БИОЛОГИЯ Том 2 - руководство по общей биологии - 2004

11. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

11.1. Методы измерения средовых факторов

11.1.2. Гидрологические факторы

Вода, как и почва, — важная среда обитания. В этом разделе будут рассмотрены некоторые простые методы, применяемые для мониторинга ее физико-химических свойств, жизненно важных для организмов.

Опыт 11.6. Определение pH пробы воды

Материалы и оборудование

Универсальная индикаторная бумага или рН-метр

Проба воды

Методика

Вариант 1

Опустите в пробу воды полоску индикаторной бумаги и сравните приобретенный ею цвет с приложенной цветной шкалой. Считайте соответствующее значение pH.

Вариант 2

Ополосните зонд pH-метра дистиллированной водой, окуните его в пробу воды и считайте значение pH. Этот метод дает более точные цифры, однако прибор перед экспериментом надо аккуратно откалибровать, использовав стандартные растворы с известным значением pH. Перед тем как вернуть зонд в исходный буферный раствор, ополосните его дистиллированной водой.

Опыт 11.7. Определение содержания хлорид-ионов в пробе воды (приблизительная оценка солености)

Материалы и оборудование

Проба воды

Пипетка на 10 мл

Бюретка

Дистиллированная вода

3 конических колбы

Белая кафельная плитка

Индикаторный раствор хромата калия

50 мл раствора нитрата серебра (2,73 г/100 мл).

Методика

1. Налейте пробу воды (10 мл) в коническую колбу и добавьте 2 капли раствора хромата калия.

2. Из бюретки капайте раствор нитрата серебра, постоянно встряхивая колбу.

3. Титрование окончите, когда осадок хлорида серебра покраснеет.

4. Повторите это титрование еще с двумя пробами по 10 мл. Рассчитайте средний объем израсходованного раствора нитрата серебра.

5. Этот объем приблизительно равен содержанию хлорид-ионов в воде (г/л).

Опыт 11.8. Определение содержания растворенного кислорода в пробе воды

Ниже описывается метод Винклера, дающий точный результат, но требующий много реактивов. Менее точный, но более простой метод приведен в руководстве Nuffield Advanced Science, Biological Science.

В продаже имеются портативные «полевые наборы» для применения метода Винклера (например, фирмы Hanna).

Материалы и оборудование

10 мл щелочного раствора иодида: 3,3 г NaOH и 2,0 г КI в 10 мл дистиллированной воды. (Обращаться с осторожностью!)

10 мл раствора хлорида марганца (4,0 г МnСl₂ в 10 мл дистиллированной воды)

5 мл концентрированной соляной кислоты.

(Обращаться с осторожностью!)

Индикаторный раствор крахмала

Дистиллированная вода

0,01 М раствор тиосульфата натрия (см. п. 8 «Методики»)

3 градуированные пипетки по 5 мл

Бюретка

Белая кафельная плитка

3 конических колбы

Проба воды объемом 250 мл в пробоотборной колбе с притертой стеклянной пробкой.

Методика

1. Аккуратно, без плеска, опустите пробоотборную колбу в воду и закройте ее под водой притертой пробкой, чтобы внутрь не попали пузырьки воздуха.

2. С помощью пипеток добавьте к пробе 2 мл раствора хлорида марганца и 2 мл щелочного раствора иодида; кончики пипеток должны касаться дна колбы с пробой. Более тяжелые растворы солей вытеснят разные объемы воды из горлышка. Вновь аккуратно закройте колбу притертой пробкой (колба должна быть полной) и энергично встряхните ее, чтобы смешать реактивы со всем объемом воды. Образуется сложный осадок оксида-гидроксида марганца, количество которого прямо пропорционально содержанию в воде кислорода. Такую пробу можно долго хранить (например, отправить для продолжения анализа в лабораторию).

3. Добавьте 2 мл концентрированной соляной кислоты и закройте колбу пробкой, чтобы в нее не попали пузырьки воздуха. Энергично встряхните колбу, растворяя осадок. Образуется раствор иода в избытке иодида калия. Количества иода будет прямо пропорционально исходному содержанию кислорода в пробе воды. Теперь кислород связан, и контакт с воздухом на результате не отразится.

