практикум по экологии и охране окружающей среды - My

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ВУЗОВ
А. И. Федорова
А. Н. Никольская
ПРАКТИКУМ
ПО ЭКОЛОГИИ И ОХРАНЕ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рекомендовано
Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений
Москва
2003
УДК 502(075.8)
ББК 20.1я73
Ф33
Ф33
Федорова А.И., Никольская А.Н.
Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб.
пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Гуманит. изд. центр
ВЛАДОС, 2003. — 288 с.: ил.
ISBN 5-691-00309-7.
В учебном пособии изложены доступные методы биогеохимического
исследования объектов и компонентов окружающей среды. Рассматриваются методы исследования образования и разложения органического
вещества, влияния экологических факторов на различные процессы, происходящие в живых организмах, вопросы современной экологии и биоиндикации, методы химического мониторинга атмосферы, воды и почв.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области экологии и охраны окружающей cреды, геоэкологии, работников природоохраны и их служб, а также для учителей, преподающих биологию и естествознание, руководящих экологическими кружками в школах.
УДК 502(075.8)
ББК 20.1я73
ISBN 5-691-00309-7
© Федорова А.И., Никольская А.Н., 2000
© Гуманитарный издательский центр
«ВЛАДОС», 2000
© Серийное оформление обложки.
Гуманитарный издательский центр
«ВЛАДОС», 2000
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время экология (с ее практическим применением
охраной окружающей среды) стала интегральной наукой, связанной почти со всеми естественными и техническими дисциплинами,
и преподается в том или ином объеме во всех учебных заведениях
России. Однако практические занятия предусмотрены не во всех
курсах. Между тем овладение практическими навыками по экологии
и охране окружающей среды углубляет познание предмета. В связи с
этим нами разработан практикум по основным разделам экологии и
мониторинга окружающей среды с использованием несложных химических анализов и простых в воспроизведении биологических
объектов (преимущественно растений). Каждая практическая работа
рассчитана на занятия 2–4 учебных часа. Если же некоторые практические работы не могут быть выполнены в указанное время, они
рекомендуются для курсовых и дипломных работ, о чем указывается в объяснении. Использование растений как биоиндикационных
объектов более правомерно, чем животных, так как живое вещество
наземных экосистем, с которыми, в основном, соприкасается человек на 99,2%, сосредоточено в растениях. Для водных экосистем более подходящи водные организмы.
Предложенный нами практикум состоит из двух частей, содержит 8 глав, в состав которых входит 81 практическая работа. Первая часть посвящена различным аспектам общей экологии и
биоиндикации состояния окружающей среды, она состоит из четырех глав и содержит 50 работ; вторая часть – химическому мониторингу состояния окружающей среды, она состоит также из четырех
глав и содержит 31 практическую работу.
При построении первой части и первой главы практикума мы
исходили из экологической концепции, согласно которой глобальная продукция органического вещества, образующаяся путем фотосинтеза, и ее разложение за счет ряда процессов обеспечивают
поступательное накопление конечной биомассы и заключенной в
ней энергии. Эти два противоположных процесса обеспечивают стабильность существования биосферы.
Во второй главе рассматриваются влияние экологических факторов на биологические организмы (преимущественно растения)
и устойчивость к ним. Одновременно при изучении устойчивости
3
вводится новое понятие "биоиндикаторы" и излагаются некоторые
методы их определения при изучении того или иного экологического фактора, когда его нагрузка является стрессовой.
Третья глава посвящена прикладным аспектам экологии и охраны окружающей среды. Большой объем (глава IV) занимают практические работы по биоиндикации состояния окружающей среды,
которые многопланово охватывают различные аспекты этой науки,
приобретшей новое "звучание" в связи с биоиндикацией загрязнения наземных и водных экосистем.
Главы V, VI, VII и VIII второй части практикума посвящены
химическому мониторингу состояния окружающей среды: атмосферного воздуха, воздушной среды закрытых помещений, анализам
природных и сточных вод, некоторым анализам почв. Вышеуказанная разработка для проведения лабораторно-практических занятий
в ВУЗах в таком аспекте освещается впервые.
Завершается практикум приложением, которое включает в себя
нормативные показатели: предельно допустимые концентрации
(ПДК) для ряда веществ в воздухе, воде, почве и растительности.
