А.В. КРЫЛОВ

Окончание. См. No 23, 24, 25/2000

Введение в мир гидроэкологии

Часть III. В стране материалов и методов

Абиотические факторы и способы их измерения

Прежде всего подумаем, почему знакомиться с основами экологии мы идем на водоем. Жизнь на Земле зародилась в воде. Все, что ныне ползает, бегает, прыгает по земле, летает над землей, роет под землей, – все вышло когда-то из воды. В воде обитает 150 000 видов животных (примерно 7% от общего их числа на Земле) и 10 000 видов растений (8% от общего их числа). Да и человеческий организм заимствован от водных обитателей. Наши легкие – это бывший плавательный пузырь рыб, наши конечности образовались из плавников, а все тело до сих пор больше чем наполовину состоит из воды.

Без воды не может прожить ни одно существо. В поисках живительной влаги небольшой кустик верблюжьей колючки уходит корнями вглубь на 15 м. Ради ее сохранения растения пустынь лишились обычных листьев. Вспомним «Маугли» – время засухи, когда животные разных трофических групп (я имею в виду хищников и травоядных, а выражаясь экологически грамотно – консументов первого и второго порядков), оставив инстинкты страха и нападения, заключали мир и приникали к источнику жизни.

Вода бывает соленой и пресной. Три четверти поверхности нашей планеты заняты океанами и морями. Это соленая, морская вода. А внутри материков бегут, смотрят голубыми глазами, неспешно переливаются пресные воды.

Определение характеристик водоема

Какие типы пресноводных водоемов мы знаем? Это озера, реки, ручьи, ключи, пруды, лужи. Попытаемся классифицировать их по отличительному признаку: движению воды.

Это первый важный фактор водной среды, во многом определяющий условия жизни и распространения животных и растений, а в особенности планктона. Как измерить скорость течения реки? Для этого пускаем вниз по течению поплавок (пенопластовую пластинку, ветку и т.д.), предварительно замерив расстояние от одной точки до другой (примерно 20 м). Отдельно можно выяснить скорость течения на русле (стержне, или медиали) реки и у берегов (рипали) (рис.1).

Рис. 1. Схема реки и речной системы: 1 – исток; 2 – верхнее течение; 3 – среднее течение; 4 – нижнее течение; 5 – устье; 6 – приток 1-го порядка; 7 – приток 2-го порядка; а – русло (медиаль), б – рипаль

Есть другой метод. Измерительную L-образную трубку высотой 50 см, длиной 10 см и диаметром 2 см помещают в воду таким образом, чтобы короткий конец был обращен навстречу течению. Измерив высоту столба, на которую вода поднялась в длинном конце трубки, можно вычислить скорость течения по формуле:

где V – скорость течения воды, см/с; g – ускорение силы тяжести (981 см/с²); h – высота столба воды, см.

В гидрологии выделяются быстротекущие участки рек, со скоростью течения более 0,3 м/с, и медленнотекущие, на которых скорость потока менее 0,2 м/с.
Хорошо собрать сведения о морфометрии реки, т.е. определить ее длину (если возможно), ширину и глубину.
Длина реки поможет определить ее категорию (табл. 1).

 Таблица 1. Классификация малых рек Нечерноземной зоны

Ширину реки можно определить методом подобных треугольников (рис. 2). Для этого потребуются четыре сухие ветки.

Рис. 2. Определение ширины реки

1. Выбрать дерево у воды на противоположном берегу реки (точка А).
2. Воткнуть ветку точно напротив дерева (точка В).
3. Отойти на 40 шагов влево от линии АВ и воткнуть вторую ветку (точка С).
4. Пройти в том же направлении еще 20 шагов и воткнуть третью ветку (точка D).
5. Отойти, считая шаги, от точки D в противоположном от реки направлении так, чтобы оказаться на одной прямой с точками А и С, и воткнуть четвертую ветку (точка Е).
6. Расстояние DE будет равно половине ширины реки. Умножив это расстояние на два, получим ширину реки в шагах.

Глубину можно измерить таким образом. С лодки опускают лот. Это груз на веревке, размеченной через определенные интервалы (например, до 3 м – через 10 см, от 3 м – через 50 см).

Мы получили гидроморфометрические характеристики водотока. А как быть с водным объектом лентического типа? Длиной озера считается расстояние между наиболее удаленными точками берегов. Ширина – линия, перпендикулярная длине озера. Изучение глубин озера позволит выделить береговую, прибрежную, или литоральную, и глубоководную, или пелагическую, зоны (рис. 3).

