение интенсивности фотосинтеза к деструкции органического вещества, содержание хлорофилла; 7) Макрофитов – проектного покрытия опытной площадки, характера распространения растительности, общего числа видов, числа преобладающих видов. 1.2. Типология водоемов Трофический тип водоема определяется уровнем чистой первичной продукции (приростом фитомассы водорослей и водных макрофитов). Основным признаком трофического типа является прозрачность воды, определяемой количественным развитием планктонных водорослей. Олиготрофные водоемы распространены в зонах с очень бедным минеральным питанием (альпийские и тундровые реки и озера). К ним относятся глубокие и очень глубокие озера в условиях слабой биогенной нагрузки, омбротрофные (питающиеся дождевыми осадками) водоемы. Мезотрофные водоемы распространены в зонах с пониженным минеральным питанием (субальпийские и таежные реки и озера). К ним относятся неглубокие малые озера умеренного пояса в условиях умеренной биогенной нагрузки. Эвтрофные водоемы распространены в зонах с нормальным минеральным питанием (реки и озера зон смешанных и широколиственных лесов, лесостепи и степи, субтропических лесов). К ним относятся неглубокие малые озера умеренного пояса в условиях высокой биогенной нагрузки. Политрофные водоемы являются антропогенно–эвтрофированными водоемами мезотрофно–эвтрофного типа и обычно представляют собой пруды, малые озера, водохранилища и малые реки, подверженные сильной биогенной нагрузке (загрязнение животноводческими и коммунальнобытовыми сточными водами, поступление удобрений с полей и др.). В придонном слое воды кислород постоянно отсутствует, донные отложения представлены черным илом с сильным запахом сероводорода. 1.3. Гидрологические характеристики пресных водоёмов. Физические и химические свойства воды играют решающую роль в формировании тех приспособлений, которыми отличатся водные растения и животные. Из физических свойств прежде всего следует назвать: 1) плотность воды, которая в природных пресных водах составляет до 1,35 г/см3, главным образом за счет растворения в них солей. Она заметно меняется с изменением температуры, что сказывается на жизнедеятельности живых организмов, особенно населяющих толщу воды; 2) давление, которое закономерно повышается с глубиной и на каждые 10 м возрастает в среднем на 1 атм.; 3) высокую удельную теплоемкость, что обеспечивает устойчивый температурный режим; 4) большую скрытую теплоту плавления и теплоту парообразования, что существенно содействует относительному постоянству водной среды; 5) поверхностное натяжение, которое позволяет многим гидробионтам осуществлять свою жизнедеятельность на поверхности воды; 6) подвижность (перемешивание) воды, которая имеет очень большое экологическое значение для всех обитателей, что сказывается на их перемещении в горизонтальном и вертикальном направлениях, приносе пищи, кислорода, избавлении от метаболитов, выравнивании температуры и других гидрологических градиентов. Особенности температурного режима водных биоценозов. Поступление тепла в водоем зависит главным образом от проникновения солнечной радиации и контакта с более нагретой атмосферой. Известную роль играет также тепло осадков, берегов и то, которое образуется во время перехода воды из жидкого состояния в твердое. Охлаждение воды происходит в результате испарения, лучеиспускания, контакта с менее нагретыми слоями атмосферы и берегами, за счет поступления холодных осадков и поглощения тепла во время таяния льда. В пределах одного водоема заметные изменения температуры прослеживаются с погружением в глубину. Летом поверхностный слой воды более темный, чем глубинны, зимой - наоборот. Переход от более к менее нагретым слоям часто происходит не постепенно, а скачкообразно, и между ними образуется слой так называемого температурного скачка или термоклин. Расслоение воды на теплую и холодную называется температурной стратификацией, а различия в температуре – температурной дихотомией. Различают прямую стратификацию, когда более нагретые слои лежат ближе к поверхности, и обратную, когда с продвижением вглубь температура повышается. В случае интенсивной вертикальной циркуляции водных масс температурные градиенты выравниваются, и такое состояние носит название гомотермия. В связи с развитием теплоэнергетики тепловой режим многих водоемов претерпевает существенные изменения под влиянием поступления в них подогретых вод из охлаждающих контуров тепловых и атомных электростанций. В результате этого температура в водоемах-охладителях повышается на несколько градусов, и в умеренной зоне они обычно не замерзают. Активная реакция среды (рН). Для пресноводных организмов содержание водородных ионов (рН) является одним из важнейших абиотических факторов среды. Оно