Оценка экологического качества воды в реке Белая

Город является экосистемой особого рода. И потребляет огромное количество воды, лишь незначительная часть которой используется в питании человека. Основная часть воды тратится на производственные процессы и на бытовые нужды. Использованная городами вода возвращается в природу в загрязнённом состоянии - она насыщена остатками нефтепродуктов, сложными органическими веществами. Город выбрасывает в атмосферу ядовитые газы, пыль, концентрирует на свалках токсичные отходы, которые с потоками весенней воды попадают в водные экосистемы.

Мы выдвинули гипотезу, что вода в реке Белая в последние годы не очень хорошего качества, так как снизилась ее полноводность, наблюдается интенсивное «цветение» воды в летний период.

Потребность в кислороде

Всем живым существам для жизни нужен кислород. Хотя кислород входит в состав молекул воды, животные не могут потреблять его в таком виде. Водные животные (Рыбы, лягушки, личинки насекомых и бактерии) должны постоянно снабжаться кислородом, используя только газ, растворённый в воде

Для обоснования нужно рассмотреть множество факторов. Сколько газообразного кислорода (или других веществ) растворяется в воде? Как влияет температура на количество растворенного кислорода? Какова потребность в кислороде у различных водных существ?

Некоторое количество кислорода, используемого рыбами и другими обитателями водоёмов, растворяется прямо из воздуха, находящегося над ее поверхностью.

Кроме того, газообразный кислород смешивается с водой в результате аэрации, которая происходит, если вода падает с плотин, перетекает через валуны и другие препятствия, образуя в результате водо-воздушную "пену". Газообразный кислород попадает в природные водоемы в результате фотосинтеза – процесса, при котором зеленые растения и океанский планктон синтезируют углероды из диоксида углерода и воды при наличии солнечного света. В дневные часы водные зеленые растения постоянно синтезируют сахара. При этом также получается газообразный кислород, который выделяется из водных растений в окружающую воду. Суммарное химическое уравнение, описывающее образование глюкозы (C6H12O6) и кислорода при фотосинтезе может быть представлено следующим образом:

Энергия + 6СО2 +6Н2О → C 6H12O6 + 6O2

Организмы, живущие в воде, постоянно конкурируют за имеющийся кислород. Бактерии, потребляющие кислород (аэробные бактерии), развиваются на твёрдых отбросах и останках более крупных животных. Они потребляют также некоторое количество веществ, выбрасываемых в воду человеком, и способны подвергать их биодеградации, т. е. расщеплению на более простые соединения.

Биоразлагаемые соединения могут быть расщеплены под действием организмов окружающей среды.

Если вода содержит большие количества веществ, способных к биодеградации, бактерии процветают и интенсивно размножаются. В результате происходит "взрыв" популяции бактерий, и потребление кислорода резко возрастает. Жизнь водных существ, которым необходим кислород, подвергается большому риску при возрастании популяции таких бактерий, и само их выживание ставится под вопрос.

Минимальная концентрация растворенного в воде кислорода, которая необходима для поддержания жизни в воде, зависит от вида живых существ. Рыбы не могут существовать, если концентрация кислорода в воде меньше 0,004 г на 1000 г раствора. Такая концентрация чаще всего выражается в частях на миллион, т. е. она равна 4 м. д.

Такая концентрация настолько мала, что ее трудно представить наглядно. Если образец воды сравнить со стопкой из миллиона 1-копеечных монет, то её высота равнялась бы 1,6 км! Всего четыре монеты из этой стопки соответствовали бы количеству растворенного кислорода, необходимому для выживания рыбы. Это количество очень мало, но абсолютно необходимо!

Содержание растворенного кислорода в воде

Растворенный кислород — важный фактор, говорящий о благополучном состоянии водоема, о возможности существования в нем живых организмов.

Большая часть кислорода поступает в водоемы из атмосферы. Поставщиками кислорода также являются водоросли и высшие растения, выделяющие его в процессе фотосинтеза.

Основным физическим фактором, влияющим на концентрацию растворенного кислорода, является температура. При низких температурах он растворяется в воде лучше, чем при высоких. Таким образом, количество кислорода варьирует в течение суток и в течение года. В проточной воде отмечается большее количество кислорода, чем в стоячей, т. к. атмосферный кислород в первом случае легче переходит в растворенное состояние. Органические отходы, поступающие с промышленными, сельскохозяйственными или бытовыми стоками — также одна из причин изменения содержания кислорода в воде.

В насыщенной кислородом воде его содержание не превышает 10 мл в 1 литре воды.

Изменение содержания кислорода сказывается на видовом разнообразии обитателей водоема. Так, в одном случае распространяются требовательные к кислороду организмы, а в другом — толерантные (устойчивые) к его низкому содержанию.

