Качества и загрязнения экосистем

(хроматография сложных природных веществ)

 

Цель: выработать у бакалавров навыки оценки состояния экосистем.

Задачи: овладеть методами хроматографии и сорбционных лизиметров с целью экологической оценки качества почв, природных вод, а также разделения на фракции сложных природных веществ, например, гумуса.

 

Наряду с занятиями по картографии, бакалаврам предлагается выполнить ряд лабораторных работ. Темы работ могут изменяться преподавателем в зависимости от объема и характера учебной нагрузки. Определенную ее часть можно перенести на летнюю учебную практику, например, по экологии водных экосистем. Не исключено добавление новых тем, в частности, по биотестированию, биоиндикации, определению качества кормов и продуктов питания, а также ГИС и компьютерным технологиям. В последнем случае выполняются работы по агроэкологической оценке земельных ресурсов в компьютерном классе кафедры экологии. Эта тема особенно близка студентам, обучающимся по специальности «Экономика», а также изучающим дисциплину «Экономика природопользования». Подчеркнем, почвенные и земельные (ландшафтные) ресурсы характеризуются качеством и стоимостью. Поэтому их оценке нужно уделять особое внимание при изучении темы «Природные зоны России и земного шара».

 

 Демонстрационная лабораторно-практическая работа 2

Природные и искусственные сорбенты - фактор качества жизни и экологической безопасности биоты и людей

Тема №1. Использование ионообменной хроматографии для глубокой очистки различных водных растворов от катионов и анионов.

  

В этой лабораторной работе  студенты проводят очистку одного из природных водных растворов (например, из Тимирязевского пруда) от простых и сложных ионов – катионов и анионов. Для этого применяются стеклянные хроматографические колонки или стеклянные фильтры - Нутча (№2, 3, 4). Сорбенты : катионит КУ-2 в Н⁺ форме и анионит АВ-17 в CL^- или ОН^- формах, оксид алюминия и активированный уголь.

 

На семинаре обсуждаются как теоретические аспекты кинетики, статики и динамики сорбции, так и практические аспекты данного метода: использование деионизированной воды, сорбентов и аппаратуры в химии, экологии и медицине. Для более полной интерпретации полученных студентами результатов опытов рекомендуется использовать научные публикации И.С. Кауричева, В.В. Рачинского, А.Д. Фокина, А.И. Карпухина и И.М. Яшина и других авторов, в частности, в журналах «Известия ТСХА», «Доклады ТСХА», «Почвоведение», а также монографии и учебные пособия за период с 1961 по 2015 годы. Указанные работы имеют почвенно-экологическую направленность. Отмечается приоритет русского ботаника М.С. Цвета в открытии метода хроматографии (1903) и его вклад в диагностику хлорофилла растений.

 

Преподаватель объясняет студентам особенности метода хроматографии и освещает его научно-прикладное значение в медицине, водоподготовке, биохимии, микробиологии, почвоведении, экологии, физиологии растений и человека, фармакологии. Констатируется: в Тимирязевской академии метод хроматографии издавна апробировался на кафедрах физической и коллоидной химии (Е.Н. Гапон), а также органической (В.В. Вильямс) и неорганической химии (Б.А. Соломинская, И.В. Колосов...). В.В. Рачинский в 70-х годах 20-го столетия был Председателем совета по хроматографии в Советском Союзе. Под его руководством проводились теоретические изыскания по хроматографии и вегетационные опыты с использованием радиоактивных изотопов. В этой связи разработка в 1959 г. метода сорбционных лизиметров (МСЛ) И.С. Кауричевым на кафедре почвоведения ТСХА не была случайной, интуитивной. Она опиралась на фундаментальные результаты исследований, полученные на химических кафедрах Тимирязевской академии. Разработав концепцию МСЛ, И.С. Кауричев пригласил в аспирантуру И.М. Яшина (1969-1973 гг.), и предложил ему выполнить теоретическое обоснование МСЛ. Уместно отметить, что в тот период сорбционные явления с радиоактивными изотопами, в частности, в почвах и сорбентах исследовали также А.Д. Фокин, А.И. Карпухин, А.С. Кияновский и другие.