может изменятся в зависимости как от химического состава среды и подстилающих пород, так и от биологических процессов, протекающих в водоеме (фотосинтез, разложение органического вещества). Величина рН нестабильна в одном и том же пресном водоеме даже в течение года. Жизнедеятельность многих обитателей водоемов – растений и животных – и особенно границы их распространения напрямую зависят от активной реакции среды. По отношению к водорослям сдвиг рН в кислую или щелочную сторону приводит к полному ингибированию фотосинтеза фитопланктоном и поглощению кислорода на свету, а также к 2-5-кратному уменьшению показательной деструкции (разложению) органического вещества. В основном благоприятной для водных беспозвоночных является рН 6,0 – 9,0. К видам с низкими адаптивными возможностями в изменении рН можно отнести плоских червей и некоторые виды пиявок – пиявка (клепсина) двуглазая (Helobdella stagnalis L.), которая способна длительное время существовать лишь в нейтральной среде (рН 7,0 -8,5). У широко распространенного в наших водоемах представителя равноногих ракообразных – водяного ослика (Asellus aquaticus L.) оптимальной является рН 6,-9,0. Кислая среда вообще негативно сказывается на жизнедеятельности водных беспозвоночных. При снижении рН до 4,0-5,0 в водном биоценозе закономерно снижается видовое разнообразие и численность моллюсков, олигохет, личинок ручейников. В кислой среде (рН˂4) в сообществах развиваются только насекомые. Наиболее толерантны к изменению рН личинки хирономид, мокрецов, которые не являются кровососами. В этом плане один из самых «ацидофильных» гидробионтов – мокрец (Palpomya lineate L.). Его личинки выдерживают изменение рН от 2,0 и до 11,0. 1.4. Растительность и животный мир рек и озёр. Рис. 1. Экосистема водоема Совокупность условий, существующих внутри водоёма, внешних по отношению к нему факторов, связанных с ним по месту и времени, истории формирования водоёма, определяет лицо его фауны и флоры. Состав же растительного и животного населения в связи с его экологическими чертами обеспечивается в своей относительной устойчивости существованием биоценотических связей между ними. Так определяется жизнь биоценоза в биотопе, которым является водоём. Небольшие водоёмы представляют единый, однообразный по своему физическому характеру биотоп. Характер и величина водоёмов варьируют от временной лужи до озёр и целого бассейна большой реки. В больших водоёмах присутствует ряд биотопов различного характера, населенных своими биоценозами с их типичными организмами, свойственными данному биотопу. При активной подвижности и случайных обстоятельствах обитатель одного биотопа может очутиться в другом месте водоёма, которому свойственен биоценоз иного состава. В водоёме различаются: ложе, в котором находится вода, включая сюда дно водоема и примыкающие к нему временно затопляемые или увлажняемые путем заплеска воды берега, и масса воды. В пределах последней на границе её с атмосферой дифференцируется плёнка поверхностного натяжения, по своим физическим свойствам отличная от прочей толщи воды. Зимой поверхность водной массы несет на себе твердый ледяной покров. Рельеф и геологическое строение окружающей местности, размеры водоёма, конфигурация дна и берегов, характер питания за счет атмосферных осадков, подземных ключей или притока воды, более или менее обширного бассейна, химизм; воды, зависящий от химизма пород, слагающих ложе водоема и других причин, степень его освещенности, условия нагревания и охлаждения - всё это отражается на видовом составе организмов, их количественном развитии и распределении внутри водоёма, и ведет к сосредоточиванию различных видов, в разных участках водоема. Такое распределение является следствием эволюционно сложившихся адаптации организмов к обитанию в различных условиях среды, типичных для разных частей водоёма. Напомним, что в таком именно смысле различают обитателей текучих и стоячих вод - реофилов и лимнофилов. В начале XX в. А. Тинеманн предложил подразделять водные организмы по их отношению к скорости течения на следующие экологические группы. 1. Реофилы – гидробионты (водные растения), обитающие (произрастающие) преимущественно на каменистых, гравийных, галечниковых, песчаных грунтах с течением 70-120 см/с (губки, олигохеты, ресничные черви, пиявки, личинки мошек, личинки поденок, личинки веснянок и др.) 2. Реобионты – водные животные и растения, которые встречаются на илисто-песчаных грунтах в слабопроточных водах с течением 20-70 см\с (протисты, коловратки, личинки хирономид, личинки стрекоз, моллюски и др.) 3. Реоксены – обитатели стоячих вод, преимущественно с заиленными грунтами. Данное сообщество характеризуется высокой биомассой, но небольшим видовым разнообразие (протисты, коловратки, ветвистоусые и веслоногие ракообразные, личинки хирономид, а из водных растений рогоз, тростник, осоки). В каждом из основных биотопов водоема, характеризующихся разными условиями, население приобретает ряд специфических адаптивных черт, образуя те или иные жизненные формы – конвергентно возникшие совокупности организмов разного систематического положения, обладающего принципиально сходными приспособлениями для нахождения в определенных биотопах. В пелагиали (толща воды) жизненные формы представлены планктоном и нектоном, на твердых субстратах – бентосом и перифитоном, в поверхностном слое – нейстоном и плейстоном. Рис. 3. Организмы планктона Планктон – (от греч. planktys – блуждающий) состоит из организмов, свободно живущих в толще и не способных противодействовать собственным движениям водной среды из-за отсутствия или относительно слабого развития у них органов движения. В систематическом отношении планктон делится на растительный, или фитопланктон, и животный, или зоопланктон. Адаптации к условиям биотопа: редукция скелетных образований; клетки пропитывается большим количеством воды; имеются жировые и газовые включения; образование выростов. Массовые представители – беспозвоночные: ветвистоусые ракообразные, дафнии, веслоногие ракообразные и др. Нектон (от греч. nektos – плавающий) состоит из организмов, способных активно плавать в толще воды и преодолевать значительные расстояния. Адаптации к условиям биотопа: разнообразные способы плавания; обтекаемая форма тела и развитие рулей, обеспечивающих управление движением тела в горизонтальной и вертикальной плоскостях; выделение слизи, снижающей трение, и специфическое строение кожных покровов, препятствующее возникновению завихрений воды, снижающих скорость. Массовые представители нектона – рыбы. Бентос (от греч. bentos – глубина) состоит из организмов, обитающих на дне водоемов и не способных продолжительное время плавать в воде. В систематическом отношении делится на растительный бентос, или фитобентос, и животный бентос, или зообентос. Адаптации к условиям биотопа: развитие средств удержания на твердом субстрате; защита от засыпания оседающей взвесью; выработка наиболее эффективных способов передвижения. Массовые представители – беспозвоночные и гидрофиты – двустворчатые моллюски, пресноводные трикладиды (планарии) и др. Перифитон (от греч. peri – вокруг и phyton - растение) или обрастатели – поселения пресноводных организмов на подводных частях, погруженных в воду растений, подводных частях судов, свай, тросов и других сооружений. Адаптации к условиям биотопа: развитие средств удержания на твердом субстрате; защита от засыпания оседающей взвесью; выработка наиболее эффективных способов передвижения. Можно отметить некоторые экологические особенности заселения перифитона субстрата: шероховатые субстраты заселяются быстрее гладких, поскольку к ним гораздо легче прикрепляться; горизонтальные субстраты заселяются интенсивнее вертикальных (меньше смыв водой, оседание детрита сверху, оптимальное положение тела в пространстве); верхние поверхности обычно заселяются интенсивнее (меньше света, меньше детрита). Представители: диатомовые водоросли, губки, мшанки и другие беспозвоночные. Нейстон (от греч. neustos – плавающий) – совокупность организмов, обитающих у поверхностной пленки воды, прикрепляющихся к ней или передвигающихся по ней сверху (эпинейстон) или снизу (гипонейстон). Адаптации к условиям биотопа: смачиваемость и несмачиваемость внешних покровов, позволяющая удерживать внутри или снаружи поверхностной пленки воды; развитие пигментации тела, защищающей от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения; положительный фототропизм; разнообразие защитной окраски под цвет воды (от совершенно прозрачной до черно-бурой); преобладание гетеротрофных организмов и соответствующих приспособлений к питанию органическими частицами, в основном падающих на поверхность воды из воздуха. Сравнительно небольшое число видов, куда входят некоторые простейшие, одноклеточные водоросли, мелкие легочные моллюски, клопыводомерки, жуки-вертячки, личинки комаров и другие мелкие организмы. Плейстон (от греч. pleistos - плавание) – совокупность животных и растений, держащихся на поверхности воды или погруженных. Для пресноводных водоемов представителями являются несколько видов ряски. II. Практическая часть: изучение животных у водоёмов Тема. Донные организмы водоема Цель: Изучить фауну донных организмов водоема Оборудование: гидрологические сачки, стеклянные банки или емкости для взятия проб, планктонные сети, фильтровальная бумага, универсальная лакмусовая бумага, термометры для определения температуры воды, воздуха, пробирки, пинцеты, кюветы, ручные лупы, стеклянные цилиндры, определители, карандаши, полевые дневники. Задания: 1. Описать основные особенности среды обитания фауны беспозвоночных животных (температура воды, цвет, прозрачность, рН, глубины, наличие течения; водная флора, температура воздуха). 