Світло та його роль у функціонуванні водних екосистем

Світло надходить до земної поверхні у вигляді прямої і розсіяної сонячної радіації, які разом оцінюються як сумарна радіація. На її видиму частину спектру припадає близько 45 %, на інфрачервоне випромінювання — 45 %, а на ультрафіолетове - 7 %. Сонячна радіація є джерелом всіх процесів у біосфері, пов’язаних з життям на нашій планеті, та визначає її температуру в поверхневих шарах.

Потік сонячної радіації на одиницю поверхні Землі називається сонячною постійною. Потужність цього потоку становить 340 Вт/ м².

Далеко не вся сонячна радіація надходить до земної (водної) поверхні. Більша частина короткохвильового діапазону сонячного світла (менше 290 нм) поглинається озоновим шаром. Довгохвильова частина сонячного випромінювання частково затримується в атмосфері водяною парою, вуглекислим газом і озоном. Та ж, яка доходить до Землі, теж частково відбивається від її поверхні.

Відношення кількості радіації, яка відбивається до тієї, яка падає на поверхню, визначається у відсотках і має назву альбедо. Для відкритої водної поверхні воно становить в середньому 7 %. Альбедо дещо збільшується при посиленні хвилювання на водоймі, а також при збільшенні каламутності води. Найбільше альбедо має чистий сніговий покрив (95-98 %), дещо менше (25^45 %) - лід. Альбедо є важливим екологічним показником, який дозволяє розраховувати кількість сонячної енергії, яка надходить в водне середовище.

Важливою з екологічної точки зору властивістю води є здатність пропускати сонячне світло. Вона залежить від кольору води та її прозорості. Остання залежить від молекулярної структури, концентрації розчинених органічних, переважно забарвлених (гумінові кислоти, фульвокислоти тощо) речовин, завислих часток та планктонних організмів. При гідроекологічних дослідженнях визначають відносну прозорість води за допомогою білого диску (диску Цеккі). Відносна прозорість оцінюється за товщиною шару води, через який можна бачити цей диск (діаметром ЗО см) при зануренні його з тіньового боку плавзасобів. За допомогою такого методу можна оцінювати відносну прозорість води з точністю до 5%.

В лабораторних умовах для аналізу санітарно-гігієнічних характеристик води її прозорість визначають за висотою стовпа води в мірному циліндрі, через який можна бачити стандартний шрифт. Сучасні оптичні прилади (прозороміри) дозволяють реєструвати інтенсивність проникнення сонячної радіації на різні глибини за допомогою фотоелементів.

Прозорість води змінюється в залежності від сезону, кількості завислих часток, глибини водойм та багатьох інших причин. У нестратифікованих водоймах прозорість води знижується у придонному шарі внаслідок зростання каламутності, яка пов’язана з порушенням донних грунтів; у стратифікованих найбільша прозорість води у гіполімніоні, а найменша - у зоні максимального розвитку фітопланктону. Знижується прозорість води в зоні термоклину за рахунок більш високої її щільності та затримки детриту.Лекція 4

Тема: Абіотичні фактори водних екосистем

1. Седиментація, осадоутворення та формування донних грунтів.

2. Іонні компоненти та їх екологічна роль.

Седиментація, осадоутворення та формування донних грунтів

У товщі води постійно знаходиться певна кількість завислих часток мінерального і органічного походження. Під дією сили тяжіння вони поступово опускаються на дно. Процес осадження завислих частинок отримав назву седиментація. У водних екосистемах виділяють фізичну і біогенну седиментацію. Фізична седиментація - це процес осадження мінеральних частинок в стоячій воді. Такі частинки бувають різної величини і різного походження. Це можуть бути частинки піску, глини, мулу, вапняку, солі різних металів. Вони надходять у воду під час розмивання берегів, донних грунтів, змиву з прилеглих територій.

В залежності від їх фізичних характеристик змінюється швидкість осадження, яка визначається для стоячої води за формулою Стокса:

де V - швидкість фізичної седиментації;

ή- коефіцієнт в’язкості;

r - радіус часток кулеподібної форми;

g - гравітаційне прискорення;

Ps і Pw - щільність часток і води.

На швидкість седиментації впливає температура води. З підвищенням її вище 4°С прискорюється осадження мінеральних частинок за рахунок зменшення в’язкості води. У стратифікованих водоймах такі частинки можуть затримуватись на якийсь час у зоні термоклину.

