II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

МОНИТОРИНГ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СРЕДЫ КАК УСЛОВИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ЗАМКНУТЫХ ИСКУССТВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ МОРСКИХ АКВАРИУМОВ)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кваша А.В. 1

---

1

Найданова О.Г. 1

---

1

Работа в формате PDF

753.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы морская аквариумистика становится очень популярной. Многие любители домашних аквариумов заводят экзотических тропических водных обитателей у себя дома, во многих городах открываются публичные аквариумы, предназначенные для демонстрации зрителям водных флоры и фауны и существующие в составе зоопарков или как отдельные зрелищно-просветительские учреждения. Они представлены целыми экспозициями рыб и водных обитателей со всего света, действующими круглогодично [4]. Содержаться эти морские обитатели в аквариумах – специально оборудованных емкостях (лат. aquarium — прозрачная ёмкость для постоянного содержания водных организмов). Аквариум – замкнутая экосистема, поэтому для ее обитателей искусственно создаются условия близкие к природным [3].

Искусственная экосистема аквариума включает все структурные единицы. В аквариуме определенного размера (пространственное размещение) обитает живой компонент системы (рыбы, растения, микроорганизмы). Его компонентами являются также вода, грунт, коряги [3]. Для комфортного обитания растений и животных создается искусственное освещение – ведь ничто живое не может полноценно развиваться и жить без света, очень важна терморегуляция – для поддержания постоянного уровня температуры; не обойтись без аэрации и фильтрации – для подачи кислорода в воду и постоянной ее очистки.

Таким образом, аквариум – маленькая искусственная экосистема. Составляющими экосистемы являются биотоп и биоценоз. Она же включает в себя объем пространства водной среды, ее подвижность, температуру, освещенность и другие параметры. Но есть важное отличие. Необходимые свойства среды обитания в аквариуме создаются и поддерживаются человеком. Он кормит обитателей аквариума, заботиться о чистоте грунта и воды [3].

Условно и в аквариуме все живые организмы именуются аквариумным биоценозом. Они занимают в нем определенные экологические ниши, создавая гармонию местообитания. Благоприятные условия для жизнедеятельности создают для них с учетом абиотических факторов – соответствующей температуры, освещения и движения воды [3].

Температурный режим зависит от обитателей аквариума. Поскольку даже незначительные его перепады могут привести к гибели некоторых видов рыб, рекомендуется использовать обогреватели с встроенным терморегулятором. Режим освещения необходим для нормального функционирования всех составляющих аквариумной среды. Источники света обычно располагают над поверхностью воды. Длина светового дня должна соответствовать фотопериоду обитателей в их естественных условиях жизни. В природе стоячая вода более подвижна из-за воздействия дождя, ветра и других волнений. В аквариуме необходима постоянная циркуляция воды. Она достигается с помощью аэрации или прогонки воды через фильтр. Постоянная циркуляция обеспечивает вертикальное вращение воды в аквариуме. Она также выравнивает показатель кислотности, предотвращает быстрое снижение редокс-потенциала в придонных слоях [3].

Вода, кислород, углекислота, аминокислоты, азотные и фосфорные соли, гуминовые кислоты – основные органические и неорганические соединения, которые также относятся к абиотическим элементам. Большая их часть заключена в самих организмах аквариума и в донных отложениях. Скорость перехода данных питательных веществ в водный раствор обеспечивается в результате функционирования продуцентов и редуцентов экосистемы. Органические азотсодержащие выделения утилизируют бактерии, превращая их в более простые вещества, необходимые для усвоения растениями. Органические соединения переходят в минеральную (неорганическую) форму также благодаря разным видам бактерий. Данные важнейшие процессы зависят от температурного режима воды, показателя ее кислотности, насыщенности кислородом. Они регулируют нормальное функционирование экосистемы [3].

Обитатели аквариума не могут обеспечить полного круговорота веществ. В нем выявляется разрыв цепи между консументами и продуцентами. Этому способствует закрытая экосистема аквариума. Креветки, моллюски, рачки (консументы) едят растения (продуценты), но никто не питается самими консументами. Цепь прерывается. В то же время другая цепь питания рыбы - мотыли и другой корм - поддерживается человеком искусственно [3].

