4.2. Натурные наблюдения за изменением концентрации кислорода в течение дня.

Ход эксперимента

Студенты изучает кислородную динамику в течение светового дня на разных глубинах (в зависимости от величины прозрачности). Для этого пробы воды как минимум отбираются (как описано в п.4.1.1.) в поверхностном горизонте (примерно 30 см от поверхности воды), на глубине одной прозрачности, на глубине двух прозрачностей, в придонном горизонте. Для более точных оценок пробы можно отбирать более дробно, например, учитывая слой металимниона. После получения результатов строятся графики зависимости концентрации кислорода от времени и температуры на разных глубинах. Измерение температуры осуществляется с помощью опрокидывающихся термометров, прозрачность – по диску Секки. Концентрацию кислорода определяют методом Винклера (см. п.4.1.1., ход определения).

4.3 Использование метода Винклера при определении первичной продукции (по Винбергу).

Основными компонентами водных экосистем, способными самостоятельно создавать (продуцировать) органическое вещество являются автотрофные организмы (водоросли, высшая водная растительность) и хемосинтетики (бактерии). Однако именно органическое вещество растительного происхождения является исходной энергетической основой для всех последующих этапов продукционного процесса. В основе образования первичного органического вещества находится, как известно, балансовое равновесие фотосинтеза. Поскольку первичная продукция является основой энергетических потоков в системе, в этом разделе подробно повествуется об образовании органического вещества и об уровнях трофии.

Органические вещества, которые образуются в водных экосистемах в результате фотосинтеза растений или бактериального хемосинтеза называют первичной продукцией.

Первичная продукция - скорость новообразования органического вещества за счет автотрофов. По ориентировочным расчетам первичная продукция в озерах варьирует от 4 млн. до 2.1х10⁷ т С в год или 8.4х10⁶ - 4.4х10⁷ т органического вещества, где «С»- углерод. Концентрация углекислоты в воде, используемая фитопланктоном, в 10 раз больше содержания ее в атмосферном воздухе.

Создавать органическое вещество своего тела могут и микроорганизмы - хемосинтетики, но на основе использования энергии различных химических реакций. Хемосинтетики - это хемосинтезирующие бактерии или хемотрофы. Углерод они, как и в случае с фотосинтезом получают за счет углекислого газа, но используют в качестве энергии энергию окисления неорганических веществ и ферментов. Хемосинтезирующие бактерии - серобактерии, водородные, железобактерии, нитрифицирующие, марганцевые. Хемосинтезирующие бактерии встречаются во всех водоемах. Они обитают в толще воды, на поверхности и в глубине грунта. В наибольшей степени они концентрируются там, где анаэробные условия сменяются аэробными, т.к. для своей жизнедеятельности нуждаются в кислороде и восстановленных соединениях, которые, в частности, образуются в результате анаэробного распада органических веществ.

Основная часть первичного органического вещества в гидросфере создается в результате фотосинтеза планктонных водорослей. Причем органические соединения могут быть частью самих клеток, а могут выделяться во внешнюю среду, таким образом, внося свой вклад в среду обитания организмов, населяющих экосистему. Органические вещества, синтезируемые во внешнюю среду, называют внеклеточной продукцией организмов, которые их производят. При этом фотосинтезирующие формы производят наибольшее количество специфических соединений в период максимальной амплитуды фотосинтеза. Покажем на примере фотосинтеза основную схему образования интересующих нас веществ.

Схема 1

свет

CO₂ + H₂O → органическое вещество ( внутри клеток и внеклеточная продукция) +O₂ + H₂O

Количество органического вещества, продуцируемого в единицу времени, называется продуктивностью.

Сравнивая результаты жизнедеятельности водного сообщества на свету и в темноте, можно рассчитать значение первичной продукции в единицу времени (сутки, часы).

Суточная продукция является величиной, с помощью которой можно рассчитать годовую продукцию, а по величине годовой продукции определить трофический тип водоема. Это возможно, поскольку первичная продукция служит мерой интенсивности процесса новообразования органического вещества (основы трофической пирамиды).

Классификация водоемов по уровню трофии

Типизация водоемов по уровню их трофии основана на величине биологической продуктивности. Трофический тип водоема - это интегральная характеристика, определяемая целым рядом взаимосвязанных физико-химических и биологических процессов. Уровень биологической продуктивности озер зависит от комплекса лимнологических характеристик, а также характера водосбора, особенностей гидрографической сети, климатических параметров и других факторов (в том числе антропогенных). Другими словами, трофический тип водоема определяется особенностями единой системы " водосбор-озеро".

В то же время, на практике возможно определение трофического типа водоема по ограниченному числу показателей и, даже, одному - наиболее важному и информативному, а именно, по величине первичной продукции.

Типологическое направление было разработано в 20-30-е годы XX столетия в основном в работах Тинемана и Наумана, предложивших выделять 3 типа озер: олиготрофный, эвтрофный и дистрофный.

Олиготрофный водоем - содержит незначительное количество биогенных веществ, имеют высокую прозрачность, низкую цветность, большую глубину. Развитие фитопланктона слабое. Содержание кислорода лишь немного отклоняется от его нормального насыщения. В водоеме преобладают пастбищные трофические цепи, микроорганизмов мало и цепи разложения выражены слабо.

Эвтрофный водоем - при большей минерализации и повышенном содержании биогенных веществ происходит интенсивное развитие фитопланктона. Низкая прозрачность. В верхних слоях часто возникает избыток кислорода, а у дна - значительный недостаток. Все больше приобретает значение детритные и редуцентные цепи. Они становятся единственными в условиях дефицита кислорода и обилия мертвого органического вещества.