Крім мінеральних часток, у водоймах і водотоках відбувається осадження і органічних частинок, які утворюються у процесі життєдіяльності гідробіонтів. До них належать відмерлі організми, пелітні частинки, зокрема відфільтровані харчові мікрогрудки, фекалії, злущений епітелій, слиз. В залежності від трофності водойм, зоопланктонтами щодоби фільтрується від 5 до 90 % загального об’єму води континентальних водойм зі зниженою швидкістю течії води. В загальному процесі осадонакопичення біологічна седиментація може переважати фізичну. Причому в різні сезони року до біоседиментів входить різна кількість відмерлих планктонтів і бентонтів. У морських (океанічних) екосистемах об’єми біоседиментації ще більші. Протягом року вони досягають 100 г органічного вуглецю на 1 м².До організмів-седиментаторів, які утворюють пелітні мікрогрудки, належать морські і прісноводні інфузорії, губки, черви, молюски, личинки комах та деякі інші організми. Існують різні механізми утворення пелітних часток. Так, інфузорії завихрюють воду навколо себе спеціальними рухами війок. У такі завихрювання води втягуються органічні слизові і мінеральні частинки, які після злипання швидше осідають на дно. У коловерток частинки корму осаджуються током води, спрямованим коловертковим апаратом. Губки утворюють пелітні мікрогрудки, пропускаючи воду через спеціальні джгутикові камери.

Процес утворення донного осаду включає автохтонні (внутрішньово- доймні) та алохтонні органічні і мінеральні речовини. У протічних водоймах і водотоках частина таких речовин виноситься з потоком води. Швидкість осадоутворення у водоймах залежить від їх трофності. В оліготрофних водоймах цей процес проходить дуже повільно і може розтягнутись на сотні і тисячі років. В мезотрофних озерах і водосховищах осадоутворення іде швидше за рахунок автохтонної і алохтонної органічної речовини. Починаючи з мезотрофної стадії, водойми більш інтенсивно замулюються за рахунок утворення автохтонної органічної речовини, синтез якої прискорюється включенням у внутрішньоводоймний кругообіг азоту, фосфору та інших біогенних елементів, що переходять з донних відкладів у товщу води. Такі процеси характеризують перехід озерної екосистеми з мезотрофної в евтрофну стадію. Подальше зростання біомаси фітопланктону і вищої водяної рослинності призводить зо значного перевантаження органічною речовиною та розвитку дистрофної стадії, або процесу заболочування озер та водосховищ.

Органічні і мінеральні частинки, які опускаються на дно, проходять складний шлях фізико-хімічних і бактеріальних перетворень та ущільнення. В залежності від розміру, структури мінеральних частинок та органічних компонентів первісного дна, формується донний грунт.

За розміром частинок донні грунти континентальних водойм поділяються на ряд типів (табл.).

Таблиця

Класифікація донних грунтів за розміром частинок та вмістом фракцій

(величиною менше 0,01 мм)

Донні відклади в процесі їх формування можуть змінювати свої властивості і навіть колір. Так, донні грунти, які утворюються у добре аерованих водоймах з високим рівнем насиченості придонних шарів води киснем, мають світлий колір. Навпаки, при переважанні анаеробних процесів і дефіциті кисню, коли мул насичений сульфідними сполуками, його колір - чорний.

На структуру та властивості грунтів істотно впливають донні гідробіонти (бентос). Під впливом бактерій, олігохет, хірономід та інших бентосних організмів важкорозчинні у воді органічні і мінеральні сполуки переходять у розчинені форми азоту, фосфору, заліза та інших біогенних елементів. Вони виявляються в значній кількості'в інтерстиціальній воді донних відкладів, що заповнює капіляри між окремими частинками донного грунту. Використовуючи мул як кормовий компонент, донні черви роблять його більш структурованим. Під впливом зообентосу поступово може змінюватися хімічний склад поверхневого шару донного грунту та полегшуватись кругообіг речовин і енергії між донними відкладами та товщею води. Між донними грунтами та товщею води здійснюється постійний обмін біогенними елементами, що забезпечує функціонування водних екосистем у нерозривній єдності усіх їх компонентів. Зокрема донні грунти функціонують як джерело вторинного забруднення водних об’єктів, бо накопичені в них мінеральні і органічні речовини поступово переходять у товщу води. Цей процес відіграє особливу роль у підтриманні високого вмісту біогенних елементів у водоймах уповільненого стоку (озера, водоймища). В озерних екосистемах відклади донного мулу під дією мікроорганізмів, які мінералізують органічні речовини, можуть перетворюватись у сапропель (“гниючий мул”).

