Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору

Однако закон толерантности имеет и иную интерпретацию. Вернемся к рис. 1. Как видим, диапазон между Т′_лети Т_лет представляет собой пределы выживаемости, после которых наступает смерть. В то же время фактический диапазон устойчивости организма значительно более узок. Если в эксперименте отклонять режим фактора от Т_опт то жизненное состояние организма (А)будет снижаться, причем при определенных верхнем или нижнем значении фактора у подопытного организма произойдут необратимые патологические изменения. Организм перейдет в подавленное, пессимальное состояние. Даже если прекратить эксперимент и вернуть фактор к оптимуму, полностью восстановить свое состояние (здоровье) организм уже не сможет, хотя это и не значит, что он обязательно погибнет. Подобные ситуации хорошо известны в медицине: при воздействии на людей в течение рабочего стажа вредных химических веществ, шумов, вибраций и т. п. у них возникают профессиональные заболевания. Таким образом, до того как фактор окажет летальное воздействие на организм, он может оказаться лимитирующим его жизненное состояние. Поэтому закон В. Шелфорда имеет второе название: закон лимитирующего фактора. На рис. 1 значения фактора, при превышении которых он станет лимитирующим, обозначены Т′_лим и Т_лим.

Лимитирующим может оказаться не только недостаток, но и избыток таких, например, факторов, как тепло, свет и вода. Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называется лимитирующими.

Закон лимитирующего фактора Шелфорда: процветание организмов лимитируется как минимумом (недостатком), так и максимумом (избытком) экологического фактора, диапазон значений между которыми определяет пределы толерантности организма к данному фактору.

Загрязняющие вещества – обычные экологические факторы, хотя и антропогенного происхождения, но их действие на организм человека подчиняется закону лимитирующего фактора. На рис. 2. показан именно такой пример: присутствие некоторого загрязняющего воздух вещества в окружающей среде. При значениях концентрации С′_лет и С_летчеловек погибнет, но необратимые изменения в его организме произойдут при гораздо меньших значениях: С′_лими С_лим. Значит, истинный диапазон толерантности определяется именно последними значениями. Следовательно, их необходимо экспериментально (в опытах на животных) определить для каждого загрязняющего (или любого вредного) химического соединения, и не допускать превышения его содержания в конкретной среде. В санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости человека к вредным веществам, а именно верхние пределы, поскольку загрязнение окружающей среды – это и есть превышение устойчивости организма. Таким образом, ставится задача или условие: фактическая концентрация загрязняющего вещества С_факт не должна превышать С_лим, т. е. С_факт < С_лим.

Рис. 2. Воздействие концентрации загрязняющего вещества на организм

Иначе говоря, С_лим одновременно является пороговой концентрацией С_пор и максимально допустимой С_макс для организма человека.

В санитарной охране окружающей среды С_лим имеет, таким образом, смысл предельно допустимой концентрации С_пдк (или просто ПДК).

Из всего сказанного вытекает первое правило охраны окружающей среды, выраженное языком экологии.

Охранять окружающую среду означает обеспечивать состав и режимы экологических факторов в пределах унаследованной толерантности живого (в первую очередь – человеческого) организма, т. е. управлять ею так, чтобы ни один фактор не оказывался лимитирующим по отношению к организму.

Рассмотрим, как меняется толерантность некоторых организмов по отношению к температуре. У холодолюбивых организмов зона температурного оптимума смещена в сторону низких температур. Диапазон температур, в пределах которого могут существовать некоторые антарктические виды рыб, составляет всего 4°С (от -2 до 2°С). У теплолюбивых видов зона оптимума смещена в сторону высоких температур. Коралловые рифы развиваются в морских водах с температурой выше 20°С.

Чтобы выразить относительную степень толерантности, в экологии используют приставку "стено", что означает узкий. В приведенных примерах мы имеем дело со стенотермными видами. Наряду с этим некоторые организмы имеют очень широкую зону оптимума; например, сосна способна переносить как холод, так и жару. К экологической характеристике таких видов прибавляют приставку "эври-" – широкий. Сосна является эвритермным видом.