Рис. 3. Основные зоны озера: 1 – побережье; 2 – затопляемое побережье; 3 – литораль (граница – до конца распространения высших водных растений); 4 – сублитораль; 5 – пелагиаль

Важный параметр водной среды – прозрачность. Способность воды пропускать свет зависит в большей степени от содержания того или иного количества взвешенного вещества: мертвого – в виде ила и живого – в виде планктона. Абсолютно прозрачной воды не существует. Чтобы определить прозрачность, возьмем белый диск (можно использовать крышку от кастрюли) диаметром около 30 см, прикрепим его к размеченной по 5–10 см веревке. Называется такой инструмент диском Секки. Для замера необходимо встать с теневой стороны лодки (судна, причала) и погружать диск до тех пор, пока он не исчезнет из виду. Затем, дав отдохнуть глазам 1–2 мин, начать его поднимать. Показателем прозрачности считается средняя арифметическая двух глубин – исчезновения и появления диска.

Измерение температуры воды проводим с помощью термометра. Хорошо, если будет специальный термометр в металлической оправе со шкалой целых градусов и их десятых долей, либо полуградусов. Можно использовать и обычный термометр, поместив его в какую-либо банку (колбу), привязанную к веревке, с прикрепленным внизу грузом (рис. 4). Такое устройство позволит измерять температуру воды на разных глубинах – если подержать его там несколько минут, а потом быстро вытащить.

Рис. 4. Устройство для измерения температуры

Итак, необходимые физические показатели состояния воды нами изучены. Теперь начинаются тонкие гидрохимические исследования. Выберем из всего многообразия химических показателей воды два: содержание растворенного кислорода (О₂) – как наиболее важный для жизни гидробионтов параметр и показатель биохимического потребления кислорода (БПК). БПК указывает, сколько кислорода необходимо бактериям для окисления органических веществ в воде, отражает трофические условия существования планктона и служит критерием качества воды (табл. 2). Для определения содержания кислорода и БПК используется один метод – метод Винклера.

Таблица 2. Характеристика классов качества воды

Для работы понадобится ведро (5–10 л), сифон, склянки (примерно по 100–150 мл) с плотно прилегающими притертыми пробками, пипетки – две на 1 мл и две на 2 мл.

Реактивы

1. Раствор хлорида марганца – 425 г MnCl₂ х4Н₂О растворяют в дистиллированной воде и объем доводят до 1 л.
2. Щелочной раствор йодида калия: 150 г йодида калия (KI) растворяют в 100 мл дистиллированной воды; 500 г гидроксида натрия (NaOH) или 700 г гидроксида калия (KOH) растворяют в 800 мл дистиллированной прокипяченной (для удаления диоксида углерода) воды; оба раствора смешивают и доводят объем до 1 л.
3. Соляная кислота (HCl) концентрированная.
4. Тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃), 0,02 Н раствор.
5. Крахмал, 0,5%-ный раствор (крахмал заваривают в кипящей воде).

Метод Винклера основан на способности гидрата закиси марганца окисляться в щелочной среде, количественно связывая растворенный в воде кислород, и затем снова переходить в кислой среде в двухвалентные соединения, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество ионов йода. Выделившийся при этом йод оттитровывается тиосульфатом.

Фиксация О₂ в щелочной среде:

4MnCl₂ + 8NaOH = 8NaCl + 4Mn(OH)₂
2Mn(OH)₂ + O₂ = 2H₂MnO₃
2H₂MnO₃ + 2Mn(OH)₂ = 2MnMnO₃ + 4H₂O

Выделение йода в кислой среде:

4KI + 4HCl = 4KCl + 4HI
2MnMnO₃ + 8HCl + 4HI = 4MnCl₂ + 2I₂ + 6H₂O

Йодометрическое определение тиосульфатом:

2I₂ +4Na₂S₂O₃ = 4NaI + 2Na₂S₄O₆

 Рис. 5. Отбор пробы

Для определения чистую склянку надо ополоснуть водой; зачерпнуть ведром воду; с помощью сифона сменить в склянке 2–3 объема воды (рис. 5). Склянку наполняют водой так, чтобы она переливалась через край. Для фиксации кислорода сразу после отбора пробы в нее вводят 1мл раствора MnCl₂ и 1 мл щелочного раствора йодида калия. Для каждого из этих растворов необходимо применять отдельную пипетку. Каждый раз следует погружать ее до половины склянки и затем, по мере опорожнения, поднимать вверх. После этого быстро закрыть пробкой склянку, следя за тем, чтобы в ней не осталось пузырьков воздуха, и тщательно взболтать. (В таком состоянии склянку можно оставить для транспортировки, но не более, чем на одни сутки.)