Дистрофный водоем - низкая минерализация, незначительное количество биогенных веществ, обильное содержание гумусовых веществ. Водный гумус состоит из труднорастворимых гуминовых кислот и составляет основную массу растворенного органического вещества в водоемах. Низкое развитие фитопланктона. Растворенное органическое вещество составляет 90-98% и лишь 2-10 % представлено в форме живых организмов и детрита.

Мезотрофный тип - промежуточный тип между олиготрофным и эвтрофным.

Существенным недостатком этой типизации является отсутствие данных о гумификацированных озерах, переходящих из олигогумозных (светлых) в мезогумозные и полигумозные (темные) типы.

В значительной степени недостатки первой классификации были сняты в концепции трофической типизации озер Оле – Винберга, основанной на оценке интенсивности круговорота органического вещества. При этом функциональным показателем является величина первичной продукции фитопланктона и концентрация хлорофилла в воде, между которыми существует прямая корреляция. Данный подход получил название продукционно-биологического или балансового, в основе которого лежит соотношение величин продукции (А) и деструкции (R), что было предложено Г.Г.Винбергом еще в 30-е годы. Одним из основных показателей в данном подходе является "удельная продуктивность", т.е. сумма всех биогенных превращений органического вещества (A+R) в единицу времени на единицу площади.

Классификации, построенные на продукционно-биологической основе, дают возможность не только определить трофический статус водоема по шкалам, но и оценить динамику его состояния, что очень актуально для современной экологической ситуации. Служба мониторинга, используя количественные функциональные показатели, имеет возможность следить за незначительными изменениями в экосистемах даже в пределах одного трофического типа. Границы между отдельными типами, определяемыми по предложенным показателям, достаточно условны и варьируют в разных классификациях. Иногда предлогаются более дробные классификации, в которых выделяются ультраолиготрофные и гиперэвтрофные типы или каждый тип разделяется на 2 группы.

Одной из наиболее признанных является следующая классификация озер (Таблица 1).

Таблица 1. Типы озер по показателям содержания хлорофилла, биомассы фитопланктона, первичной продукции и прозрачности воды (по Китаеву, 1984)

Тип озера	Хлорофилл, мг/л	Биомасса, г/м3	Продукция, г С/м2 год	Прозрачность воды по белому диску, Hsd, м
Олиготрофное	<1.5-3	0.5-1	<12.5-25	> 4
Мезотрофное	3-12	1-4	25-100	1 - 4
Эвтрофное	12-48	4-16	100-400	0.5 - 1
Гипертрофное	>48	>16	>400	< 0.5

Аппаратура. См. пункт. 4.1.1. , черные пакеты для затемнения склянок, поплавок (например, пластиковая 10-и литровая бутыль из-под питьевой воды), веревка для гирлянды, размеченная по 0.5 м сетка для груза, груз (камень), диск Секки, опрокидывающийся термометр, тонкие веревки для привязывания склянок к гирлянде.

Реактивы. См. пункт. 4.1.1.

Ход определения первичной продукции.

В задачи студента входит произвести суточную экспозицию на разных глубинах с целью изучения изменения валовой продукции, скорости деструкции и эффективной продукции за сутки. Построение графиков с целью выявления оптимальной глубины зоны фотосинтеза. Эксперименты проводятся на глубинах с разной величиной прозрачности.

Из лодки отбирают батометром воду с необходимых глубин (с поверхности – 30 см, с глубины одной прозрачности и двух прозрачностей). С помощью шланга и груши набирают воду в кислородную склянку (заранее пронумерованную), как было описано в п.3.1. и закрывают ее крышкой, привязанной к склянке. Подвешивают гирлянду склянок (по 2 на каждую глубину: светлую и темную). С каждой глубины берется контрольная проба в момент подвешивания и в момент снятия гирлянды. В заранее выбранном месте озера опускается веревка с поплавками и грузом. Затем на глубинах в одну и две прозрачности привязывают светлую и тёмную кислородные склянки, заполненные водой с данного горизонта, (при помощи батометра) пропустив при этом три объёма склянки. Следующий этап - создание гирлянды со склянками на трех глубинах и ее установка с помощью груза и поплавка и обязательная фиксация точного времени ее установки. Фиксация контрольных проб кислорода на трех глубинах. Через сутки – снятие гирлянды и фиксация кислорода во всех снятых склянках и в трех контрольных. После расчета концентрации кислорода в каждой склянке, необходимо рассчитать валовую продукцию (А), скорость деструкции (R), и эффективную продукцию (p), измеряемые в единицах [мг/л] следующим образом.

1.Расчёт деструкции осуществляется по формуле:

R= [O ]_к - [ O ]_т, где [O ]_к – концентрация растворённого кислорода в контрольной склянке; [O ]_т – концентрация растворённого кислорода в тёмной склянке.

2.Валовая продукция: A=[ O ]_c-[ O ] _т, где [O ] _с- концентрация растворённого кислорода в светлой склянке.

3. Эффективная продукция: P=A-R.

Результаты обработки данных сводятся в таблицу 2.

Таблица 2. Форма представления результатов измерений продукции.

Гори-зонт (h, м)	ТоС 1-й день	ТоС 2-й день	[O2] мг/л контр., 1-й день	[O2] мг/л контр., 2-й день	[O2] мг/л свет.	[O2] мг/л темн	A мг/л	R мг/л	P мг/л
0,3
Глуби- на одной прозрач- ности
Глуби- на 2-х прозрач-ностей

По самой большой величине эффективной продукции делают вывод об оптимальной глубине зоны фотосинтеза. На основании этого на следующий день ставятся эксперименты, описанные в п.4.3.1.

Далее необходимо построить графики зависимости валовой продукции, скорости деструкции и эффективной деструкции от глубины и температуры,

Проанализировав зависимости, делаются вывода о протекающих в различных водоемах продукционно-деструкционных процессах.