4. Перенесите 50 мл этого раствора в коническую колбу. Из бюретки оттитруйте его 0,01 М раствором тиосульфата натрия следующим образом:

а) постоянно встряхивая колбу, добавляйте в нее раствор тиосульфата натрия, пока не исчезнет желтый цвет пробы;

б) добавьте 3 капли раствора крахмала и продолжайте титровать, встряхивая колбу, пока не исчезнет черно-синий цвет крахмала;

в) запишите объем израсходованного раствора тиосульфата.

5. Повторите этап 4 с двумя другими пробами по 50 мл и рассчитайте средний объем использованного для титрования реактива (х).

6. В описанной методике 1 мл 0,01 М раствора тиосульфата соответствует 0,056 мл кислорода при стандартных температуре и давлении (СТД).

7. Рассчитайте концентрацию кислорода в 1 л воды по следующей формуле:

Кислород (мл/л) = 0,056 · х · 1000/50 (СТД),

где х — объем раствора тиосульфата, необходимого для титрования 50 мл пробы.

8. При сравнительных исследованиях загрязнения воды и БПК (биохимической потребности в кислороде) концентрация растворенного кислорода обычно выражается в мг/л. Расчет окончательного результата упростится, если использовать 0,0125 М раствор тиосульфата натрия. Тогда 1 мл этого раствора будет эквивалентен 0,1 мг кислорода.

а) Приготовьте маточный 0,1 М раствор тиосульфата натрия (Na₂S₂O₃ · 5Н₂O). Для этого растворите 24,82 г этого вещества в дистиллированной воде. Добавьте гранулу гидроксида натрия (NaOH) и доведите объем раствора до 1 литра. Этот раствор следует хранить в бутылке темного стекла не более 2—3 недель.

б) Если необходимо, то приготовьте 0,0125 М рабочий раствор тиосульфата натрия. Для этого возьмите 125 мл маточного раствора и доведите его объем до 1 л (разбавление х8).

в) Повторите все процедуры так, как описано в пп. 1—5, но в п. 4 используйте 0,0125 М раствор тиосульфата натрия:

O₂ в пробе (мг/л) = х · 0,1 · 1000/50 = 2х,

где х — средний объем 0,0125 М раствора тиосульфата натрия, необходимый для титрования 50 мл пробы.

9. Иногда полезно сравнить реальное содержание кислорода с его потенциальным максимальным значением — уровнем насыщения. Это особенно интересно, если вода в данном месте анализируется в разное время года, т. е. при разной температуре, поскольку именно от температуры зависит количество кислорода, которое удерживается в растворе. Следовательно, чтобы оценить уровень насыщения раствора этим газом, надо знать температуру. Ее легко измерить обычным ртутным термометром. Пользуясь табл. 11.1, рассчитайте процент насыщения воды кислородом по формуле:

Примечания

1. Довольно часто для экономии реактивов анализируют пробы воды объемом 25 мл. Тогда при окончательном расчете следует пользоваться другим переводным коэффициентом: O₂ (мг/л) = 4х.

2. Очень важно полностью растворить осадок, поскольку в нем сосредоточен весь бывший в воде кислород. Возможно, для этого придется добавить несколько больше кислоты.

3. Чтобы весь кислород перешел в осадок, необходимо добавлять достаточное количество хлорида марганца и щелочного раствора иодида. На практике можно использовать стеклянную колбу с притертой пробкой любых размеров, лишь бы эти два реактива добавлялись туда в одинаковом количестве из расчета примерно 1 мл каждого из них на 100 мл анализируемой воды.

4. При отборе проб в поле колбу надо не менее трех раз ополоснуть в исследуемой воде, а потом уже заполнять ее. Горлышко следует направлять против течения, чтобы вода легко заливалась внутрь без пузырьков воздуха. Перед взятием пробы колбу необходимо тщательно вымыть и, если возможно, то с использованием кислоты (т. е. сделать ее химически чистой).

5. Беря пробы из водоема, который может быть загрязнен, всегда надевайте водонепроницаемые перчатки (например, резиновые). В мелких ручьях пробы берут с середины русла. В более глубоких водоемах надо удалиться от берега — по пирсу или на лодке. Во всех случаях необходимо соблюдать меры техники безопасности.