В практикум не вошли сложные инструментальные методы экологических исследований: фотосинтеза, дыхания, влажности почвы,
а также анализа отдельных веществ (хроматографический, атомноабсорбционный, эмиссионный, инфракрасной спектроскопии, нейтронно-активационный, радиометрический и др.), которые являются
предметом изучения в специальных курсах и требуют определенного времени на их освоение.
Предлагаемый практикум апробирован в различных вариантах
(практические занятия в лаборатории, в природной обстановке, при
выполнении курсовых и дипломных работ) в течение 8 лет при подготовке специалистов с высшим образованием по специальности
"рациональное природопользование и охрана окружающей среды"
факультета географии и геоэкологии Воронежского государственного университета.
Первая часть практикума (главы I, II, III, IV) написана доктором биологических наук, проф. Фёдоровой Алевтиной Ильиничной,
вторая часть – старшим преподавателем Никольской Анной Николаевной.
Практикум может быть использован в преподавании экологических дисциплин (общей экологии, методов экологических исследований, охраны окружающей среды, промышленной санитарии и
др.) в том или ином варианте в зависимости от объема курса, наличия оборудования, реактивов, связи с предприятиями и т.д. в любом высшем учебном заведении России.
4
Практикум предназначен для студентов естественного и технического профилей ВУЗов, а также может служить справочным пособием. Некоторые работы могут быть использованы при
организации уроков по экологии, кружковой работе в старших классах общеобразовательных школ и других средних специальных учебных заведений.
Авторы выражают благодарность сотрудникам отдела аналитического контроля и действий в чрезвычайных ситуациях Государственного комитета охраны окружающей среды и природных
ресурсов Воронежской области, преподавателям кафедры биохимии
растений, кафедры аналитической химии Воронежского госуниверситета за содействие в работе и предоставленную возможность в
проведении некоторых занятий. Авторы также благодарны зав. кафедрой природопользования и мониторинга окружающей среды
Воронежского государственного университета докт. геогр. наук,
проф. В. И. Федотову за постоянное внимание и содействие в апробировании и написании практикума.
Авторы будут признательны за все критические замечания и
пожелания по существу изложенного в пособии материала.
5
ЧАСТЬ
I
ЭКОЛОГИЯ
И ОХРАНА
ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЫ.
БИОИНДИКАЦИЯ
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ
ЯВЛЕНИЙ
ГЛАВА I
СОСТАВЛЯЮЩИЕ СТАБИЛЬНОГО
СУЩЕСТВОВАНИЯ БИОСФЕРЫ
(Глобальная продукция, разложение, биомасса)
Для образования органических веществ – основы растительной
биомассы на Земле необходимы углекислый газ атмосферы и вода,
а также минеральные вещества почвы. При помощи света определенной длины волн осуществляется фиксация углекислого газа у
растений в процессе фотосинтеза. В результате этого выделяется в
атмосферу кислород, образующийся в процессе фотолиза воды.
Такова первая стадия биохимического цикла углерода.
Количество энергии, запасенной на Земле благодаря фотосинтезу, огромно. Ежегодно в результате фотосинтеза зелеными растениями образуется 100 млрд. т органических веществ, в которых заключено около 450·1015 ккал солнечной энергии, преобразованной в
энергию химических связей. Эти процессы сопровождаются такими грандиозными по своим масштабам явлениями, как ассимиляция растениями около 170 млрд. т углекислого газа, фотохимическое разложение около 130 млрд. т воды, из которой выделяется
115 млрд. т свободного кислорода.
Кислород является основой жизни всех живых существ, которые используют его для окисления разнообразных органических
соединений в процессе дыхания; выделяется при этом CО2. Это вторая стадия биохимического цикла углерода, связанная с углекислотной функцией живых организмов. При этом выделение
кислорода на первой стадии примерно на порядок превышает его
поглощение второй, в результате чего при функционировании зеленых растений кислород накапливается в атмосфере.
Связанная автотрофами в процессе фотосинтеза энергия в дальнейшем расходуется на жизнедеятельность различных гетеротрофов,
в том числе и человека, частично переходя в тепловую энергию, и
запасается в ряде составляющих биосферу компонентах (растениях
8
и почве). В биомах суши углерод при фотосинтезе наиболее сильно
связывают леса (~11 млрд. т в год), затем пашня (~4 млрд. т), степи
(~1,1 млрд. т), пустыни (~0,2 млрд. т). Но больше всего углерода связывает Мировой океан, который занимает около 70% поверхности
Земли (127 млрд. т в год).