2. Іонні компоненти та їх екологічна роль

У водах Світового океану розчинені практично всі відомі хімічні елементи та їхні ізотопи. 99,9 % маси розчинених речовин припадає на 11

основних компонентів: Nа⁺, К⁺, Mg²⁺, Са²⁺, 8г²⁺, СІ, S0₄² НС0₃, Вг, F, Н₃В0₃. У кожному кубічному кілометрі морської води міститься близько 35 млн. т твердих речовин, в тому числі 19,8 млн. т хлориду натрію, 9,5 млн. т магнію, 6,33 млн. т сірки, 31 тис. т брому, 3,9 тис. т алюмінію, 79,3 т марганцю, 79,3 т міді, 11,1т урану, 3,8 т молібдену та інших.

На відміну від океанічних і морських вод, прісні води річок, озер, водосховищ та інших водних об'єктів менш насичені розчиненими солями. їх

сольовий склад зовсім інший: в океанічних водах переважають хлориди натрію і магнію, а в прісних - карбонати (табл.).

Таблиця

__ Склад розчинених солей в океанічних і річкових водах (в %)

У морських і прісних водах присутні хімічні елементи, які відіграють виключно важливу роль у метаболічних процесах рослин і тварин.

Деякі з них постійно входять до складу біологічних рідин і тканин. Найважливіші з них кисень (70 % маси організмів), вуглець (18 %), водень (10 %), азот, кальцій, калій, фосфор, магній, сірка, хлор, натрій. Такі елементи, як водень, вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка, утворюють органічну речовину гідробіонтів. Так, вуглеводи і ліпіди містять у своїй структурі водень, вуглець і кисень, а білки, крім того, ще й азот і сірку. До структури нуклеїнових кислот входять азот і фосфор. Ці елементи часто називають головними елементами органічних молекул (табл.).

Основні хімічні елементи, що входять до складу організмів гідробіонтів

Таблиця

Неорганічні елементи виконують роль каталізаторів у метаболічних реакціях і є складовими частинами буферних систем, важливими компонентами мембранних структур. З киснем і воднем пов'язано протікання окиснювано-відновних реакцій у живих системах.

Натрій, калій і цезій в водних екосистемах

Натрій, калій і цезій належать до групи лужних металів, які легко віддають один електрон, перетворюючись у позитивно заряджені іони. Саме завдяки цій властивості вони зустрічаються в природі виключно у вигляді сполук.

Важливою фізико-хімічною характеристикою натрію і калію, яка визначає участь у біологічних процесах, є взаємодія з молекулами води, причомуNa⁺ закріплює молекулу води в гідратній оболонці міцніше, ніж К⁺. Менша електролітична рухливість натрію пов'язана саме з його більш масивною гідратною оболонкою. Завдяки цим властивостям іонам натрію належить особливо важлива роль у транспорті молекул води через мембрани та підтриманні водно-натрієвого балансу в рослинах та в тканинах тварин. На відміну від Na⁺, більші за розміром іони калію не змінюють структуру води в гідратній оболонці.

Калій і натрій постійно присутні в біологічних рідинах та в структурних компонентах протоплазми рослин і тварин. Більша частина натрію сконцентрована в мембранах, ядрі і міофібрилах, тоді як у цитоплазмі та матриксі мітохондрій його вміст невисокий. Взаємодія значної частини лужних металів з поліелектролітами цитоплазми має електростатичний характер. Внаслідок цього К⁺ іNa⁺ не втрачають свої індивідуальні заряди, а існують в цитоплазмі та внутрішньоклітинних органелах у вигляді іонів, що компенсують негативні заряди поліелектролітів. На відміну відNa⁺, концентрація якого вища в позаклітинних біологічних рідинах, у клітинах міститься в 2-10 разів більше К⁺. Цитоплазматична активність калію залежить від його взаємодії з внутрішньоклітинною водою.

Підтримання концентраційних градієнтів між внутрішньо- і зовнішньоклітинним рівнем натрію і калію є важливою умовою функціонування організму гідробіонтів.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: