Опыт 4. Определение содержания растворенного кислорода в природных водах
Измерить содержание кислорода в воде можно химическим методом (по Винклеру) или с помощью электрохимических датчиков – в частности с использованием БПК-тестера.
Для определения концентрации растворенного кислорода по методу Винклера нужно осуществить три последовательных окислительно-восстановительных процесса:
1. Связывание растворенного в воде О2:
2Мn(ОН)2 + О2 → 2Н2МnO3.
2. Выделение молекулярного йода в количестве эквивалентном связанному O2:
Н2МnO3 + 2KI + 4HCI → 2КС1 + MnCl2 + 3Н2О + J2
3. Титрование свободного йода раствором тиосульфата точно известной концентрации:
J2 + 2Na2S2О3 → Na2S4O6+ 2NaI
Количество тиосульфата, ушедшего на титрование йода, пропорционально концентрации растворенного в воде кислорода,
БПК (биохимическое потребление кислорода) тестер - это электрохимический датчик кислорода, состоящий из двух электродов - катода и анода, погруженных в раствор электролита, которые заключены в цилиндрический корпус из оргстекла (или из другого материала) . Катод в виде кольца закреплен снизу в торце датчика и отделен от среды, в которой определяется концентрация кислорода, полимерной пленкой (тефлоновой, полиэтиленовой и т.д.), проницаемой для О2. Анод расположен внутри датчика и отделяется от катода сепаратором. При подаче напряжения на датчик от блока питания на катоде протекает восстановление, растворенного в электролите, кислорода:
О2 + 2Н+ + 4е → 2ОН–
В процессе работы датчика кислород постоянно диффундирует через мембрану. Регистрируемый в цепи электродов ток пропорционален концентрации О2растворенного в анализируемой воде, и выводится на монитор (экран) регистрирующего прибора, показывая количество O2 в мг/л. Содержание растворенного O2 в воде при нормальных условиях составляет 8-10 мг/л в зависимости от температуры.
Метод Винклера, который описан в этом разделе, позволяет точно измерить содержание кислорода, но для того чтобы пользоваться этим методом, необходимы многочисленные реактивы.
Материалы и оборудование
10 см3 щелочного раствора иодида (3,3 г NaOH; 2,0 г KJ в 10 см3 дистиллированной воды) (Обращаться с осторожностью!);
10 см3 раствора хлорида марганца (4,0 г МnС12 в 10 см3 дистиллированной воды);
5 см3 концентрированной хлористоводородной кислоты (Обращаться с осторожностью!);
Раствор крахмала (как индикатор);
Дистиллированная вода в бутыли;
0,01 М раствор тиосульфата натрия;
3 пипетки на 5 см3 с делениями;
Бюретка;
Белая кафельная плитка;
3 конические колбы;
250 см3 исследуемой воды в стеклянном сосуде с притертой пробкой.
Методика
1. Осторожно, не расплескивая, наберите воду в бутылку и оставьте ее под водой, чтобы в нее не попадали пузырьки воздуха.
2. В пробу воды пипеткой добавьте 2 см3 хлорида марганца и 2 см3 щелочного раствора иодида; конец пипетки должен касаться дна бутылки. Более тяжелый раствор солей вытеснит из бутылки равное количество воды, находящейся в верхнем слое.
3. Добавьте 2 см3 концентрированной хлористоводородной кислоты и закройте бутылку так, чтобы в ней не было пузырьков воздуха. Хорошо потрясите бутылку для того, чтобы растворился осадок. В результате образуется раствор в избытке иодида калия. Теперь растворенный кислород зафиксирован и бутылку можно вынуть из воды.
4. Для исследования отлейте в коническую колбу 50 см3 воды. Из бюретки оттитруйте ее 0,01 М раствором тиосульфата натрия следующим образом:
а) постоянно встряхивая коническую колбу, доливайте в нее раствор тиосульфата до тех пор, пока желтый цвет не побледнеет;
б) добавьте 3 капли раствора крахмала и продолжайте титровать, постоянно встряхивая колбу, до тех пор, пока не исчезнет темно-синяя окраска крахмала.
Запишите объем израсходованного тиосульфата натрия.
5. Дважды повторите операцию 4 с 50 см3 исследуемой воды и вычислите средний объем расходуемого тиосульфата (Х).
6. При использовании этих растворов 1 см3 0,01 М тиосульфата соответствует 0,056 см3 кислорода в условиях НТД (нормальная температура и давление).
7. Подсчитайтe содержание кислорода в литре воды, используя следующую формулу:
где Х-объем тиосульфата, расходуемый на титрование 50 см3 воды.
8. Сделать выводы о пригодности анализируемой воды для нормальной жизнедеятельности водных организмов.
Контрольные вопросы
1. Что называется средой обитания и экологическими факторами? Классификация экологических факторов.
