Первичная продукция, минеральное питание, круговорот основных биогенных элементов
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЭВТРОФИРОВАНИЯ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................
1. ПРОБЛЕМА ЭВТРОФИРОВАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ......
2. Первичная продукция, минеральное питание, круговорот основных биогенных элементов..
3. Классификация водоемов по уровню их Трофии..
4. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДОЕМОВ РАЗНОГО ТРОФИЧЕСКОГО ТИПА..
5. Закон лимитирования.
6. РАЗВИТИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВОДОЕМОВ. Сукцессии.
7. АНТРОПОГЕННОЕ ЭВТРОФИРОВАНИЕ.И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ.
7.1 ПОКАЗАТЕЛИ АНТРОПОГЕННОГО ЭВТРОФИРОВАНИЯ
7.2 ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ АНТРОПОГЕННОЕ ЭВТРОФИРОВАНИЕ
7.3. АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КРУГОВОРОТА ОРГАНИЧЕСКИХ И БИОГЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
8. ПОСЛЕДСТВИЯ АНТРОПОГЕННОГО ЭВТРОФИРОВАНИЯ
8.1 Антропогенная трансформация водных экосистем
8.2 .ПОСЛЕДСТВИЯ ЭВТРОФИРОВАНИЯ ВОДОЕМОВ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА
9. РАСПРОСТРАНЕНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ЭВТРОФИРОВАНИЯ....
10.БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОД. САПРОБНОСТЬ
11. ПУТИ ПРЕОДОЛЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ЭВТРОФИРОВАНИЯ
ПРИРОДНЫХ ВОД.
11.1. Профилактические методы
11.2. Восстановительные методы
12.ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........
ЛИТЕРАТУРА....................................
Введение
Проблема эвтрофирования. Основные понятия и термины. Естественное эвтрофирование.
Эвтрофирование - процесс роста общей продуктивности экосистемы водоема (водной толщи, донных отложений), т.е. накопления органического вещества в водоеме. Понятие трофии (trophe – питание, эутро (греч.) –тучность, жирность) введено в лимнологию во втором десятилетии 20-ого века для характеристики способности водоема воспроизводить органическое вещество как основу рыбопродуктивности. Вскоре это понятие приобрело более широкое значение. В результате углубленных исследований комплекса лимнических процессов превращения вещества и энергии оно стало интегрирующей характеристикой водных экосистем и составило основу биолимнологической классификации и типологии водоемов.
|
|
|
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:
6 CO2 + 6 H2O + 2818.7 кДж C6H12O6 +6O2
т.е. из 6 молекул углекислого газа и такого же количества молекул воды образуется 1 молекула глюкозы и выделяется 6 молекул кислорода. В процессе фотосинтеза природная вода, взаимодействуя с углекислым газом под влиянием солнечной радиации, является одновременно источником образования органического вещества. В отличие от животных и бактерий, которые используют для своей жизнедеятельности готовые органические вещества, растения сами их синтезируют. Использование световой энергии для биосинтеза стало возможно благодаря наличию у растений комплекса поглощающих свет пигментов, главным их которых является хлорофилл. Растения в грандиозных масштабах осуществляют процесс преобразования солнечной энергии в химическую энергию продуктов фотосинтеза, необходимую для поддержания жизни и круговорота вещества и энергии в биосфере нашей планеты. Основными фотосинтетиками в водоемах являются фитопланктон и макрофиты.
|
|
|
Растения каждые 2 млн. лет разлагают столько воды, сколько ее содержится в настоящее время в морях и океанах. Особенно велика роль микроскопических водорослей. Суммарное количество фитопланктона в Мировом океане сотавляет 1.5 млрд.т (для сравнения – бактериопланктона – 70 млрд.т, зоопланктона – 22.5 млрд.т, зообентоса – 10 млрд.т, фитобентоса – 0.2 млрд.т). Имеющаяся биомасса водорослей в водоемах неизмеримо ниже той, которая воспроизводится ими в течение года. Это объясняется тем, что водоросли – основной источник питания животных. Живое органическое вещество - основа кормовой базы населения гидросферы. По данным Богорова В.Г. годовая продукция водорослей мирового океана достигает 550 млрд.т, зоопланктона – 53 млрд.т, зообентоса – 3 млрд.т. Таким образом, водоросли – основной источник пищи и энергии для всего биоценоза. Их еще называют первичными продуцентами.
|
|
|
Первичная продукция – скорость новообразования органического вещества автотрофными организмами. По ориентировочным расчетам первичная продукция в озерах и водохранилищах варьирует от 4 млн. до 2.1х107 т С в год или 8.4х106 – 4.4х107 т органического вещества. Концентрация углекислоты в воде, используемая морским фитопланктоном, в 10 раз больше содержания ее в атмосферном воздухе. Планктонные водоросли имеют больше, чем наземные растения, возможности контакта с внешней средой для питания, так как воспринимающей поверхностью в процессе фотосинтеза у них является вся поверхность клеток.
