IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДОЕМОВ
Карпинский Р.В., Калатози Г.М.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Прогрессивное развитие экологических исследований в последние десятилетия обусловлено насущными потребностями человечества в использовании биологических ресурсов Земли, состояние которых в связи с усилившейся урбанизацией, ростом промышленности и сельского хозяйства принимает в ряде случаев плачевный характер. При этом обращает на себя внимание современное и будущее состояние водоемов и водотоков, подвергающихся все более интенсивной эксплуатации и загрязнению. (1)

В настоящее время приходится отметить, что уровень экологической культуры человека низок, и это не позволяет ему понять, что он делает. А ведь понять, что он живет в эпоху экологического кризиса – первостепенная задача каждого человека. Каждый человек должен следовать основному принципу конструктивной экологии – делать все, что можно, чтобы стало лучше.

Так, в настоящее время, в условиях интенсивного антропогенного прессинга на водную среду и ее обитателей все более широкое распространение для оценки качества природных вод приобретают экологический мониторинг и биотестирование.

Водоемами называют только стоячие скопления воды, и они могут быть проточными или непроточными. Различают также временные водоемы (лужа)и постоянные, существующие в течение многих лет. Экосистемы водоемов называют лентическими. Текущие воды называют водотоками, они формируют лотические экосистемы(2)

Для проведения регулярных наблюдений за экологическим состоянием многочисленных водных объектов – необходимо большое количество профессиональных экологов, что не могут позволить себе даже высокоразвитые страны Запада. Сбор информации об экологическом состоянии водосборов, водоохранных зон региона посильный вклад школьников в улучшение экологического состояния водотоков. (4)

Для оценки уровня загрязнения водных систем мы использовали один из видов экологического мониторинга – учебно-познавательный.

Цель исследования - изучить качество воды проточных и стоячих водоемов г. Белгорода.

Задачи исследования:

  1. Визуальное обследование экологического состояния водных объектов. Выбор мест отбора проб.

  2. Отбор проб воды и донного грунта.

  3. Исследовать качество воды. Общая характеристика.

  4. Анализ качества донных отложений по активности восстановленности (окисленности) среды с помощью автографии на фотобумаге.

  5. Анализ качества донных отложений по активности протеолитических ферментов по аппликациям на рентгеновской пленке.

Экспериментальная часть

Исследование проводилось в пределах города Белгорода. Исследовали воду и донные отложения в двух крупных водоемах нашего города – реках Северский Донец, Везелка и болота в урочище «Меловая гора» (Приложение фото1,2,3). В работе использовались визуальный, сравнительный и методы биотестирования. Все опыты проводились в трехкратной повторности. Работа выполнена на базе Центра технологического образования на занятиях кружка «Исследователь».

  1. Визуальное обследование экологического состояния водных объектов.

Реки, в которых проводился отбор проб, принадлежат к бассейну Азовского моря. Белгородская область имеет сравнительно густую разветвленную речную сеть. По ее территории протекает 480 рек и ручьев длиною более 3 км, из них 35 имеют длину более 25 км, 70 – от 10 до 25, остальные менее 10 км. Большинство относятся к малым рекам, протяженностью от 10 до 100 км. Северский донец имеет длину 110 км., Везелка - 21 км.

Все реки за исключением реки Оскол, берут начало на южных склонах Среднерусской возвышенности в пределах границ области. При этом характерной особенностью большинства из них является сильная извилистость, а порой и резкое изменение общего направления течения. Реки области относятся к равнинному типу. Главная роль в питании рек принадлежит талым снеговым водам и грунтовым водам.

Северский Донец – самый крупный приток Дона. Пересекает область до города Белгорода в направлении с северо-востока на юго-запад, а затем поворачивает на юго-восток. Свое начало берет недалеко от села Подольхи в Прохоровском районе. Ширина реки в верхнем течении достигает 20 м, а глубина от1-3 м, южнее города она плавно переходит в Белгородское водохранилище. Скорость течения 0,5-0,3м/с. Правый берег почти на всем протяжении возвышенный, сложен меловыми породами, местами покрыт дубравами. Левый берег неизменный, террасирован, сложен аллювиальными отложениями, часто закреплен посадками сосны.(3)

Северский донец протекает через дачные поселки и густонаселенный частный сектор пригорода Белгорода, в этих местах берег замусорен ТБО. Река течет в районе железнодорожного вокзала, в том же районе находится городской пляж. Так же на реке находится ряд «диких пляжей».

Везелка является правым притоком Северского Донца. Протекает через Белгород с Востока на Запад. Ширина реки в верхнем течении достигает 5 м, а глубина от 0,5- 1,5 м. Скорость течения реки 0,2-0,3 м/с. Берега пологие, поскольку река небольшая, крутых склонов она не образует. На Везелке расположен ряд «диких» пляжей. Наблюдаются несанкционированные мусорки ТБО.

Визуально, Северский Донец чище Везелки, несмотря на то, что река Везелка протекает по центру города, в месте наиболее подверженному антропогенному воздействию. Службы по охране окружающей среды принимают меры. Проводятся работы по очистке реки Везелка, из областного бюджета выделяются деньги (8)

Болото, расположенное в Урочище «Меловая гора это территория охраняемая Белгородским Государственным Университетом, его диаметр – 20 м. Берег с Юго-Западной стороны отвесный, а Северо-Восточный – более пологий. Во время таяния снега диаметр болота увеличивается до 25 м. Глубина до3 м. Несмотря на то, что болото находится на охраняемой территории, радом с ним расположен дачный сектор. Визуально берега болота не загрязнены, но бытовые сбросы наблюдаются.

2. Исследование качества воды.

Академик А. Яблоков отметил, что Россия находится на 5 месте по объему водных ресурсов, но на одном из первых по загрязнению (6).

Для любого города важно сохранить первоначальное ландшафтное своеобразие местности. В Белгороде это поймы рек Северского Донца, Везелки. Они осуществляют аэрацию, несут чистый воздух. Однако реки эти болеют: заиливаются и заболачиваются.

Биомониторинг является неотъемлемой частью экологического мониторинга. Живые организмы тесно связаны с условиями среды обитания. Оценка среды по состоянию организмов и видовому составу экосистем называется биоиндикацией. Достоинство биоиндикации в том, что организмы характеризовать не только состояние среды в данный момент, но и ее изменения за длительное время. Живые организмы имеют существенные преимущества, заменяют применение дорогостоящих и трудоемких физико-химических методов для определения степени загрязнения окружающей среды.(7)

Мы исследовали воду в речных экосистемах Везелки и Северского Донца и болота в урочище «Меловая гора». Пробы воды для исследования брали на расстоянии 1 метра от берега. Исследования проводились по 4-м параметрам: интенсивность запаха, характер запаха, цветность, мутность. Критерии оценки воды использовали из книги Мансуровой С.Е. и Кокуевой Г.И. «Школьный практикум. Следим за окружающей средой нашего города».(5)

2.1. Визуальная оценка.

Запах воды обусловлен наличием в ней пахнущих веществ, которые попадают в нее естественным путем.

Для определения запаха воды мы брали пробы воды по 100 мл при комнатной температуре, наливали в емкость с широким горлом, накрывали стеклом и встряхивали вращательными движениями. Открыв стекло, быстро определяли запах и его интенсивность, используя таблицы 1 и 2.

Таблица 1

Интенсивность запаха воды

Балл

Интенсивность запаха

Качественная характеристика

0

Никакой

Отсутствие ощутимого запаха

1

Очень слабая

Запах, неподдающийся обнаружению потребителем, но обнаруживаемый в лаборатории

2

Слабая

Запах, не привлекающий внимание потребителя, но обнаруживаемый, если на него обратить внимание

3

Заметная

Запах, легко обнаруживаемый

4

Отчетливая

Запах, обращающий на себя внимание

5

Очень слабая

Запах сильный

Таблица 2

Характер и род запаха воды естественного происхождения

Характер запаха

Примерный род запаха

Ароматический

Огуречный, цветочный

Болотный

Илистый

Гнилостный

Фекальный, сточной воды

Древесный

Мокрой щепы, древесной коры

Землистый

Прелый, свежевспаханной земли

Плесневый

Затхлый, застойный

Рыбный

Рыбы, рыбьего жира

Сероводородный

Тухлых яиц

Травянистый

Скошенной травы, сена

Неопределенный

Не подходящий под определения

Цвет природной воды обусловлен наличием в ней гуминовых кислот, соединений железа, цветущих водорослей и антропогенных загрязнений.

Воду наливали в пробирки, цвет определяли на фоне бумаги темного цвета. Результаты таковы: В реке Везелка и болоте в урочище «Меловая гора» цвет был определен как «светло-желтый», а в реке Северский Донец как «слабо-желтый».

Мутность воды определяли на фоне белой бумаги. Воды рН определяли при помощи универсальной индикаторной бумаги. Результаты исследования отражены в таблице 3. Как видно из таблицы наиболее чистая вода в Северском Донце.

Таблица 3

Оценка качества воды

Объект

Интенсивность

запаха(баллы)

Характер

запаха

Цветность

Мутность

pH

Северский

Донец

1

Неотчетливый

Слабо-

желтый

Опалес-цирующий

7,0

Везелка

3

Гнилостный искусственного

характера

Светло-желтый

Слабо-мутный

6,0

Болото в урочище «Меловая гора»

2

Неотчетливый

Светло-желтый

Опалес-цирующий

6,5

2.2 Определение степени восстановленности (окисленности) среды в донных отложениях

Разложение органических остатков в донных отложениях происходит вследствие деятельности микроорганизмов, групповой состав которых зависит от уровня окисленности среды. В окисленных средах содержащих достаточное количество кислорода, преобладают аэробные микроорганизмы. В средах, где кислорода мало и содержатся восстановители (сероводород, аммиак, закисные формы металлов, метан), развиваются преимущественно анаэробы.

Для оценки уровня восстановленности донных отложений мы использовали методику определения с помощью аппликационного метода – автографии на фотобумаге.(4)

Методика определения. Метод основан на восстановлении бромистого серебра, находящегося в эмульсии засвеченной фотобумаги, восстановленными веществами изучаемого донного грунта. При этом в эмульсионном слое фотобумаги образуется множество частиц металлического серебра в виде черных и бурых пятен. Интенсивность окраски пятен. Интенсивность окраски пятен тем больше, чем выше восстановленность среды в местах контакта фотоэмульсии с донным грунтом. Восстановленные условия в донных субстратах создаются в основном благодаря деятельности анаэробов, на фотобумаге как бы регистрируется уровень активности этих микроорганизмов в грунте. Аэробы цвета фотобумаги не изменяют, она остается практически белой, на полученных отпечатках, называемых автографиями, распределение окисленных и восстановленных зон носит очаговый характер.

Донные отложения отбирали при помощи совка, с берега. Брали по три образца грунта на расстоянии приблизительно 30 см. друг от друга. Усредненный образец донного грунта помещали в литровую емкость, который заливали на 1 см. водой из обследуемого водоема.

Полоски фотобумаги размером 4х8 см помещали в емкость с грунтом на 72 часа, в прохладное место. Фотобумагу извлекали из пробы, промывали водопроводной водой, затем дистиллированной водой, закрепляли в фиксаже (растворе гипосульфита) и снова промывали. Высушивали автографии на фильтровальной бумаге кверху эмульсией.

О характере окислительно-восстановительных процессов, протекающих в донных отложениях, судили по окраске автографии.

Характер окрашивания

автографии

Степень окисленности (восстановленности)

Среды в донных отложениях

- сплошное белое окрашивание;

- белое окрашивание с единичными темными пятнами, либо редкими группами темных пятен;

- преобладание общего белого фона над темными пятнами и группами пятен;

- одинаковое по площади количество белых и темных пятен, точек;

- преобладание темноокрашенных точек и пятен над белом фоном;

- темное окрашивание с единичными белыми пятнами и точками;

- сплошное темное окрашивание

- очень высокая степень окисленности среды:

- высокая степень окисленности среды;

- преобладание окисленности среды;

- окисленность и восстановленность среды выражены одинаково;

- преобладание восстановленности среды;

- высокая степень восстановленности среды;

- очень высокая степень восстановленности среды.

Степень окисленности (восстановленности) среды в донных отложениях исследуемых нами рек следующая (Рис.1)

река Везелица – на автографии мы видим преобладание общего белого фона над темными пятнами, что означает преобладания окисленной среды.

Река Северский Донец – на автографии мы видим одинаковое по площади количество белых и темных пятен, значит окисление, и восстановление среды выражены почти одинаково.

Болото в урочище «Меловая гора» - на автографии мы видим преобладание темноокрашенных пятен над белым фоном, что означает преобладание восстановленной среды.

Следовательно, в реке Везелице ил содержит больше кислорода, интенсивнее протекает минерализация органических соединений, но в излучине этой реки ил обладает слабой самоочищающей способностью.

В Северском Донце процессы окисления и восстановления в грунте сбалансированы.

2.3.Изучение активности протеолитических ферментов в донных отложениях

Под действием протеаз сложная молекула белка распадается на ряд более Белковые соединения разлагаются многими бактериями с помощью протеолитических ферментов (протеаз), вырабатываемых микроорганизмами.

простых соединений, главным образом, аминокислот, которые усваиваются микроорганизмами. Медленное гниение органических остатков на дне водоема сопряжено с опасностью отравления людей, возникновением опасных заболеваний. Контроль над процессом очищения донного грунта от белкового загрязнения можно вести путем изучения активности протеолитических ферментов в илах по аппликациям на рентгеновской пленке. (4)

Методика определения. В качестве индикатора протеазной активности использовали рентгеновскую пленку, эмульсия которой разрушается микроорганизмами. Основу эмульсии составляет желатин денатурированный белок коллаген. Желатин служит пищевой средой для микроорганизмов, ферментивно разрушающих белок.

Для исследования донных отложений использовали рентгеновскую пленку (проявленную), нарезали полоски 2х5 см и помещали пробу на 72 часа, затем пленку вынимали, прополаскивали в проточной воде и высушивали на фильтровальной бумаге.

О протеазной активности в образцах судили по степени разрушения желатинового слоя пленки.(Рис.2)

Характер нарушения

эмульсионного слоя

Уровень протеолитической

активности донных отложений

- полное отсутствие эмульсионного

слоя;

- единичные пятна и точки либо редкие группы точек и пятен на фоне прозрачной пленки;

- прозрачный фон по площади преобладает над участками с сохранившимся слоем эмульсии;

- редкие пятна и точки разрушенной эмульсии на общем темном фоне;

- единичные точки разрушенной эмульсии, либо полностью сохранившийся слой эмульсии.

- очень высокий;

- высокий;

- средний;

- низкий;

- очень низкий

Река Везелка - на пленке видим редкие пятна и точки разрушенной эмульсии на общем темном фоне, что означает низкий уровень протеолитической активности донных отложений.

Река Северский Донец – на пленке видим, что прозрачный фон преобладает над участками с сохранившимся слоем эмульсии, значит уровень протеолитической активности донных отложений средний.

Болото в урочище «Меловая гора» - на пленке видим единичные точки разрушенной эмульсии либо полностью сохранившийся слой эмульсии, что свидетельствует об очень низкой протеолитической активности донных отложений .(Рис.2)

Визуально, Северский Донец чище Везелки и болота в урочище «Меловая гора». Об этом же свидетельствуют результаты проведенных исследований. Так в Северском Донце выше уровень протеолитических активных донных отложений, чем в реке Везелка и болоте. Это связано, на наш взгляд с тем, что река Везелка с более медленным течением. Очень низкая протеолитическая активность донных отложений в болоте урочища «Меловая гора» связано с тем, что оно расположено недалеко от дачного поселка.

Выводы

  1. Для оценки уровня загрязнения водных экосистем, в целях учебно-познавательного мониторинга, данные методики информативны и доступны.

  2. Приоритетным показателем состояния водостока является его самоочищающая способность. По результатам диагностики самоочищающейся способности донных отложений выявили, что интенсивнее протекает минерализация органических соединений в Северском Донце.

  3. Контроль, над процессом очищения водного грунта от белкового загрязнения показал, что в Северском Донце белковые соединения разлагаются более активно, чем в реке Везелка и в болоте урочища «Меловая гора».

  4. Реки, протекающие в черте города вполне пригодны для организации культурных городских пляжей.

  5. Следует привлекать школьников в участии экологического контроля, за соблюдением правил УТБО в частном секторе. Привлечение школьников является наиболее эффективной мерой экологического контроля, что связано с их заинтересованностью в поддержании чистоты водоемов, в которых они купаются.

Список использованной литературы

  1. Алимов А.Ф. Функциональная экология пресноводных двустворчатых моллюсков. Ленинград: «Наука», 1981.

  2. Волкова П.А. Основы общей экологии. Москва: «Форум»,2014

  3. Григорьев Г.Н. География Белгородской области. Белгород: «Белгородский государственный университет», 1996.

  4. ИхтерТ.П., Шиширина Н.Е., Татарина Л.Ф. Комплексный анализ пресноводных систем. Москва, 2003.

  5. МансуроваС.Е., Кокуева Г.И. Школьный практикум. Следим за окружающей средой города. Москва, 2007.

  6. Новости науки //Барьер безопасности. № 2, 2003 .

  7. Комплексная экологическая практика школьников и студентов. С-П, 2002.

  8. Природных ресурсы и охрана окружающей среды Белгородской области: их состояние и сохранение. Белгород, 2012

Приложение

Фото 1. Река Северский Донец

Фото 2.Река Везелка

Фото 3. Болото в урочище «Меловая гора».