После этого склянка переносится в место, удобное для титрования. Когда жидкость над осадком станет прозрачной (приблизительно через 15–30 мин), надо прилить к ней 2 мл концентрированной соляной кислоты. Переливание через край прозрачной жидкости не имеет значения. Склянка закрывается пробкой, и содержимое вновь тщательно взбалтывается. Осадок гидроксида марганца, выпавший в щелочной среде, растворяется, окисляет йодистые соединения, и жидкость от выделившегося йода окрашивается в желтый цвет. Затем проба делится на части по 50 мл и титруется 0,02 Н раствором тиосульфата. Титрование ведется при непрерывном перемешивании до перехода цвета жидкости в слабожелтый цвет. Затем прибавляют около 1 мл свежеприготовленного раствора крахмала и продолжают по каплям титровать до исчезновения синей окраски. Окраска должна исчезать не более чем от одной капли раствора тиосульфата. Затем надо повторить титрование на следующих 50 мл и найти среднее арифметическое значение количества использованного раствора тиосульфата.

Содержание растворенного кислорода в воде рассчитывают по формуле:

где Н – нормальность раствора тиосульфата; n – количество раствора тиосульфата, пошедшего на титрование пробы, в мл; 8 – эквивалентная масса кислорода, соответствующая 1 мл 1 Н раствора тиосульфата. Результат округляется до 0,01 мг/л.

Показатель БПК получается из разности между величиной содержания кислорода в день отбора пробы и через определенное количество суток. Чаще применяют показатель БПК₅, т.е. через 5 суток. При определения БПК₅ надо довести температуру воды при первичном определении содержания кислорода до 20°С и поддерживать ее (с точностью ±1°С) в течение 5 суток. Первоначально этого можно достигнуть путем подогрева на водяной бане либо с помощью охлаждения во льду (лед из холодильника). А потом в течение 5 суток пробу держать в термостате либо поместить склянки в плотно закрытое крышкой ведро с водой и постоянно проверять температуру, добавляя при необходимости теплой или холодной воды. Можно использовать и термосы. Не забудьте только на горлышко склянки надеть соску, предотвращая контакт воды в ней с водой в ведре (термосе) (рис. 6).

Рис. 6. Проба, приготовленная для хранения

Итак, мы познакомились с определением параметров среды, которые схематично можно разбить на несколько групп:

Отбор проб зоопланктона

Для этого необходим батометр. Принципы его работы, описание устройства есть в литературе. Изготовление батометра – дело трудоемкое и сложное, но нам для изучения мелководных водоемов и водотоков достаточно будет простого ведра известного объема и веревки. Состав планктона поверхностных слоев в таких водоемах отражает состав сообщества всей толщи.

При проведении мониторинговых исследований надо проводить отбор проб одним и тем же оборудованием, на одних станциях, с применением одинаковых методик. Тогда даже при наличии ошибки результаты будут сравнимы.

Для работы понадобится планктонная сетка. Изготовление ее начнем с металлического кольца диаметром 25 см (1) и прикрепленной к нему ручки (2) (рис. 7).

Рис. 7. Устройство планктонной сетки (пояснения в тексте)

Для самой сетки лучше использовать шелк, употребляемый в мельничных ситах для просеивания муки. Иное название этого шелка – мельничный газ. Чем мельче газ, тем лучше он подходит для сбора проб планктона. Чаще употребляется газ № 76 (т.е. на 1 см² полотна приходится 76 отверстий).

Сначала кроится правильный конус. От полотна шириной в 54–55 см отрезается во всю его ширину квадрат. Один из его углов принимается за центр, из которого радиусом, равным стороне квадрата, прочерчивается по полотну четверть окружности (рис. 8). Затем, отрезав материал по намеченной дуге, заворачивают прямые края навстречу друг другу и сшивают их. Основание конуса продевают внутрь кольца, пока материя конуса не соприкоснется по всей окружности с внутренней поверхностью кольца, не образуя складок. Заворачивают свободный край ее наружу и обшивают им металлическое кольцо. Вершину конуса (3) обрезают так, чтобы полученное отверстие по своим размерам как раз подошло под сливное устройство. Сливным устройством может служить пластмассовый пузырек с обрезанным дном и съемной крышкой (рис. 6, 3а) или резиновая труба с зажимом (рис. 6, 3б). По диаметру пузырька или трубки изготавливается кольцо, с помощью которого сливной стаканчик крепится к полотну сетки.