Создать условия для содержания в аквариуме необходимого количества дафний и циклопов для питания рыб достаточно сложно. Так как эти мелкие ракообразные, в свою очередь, также нуждаются в пище. Жизнь простейших зависит от наличия в аквариуме органических веществ. Количество инфузорий должно превысить количество ракообразных, последние, в свою очередь, должны содержаться в большем соотношении к рыбам. Подобного равновесия в цепях питания трудно добиться в таких пространственных условиях, как закрытый аквариум. Экосистема его не способствует поддержке количественных показателей экологических факторов на определенных уровнях. В природных экосистемах каждый вид уравновешен соотношением с другими видами. Каждый из них занимает свою нишу, определяет взаимозависимость видов. Пропорции хищников и их жертв в развитии экосистемы строго уравновешены. Подобного балансирования не добиться в таком замкнутом пространстве, как аквариум. Искусственная экосистема требует грамотной подборки своих обитателей. Экологические ниши рыб, растений должны сопрягаться, но не накладываться одна на другую. Они подбираются так, чтобы их жизненные потребности и так называемые «профессии» (потребители, производители и разрушители) не были в ущерб другим. Уравновешенный подбор обитателей по их «профессиональному» назначению в модели аквариумной экосистемы является важнейшим условием ее длительного здоровья [3].

И, несомненно, такой искусственной экосистеме, как и любой другой, необходим постоянный контроль (мониторинг) ее параметров.

Целью данной работы является анализ данных, полученных в ходе мониторинга наиболее значимых абиотических показателей среды обитания организмов в океанических аквариумах.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Ознакомиться с теоретическими основами экологического мониторинга показателей искусственных морских экосистем;

2. Изучить оборудование, используемое для поддержания необходимых гидрохимических величин в 5 зале Севастопольского морского Аквариума-музея;

3. Ознакомиться с техническими характеристиками исследуемых аквариумов, с биотой в них и необходимыми параметрами среды для ее жизнеобеспечения;

4. Изучить и освоить методы проведения анализов;

5. Произвести отбор проб и определение параметров системы в исследуемых аквариумах дважды в неделю на протяжении года с занесением полученных результатов в таблицы;

6. Проанализировать полученные данные, сделать выводы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Описание объекта мониторинга

Севастопольский Аквариум-музей является одним из старейших морских аквариумов в мире. Он был основан в 1897 году академиком А. О. Ковалевским, на базе Севастопольской морской биологической станции [2].

Аквариум - это своеобразный музей, который дает возможность заглянуть в интересную и сложную жизнь подводного мира. В настоящее время в Аквариуме представлены сотни видов животных. В Аквариуме собрана обширная коллекция живых тропических рыб, обитающих среди коралловых рифов [2].

Севастопольский Аквариум-музей является широко известным культурно-просветительным учреждением. Ежегодно его посещает около 100 000 человек. Экспозиция Аквариума-музея занимает пять залов общей площадью около 1200 м² [2].

В первом зале аквариума посетители могут увидеть представителей коралловых рифов. Второй зал разделен на секции тропическую и черноморскую.

Третий зал музея представлен коллекцией тропических экзотических животных, которые обитают в Атлантическом и Индийском океанах. В четвертом зале можно увидеть представителей рептилий и пресноводных, аквариум с оранжереей, которая имитирует развалины Камбоджийского храма.

В пятом зале обитают представители Мирового океана, представляющие зачастую смертельную опасность. Черноплавничные акулы, электрический угорь, рыба - камень или бородавчатка, ядовитая рыба фугу и многие другие, не менее "знаменитые" обитатели морей и рек [2].

Во всех 58 аквариумах и центральном бассейне 2 раза в неделю промеряется соленость, рН среды и температура, наряду с этим отбираются пробы воды для проведения анализов по количественному содержанию следующих параметров: нитраты и нитриты, аммиак и фосфаты.

Для исследовательской работы были выбраны данные, полученные для океанических аквариумов 5-ого зала (рис. 1.1 а и б). Экспозиция в этом зале была открыта для посетителей недавно, в 2013 году.

Рисунок 1.1 - а – Схема 5 зала Аквариума-музея; б – аквариум №44

Для поддержания необходимых параметров среды у каждого из аквариумов есть собственная система фильтрации. Объемы аквариумов и плотность посадки организмов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Объемы аквариумов и плотность посадки организмов

1. Оптимальные гидролого-гидрохимические характеристики морской воды в аквариумах и мероприятия для их поддержания

С течением времени параметры воды в аквариуме меняются в результате воздействия на них жизнедеятельности гидробионтов, а также испарения части воды. Ниже приведен перечень необходимых мероприятий, позволяющий успешно содержать морских обитателей в замкнутых экосистемах:

- кормление гидробионтов,

- подсчёт рыб и наблюдение за их состоянием,

- долив воды взамен утраченной в процессе испарения,

- мониторинг температурных показателей,

- чистка механическогофильтра,

- очистка стёкол от водорослевых обрастаний через каждые три-пять дней,

- «прополка» биофильтра,

- частичнаяподмена воды,

- контрольпараметров водытестами,

- при необходимости регулировка выходаозона,

- уборка остатков корма и любой другой потенциально возможной гниющей органики,- опорожнение чашипеноотделителя,

- если есть много кораллов с жёстким скелетом или кальциевых водорослей, может понадобиться ежедневное или с периодичностью раз в два дня внесение Са(ОН)₂, либо любых других добавок, чтобы компенсировать недостаток кальция,

- при необходимости проверка трубки перелива,

- добавление микроэлементов, стронция, йода и витаминов,

- провёрка солёности воды с применением ареометра,

- контроль кислотности рН, а также карбонатной жёсткости и добавление рН-буфера при необходимости,

- очищение контактной камеры пеноотделителя от водорослей,

- очистка покровного стекла (или крышки) и осветительной аппаратуры от кристаллов соли.

В таблице 2.1 приведены оптимальные величины морской воды в аквариуме и периодичность их измерений [4].

Таблица 2.1

Оптимальные величины морской воды в аквариуме и периодичность их измерений

1. Материалы и методы

Пробы воды для анализов и измерения необходимых параметров отбирали 2 раза в неделю на протяжении года. Таким образом, за время проведения мониторинга было отобрано 1248 проб.

Было произведено 4 992 измерения следующих показателей качества морской воды: температуры, солености, рН и содержания нитратов.

Температура воды измерялась аквариумным термометром с выносным датчиком KL9806.

Измерение солености. Для того чтобы определить солёность измеряли ее плотность ареометром (гидрометром) в граммах на миллилитр (г/мл). Для этого стеклянный ареометр погружали в стоячую воду аквариума. Показания снимали на установившемся ареометре но нижнему делению мениска. В таблице 3.1 приводится соотношение единиц плотности и солёности для ареометров, калиброванных при температуре 24-25°С [1].

Таблица 3.1

Соотношение единиц плотности и солености для ареометра

Для определения количества нитратов и показатели рН морской воды использовали набор аквариумных тестов Sera Aqua-Test set.

Sera pH-Test (тест кислотности воды) позволяет измерить показатель кислотности аквариумной воды.

Кювету до и после каждого теста тщательно промывали, реактивы перед применением взбалтывали.

Прополаскивали несколько раз кювету исследуемой водой, затем наполняли ее до отметки 5 мл. Затем добавляли в кювету 4 капли реактива и легко взбалтывали, затем ее устанавливали на белое поле цветовой шкалы, смотрели на воду сверху и определяли по изменению цвета рН-уровень [6].

Sera nitrate-test (NO3) (тест на нитраты) позволяет определить уровень загрязнение воды нитратами. В действующем аквариуме полезные бактерии превращают аммоний в нитраты через нитриты, т.о. нитраты являются конечным продуктом распада азотосодержащих веществ в аквариуме.

Прополаскивали мерную кювету несколько раз испытуемой водой, наполняли ее до отметки 20 мл, добавляли 6 капель реактива «1» и мерную ложку реактива «2», взбалтывали содержимое. Затем добавляли 6 капель реактива «3», закрывали и взбалтывали. Через 5 минут сравнивали цвет – для этого устанавливали пузырек на цветную шкалу и смотрели на воду сверху [5].

Все данные заносили в журнал. В работу вошли среднемесячные показатели за последние 12 месяцев.

1. Результаты мониторинга

1.  

   1. Анализ температурных показателей

Все полученные данные о температуре морской воды в исследованных аквариумах сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Сводная таблица температурных данных, t⁰С

Рисунок 4.1 – Динамика температуры в исследуемых аквариумах

Графики изменения температуры в течение года (рис. 4.1) показывают, что в исследуемый период температура колебалась незначительно и зависела, в основном, от сезона: минимальные значения приходились на декабрь, а максимумы – на июль и август: 23⁰С и 26,6⁰С, соответственно. Колебания температуры в аквариумах в пределах нескольких градусов вполне допустимо и, как видно из показателей, резких температурных скачков не наблюдалось.

4.2 Анализ показателей рН в исследуемых аквариумах

Полученные данные показателей рН представлены в таблице 4.2. Как видно из таблицы и графиков (рис. 4.2) рН-показатель на протяжении года во всех аквариумах был достаточно стабилен и колебался в минимальных пределах: от 7,85 до 8,5.