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 как пресных, так и морских. 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. Наибольшее значение в водоемах имеют значение бактерии, окисляющие сероводород и серу. Так как хемосинтетики используют недоокисленные продукты анаэробного распада, наибольшее количество автотрофных анаэробных бактерий концентрируется в грунтах. Среди грунтов наиболее богаты ими илы, содержащие значительное количество органического вещества. Интенсивность хемосинтеза в толще воды обычно в десятки и сотни раз ниже, чем в грунтах. Хемосинтез в водоемах следует рассматривать как вторичный процесс, который в конечном итоге использует энергию органического вещества, создаваемого при фотосинтезе. Следовательно роль хемосинтетиков заключается не столько в создании первопищи, а сколько в трансформации энергии, аккумулированной фотосинтетиками. Таким образом, подавляющее количество органических веществ, образующихся в водоемах, синтезируются из минеральных в процессе фотосинтеза за счет утилизации солнечной энергии. Количество органического вещества, продуцируемого в единицу времени, называется продуктивностью. Продуктивность автотрофных организмов называют первичной продуктивностью, а продуктивность других живых компонентов экосистем - вторичной продуктивностью.
|
|
|
Для синтеза органического вещества необходима углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде. Основные звенья круговорота углерода указаны на рис. 1, из которого видно, что в процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества (углевод, белки, липиды), служащие пищей животным. Дыхание, брожение (разложение) и сгорание топлива возвращают углекислоту в атмосферу.
Органические вещества в водоеме обычно подразделяют на автохтонные и аллохтонные. Запасы автохтонного органического вещества пополняются за счет фотосинтеза фитопланктона, а запасы аллохтонного - за счет выноса их с водосборной площади, поступления с атмосферными осадками, а также с бытовыми и промышленными стоками. Однако именно органическое вещество растительного происхождения является исходной энергетической базой для последующих этапов продукционного процесса. Перенос энергии пищи от ее источника – автотрофов через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. Пищевые цепи знакомы всем: человек съедает крупную рыбу, она ест мелкую рыбу, которая поедает зоопланктон, который питается фитопланктоном, улавливающем солнечную энергию. Или более короткая пищевая цепь – человек –корова – трава – солнечная энергия. Зеленые растения занимают 1-ый трофический уровень и их называют продуценты, травоядные – второй трофический уровень (первичные консументы), хищники – вторичные консументы, вторичные хищники – третичные консументы. Можно выделить консументов 4, 5, и 6 порядков. Обычно пищевые цепи состоят не более чем из 5-6 звеньев. В ряду человек – корова – трава человек – консумент второго порядка. Конечное звено пищевой цепи образуют деструкторы или редуценты – организмы, разлагающие органические вещества. Это микроорганизмы-бактерии, дрожжи, грибы – сапрофиты. Пищевые цепи можно разделить на 2 основных типа: пастбищная цепь и детритная цепь.
Пасбищная цепь начинается с зеленого растения (фитопланктон) и далее идет к
растительноядным животным (пасущимся), поедающие живые растительные клетки.
Детритная цепь идет от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем детритофагам и к их хищникам (цепи разложения) (Рис. 2).
Детрит – совокупность взвешенных в воде органо-минеральных частиц.
Пищевые цепи не изолированы друг от друга и тесно переплетаются, образуя так называемые пищевые сети. В ответ на воздействие факторов внешней среды в экосистеме может быстро происходить переключение потоков. Чем длиннее пищевая цепь, тем большая роль различных плотоядных (хищников), чем короче – тем выше роль детритной цепи (повышается роль редуцентов).