Биохимическая потребность в кислороде

Органические вещества, поступающие со стоками в водоемы, потребляются различными микроорганизмами. Эти микроорганизмы являются аэробами, т. е. для своей жизнедеятельности они используют кислород. Биохимическая потребность в кислороде (БПК) является мерой того количества кислорода, который необходим микроорганизмам для окисления поступивших органических веществ. Если плохо очищенные от органических веществ стоки попадают в природные водоемы, то в силу интенсивного размножения аэробных бактерий, количество растворенного кислорода может уменьшиться более чем наполовину.

Источниками органических веществ являются городские сточные воды, содержащие отходы столовых, туалетов, прачечных (моющие средства). Промышленные стоки содержат нефтепродукты, отходы целлюлозной, лесотехнической, пищевой промышленности. Сельскохозяйственные стоки содержат отходы животноводства (навоз, подстилка), отходы растениеводства (удобрения, растительные остатки и др. )

Причиной большой БПК может быть и эвтрофикация. Повышение первичной продукции вод (т. е. количества органических веществ, которые синтезированы зелеными растениями водоемов) происходит из-за увеличения концентрации биогенных элементов, главным образом фосфора (для пресных водоемов) и азота (для морских). Это явление в экологии называют эвтрофикацией. И если отмирающие растения увеличивают массу органического вещества в водоеме, то последствия сказываются незамедлительно.

Как было указано выше, количество растворенного кислорода влияет на видовой состав и обилие обитателей водоема.

Содержание ионов водорода в воде

В том случае, если концентрация ионов водорода Н+ и гидроксид-ионов ОН – в воде одинакова, ее рН = 7, и водная среда считается нейтральной. Если ионов Н+ больше, чем гидроксид-ионов, то рН<7; вода имеет кислотную реакцию. Если же концентрация гидроксид-ионов превышает концентрацию ионов водорода, то рН>7; такая вода обладает основной, или щелочной, реакцией.

Значения рН для некоторых веществ, известных всем по их использованию в быту, таковы: рН = 2 у лимонного сока; рН = 3 у уксуса; рН = 4 у пепси-колы; рН = 6 у нормального дождя; рН = 7 у дистиллированной воды; рН = 8,3 у пищевой соды; рН = 11 у аммиака.

Наиболее низкие значения рН (т. е. наибольшую кислотность) имеют болотные воды, где присутствуют гуминовые кислоты. Наиболее высокие значения рН у подземных вод, насыщенных углекислым газом.

Человек влияет на кислотные характеристики водоемов. Так, газовые выбросы, выделяющиеся при работе автомобильных двигателей, при сжигании топлива на заводах приводят к образованию кислотных дождей, ибо в состав этих газов входят оксиды азота и серы. Эти оксиды легко растворяются в воде, содержащейся в виде паров в воздухе, образуя кислоты:

4NO2 + 2Н2О + 02 = 4HNO3;

2SO2 + 2Н2О + О2 = 2H 2 SO 4

SO2 + Н20 = H2SO3.

Кислотные дожди закисляют природные воды. В случае если русло реки проходит в известковых породах, закисленная вода может оказаться нейтрализованной за счет реакций воды и известняков:

СаСО3+ 2HNO3= Ca(NO3)2+ H2O + С02.

Значение рН является важным фактором, влияющим на жизнь водных обитателей. Большинство их очень чувствительно к изменению значения рН. Оптимальные значения рН для некоторых водных обитателей показаны в приложении 2.

При экстремальных значениях рН (выше 9,6 и ниже 4,5) вода становится непригодной для жизни большинства организмов. К значению рН особенно чувствительны личиночные формы жизни. Если вода имеет кислую реакцию, то для живых организмов возрастает опасность тяжелых металлов, т. к. в такой воде увеличивается подвижность ионов тяжелых металлов и, следовательно, их повреждающее действие.

Мутность воды

Мутность воды — мера содержания в ней взвешенных частиц, различных по происхождению. Это могут быть частицы глины, ила, промышленных и сельскохозяйственных стоков, планктонные организмы. Высокая замутненность может быть следствием почвенной эрозии, большого количества экскрементов крупной популяции рыб, например, карпов.

Взвешенные частицы способствуют нагреву воды, т. к. поглощают тепловое излучение, что, в свою очередь, приводит к падению уровня растворенного в воде кислорода. Уменьшение количества растворенного в воде кислорода происходит также и в связи со снижением продуктивности фотосинтеза: взвешенные частицы частично экранируют необходимую для него область светового спектра. Твердые частицы забивают жабры рыб, ослабляют иммунные свойства организмов, приостанавливают их рост и развитие. От осаждающихся твердых частиц в основном страдают придонные обитатели. Таким образом, можно сделать вывод, что степень мутности воды влияет на флору и фауну водоема не меньше, чем другие факторы.