Таблица 4.2

Сводная таблица показателей рН

Рисунок 4.2 – Колебания рН-показателя в исследуемых аквариумах

4.3 Анализ показателей солености в аквариумах

Показатели солености сведены в таблицу 4.3 и по ним построены графики (рис. 4.3). Анализируя полученные данные можно заметить, что за исследуемый период во всех аквариумах соленость оставалась стабильной и изменялась в незначительных пределах – от 33‰ до 34,4 ‰. Это позволяет обитателям аквариумов чувствовать себя комфортно в искусственной океанической среде.

Таблица 4.3

Сводная таблица солености, ‰

Рисунок 4.3 – Колебания солености в исследуемых аквариумах

4.4 Анализ показателей содержания нитратов

Показатели количества нитратов в исследуемой воде сведены в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

Сводная таблица содержания нитратов, mg/l

Обращает на себя внимание то, что аквариумы №44 и, особенно, №46 отличаются повышенными значениями содержания нитратов от всех остальных аквариумов. Нитраты в морском аквариуме являются конечными продуктами переработки микробами органических отходов обитателей. Согласно таблице 1 в аквариуме №44 обитают крупные рыбы и в больших количествах (основная масса рыб этого аквариума – акулы), а в аквариуме №46 (его объем не велик) – крылатки и мурены, тоже достаточно крупные рыбы. Поэтому показатели количества нитратов несколько выше, чем в других аквариумах. Но, ни в одном аквариуме на протяжении года количество нитратов не превышало допустимую норму (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Колебания количества нитратов

ВЫВОДЫ

Целью данной работы являлся анализ данных мониторинга наиболее значимых абиотических показателей среды обитания организмов в искусственных морских экосистемах. В ходе исследования были решены следующие задачи.

1. Были изучены теоретические основы экологического мониторинга искусственных водных экосистем, а аквариум – ни что иное, как маленькая искусственная экосистема, структура которой мало чем отличается от природной.

2. Было изучено оборудование, используемое для поддержания необходимых гидрохимических величин в 5 зале Севастопольского морского Аквариума-музея. Собственная система комплексной фильтрации каждого аквариума - механическая, химическая, биологическая – обеспечивает комфортные условия жизни домашней водной фауны.

3. Ознакомились с техническими характеристиками исследуемых аквариумов и с биотой в них. По результатам была составлена таблица соответствия объемов аквариума и плотности посадки обитателей в океанических аквариумах 5 зала Аквариума-музея. Изучены необходимые параметры среды для искусственных морских экосистем, их предельно допустимые уровни.

4. В ходе проведения мониторинговых исследований были освоены методы определения таких параметров, как температура, соленость, рН и содержание нитратов.

5. За время проведения мониторинга в 12 океанических аквариумах 5 зала Севастопольского морского Аквариума-музея было отобрано 1248 проб воды, произведено 4 992 измерения для получения следующих показателей качества морской воды: температуры, солености, рН и содержания нитратов.

6. Анализ данных мониторинга за период ноябрь 2015 – октябрь 2016 г. показал, что на протяжении года все перечисленные параметры находились в оптимальных для обитателей пределах и соответствуют требуемым нормам.

Так, соленость колебалась в пределах полутора промилле, без резких скачков, и не достигал верхнего предела солености океана; показатель рН колебался незначительно: от 7,85 до 8,5, что вполне допустимо; температура поддерживалась на комфортном для обитателей уровне и составляла зимой 23⁰С, а летом поднималась до 26,6⁰С; показатели нитратов не превышали допустимых пределов и достигали максимальных показателей 7 – 8 мг/л (и то, только в двух аквариумах) при ПДК 15 мг/л.

Таким образом, мониторинг жизненно-важных абиотических параметров за исследуемый период показал, что для морских обитателей 12-ти аквариумов 5 зала Севастопольского морского Аквариума-музея были созданы и соблюдались комфортные условия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов А., Савчук С. Рифовый аквариум. – Мариуполь: Рената, 2005

2. Rravtsova A.M., Kvasha V.N., Naydanova O.G. Sevastopol Sea Aquarium-museum: the way through the centuries. –Abstract book exhibition catalogue “Second International Conference “Public aquarium in the modern world”, S.-Petersburg, 2016

3. http://fb.ru/article/167598/malenkaya-iskusstvennaya-ekosistema-akvariuma-kak-rabotaet-zakryitaya-ekosistema-akvariuma

4. http://aquarium-vl.ru/articles/morskoy-akvarium-0

5. http://dolphin-club.ru/shop/1296/desc/sera-no3-nitrate-test-test-na-nitraty

6. http://dolphin-club.ru/shop/1292/desc/sera-ph-test-na-100-izmerenij