Модельные опыты показали, что эффективное и надежное функционирование сорбционных лизиметров, устанавливаемых в почвенный профиль, тесно связано с проведением предварительных лабораторных исследований по сорбции продуктов почвообразования разными и специально подготовленными сорбентами. Важно было также подобрать и эффективные элюенты; отработать технологию «закладки» в почву сорбционных лизиметров и определить оптимальные условия их функционирования в условиях конкретного типа ландшафта. Объектами исследований были аграрные и нативные экосистемы Подмосковья, Архангельской области и Республики Коми. Установлено, что если взять заведомо большую массу поглотителя в колонку, то в итоге можно получить эффект «разбавления» потока мигранта. При недостатке сорбента в колонке возможен проскок мигранта за слой сорбента: следовательно, нужно было экспериментально установить емкость сорбента «до проскока» по отношению к природным продуктам почвообразования и антропогенеза. Наблюдения показали, что сухие сорбенты в колонках почти не функционируют, поскольку над колонкой в почве возникает воздушный «пузырь» и почвенные растворы просто обтекают такую сорбционную установку и не поступают в приемник вод лизиметра. Далее. Например, оксид алюминия в колонках сильно слеживается и его закладка в колонки без песка существенно затормаживает скорость фильтрации растворов, а результаты полевой оценки масштаба миграции оказываются заниженными. Нужно было также отработать методику глубокой химической очистки кварцевого песка и технологию установки колонок в почвенный профиль. Если на частицах песка остаются пленки гидрогелей гидроксида железа, то часть массы мигранта (ВОВ, ионов тяжелых металлов) может на них сорбироваться. А реальные опытные данные занижаются. Показано, что оправдывает себя каскадный способ установки лизиметров с тщательной их замуровкой сырой почвой. Колонки подготавливают с соблюдением методики, изложенной в учебном пособии И.С. Кауричева, И.М. Яшина и В.А. Черникова (1996).

Профиль почвы после установки всей серии лизиметров - 24-30 колонок - фотографируют цифровой фотокамерой, например, Nikon COOLPIX P90 (Japan) со штатива. Определяют координаты почвенно-экологического «ключа» с помощью GPS навигатора, что особенно актуально при закладке лизиметрических устройств на пашне, сенокосах и пастбищах. Наряду с GPS навигацией траншею фиксируют на детальной топокарте по надежным местным ориентирам. Спутниковая навигация пока еще недостаточно точная: ошибка достигает нескольких метров. Все сведения записывают в полевой дневник, который является документом первичной отчетности.

На семинаре со студентами обсуждаются конструкции сорбционных лизиметров, используемые для оценки восходящих, боковых и нисходящих потоков мигрантов, в том числе и экотоксикантов – ионов тяжелых металлов, пестицидов, радионуклидов. Студентам предлагается самостоятельно подготовить к работе сорбционный лизиметр, проверить его лабораторное функционирование: оценить скорость фильтрации воды через колонку (сравнить с аналогичной в почве), выполнить качественную оценку действия сорбентов. Затем подытоживаются результаты занятий по МСЛ. Преподаватель констатирует, что собранные и апробированные «ловушки» мигрантов эффективны для экологической оценки химически загрязненных почв вблизи свалок, на опытных полях, участках использования осадков сточных вод, в водоохранных зонах рек и водохранилищ, на газонах стадионов, вблизи военных полигонов. Студентам предлагается самим разработать принципиально новые варианты сорбционных «ловушек» для различных классов мигрантов, ранее еще не использованных специалистами. При этом требуется обоснование предложенных конструкций, характеристика их функционирования в почвах, достоинства и недостатки. Подчеркивается, что изучая МСЛ, студенты наряду с химико-аналитическими работами переходят к новому - технологическому этапу: созданию специальных конструкций - «сорбционных ловушек», используемых для оценки состояния и функционирования экосистем на ионно-молекулярном уровне.

На семинарах обсуждаются следующие вопросы: какие веществ активно мигрируют в почвах таежных, лесостепных и степных ландшафтов? Какое дальнодействие мигрантов от «точки их образования – таежной экосистемы», к местному базису эрозии – озеру, реке, водохранилищу, и как его можно оценить? В каких почвах и ландшафтах мигранты аккумулируются и почему? Что представляют собой движущие силы миграции?

Наконец, как влияют на растения и микроорганизмы мобильные формы мигрантов в почвах тайги, лесостепи и степи?

 

Вопросы для повторения

1. Кому принадлежит приоритет разработки метода сорбционных лизиметров? Для каких целей применяют данный метод?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

2. Нарисуйте схему сорбционного лизиметра с двумя слоями сорбентов и дренажем, а приемник лизиметрических вод соединен с колонкой с помощью вакуумных шлангов. Покажите на схеме установку конструкции в почвенном профиле. Объясните принцип действия сорбционного лизиметра.

Схема сорбционного лизиметра:

 

 

Принцип действия сорбционного лизиметра:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Какие сорбенты и с какой целью применяют в сорбционных лизиметрах при изучении водной миграции веществ в почвах?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 Химические свойства оксида алюминия, активированного угля и

синтетических органических ионообменных смол

____________________________________________________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________        

Назовите основные свойства активированного угля и его строение.

_____________

Библиография

  

1. Гольдберг В.М. Взаимосвязь загрязнения подземных вод и природной среды. Л.: Гидрометеоиздат. 1987. 247с.

2. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука. 1990. 261 с.

3. Европейские стандарты питьевой воды. Женева: Всемирная организация здравоохранения. 1972. 60 с.

4. Зайков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди и окружающая среда. М.: Химия. 1991. 140 с.

5.  Ковда В.А. Биогеохимические циклы в природе и их изучение //Известия АН СССР, сер. Биол.1976. № 1. С.53-68.

6. Колесниченко М.В. Биохимические взаимовлияния древесных растений. М.: Лесная промышленность. 1976. 184 с.

7. Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир. 1975. 740 с.

8.  Пьявченко Н.И. Торфяные болота, их природное и хозяйственное значение. М.: Наука. 1985. 152 с.

9.  Яшин И.М., Шишов Л.Л., Раскатов В.А. Почвенно-экологические исследования в ландшафтах. М.: МСХА. 2000. 560 с.

10.   Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология в вопросах и ответах. Уч. Пособие. 2 изд. Ростов н/д.: Феникс, 2005. 384 с.

11.  Яшин И.М. с соавт. Методы экологических исследований: курс лекций. Учебное пособие. М.: МСХА. 2016.

12.  Яшин И.М., Васенев И.И., Раскатов В.А. Методы экологических исследований: лабораторный практикум. М.: МСХА. 2015.

 

________________

Словарь терминов

Адаптация – совокупность морфофизиологических, поведенческих, популяционных и иных особенностей живых организмов, обеспечивающая им возможность жизни в экстремальных условиях внешней среды.

Ареал – область распространения на земной поверхности тех или иных видов (родов, семейств) животных и растений.

Биоиндикаторы – организмы, с помощью которых можно выявить неблагоприятные  естественные (или антропогенные) процессы, или наличие определенных загрязнителей в воде или в почве.

Биоиндикация –  оценка состояния среды или природных экосистем с помощью живых объектов, где живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества.

Биологическая система (в широком смысле) – совокупность функционально связанных тканей, органов, их частей и процессов, объединенных в целое для достижения биологически значимого результата; биологический объект может одновременно выступать:

- как целостная биологическая система;

- как подсистема биологической системы более высокого уровня.

Биосфера Земли – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу, верхнюю часть литосферы, почвенный покров и биоту. В биосфере живые организмы (живое вещество) и места их обитания (ландшафты, экосистемы…) неразрывно связаны и активно взаимодействуют друг с другом миллионы лет. В результате образовалась неравновесная, но устойчивая и динамичная мегасистема. Термин «биосфера» введен в 1875 году немецким специалистом Э. Зюссом. Учение о биосфере, как об активной и своеобразной оболочке Земли, в которой роль живых организмов проявляется на уровне планетарного геохимического фактора, создано В.И. Вернадским (1924-1926гг.) в эмиграции: здесь он читал лекции в Сорбонском университете. Создавая учение о биосфере, В.И. Вернадский заложил основы учения о ноосфере – сфере разумной деятельности человеческой популяции на Земле. Однако почти все постулаты его концепции пока остаются не выполнимыми. Он прогнозировал экологическую катастрофу, если промышленная деятельность человечества не будет выполнятся по определенным правилам. Пока негативные прогнозы В.И. Вернадского сбываются. Но биосфера может и сама «защищаться» от человеческой популяции.

Биотестирование – деятельность по изучению в лабораторных условиях влияния компонентов окружающей среды на биотесты.

Биотесты – стандартизованные биообъекты, по изменению состояния которых судят о свойствах того или иного компонента природной среды, в т.ч. влиянию на здоровье человека и функционирование экосистем.

Геоботаника – наука о растительном покрове Земли; большинство отечественных ученых включает в геоботанику фитоценологию и ботаническую географию; иногда синоним фитоценологии.

Загрязнение экосистем – привнесение в ландшафты или возникновение в них новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных и биологических компонентов в количестве, превышающем естественный среднемноголетний уровень и нарушающем равновесие экосистем, их продуктивность и качество.

Импактное загрязнение (синоним локальное загрязнение) – загрязнение небольшого региона (обычно вокруг промышленного предприятия, населенного пункта, вдоль автотрасс).

Кислотные дожди - (кислые дожди), характеризуются повышенным содержанием анионов сильных минеральных кислот (в основном серной); величина pH достигает величин 3,2-4,5. Образуются при взаимодействии атмосферной влаги с транспортно-промышленными выбросами (главным образом оксидов серы, а также азота и галогенов). Вредно действуют на здоровье людей, растительный и животный мир, строительные сооружения и железобетонные конструкции; подкисляют почвы и водоемы. Распространены в промышленных районах США, стран Западной Европы, России и др. Кислотные осадки могут накапливаться в твердых атмосферных осадках (снег, град, изморозь).

Космополиты – виды (роды, семейства) растений и животных, обитающие по всему (или почти по всему) земному шару; космополитами являются, например, злаки, воробьиные птицы; космополитов противопоставляют эндемикам.

Ксенобиотики – чужеродные для организмов и биосферы соединения (промышленные загрязнения, пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные средства…); попадая в окружающую среду в значительных количествах, могут воздействовать на генетический аппарат организмов, вызывать их гибель, нарушать равновесие природных процессов в биосфере. Эти вещества не характерны для биогеохимического круговорота веществ.

Мониторинг – наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенно-растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, управления, прогноза и охраны; различают глобальный, региональный и локальный уровни мониторинга. Методы мониторинга изложены в курсе «Методы экологических исследований», И.М. Яшин с соавт., 2000.

Окружающая среда (природная среда, окружающая природная среда) – внешняя часть условий любой среды по отношению к биосистемам, экосистемам, человеческому обществу и его хозяйственной деятельности; природная среда есть совокупность природных и незначительно измененных человеком условий окружающей среды. Термин заимствован из английской литературы. Он используется в разговорной форме и не несет географической нагрузки: таксономически не обоснован. Лучше применять термин «ландшафт».

Парцелла – структурная часть горизонтального расчленения фитоценоза (или биогеоценоза), охватывающая всю его толщу и выделяемая по плотности видов растений, животных и особенностям микросреды обитания.

Поллютант – загрязнитель – вещество, загрязняющее окружающую среду (антропогенное загрязнение).

Популяция – совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Предельно допустимая концентрация вещества в окружающей среде (ПДК) -  максимальное количество вредного вещества в единице объема или массы, которое при ежедневном воздействии в течение длительного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений в организме человека; является гигиеническим критерием при оценке санитарного состояния атмосферного воздуха, водоемов, продуктов питания и т. д.); в Российской Федерации устанавливается для каждого вредного вещества. Для почв и ландшафтов ПДК пока не обоснованы и условны.

Предельно допустимый сброс (ПДС) – масса вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в установленном режиме в данном пункте в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды в контрольном пункте.

Растения-концентраторы – растительные объекты, способные в процессе своего роста и развития к накоплению из окружающей их среды определенных химических элементов и их соединений.

Рудеральные виды -  т.е. буквально «мусорные», травы типичны для свалок, пустырей, обочин дорог и аналогичных мест, обычно бурно зарастающих т.н. бурьяном.

Синузия – структурная часть фитоценоза, одноярусная группировка растений в пределах фитоценоза, сформированная в определенных экологических условиях, территориально компактная или разобщенная, с наличием взаимоотношений между компонентами или без них; в лесах умеренного пояса несколько синузий: ярусные (деревья, кустарники), кустарнички, травянистый покров, эпифитные (лишайники, мхи на деревьях), почвенные животные.

Сообщество – система совместно живущих в пределах некоторого естественного объема пространства автотрофных и гетеротрофных организмов.

Стенобионты – животные и растения, способные существовать лишь при относительно постоянных условиях окружающей среды (температуры, солености, влажности, наличия определенной пищи и т.д.); например, все внутренние паразиты; некоторые стенобионты зависят от какого-либо одного фактора, например, сумчатый медведь коала – от наличия эвкалипта, листьями которого он питается; противоположность – эврибионты.

Стенотопные организмы – растения и животные, живущие только в определенных местообитаниях, например, песчаная акация – только в пустынях.

Стресс – состояние напряжения организма – совокупность физиологических реакций, возникающих в живом организме в ответ на воздействие различных исключительно благоприятных или неблагоприятных факторов; также состояние экосистемы, испытывающей напряжение вследствие действия повреждающих факторов, нарушающих ее вещественно-энергетический баланс.

Таллом – (гр. Таллос – ветвь), слоевище – вегетативное тело водорослей, слизевиков, грибов, лишайников, некоторых моховидных. Не имеет расчленения на органы (стебель, лист, корень) и настоящих (дифференцированных) тканей.

Тест-объекты – стандартизированные объекты, которые подвергаются пробным воздействиям, по результатам их выполнения судят о каких-либо явлениях, для которых установлены данные тесты.

Тест-организмы (см. биотесты).

Токсиканты – ядовитые вещества.

Токсикологическая оценка – совокупность испытаний, позволяющая установить с помощью определенных критериев, принятых в токсикологии, степень опасности (или безопасность) для человека и других живых организмов исследуемого вещества.

Токсичность сред – наличие в элементах сред токсичных агентов в концентрациях, вредных для живых организмов.

Токсичность – способность некоторых химических соединений и веществ биологической природы оказывать вредное действие на организм человека, животных и растений.

Толерантность – способность организма переносить неблагоприятное влияние того или иного экологического фактора.

Тяжелые металлы – Тяжелые металлы - химические элементы с атомной массой свыше 50 а.е.м.: свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден, марганец, никель, олово, титан, кобальт, медь, ванадий и другие, содержащиеся в компонентах ландшафтов в химически активных формах.

Фактор экологический – причина, движущая сила какого-либо процесса, явления, определяющая его характер или отдельные его черты, есть динамичная часть условий ландшафта.

Фитоиндикаторы – растительные объекты, по состоянию или количеству которых судят о свойствах окружающей среды.

Фитоиндикация – биоиндикация, использующая в качестве биообъектов растения.

Индикатор – физическое явление, химическое вещество или организм, наличие, количество или перемена состояния которого указывает на характер или изменение свойств окружающей их среды.

Фитотоксичность – свойство некоторых химических веществ  нарушать нормальное течение физиологических процессов в растительных сообществах, а также свойство компонентов ландшафтов, содержащих эти экотоксиканты.

Эврибионты – организмы, способные переносить значительные изменения условий окружающей среды, например, морские звезды, обитающие в приливно-отливной зоне (литорали), переносят осушение во время отлива, сильное нагревание – летом, охлаждение (даже промерзание) – зимой. Противоположность – стенобионты.

Эвритопные организмы – растения и животные, живущие в местах с разнообразными условиями обитания; например, тростник обыкновенный – по берегам водоемов, в воде, на солонцах и солончаках, обыкновенный хорек – на полях, лугах, лесных полянах.

Экологическая ниша – совокупность всех факторов природной среды, в пределах которых возможно существование того или иного вида организмов; к таким факторам относится не только положение вида в пространстве (его местообитание), но также его взаимоотношения с другими видами (конкуренция за пищу, наличие врагов и т.п.).

Экологическая пластичность – степень (амплитуда) выносливости организма или сообщества к воздействию факторов среды.

Экологическая экспертиза – оценка воздействия на среду жизни, природные ресурсы и здоровье людей комплекса хозяйственных нововведений в масштабах избранного региона.

Экологические условия – совокупность прямых и обратных связей, включающие потоки вещества, энергии, информации, которыми биосистемы взаимодействуют друг с другом и абиотической средой, и которые определяют возможность выполнения данной биосистемой определенных функций на различных уровнях их организации.

Экологический гомеостаз – состояние внутреннего динамического равновесия природных систем, поддерживаемое регулярным возобновлением основных ее структур, вещественно-энергетического состава и постоянной саморегуляцией ее компонентов.

Экосистема – природный территориальный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и т.п.), в котором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества и энергии; понятие экосистема применяется к природным объектам различной сложности и размеров: океан или небольшой пруд, тайга или участок березовой рощи; термин «экосистема» ввел английский ученый А. Тенсли (1930г.); нередко термины «экосистема» и «биогеоценоз» употребляют как синонимы, но это не так. Экосистема не картографируется (нет таксономического деления), но удобна при изучении трофических уровней (пищевых цепей).

Экотип – группа однородных популяций в пределах одного и того же вида, у которых в процессе приспособления к условиям местообитания выработались наследственно закрепленные морфологические, физиологические, биохимические и другие особенности.

 

Учебное издание

 

Экология

Рабочая тетрадь

Яшин Иван Михайлович

Компьютерный набор – Яшина М.И.