Таблица 11.1. Растворимость кислорода в воде

Опыт 11.9. Определение биохимической потребности в кислороде (БПК) пробы воды

В предыдущем эксперименте определялось наличное содержание кислорода в водоеме. Это полезный исходный параметр. Однако он может меняться в широких пределах даже в течение суток, что зависит от других средовых факторов, например от освещенности и силы ветра. Более стойкий показатель — скорость потребления кислорода присутствующими в воде организмами. Если в водоем поступает много органических остатков, то активизируются микробы-редуценты, быстро истощающие запасы растворенного кислорода. Это непосредственно сказывается на их собственной дальнейшей жизнедеятельности и на судьбе всех прочих аэробных обитателей водоема.

Материалы и оборудование

Проба воды объемом 0,5—1,0 л

Вариант 1

Реактивы и посуда, необходимые для метода Винклера (эксперимент 11.8)

Вариант 2

Откалиброванный соответствующим образом кислородный электрод

Методика

Подготовка

1. Если это необходимо, то откорректируйте pH пробы: он должен составлять 6,5—8,5 (для оптимизации микробной активности).

2. Если известно, что кислорода в пробе очень мало (например в ней уже определено его растворенное количество), то оксигенируйте ее в течение 5—10 мин. Это важно, поскольку анализ показывает потенциальную скорость потребления кислорода, и результаты могут быть недостоверными при исходном недостатке кислорода.

3. Если есть подозрение, что в пробе много органики, то перед инкубацией приготовьте ее разведения (см. примечание в конце методики). Убедитесь, что БПК используемой для этого чистой воды пренебрежимо мала. Для этого инкубируйте ее так же, как пробы. Если в этой воде очень мало растворенного кислорода, то при расчете результата сделайте поправку не только на коэффициент разведения, но и на эти потери.

Анализ

1. Разлейте пробу (если надо, то разведенную) по трем стеклянным колбам с притертыми пробками емкостью 125 или 250 мл. Лейте осторожно, чтобы внутрь не попали пузырьки воздуха. Колбы должны быть заполнены полностью.

2. Сразу же определите содержание растворенного кислорода в одной из колб (мг/л).

3. Инкубируйте две другие колбы в темноте (исключающей фотосинтез) при стандартной температуре (20 °С) или температуре исходной пробы в течение 1—5 сут. Обычно инкубируют при 20 °С 5 сут.

4. Определите содержание кислорода в этих колбах (мг/л).

5. Вычтите среднее для двух инкубированных колб значение из исходного. Это даст БПК, если только пробу перед инкубацией не разводили. В случае разведения используйте формулу:

БПК = (х — у)(а + 1) мг/л,

где х — исходное содержание растворенного кислорода (мг/л); у — среднее окончательное его содержание (мг/л); а — отношение объема добавленной воды к объему пробы.

Примечание

Речная вода обычно не требует разбавления. Если загрязнение сильное, то разводить приходится раз в пять. Такая вода опасна для здоровья, работать с ней надо очень осторожно, и в учебных целях ее лучше не использовать. Раньше для разведения обычно брали водопроводную воду, однако высокое содержание в ней хлора влияет на микробную активность. Желательно пользоваться «синтетической» водой — дистиллированной или деионизованной с добавлением нужных химикатов. Рекомендации по приготовлению такой воды приведены в работе Н. L. Golterman, R. S. Clymo, М. А. М. Ohnstad (1978) Methods for physical and chemical analysis of fresh waters, IBP Handbook № 8, Blackwell Scientific Publications, 2nd edition.

Пробы с ВПК более 6 мг/л или с окончательным содержанием растворенного кислорода ниже 40%-ного уровня насыщения надо проанализировать еще раз, предварительно разбавив.

В некоторых случаях значительная часть ВПК приходится на окисление аммиака. При желании эту нитрификацию можно подавить, добавив к каждой повторности 1 мл раствора аллилтиомочевины концентрацией 0,5 г/л. Подробнее данный вопрос обсуждается в названной выше работе (Golterman et al.).

Скорость течения воды

Простейшим методом измерения скорости течения воды служит измерение времени, необходимого какому-либо плывущему предмету для того, чтобы пройти известное расстояние. Чтобы исключить влияние ветра, этот предмет должен минимально выступать над поверхностью воды. Можно также использовать L-образную трубку диаметром 2 см с коленами 50 и 10 см. Ее ставят в воду вертикально коротким коленом против течения. Скорость течения воды определяют, измеряя высоту подъема воды в длинном колене по формуле:

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