2. Какие экологические факторы называются лимитирующими? Что такое толерантность особи, вида?
3. Каковы общие закономерности действия экологических факторов на живые организмы? Законы минимума Либиха и толерантности Шелфорда
4. Каковы различия между стенобионтными и эврибионтными видами организмов?
5. Каковы характерные особенности водной среды обитания?
6. Какие абиотические факторы водной среды становятся лимитирующими для водных организмов в разных условиях?
7. Что определяет соленость водной среды обитания? Каково содержание солей в пресной и морской водах? Как можно оценить приблизительную соленость природных вод? В чем сущность титриметрического определения содержания хлоридов методом осаждения?
8. От каких факторов зависит рН водной среды и как можно его измерить? Какие значения рН оптимальны для жизнедеятельности живых организмов?
9. Как. называются водные организмы? Какой абиотический фактор водной среды становится для них лимитирующим наиболее часто?
10. Какие процессы определяют содержание О2 в воде? Как можно определить содержание растворенного кислорода в воде? В чем заключена суть метода измерения концентрации О2 БПК-тестером?
11. Как изменится содержание растворенного О2 в воде при поступлении в нее: а) органических веществ; б) солей металлов переменной валентности: в) при понижении и повышении температуры воды? Что называется эвтрофикацией?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИЗУЧЕНИЕ АБИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НАЗЕМНОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ
Цель работы: ознакомление с абиотическими факторами наземно-воздушной среды, их влиянием на живые организмы и методами экспериментальной оценки некоторых из них.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Абиотический компонент наземной среды представляет совокупность климатических и почвенно-грунтовых факторов.
Главнейшие климатические факторы следующие:
1. Поступающая от Солнца лучистая энергия, распространяющаяся в пространстве в виде электромагнитных волн. Около 99% всей энергии солнечной радиации составляют лучи длиной волны 170-4000 нм, в том числе 48% приходится на видимую часть спектра с длиной волны 400-760 нм, 45% - на инфракрасную (длина волны от 750 нм до 10–3 м) и около 7%- на ультрафиолетовую (длина волны менее 400 нм). Преимущественное значение для жизни имеют видимые и инфракрасные лучи, а в процессах фотосинтеза наиболее важную роль играют оранжево-красные и ультрафиолетовые лучи.
Из всей энергии, поступающей от Солнца, 47% достигают поверхности Земли и создают оптимальные условия протекания энергетических процессов в природе. Солнечная энергия не только поглощается поверхностью Земли, но и частично ею отражается (альбедо). От того, какую долю энергии солнечной радиации поглотит поверхность, зависит общий режим температуры, влажности. Так, чистый снег отражает примерно 80-90% энергии солнечной радиации, загрязненный снег – 40-50%, черноземная почва – до 5%, сухая светлая почва – 35-45%, хвойные леса – 10-15%.
Зеленым растениям свет нужен для фотосинтеза – образования хлорофилла, формирования гранальной структуры хлоропластов, он регулирует работу устьичного аппарата; влияет на газообмен и транспирацию, стимулирует биосинтез белка и нуклеиновых кислот.
Свет влияет на давление и растяжение клеток, процесс роста, определяет сроки цветения и плодоношения.
Световой режим определяется интенсивностью прямого и рассеянного света, суммарной радиацией за год. У растений возникают различные морфологические и физиологические адаптации.
Выделяется несколько морфологических и физиологических адаптированных групп (экологических групп): светолюбивые (гелиофиты}, тенелюбивые (сциофиты), теневыносливые (.факультативные гелиофиты).
2. Влажность атмосферного воздуха, связанная с насыщением его водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (до высоты 1,5-2,0 км, где концентрируется примерно 50% всей влаги. Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем больше влаги содержит воздух. Однако при той или иной конкретной температуре воздуха существует определенный предел насыщения его парами воды, который называют максимальным. Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимального. Фактическое содержание паров воды в воздухе при данной температуре называется абсолютной влажностью. Разность между максимальным насыщением и абсолютной влажностью (или данным насыщением) называется дефицитом влажности. Дефицит влажности - важнейший экологический параметр, поскольку он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот. Известно, что повышение дефицита влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует усиленному плодоношению растений, а у ряда животных, например насекомых, приводит к размножению вплоть до так называемых "вспышек".
Отношение абсолютной влажности к максимальному насыщению при данной температуре называется относительной влажностью. Чем ниже относительная влажность, тем суше. Она играет в развитии и жизни организмов такую же роль, как и дефицит влажности.
3. Осадки, тесно связанные с влажностью воздуха, представляют собой результат конденсации водяных паров (росы, туманы, дождь, снег).
Осадки – одно из звеньев в круговороте воды на Земле, по их количеству выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны. Максимальное количество осадков выпадает взоне тропических лесов (до 2000 мм/год). Зоны с количеством осадков менее 250 мм/год уже считаются засушливыми.