С переходом с одного трофического уровня к следующему численность и биомасса нередко снижается зя счет трансформации органического вещества на каждой ступени. С точки зрения законов термодинамики принципы организации пищевых цепей выглядят следующим образом - приток энергии на каждый трофический уровень уравновешивается ее оттоком и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме, недоступной для использования ( при дыхании). На каждом последующем уровне поток энергии уменьшается. Так на 1-ом трофическом уровне поглощается 50% падающего света, а превращается в энергию пищи всего 1% поглощенной энергии. Вторичная продуктивность на каждом последущем трофическом уровне консументов составляет 10% предыдущей. Поскольку растения и животные производят немало трудно перевариваемого органического вещества (целлюлоза, лигнин, хитин), а также химические ингибиторы, препятствующие поеданию всевозможными консументами, то средняя эффективность переноса энергии между трофическими уровнями в целом составляет 20% и менее.
Первичная продукция, минеральное питание, круговорот основных биогенных элементов
Первичную продукцию обычно отождествляют с фотосинтезом, преимущественно планктонных водорослей. На самом деле ее следует отождествлять со всем первичным биосинтезом, который складывается из фотосинтеза и минерального питания.
Элементы минерального питания оказывают влияние на всю жизнедеятельность гидрофитов. Уменьшение или увеличение их количества отражается на интенсивности фотосинтеза и на составе образующихся в этом процессе продуктов.
Минеральные элементы влияют на фотосинтез, изменяя состояние мембран и соответственно на фотосинтетическое фосфорелирование и транспорт электронов. Для синтеза протоплазмы живым организмам необходимо.около 40 элементов, из которых самым важными считается углерод, азот, фосфор, кремний, железо, марганец и некоторые микроэлементы. Биогенные вещества, содержащиеся в воде не только исчерпываются растениями, но и непрерывно возобновляются (регенерируют) в результате отмирания гидробионтов и их разложения, так что химическая база фотосинтеза непрерывно восстанавливается.
Углерод. В качестве углеродного минерального питания растения способны использовать различные соединения. Некоторые водоросли могут утилизировать углерод бикарбонатов. У некоторых интенсивность фотосинтеза зависит только от присутствия свободных молекул СО2. Для пресноводных синезеленых водорослей например установлено преимущественное потребление углерода в форме бикарбонатов. В наилучшей степени обеспечивает ход фотосинтеза присутствие в воде свободной углекислоты, диффундирующей из атмосферы или выделяющейся из бикарбонатов. Чем интенсивнее растения потребляют углекислоту, тем большее количество ее поступает в воду. Поскольку при ее поглощении растения повышают рН воды, происходит переход бикарбонатов в монокарбонаты с высвобождением молекул СО2. Пока в воде достаточно бикарбонатов, фотосинтез не ограничивается недостатком источников углеродного питания.
Фосфор. Фосфор относится к числу наиболее важных биогенных элементов. Фосфор присутствует в клеточном материале. Фосфатные группы являются основными структурными элементами нуклеиновых кислот, фосфолипидов и частью АТФ, участвующих в энергетических и анаболических процессах. Фосфор ассимилируется из среды обитания в процессах фотосинтеза, хемосинтеза и разложения органических остатков. В природных водах он содержится в виде минеральных и органических соединений. Запасы фосфора в водоемах пополняются за счет выщелачивания почвенных и горных пород и биохимического распада водной и наземной растительности.
В состав общего фосфора входят:
| |
Взвешенный фосфор Растворимый фосфор
| |
Минеральный взвешенный Минеральный растворимый
Органический взвешенный Органический растворимый
Содержание общего фосфора варьирует от десятых до нескольких сотых мг/л. При отсутствии фосфора водоросли не фотосинтезируют и вскоре отмирают. При избытке фосфора водоросли могут накапливать его в своих клетках и некоторое время функционировать в среде лишенной фосфора. Наиболее легко усваиваемая фитопланктоном форма фосфора - ортофосфат (H2PO4- при рН 3-7, HPO4- при рН 8-12). Различные формы фосфора находятся в непрерывном взаимодействии, что создает трудности при изучении динамики биогенных элементов.
Взвешенный фосфор – адсорбирован на поверхности взвешенного материала или связанный с его структурами. Взвешенные частицы в состоянии покоя оседают на дно под действием силы тяжести и могут там находиться неопределенно долго. Органический (связанный с углеродом) взвешенный фосфор может потребляться организмами и бактериями, питающимися детритом. Неорганический (минеральный) взвешенный может растворяться и усваиваться растениями и бактериями. В результате взмучивания, перемешивания, диффузии фосфор из донных отложений попадает в толщу воды.