Определение индекса качества воды

Требования к качеству питьевой воды жесткие. Категории качества различны для воды, используемой производственных целях, для полива и орошения в сельском в бытовых и хозяйстве; для навигации; для получения энергии на ГЭС; для купания и занятий наводными видами спорта (парусный спорт, серфинг), для рыбалки. Человек придает большое значение качеству воды, заботясь не только о себе, но и о водных флоре и фауне.

В некоторых странах мира качество воды оценивают по суммарным результатам девяти основных тестов, что позволяет рассчитать так называемый индекс качества воды (ИКВ). Используя этот индекс, можно проследить, за изменением качества воды одного и того же водоема со временем, сравнить качество воды разных водоемов.

Методика выполнения работы.

В качестве объекта исследования взяли пробы воды в районе п. Желанного и ДОКа.

Определение содержания растворенного кислорода в пробе воды.

Содержание растворённого в воде кислорода определяли с помощью метода Винклера, который позволяет точно измерить содержание кислорода.

Оборудование и реактивы:

10 мл щелочного раствора иодида калия (3,3 г NaOH и 2,0 г KI в 10 мл дистиллированной воды); 10 мл раствора хлорида марганца (4,0 г МпС12 в 10 мл дистиллированной воды);

5 мл концентрированной соляной кислоты; раствор крахмала (как индикатор); дистиллированная вода в бутыли; свежеприготовленный 0,01 М раствор тиосульфата натрия; три пипетки с делениями на 5 мл; бюретка; белая кафельная плитка;

3 конические колбы;

250 мл исследуемой воды в стеклянном сосуде с притертой пробкой.

Ход работы:

1. Осторожно набрали воду в бутылку и оставили ее под водой, чтобы в нее не попадали пузырьки воздуха.

2. В пробу воды пипеткой добавили 2 мл раствора хлорида марганца и 2 мл щелочного раствора иодида калия; при этом конец пипетки касался дна бутылки. Более тяжелый раствор солей вытеснил из бутылки равное количество воды, находящейся в верхнем слое.

3. Добавили 2 мл концентрированной соляной кислоты и закрыли бутылку так, чтобы в ней не было пузырьков воздуха. Хорошо потрясли бутылку, чтобы растворился осадок. В результате образовался раствор в избытке иодида калия. Теперь растворенный кислород зафиксирован, и бутылку вынули из воды.

4. Для исследования налили из бутылки в коническую колбу 50 мл воды. Оттитровали ее 0,01 М раствором тиосульфата натрия, поместили в бюретку следующим образом: а) постоянно встряхивая коническую колбу, доливали в нее раствор тиосульфата натрия до тех пор, пока желтый цвет не побледнел; б) добавили капли раствора крахмала в коническую колбу и продолжали титровать, постоянно встряхивая содержимое колбы, до тех пор, пока не исчезла темно-синяя окраска крахмала в присутствии йода. Записали объем израсходованного раствора тиосульфата натрия.

5. Дважды повторили операцию 4, каждый раз с порцией исследуемой воды в 50 мл; вычислили средний объем расходуемого раствора тиосульфата натрия (X).

6. При использовании этих растворов 1 мл 0,01 М раствора тиосульфата натрия соответствует 0,08 мг кислорода в условиях НТД (нормальных температуры и давления).

7. Подсчитали содержание кислорода в литре воды, используя следующую формулу: содержание кислорода мг/л воды =(0,08*X*1000):50, где X - объем раствора тиосульфата натрия, расходуемый на титрование 50 мл воды (табл. 1).

Определение содержания ионов водорода в воде.

Оборудование и реактивы:

Пробы воды;

Универсальная индикаторная бумага;

Цветная шкала рН;

Ход работы:

1. Отобрали пробу воды с участков водоёма, максимально отдалённых от берега.

2. Определили значения рН с помощью бумажных индикаторов (универсальная индикаторная бумага) после взятия пробы, поскольку изменения температуры воды влияет на значение рН (табл. 2).

Исследование воды на биохимическую потребность в кислороде.

Оборудование и реактивы: две склянки с притертыми пробками (одна — темная, другая — светлая); термостат; оборудование и реактивы, необходимые для определения растворенного в воде кислорода.

Ход работы:

1. Отобрали пробы воды в две склянки с притертыми пробками — темную и светлую.

2. Сразу после отбора пробы определили содержание растворенного кислорода в мг/л в светлой склянке с помощью методики, описанной выше.