Рис. 8. Схема выкраивания конуса

Ну вот, мы почти готовы к отбору проб. Пробы бывают качественные и количественные. Качественная проба служит для выявления видового состава планктона в водоеме или в водотоке. В этом случае мы заинтересованы процедить сквозь сито как можно большее количество воды. На мелководных водоемах можно использовать сетку в первоначально изготовленном виде. При больших глубинах можно заменить ее ручку на более длинную. При работе на глубоких водоемах с лодки ручка снимается, и сетка крепится к линю посредством «уздечки», состоящей из трех коротких веревочек, сходящихся над центром отверстия сетки в одной точке, в которой они скрепляются как между собой, так и с линем (рис. 9).

Рис. 9. Планктонная сетка для больших глубин

После этого сетью облавливается толща воды от поверхности до дна и горизонтально – по движению лодки. Не забывайте, что при работе на мелководных реках исследователь отбирает пробу, двигаясь вверх по течению.

Из количественных проб узнают, сколько организмов животного планктона обитает в определенном объеме воды. Для этого необходимо знать, какое количество литров мы процедили. В этом случае воду из водоема сначала зачерпывают ведром известного объема, а затем уже процеживают через сито. Лучше процедить больший объем: 50–100 л, т.е. 5–10 л ведер.

Процедили! Вода стекла, а организмы остались в стаканчике. Содержимое стаканчика сливаем в хорошо отмытую склянку. Затем споласкиваем сеточку, закрыв стаканчик и следя, чтобы вода не перехлестывалась через верх сетки. И вновь сливаем содержимое стаканчика в эту же склянку. Операцию можно проделать и в третий раз. Разумеется, воду для промывки надо брать чистую, а не из того же водоема, откуда собирается проба.

Все – проба собрана. Теперь тщательно промоем сачок. Если невозможно обработать пробу сразу, она фиксируется 4%-ным раствором формальдегида.

Запишем на этикетке, приклеенной к пузырьку (можно использовать медицинский пластырь), дату, место лова, номер станции, объем пробы в литрах. В полевом дневнике продублируем эти данные, записав и номера склянок, где собраны пробы для определения О₂, БПК₅, а также показатели температуры, прозрачности и скорости течения. Полевой сбор закончен. Теперь нас ждет работа в лаборатории.

Лабораторная (камеральная) обработка проб

Для работы в лаборатории необходимы бинокуляр и микроскоп. Определение большинства видов коловраток, веслоногих и некоторых ветвистоусых ракообразных ведется под микроскопом. Понадобятся еще пипетка, одноразовый шприц и специальная камера для подсчета организмов зоопланктона – камера Богорова (рис. 10).

Рис. 10. Камера Богорова

Изготовить камеру можно самостоятельно. Для этого необходимо подготовить две одинаковые по размерам пластинки из оргстекла (рис. 11). На одной из пластинок вырезается лабиринт (б). Затем обе пластинки герметично склеиваются. При обработке выборка из проб выливается в получившийся желоб и просматривается под бинокуляром при увеличении в 32 раза.

Рис. 11. Изготовление камеры Богорова

Перед проведением обработки проб необходимо подготовить карточку учета зоопланктона (рис. 12). Можно сделать один образец карточки и отксерокопировать ее.

Рис. 12. Карточка учета зоопланктона

В колонку «виды» записываются названия определенных родов и видов по трем основным группам зоопланктеров. Можно использовать при этом различные цвета, например, зеленый – коловратки (Rotatoria), черный – веслоногие (Copepoda), синий – ветвистоусые (Cladocera). В графе «размер» указывается длина ракообразных. Ее определяем с помощью специального окуляра с мерной линейкой, который должен входить в комплект бинокуляра.

«Количество особей в порционной пипетке» определяем так: из склянки с пробой, тщательно взболтанной, с помощью шприца (без иголки) забираем необходимое – 0,5–5,0 мл, в зависимости от плотности организмов – количество воды и помещаем его в камеру Богорова. Выбираем наиболее массовые виды, подсчитываем их количество в выборке. Берем не менее трех выборок и для каждого вида вычисляем среднее арифметическое. Например, количество организмов данного вида в первой выборке – 15, во второй – 18, в третьей – 17:

(15+18+17) : 3 = 16,6.

Общий объем пробы делим на объем выборки и получаем коэффициент пересчета. Например: проба – 10 мл, выборка – 0,5 мл, 10:0,5=20, 16,6 х 20 = 332 – таково число особей данного вида пробе.