В общем случае, организмы с узкими пределами толерантности называются стенобиоитными, а организмы с широкими пределами толерантности – эврибионтными.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗУЧЕНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

Цель работы: ознакомление с основными абиотическими факторами водной среды, их влиянием на живые организмы и методами определения некоторых из них.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Вода занимает преобладающую часть биосферы Земли. 71% площади земной поверхности приходится на Мировой океан.

Водные условия образуют своеобразную среду обитания живых организмов, отличающуюся от наземной прежде всего плотностью и вязкостью. Плотность воды в 800 раз, а вязкость - примерно в 55 раз больше, чем воздуха. Океан – главный приемник и аккумулятор солнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплоемкостью Водная оболочка Земли носит название гидросферы и включает также пресные воды, сосредоточенные в пределах суши (.горные льды, реки, болота, озера), и внутренние моря.

Наряду с плотностью и вязкостью важнейшими физическими особенностями водной среды являются следующие:

1. подвижность, т.е. постоянное перемещение водных масс в пространстве, способствующее поддержанию относительной гомогенности физических и химических характеристик;

2. температурная стратификация, т.е. изменение температуры воды по глубине водного объекта;

3. режим, связанный с периодическими (годовыми, суточными, сезонными) изменениями температуры. Самыми низкими температурами воды считают (-) 2°С,самыми высокими 35-37°С. (в данном случае не имеется в виду температура геотермальных вод). В целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха;

4. прозрачность воды, определяющая световой режим под ее поверхностью. От прозрачности (и обратной ей характеристики - мутности) зависит фотосинтез зеленых и пурпурных бактерий, фитопланктона, высших растений, а, следовательно, и накопление органического вещества, которое возможно лишь в пределах так называемой эвфотической ("эв"-пере, "фотос"-свет) зоны, т.е. в том слое, где процессы фотосинтеза преобладают над процессами дыхания.

Вода в природных условиях всегда содержит растворенные соли, газы и органические вещества. Их количественный состав меняется в зависимости от происхождения воды и окружающих условий. Наиболее значима для живых организмов в водных объектах соленость воды, т.е. содержание в ней растворенных карбонатов, сульфатов, хлоридов. При концентрации солей до 1 г/кг (или до 0,1%) вода считается пресной, до 25 г/кг ( до 2,5%) – солоноватой, более 25 г/кг (более 2,5%) – соленой. В пресных водах преобладают карбонаты (до 80%), общее содержание солей, в них колеблется в пределах 5-1000 мг/кг. Воды открытого океана содержат в среднем 35г/кг солей. Здесь преобладают хлориды – 27 г/кг и отчасти сульфаты.

В природных водах (морей, океанов) наблюдается прямолинейная корреляция между содержанием солей и величиной удельной электропроводности (рис.1. 1)

Рис.1.1. Зависимость удельной электропроводности морской воды от суммарной концентрации солей

Измеряя удельную электропроводность морской воды, можно приближенно по данному графику определить общее содержание солей.

Лимитирующие химические свойства воды связаны, с присутствием в ней растворенного кислорода. Содержание кислорода в воде зависит от процессов, позволяющих обогащать или обеднять воду кислородом. Обогащение воды кислородом может происходить в результате абсорбции кислорода из атмосферы, выделения растительностью при фотосинтезе. Обеднение воды кислородом происходит в результате процессов, связанных с потреблением его на окисление биохимическое (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ), химическое окисление таких ионов как Fe²⁺, Mn²⁺, Cr³⁺ и т.д.

Кислород обеспечивает дыхание водных организмов. Перерасход кислорода на дыхание живых организмов и на окисление поступающих в воду с промышленными сбросами органических и минеральных веществ ведет к резкому обеднению живого населения вплоть до невозможности обитания в такой воде аэробных организмов.