Растворенный фосфор – к этой форме относятся свободные ионы и частицы < 1мкм. Они находятся в толще воды и биологически доступный фосфор сосредоточен гл. образом в поверхностных слоях ( в эвфотической зоне- зоне фотосинтеза). Ниже зоны фотосинтеза потребление фосфора не будет. Фосфор, который не утилизируется водорослями, может ассимилироваться бактериями и превращаться в органический фосфор. Он может также осаждаться и связываться с частицами донных отложений и может быть вынесенным из водоема водным потоком.
Для оценки количества биологически доступного фосфора или общего фосфора, поступающего в водоем в течение года, используют меру – фосфорная нагрузка. Это основной показатель возможности обогащения биогенными элементами. Например в оз. Балатон фосфорная нагрузка составляет 0.62 г/м2 год, в Рыбинском водохранилище –1.4 г/м2 год.
Круговорот фосфора в окружающей среде существенно однонаправлен (рис. 3). В отличие от азота он не может вернуться в газовую фазу. Он поступает в биосферу в результате эрозии горных и осадочных пород, глинистых материалов и торфяников. Антропогенными источниками фосфора являются очищенные сточные воды и смываемые с водосбора удобрения.
Азот. Азот необходим для жизни, так как он входит в структурный состав белков и аминокислот. В водоемах он существует в нескольких формах, имеющих динамическую взаимозависимость, которую можно описать в виде круговорота азота
(рис.4).
Минеральные соединения азота присутствуют в воде в 3-х формах: аммонийный, нитритный и нитратный. В воде преобладают нитратные формы, нитриты присутствуют в меньшем количестве, чем нитраты. Различные виды водорослей нуждаются в разной концентрации солей азота. Например, синезеленая водоросль Anabaena усваивает в первую очередь аммиачный азот, некоторые другие преимущественно используют нитраты. Очень требовательны к азоту синезеленые водоросли и некоторые зеленые (хлорококковые). Избыток солей азота приводит к угнетению развития водорослей, особенно при высоких концентрациях аммиачного азота.
Одним из основных источников азотных соединений в водоемах является усвоение молекулярного азота синезелеными водорослями и разными видами бактерий. Основное количество азотфиксаторов принадлежит бактериям, второе место занимают синезеленые. Однако последние имеют наибольшее значение в фиксации молекулярного азота.
Схематично круговорот азота биогенного происхождения в водоемах можно представить так:
N2 фиксация свободного N N органический продукты
в растениях и биохимического
животных распада и
нитрификация
Нитрификация – поэтапное бактериальное окисление:
NH4 NO2 NO3
и вновь потребление азота фитопланктоном и макрофитами. Органические формы азота находятся в продуктах частичного распада водных организмов.
Следует знать, что нитриты являются нестойкой промежуточной формой и составляют формой и составляют в воде тысячные доли мг/л, аммонийные соли – сотые или десятые доли мг/л, нитраты изменяются в более широких пределах от 0 до 3 мг/л, иногда 4–5 мг/л.
Потери азота происходят за счет потребления водорослями и денитрификации. В анаэробных условиях происходит восстановление NO3 до N и O2
2NO3 N2 + 3O2
Этот процесс идет в придонном слое водоемов.
Для оценки количества биологически доступного азота или общего азота, поступающего в водоем в течение года, используют меру – азотная нагрузка. Например в оз. Балатон - азотная нагрузка составляет 1.3 г/м2 год, в Рыбинском водохранилище –14.3 г/м2 год.
Абиогенные источники азота:
1. При грозовых разрядах образуется окись азота.
2. Образующийся при сгорании топлива, окисляется при высокой температуре с образованием значительного количества оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2), которые потом поступают в атмосферу.
3. Азот поступает с водосборной площади и атмосферными осадками. В наиболее индустриальных районах атмосферные осадки ежегодно поставляют до 15–17 кг аммонийного и нитратного азота на 1 га земельных угодий. С расширением использования минеральных удобрений приток азота в водоемы возрастает.
Таким образом, наиболее важные биогенные элементы в эвтрофировании водоемов – фосфор и азот Их круговорот имеет некоторые общие черты, но для фосфора отсутствует обратный путь в газовую фазу, поэтому он часто накапливается в озерах и водохранилищах.
Дата добавления: 2018-09-23; просмотров: 288; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!