3. Оставили темную склянку при температуре 20 °С для инкубации на 5 суток в тёмном помещении.

4. Через 5 суток определили содержание растворенного кислорода в темной склянке.

5. Уровень БПК определили следующим образом: из показателя количества (в мг/л) кислорода, растворенного в воде, определенной в светлой склянке, вычли показатель количества, найденного после инкубации (табл. 3).

Исследование мутности

Оборудование и реактивы: весы технохимические или аналитические, разновесы; бумажный фильтр; сушильный шкаф.

Ход работы:

1. Взвесили бумажный фильтр на весах для определения его массы на аналитических весах.

2. Отфильтровали 1 л взятой из водоема воды.

3. Высушили использованный фильтр.

4. Взвесили высушенный фильтр и определили его массу.

5. Вычислили разницу массы фильтра до, и после фильтрования. Разница в массе и есть величина мутности в мг/л. Допустимая мутность питьевой воды не должна превышать 2 мг/л (табл. 4).

Определение прозрачности воды.

Суммарное количество взвешенных частиц в воде влияет на ее прозрачность.

Оборудование: стеклянный цилиндр, газета.

Ход работы:

1. Налили в стеклянный мерный цилиндр исследуемую воду.

2. Попробовали сверху различить газетный текст стандартного шрифта сквозь налитую в цилиндр воду. Цилиндр с водой находился над текстом на высоте 4-5 см.

Результаты и их обсуждение.

Таблица 1. Содержание растворенного кислорода в пробе воды.

Район, где взяты пробы Среднее значение V раствора (Na2S2O3) Содержание растворенного кислорода, мг/л

1. Поселок Желанный 0,2 0,32

2. ДОК 0,9 1,44

Для того, чтобы вычислить количество растворенного кислорода в воде в процентах, мы взяли величину атмосферного давления воздуха (в паскалях или миллиметрах ртутного столба) и температуру воды в этот день (Р = 754 мм. рт. ст. , t = 150С).

Нашли коэффициент коррекции, соответствующий величине атмосферного давления. Перемножили найденное значение коэффициента и значение величины растворенного кислорода (из выполненного эксперимента). Мы определили, что количество растворенного кислорода — 0,32 мг/л; 1,44 мг/л. Атмосферное давление в день отбора пробы было 100,5 кПа. По таблице нашли корректирующий коэффициент — 0,99. Перемножили 0,32 мг/л х О,99 = 0,317 мг/л; 1,44 мг/л х 0,99 = 1,426 мг/л.

Для интерпретации результата воспользовались графиком соответствия между значением растворенного кислорода и температурой воды. Для этого соединили прямой линией точку на оси, где показана температура воды (ее значение в день взятия пробы — 15°С) с найденными величинами — 0,317 мг/л и 1,426 мг/л, которые лежат на оси, показывающей значение растворенного кислорода в мг/л. Проведенные прямые пересекут ось, где показано процентное содержание кислорода в воде. Для наших результатов искомыми значениями будут – 4% и 15%.

Таблица 2. Значения рН взятых проб воды.

Район, где взята проба Значение рН

1. Поселок Желанный 4

2. ДОК 5

Таблица 3. Уровень БПК.

Раствор после инкубации Изменение количества растворенного

Район, где взяты пробы кислорода мг/л

V раствора Содержание растворенного кислорода

(Na2S2O3)

1. Поселок Желанный 0 0 0,32

2. ДОК 0 0 1,44

Изменение количества кислорода наблюдается в связи с усвоением его бактериями-потребителями органического содержимого воды.

Таблица 4. Значения мутности воды во взятых пробах.

Район, где взяты пробы Масса фильтровальной бумаги, мг Разница в массах, мг Величина мутности, мг/л

До работы После работы

1. Поселок Желанный 0,7503 0,7428 0,0075 0,0075

2. ДОК 0,7400 0,7328 0,0072 0,0072

Определение индекса качества воды по результатам ее суммарной оценки.

Мы провели много экспериментов для определения содержания в воде тех или иных веществ. Все они влияют на качество воды.

Для определения ИКВ используют результаты следующих тестов: количество растворенного кислорода, рН воды, биохимическая потребность в кислороде (БПК), температура, мутность.

С помощью графических кривых определили качество воды по каждому фактору и заполнили таблицу 5.

Таблица 5. Определения ИКВ

№ п/п Проведенные тесты исследования Результаты тестов Качество воды по фактору Коэффициент Итоговый результат по значимости качеству

7-11 Рыбы, обитающие в холодных реках с быстрым течением: форель, гольян, подкаменщик

5-7 Хариус, пескарь, голавль, налим

4 Плотва, ерш

0,5 Линь