Жизнедеятельность и распространение организмов в воде зависят от концентрации водородных ионов, которую обычно характеризуют ее отрицательным логарифмом и обозначают рН. Все обитатели воды (гидробионты) приспособились к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую среду, другие – щелочную, третьи – нейтральную. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленных загрязнений, ведет к гибели гидробионтов или (реже) к замещению одних видов другими.

В природных водах, которые представляют собой сложные растворы, концентрация ионов водорода зависит от присутствия следующих компонентов:

1) диоксида углерода и его производных;

2)органических гумусовых кислот;

3) солей тяжелых металлов.

В природных водах концентрация ионов водорода зависит от соотношения концентрации угольной кислоты Н₂СО₃ и ее ионов:

H₂CO₃ → HCO₃^– + H⁺

HCO₃^– → CO₃^2– + Н⁺ (1)

Ионы НСO₃^– в природных водах образуются, главным образом, в результате диссоциации гидрокарбонатов кальция Са(НСО₃)₂ и магния Мg(HСO₃)₂ – которые ведут к уменьшению концентрации ионов водорода (Н⁺) и увеличению рН вследствие сдвига равновесия:

НСО₃^– + Н₂O → Н₂СO₃ + ОН^– (2)

При биологическом окислении находящихся в растворенной воде органических веществ концентрация угольной кислоты может либо увеличиваться, либо уменьшатся, что также способствует изменению рН воды.

Органические гумусовые кислоты, попадающие в воду с талыми водами, дождевыми потоками с полей, также могут изменить содержание ионов водорода в воде.

Ионы тяжелых металлов, образующие нерастворимые карбонаты и бикарбонаты, также изменяют рН воды вследствие сдвига равновесия в реакциях (1 и 2).

В природных водах значение рН может меняться от 4 до 9.

Общее содержание растворенных в воде органических веществ – один из важных показателей качества, особенно производственных и бытовых сточных вод. Содержание органических веществ в незагрязненных природных водах сравнительно невелико и редко превышает 2мг/л. Но в загрязненных системах их содержание зависит от характера сброса и от физических и химических свойств воды, в которую производят сброс. В естественных водоемах идентифицировано большое число загрязнителей, в том числе инсектициды, пестициды, детергенты, фенолы, аминокислоты, гуминовые кислоты, витамины. Все они оказывают заметное влияние на живые организмы, некоторые из них вызывают негативные последствия.

Существует несколько методов определения содержания органических веществ в природных и сточных водах. Одни методы основаны на сжигании высушенной пробы воды в потоке кислорода и анализа продуктов сгорания на содержание CO₂. В основе других лежит способность подавляющего большинства органических веществ окисляться под действием сильных окислителей, таких как бихромат аммония. Третьи методы используют способность органических соединений поглощать свет в ультрафиолетовой области. Выбор конкретного метода зависит от наличия аппаратуры и характера сточных вод, попадающих в водоемы.

Окислительно-восстановительный потенциал воды является еще одним показателем, характеризующим качество воды. В сточных и природных водах могут находиться ионы металлов в различной степени окисления, растворенный кислород, анионы. Количественной оценкой окислительно-восстановительных процессов может служить окислительно-восстановительный потенциал.

В природной воде и сточных водах предприятий могут находиться ионы железа Fe²⁺, Fe³⁺;. марганца Mn²⁺, Mn⁴⁺, серы в виде S^2–, SO₃^2–, SO₄^2– и другие элементы с переменной валентностью.

Измеряя величину окислительно-восстановительного потенциала и рН можно по равновесной диаграмме U – рН (диаграмма Пурбэ) прогнозировать степень окисления присутствующих ионов с переменной валентностью. По значению окислительно-восстановительного потенциала можно судить о количестве растворенного кислорода. Так, потенциал кислородного электрода U О₂/ОН^–:

, U₀ = 1,23 В.

– логарифм парциального давления кислорода.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