2. Определить видовой состав беспозвоночных, обитающих в водоеме. Наиболее распространенные беспозвоночные водоема следующие: кольчатые черви, моллюски (прудовики, катушки, лужанки, перловицы), ракообразные (дафния, циклоп, водяной ослик, речной рак), водяные пауки, водяные клещи, насекомые и их личинки, водяные клопы (водомерка, скорпион, гладыш), жуки (вертячки, плавунцы, водолюбы), комары, поденки, стрекозы, ручейники и др. С помощью водного сачка или планктонной сети выловить беспозвоночных животных, обитающих на поверхности воды (гладыш, плавунец); на дне (личинки малого и большого водолюба и др.) и немедленно поместить их в отдельные кюветы, банки с водой и растениями. Рассмотреть через лупу в банке с водой размеры, форму, части и окраску тела животного и зарисовать в дневник. Пользуясь определителем, уточнить вид изучаемого беспозвоночного. 3. Провести наблюдение за животными. Найти органы дыхания, рассмотреть их через лупу и пронаблюдать за дыханием. Рассмотреть конечности, их строение и видоизменения в связи с водным образом жизни. После наблюдений выпустить животных в водоем. 4. Отметить признаки приспособления беспозвоночных к водной среде обитания. Записать их в дневник. 5. С помощью сачка или планктонной сети взять планктонные и с помощью специальной лопатки или стеклянного цилиндра бентосные пробы и поместить их в специальные емкости для дальнейшей обработки в лабораторных условиях (для выявления простейших животных: амеб, эвгленид, инфузорий, коловраток и др.). Форма отчета: Записи и рисунки в дневнике по полевой практике. III. Тесты 1.Основными факторами, влияющими на жизнь в различных условиях внешней среды, являются: а) химический состав и температура среды; б) количество кислорода, скорость течения; в) особенности грунта, интенсивность света, скорость ветра; г) плотность грунта, освещенность, количество солей. 2. Изменения во внешней среде приводят к различным изменениям в популяции, но не влияют: а) на численность особей; б) на возрастную структуру; в) на ареал; г) на соотношение полов. 3.Приспособленность организмов к существованию на дне водоема проявляется: а) в облегчении своего веса; б) развитие средств удержания в твердом субстрате; в) развитие рулей, обеспечивающих управление движением тела в горизонтальной и вертикальной плоскостях; г) развитие пигментации тела, защищающей от гибельного воздействия ультрафиолетового излучения. 4. Какая группа организмов обитает в толще воды: а) нектон; б) бентос; в) перифитон; г) планктон; д) нейстон. 5. Какие организмы входят в состав перифитона: а) диатомовые водоросли, губки; б) двустворчатые моллюски, пресноводные трикладиды (планарии); в) водомерки, жуки-вертячки; г) рыбы. 6. Абиотическим фактором среды не является: а) температурный режим водоема; б) рН воды; в) содержание пестицидов в водоеме; г) скорость течения воды. 7. К гидрологическим показателям относятся: а) общая численность зоопланктона; б) концентрация растворенных в воде газов; в) уровень воды на водоемах; г) температура. 8. Какое показание рН является наиболее благоприятной для водных беспозвоночных: а) рН 7,0 – 8,5; б) рН 6,0 – 9,0; в) рН 4,0 – 5,0. Ответы 1. а; 2. в; 3. б; 4. г; 5. а; 6. в; 7. в; 8. б. Список использованной литературы 1. Биотопы и биоценозы в водоёме [Электронный ресурс]. – режим доступа:http://animalkingdom.su/books/item/f00/s00/z0000012/st081.sht ml; 2. ГОСТ 17.1.3.07-82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков» [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200012472; 3. Методы изучения рыб на полевой практике [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://lib4all.ru/; 4. Практикум по экологии: учеб. пособие. / В.Ф. Кулеш, В.В. Маврищев. Минск: Высш. шк., 2007. – 271 с.; 5. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды: Учебник / А.Н. Голицын. – 2-е изд., испр. – М.: Издательство Оникс, 2010. – 336 с.; 6. Практика учебная полевая: Рабочая программа / И.А. Дружинина, О.Ю. Дойникова, Л.А. Москвина. – Новгород: ФГБОУ ВПО НГУ им. Ярослава Мудрова, 2011. – 39 с. 7. Трофические типы водоемов [Электронный ресурс]. – режим доступа: http://studopedia.ru/14_9889_troficheskie-tipi-vodoemov.html; 8. Исследовательская деятельность с учащимися в рамках программы «Хранители Природы»: Программа дополнительного образования взрослых / И.Ч. Нигматуллин. – Калининград: ГАОУ ДОД КОДЮЦЭКТ, 2010. – 13 с. 9. Экология: Система заданий для контроля обязательного уровня подготовки выпускников средней школы / В.Н. Кузнецов. – М.: Вентана-Граф, 2007. – 384 с.