4. Газовый состав атмосферы. Состав ее относительно постоянен и включает азот (~78% об.) и кислород (21% об.) с примесью незначительного количества диоксида углерода (0,035% об.) и аргона (0,9% об.), в верхних слоях атмосферы содержится озон (0,001-0,0001% об.). Обычно в атмосферном воздухе присутствуют пары воды, пыль и дымы.
Азот - важнейший биогенный элемент, участвующий в образовании белковых структур организмов; кислород, в основном поступающий от зеленых растений, обеспечивает окислительные процессы; диоксид углерода участвует в фотосинтезе, озон выполняет экранирующую роль по отношению к коротковолновой ультрафиолетовой части солнечного спектра, губительной для всего живого.
5 Температура на поверхности земного шара определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечеым излучением. Известно, что количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо пропорционально синусу угла стояния Солнца над горизонтом. Поэтому в одних и тех же районах наблюдаются суточные и сезонные колебания температуры, причем вся поверхность земного шара разделяется на ряд поясов с условными границами. Чем выше широта местности (к северу и к югу от экватора), тем больше угол наклона солнечных лучей к поверхности Земли и тем холоднее климат.
Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в какой либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов, а также скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Граница существования жизни проходит при температуре от 0° до +50°С,при которой возможно нормальное строение и функционирование белков. Границы существования жизни при определенных условиях раздвигаются до +180°С. В процессе эволюции у растений и животных выработались различные приспособления к температуре путем биохимических и физиологических перестроек; путем поддержания постоянной температуры тела животных организмов.
Животные, имеющие температуру тела, зависящую от внешней температуры, называются пойкилотермными, а имеющие постоянную температуру - гомойотермными. Основные пути температурных адаптаций у животных следующие:
1) химическая терморегуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры среды;
2)физическая терморегуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удержания тепла или наоборот рассеивание его избытка (во время образования пуха или линьки) и др.;
3) поведение организмов – перемещение в пространстве, в тень ит. д. Для многих видов поведений является единственным эффективным способом избегатъ крайних температур.
6. Движение воздушных масс (ветер). Причина возникновения ветра - неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону уменьшения давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. Сила вращения Земли воздействует на циркуляцию воздушных масс. В приземном слое воздуха их движение оказывает влияние на все метеорологические элементы климата: режим температуры, влажности, испарение с поверхности Земли и транспирацию растений. Ветер – важнейший фактор переноса и распределения примесей в атмосферном воздухе. Наблюдаются длительные периоды (циклы) преобладающей атмосферной циркуляции продолжительностью несколько десятков лет. Причем циклы меридиональной, широтной циркуляции периодически сменяются с востока на запад, с севера на юг, а также впротивоположных направлениях. С типами атмосферной циркуляции иногда связывают периоды одновременной активности многих видов животных, например периоды вспышек массового размножения насекомых.
7. Давление атмосферы. Нормальным считается давление 1 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные минимумы и максимумы давления. Различают также морской и континентальный типы динамики атмосферного давления. Периодически возникавшие области пониженного давления, характеризующиеся мощными потоками воздуха, стремящегося по спирали к передвигающемуся в пространстве центру называются циклоном. Циклоны несут большое количество осадков.
Наземная воздушная среда - самая сложная среда по экологическим условиям. Жизнь на суше способствовала выработке таких приспособлении, которые оказались возможными лишь при достаточно высоком уровне организации растений и животных.
Низкая плотность воздуха определяют его малую подъемную силу и незначительную опорность. Обитатели воздушной среды должны обладать собственной опорной системой, поддерживающей тело. Растения формируют разнообразные механические ткани, животные – твердый скелет. Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна длительное время. С воздухом связано расселение многих растений и животных (насекомых, птиц, микроорганизмов). Малая плотность воздуха обусловливает низкую сопротивляемость передвижению. Благодаря подвижности воздуха, организмы, обитающие в нижних слоях атмосферы, способны пассивно передвигаться как вертикально (порою до 12-22км), так и по горизонтали.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Цель занятия.Ознакомление с воздействием на организм человека абиотических факторов воздушной среды и принципами нормирования ее отдельных параметров.
Практические навыки.Определение основных параметров состояния воздушной среды и выявление лимитирующих факторов с точки зрения их комплексного влияния на человека.
Задания.Впроцессе изучения темы студенты должны:
1) определить атмосферное давление;
2) определить среднюю температуру воздуха в помещении;
3)определить относительную влажность воздуха в помещении;
4) определить скорость движения воздуха:
а) в помещении (на рабочем месте);
б) в вентиляционном отверстии (в форточке);
5) ознакомиться с работой люксметра и определить коэффициент естественной освещенности (КЕО) и искусственную освещенность на рабочем месте;
6) составить заключение о состоянии воздушной среды в данном помещении с выявлением лимитирующих факторов и их влияния на человека.