Образовавшиеся органические вещества автотрофов поступают
в пищевые цепи различных гетеротрофов и, проходя по ним, трансформируются, теряют массу и энергию (пирамиды массы, энергии),
последняя расходуется на процессы жизнедеятельности всех организмов, входящих, как звенья, в состав пищевых цепей, уходит в
мировое пространство в виде тепловой энергии.
Органическое вещество различных живых организмов после их
отмирания становится достоянием (пищей) гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы разлагают органическое вещество в
процессе питания, дыхания и брожения. При разложении углеводов образуется углекислый газ, который выделяется в атмосферу
из наземного разложившегося органического вещества, а также из
почвы. При разложении белков образуется аммиак, который частично выделяется в атмосферу, а в основном в процессе нитрификации
пополняет запасы азота в почве.
Часть же органического вещества не разлагается, а образует «запасной фонд». В доисторические времена так образовались угли, газ,
сланцы, а в настоящее время – торф и гумус почвы.
Все вышеуказанные процессы представляет собой важнейшие
этапы и фазы биохимических круговоротов (углерода, кислорода,
азота, фосфора, серы и др.). Таким образом, живое вещество в процессе своего метаболизма обеспечивает стабильность существования биосферы при определенном составе воздуха, воды, почвы и без
вмешательства человека этот гомеостаз экосистемы «Земля» сохранялся бы бесконечно долго.
Представленные в данном разделе практические работы знакомят студентов с основными факторами стабильного существования
биосферы. Это образование органического вещества в листьях растений в процессе фотосинтеза (работа № 1), запасы образовавшегося органического вещества в листьях, древесине, коре древесных
растений, а также в подстилке и гумусе почвы (работа № 2).
Студенты и учащиеся знакомятся с окислительным распадом
органических веществ в результате дыхания у растений, с выделением CО2 и с разложением органического вещества микроорганизмами, с выделением конечных продуктов. Конечным этапом этого
раздела является определение и подсчет биомассы растительного
сообщества с одновременным описанием компонентов биоценоза.
9
Работа № 1. Определение образования органического вещества в листьях растений в процессе фотосинтеза (по содержанию углерода)
Фотосинтез – основной процесс аккумуляции вещества и энергии на Земле, в результате которого из CO2 и H2O образуются органические вещества (в данной формуле – глюкоза):
6CO2 + 6H2O + энергия света → С6Н12О6 + 6O2↑
↓
Один из способов измерения интенсивности фотосинтеза заключается в определении образования органического вещества в растениях по содержанию углерода, который учитывается методом
мокрого сжигания, разработанным И. В. Тюриным для почв и модифицированный для древесных растений Ф. З. Бородулиной (Баславская, Трубецкова, 1964; Практикум...1972).
Во взятом образце листьев определяется содержание углерода,
затем листья выдерживаются 2–3 ч и более на свету и снова определяется содержание углерода. Разница между вторым и первым определением, выраженная на единицу поверхности листа в единицу
времени, показывает количество образовавшегося органического
вещества.
В процессе сжигания углерод листьев окисляется 0,4 н раствором бихромата калия в серной кислоте. Реакция протекает по следующему уравнению:
2K2Cr2O7 + 8H2SO4 + 3C = 2K2SO4 + 2Cr2 (SO4)3 + 8H2O + 3CO2
Неизрасходованное количество бихромата калия устанавливают обратным титрованием 0,2 н раствором соли Мора:
6FeSO4 · (NH4)2SO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 =
= Cr2 (SO4)3 + 3Fe2 (SO4)3 + 6(NH4)2SO4 + K2SO4 + 7H2O
В качестве индикатора применяют бесцветный раствор дифениламина, который при окислении переходит в дифенилбензидинвиолет сине-фиолетового цвета. Бихромат калия окисляет
дифениламин и смесь приобретает красно-бурую окраску. При титровании солью Мора шестивалентный хром восстанавливается в
трехвалентный. В результате цвет раствора переходит в синий, а к
концу титрования – в сине-фиолетовый. Когда же хром будет оттитрован, последующее добавление соли Мора вызывает переход
окисленной формы индикатора в восстановленную (бесцветную);
появляется зеленая окраска, которую придают раствору ионы трехвалентного хрома. Четкому переходу сине-фиолетовой окраски в
10