Не будем забывать, что проба – результат процеживания, скажем, пяти 10-литровых ведер, т.е. 50 л воды – именно в таком объеме воды в водоеме жили эти 332 планктонера. У гидробиологов принято проводить расчет для 1 м³, т.е. 1000 л водной толщи. 1000:50=20, 332 х 20 = 6640 особей в 1 м³ – это «численность». Такую операцию необходимо провести для каждого определенного вида или рода.

Для заполнения колонки «биомасса» нужно умножить показатель численности на средний вес одного организма (табл. 3, 4, 5) – эти веса определил один из основоположников гидробиологической школы в нашей стране, Филарет Дмитриевич Мордухай-Болтовской.

Таблица 3. Средная масса кладоцер (Cladocera)

Таблица 4. Средний вес коловраток (Rotifera)

Таблица 5. Принятые для вычисления массы копепод (Copepoda)

Но мы определили и подсчитали лишь массовые виды, а в сообществе присутствуют и виды редкие, малочисленные, роль которых тем не менее не бывает второстепенной. Поэтому через камеру Богорова надо пропустить всю собранную пробу. Особей малочисленных видов считают поштучно, определяя таким образом их общее количество в пробе, а затем делают пересчет для 1 м³ водной толщи¹.

Далее суммируются значения численностей и биомасс всех видов и родов отдельно для коловраток, для веслоногих и ветвистоусых, а затем подсчитывается и общая сумма². Для каждого вида определяется его относительное обилие вычислением процентного содержания от общей численности (N) и общей биомассы (В):

где n – численность конкретного вида; b – его биомасса; N – общая численность зоопланктеров; В – общая биомасса.

Отметим буквой «Д» доминирующие в сообществе виды, т.е. занимающие 10% и более от общей численности или биомассы.

Итак, исследование закончено. Но прежде чем его начинать, надо ответить для себя на следующие вопросы: для чего мы будем собирать пробы, какие выводы можем сделать на основе полученных данных?

Вот примеры задач, которые можно решить, изучая сообщества зоопланктона и некоторые параметры среды:

1. Исследование влияния абиотических факторов среды (температуры, прозрачности, скорости течения, содержания растворенного кислорода) на развитие зоопланктоноценозов – в разных водоемах или в одном водоеме в течение года или летнего сезона.

2. Исследования распределения зоопланктона в реке (исток, верхнее течение, среднее, нижнее, устьевая область; медиаль, рипаль), в озере (литораль, пелагиаль).

3. Определение качества воды по параметрам среды и состоянию зоопланктона и выявление влияния непосредственно вашего города, какого-либо предприятия, фермы или поля, распаханного без соблюдения закона о водоохранных полосах (табл. 6). В этом случае пробы надо отбирать по течению реки выше источника загрязнения (контроль), на уровне этого источника и в нескольких местах ниже по течению – чтобы установить, насколько далеко распространяется вредное влияние.

Таблица 6. Максимальная ширина водоохранных зон

Так что дело за вами. Но еще бы мне хотелось, чтобы на любой дороге ваши взоры притягивала красота природы, ее удивительные творения, величие и мудрость. Придя на самую малую речку, не думайте в первую очередь о ее длине и ширине, не стройте планов исследования, а оглянитесь кругом, постарайтесь увидеть, вдохнуть красоту, задержать ее у себя в сердце. И понять, что пришли мы, – дети природы, а потом уже исследователи. Зачерпнув пробу воды, не кидайтесь сразу фиксировать материал и записывать данные на бирочку, вести счет или определять видовую принадлежность организмов, а присмотритесь к их необыкновенному строению, загадочности движений. Теперь – в путь!

¹ Определить все виды планктонных организмов, включая личиночные стадии, для неспециалиста практически невозможно. В то же время нельзя просто «пропускать» неизвестные организмы. Поэтому следует, помимо численности известных видов, описанным выше способом определить и общую численность всех организмов в пробе, поставив ее первой графой в таблице. Так, по разнице, можно будет узнать численность неопределенных видов. Аналогичным образом поступают и в том случае, если определение удается провести до разного уровня – например до вида, семейства и отряда: считают особей определенного вида, потом всех особей семейства, включая и данный вид, потом всех особей, относящихся к данному отряду, включая и представителей известного вида и семейства. А в таблице указывают, например: ветвистоусых – 100 экз/м³, в том числе хидорид – 70 экз/м³, в т.ч. Chydorus sphaericus – 50 экз/м³. – Прим. ред.

² Как уже сказано, суммарную численность организмов разных групп и планктонеров в целом лучше определять непосредственно. – Прим. ред.