Для очистки бытовых стоковых вод больших жилищных массивов

Лабораторная работа №2.

Изучение фотосинтеза погруженных водных растений, которые используются

для очистки бытовых стоковых вод больших жилищных массивов.

В термодинамических условиях поверхности земли при активной деятельности живых организмов или продуктов их жизнедеятельности осуществляются многочи­сленные превращения веществ, которые систематически повторяются. Превращения веществ в значительной степени циклические, потому их называют кругообменами или циклами. В основе кругообмена лежит фотосинтез-реакция образования сложных веществ из простых неорганических соединений за счет энергии солнечного света, которая поглощается пигментом хлорофиллом. Эта реакция осуществляется в высших растениях, водорослях, фотосинтезирующих бактериях. Общий вид ее такой:

6С0₂ + 6Н₂0 = С₆Н₁₂0₆ + 60₂ (1)

Количество энергии, которая ежегодно связывается в продуктах фотосинтеза, на порядок более высокая всех энергетических потребностей человечества. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород. Вместе с углеводами в процессе фотосинтеза образуются аминокислоты, пигменты, сырьем для которых выступают сульфаты, фосфаты, нитраты. Из уравнения можно сделать вывод, что фотосинтез вместе с противоположным процессом окисления органического вещества обеспечивает ряд био- гео- химических циклов: водяной пары, углекислого газа, органического вещества, кислорода, а также превращения и аккумуляцию энергии. Масштабы этих циклов очень значительные: 100 млрд.т С0₂; 145 млрд.т 0₂. Считается, что весь кислород атмосферы плюс часть 0₂, которая связана с горными породами-оксидами, является продуктом фотосинтеза. С фотосинтезом в значительной степени связан углеродный био- гео- химический цикл. Он объединяется миграцией углерода, который в разных средах образует разные соединения. Этот цикл интересен меха­низмом саморегуляции и, экологически, очень важен. Углеродный цикл протекает в системе: земная кора (высвобождение С0₂ за счет вулканичных процессов и окис­ления органических остатков, депонирования углерода в карбонатах) - атмосфера (промежуточное звено цикла) - океан (химическая лаборатория, в которой образуется угольная кислота и свои соли, а также регулятор содержания С0₂ в системе: океани­ческое дно - донный ил - воды океана - атмосфера) - живые организмы (высвобож­дение С0₂ в процессе дыхания, аккумуляция фотосинтезирующими растениями) -человечество (высвобождение С0₂, СО за счет сгорания топлива). Основным регуля­тором в этом цикле является Мировой океан (при условии чистоты поверхности, в другом случае нарушается газообмен между ней и атмосферой). Важный экологи­ческий вывод заключается в потому, что углеродный цикл способен вбирать у себя избытки С0₂, что присутствует в атмосфере, емкость океана в этом случае безгранич­на. Но для этого необходимо время (система инерционная, связанная с изменением концентрации С0₂ во всей толще океана), единство цикла, чистота поверхности оке­ана. Прогнозы климата, которые не учитывают цикл углерода, неверны.

В последнее время внимание геофизиков (авторы таких прогнозов) направлено на то, что нет прямой зависимости между ростом темпов сжигания топлива, повышением содержания С0₂ в атмосфере и парниковим эффектом.

В водных экосистемах кислотность воды зависит от содержания в них С0₂, потому что С0₂ в результате взаимодействия с водой образует угольную кислоту:

С0₂ + Н₂0 ========== Н₂С0₃ (2)

Угольная кислота в очень разведенных водных растворах полностью разле­тается на ионы:

н₂со₃ н⁺+ нсо₃^-

НС0₃^- Н⁺ + СОз^-2

Критерием кислотности среды, которая определяется экспериментальным мето­дом, есть рН(Ю9) - отрицательный логарифм концентрации ионов водорода:

(_РН = -lg[Н⁺]) (3)

Основным фактором, который снижает содержание С0₂ в водных экосистемах, является фотосинтез углеводов в зеленом листе растений по уравнениям фотосинтеза. Таким образом, фотосинтез углеводов, если экспериментально определять рН водного раствора, с погруженной в него высшей водной растительностью, за определенный промежуток времени, можно легко оценить количество углекислоты, которая погло­щается, и по уровню фотосинтеза рассчитать количество образованного кислорода (0₂) и углеводов (С_бН₁₂0₆ - прирост биомассы), то есть, оценить производительность (116) высшей водной растительности.

Цель работы. Изучение процесса фотосинтеза, который протекает в клетках погруженной водной ростительности методом измерения рН; расчет содержания по­глощенного С0₂, образованного кислорода и углеводов.

Приборы и оборудование. Для выполнения работы необходим рН-метр, на­пример рН-121.

Методика выполнения работы. В два сосуда, объемом 0,5л, налить по 0,5л водопроводной воды, из которой, отстаиванием удалить хлор (можно пользоваться водой из открытого водоема), подогретой до температуры 20-25°С. В один сосуд положить небольших розмсров водное растение, второй сосуд оставить без растения. Сосуды плотно закрыть крышками и расположить возле источника видимого света (например, на подоконнике, или под настольную лампу) и освещать в течение 30 ми­нут. После этого взять пробы воды из обоих сосудов и провести измерение рН этих проб. Получены данные, занесите в таблицу 2.1.

Внимание! В нашем курсе Вам нужно взять не менее как два примера экспе­риментальных данных, которые приведены в таблице 2.

Таблица 2 Экспериментальные данные, полученные в процессе измерения рН

Экспериментальный образец	Значение рН образца воды
в контрольном опыте (без растения)	в рабочем опыте (с растением)
	6.52	6,91
	6.45	6.87
	6,56	6,92
	6,75	7,02
	6,35	6,59

Таблица 2.1 - Экспериментальные данные, полученные в процессе измерения рН

Экспериментальный образец	Значение рН образца воды
в контрольном опыте (без растения)	в рабочем опыте (с растением)

По значению величины рН и использованием формулы (3) рассчитайте концентрацию ионов водорода Н~ в контрольном опыте (без растения) и в опыте с растением (используйте таблицу антилогарифмов). Потом пользуясь схемой (4):

2Н⁺ Н₂С0₃ С0₂ 0₂ 1/6С₆Н₁₂0₆ (4) - рассчитайте количество ССЬ, который был употреблен в процессе фотосин­теза, и биомассы в виде углевода СбН₁₂0₆, а также количество 0₂, который при этом высвободился.

2Н⁺ СО₂

2МН⁺ МСО₂

mН⁺ mСО₂

Отсюда: МСО₂ · mН⁺

mСО₂ =

2МН⁺

где: mС0₂ - масса С0₂, который был употреблён, мг;

mН⁺ - масса ионов водорода в растворе, принимающих участие в реакции, мг;

МС0₂ - молекулярная масса С0₂; МН⁺ - атомная масса Н⁺.

mН⁺ = (ϭН⁺) · Мн ⁺ · V

где: V - объем воды в сосудах, мл;

(ϭН⁺) - разница в концентрации водородных ионов в опыте с растительностью и в контрольном опыте;

(ϭH⁺)· Mн⁺ · V · MCO₂ (ϭH⁺)· V· MCO₂

mCO₂ = =

2Mн⁺ 2

Точно такой же рассчитайте количество высвобожденного кислорода:

2(ϭН⁺) О₂

(ϭН+ ) · V · МО₂

mО₂=

и образованного углевода С₆Н₁₂О₆

1/6 · 2(ϭН⁺) С₆Н₁₂О₆;

(ϭН⁺) ·V ·M C₆H₁₂O₆

mC₆H₁₂O₆=

2 ·6

Полученные результаты расчётов запишите в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 — Результаты расчёта количества веществ, которые принимали участие в реакции фотосинтеза, на основе данных эксперимента.

№ експер.	Опыт	рН	Н+	ϭН+	тсо2, мг	mCO2, мг	mуглевМГ
	контр.
с растен.
	контр.
с растен.

Сделайте вывод на базе полученных расчетов об интенсивности фотосинтезной деятельности в зеленых частях, погруженных водных растений. Дайте рекомендации относительно использования тех или иных растений для очистки бытовых сточных вод.

Тест-контроль.

1.К каким реакциям можно отнести фотосинтез?

«А» - к реакциям окисления - обновления.

«Т» - к реакции соединения (синтеза).

«В» - к реакциям расщепления.

2. Какова роль Мирового океана в регуляции биохимического цикла углерода?

«А» - в поглощении углекислого газа из атмосферы.

«Б»-в высвобождении кислорода в атмосферу.

«В» - в снабжении паров волы для поддержки водообмену.