Вода как фактор существования

Воздействие воды на живые организмы

Возможность существования жизни на Земле возникла благодаря уникальной роли воды как универсального растворителя; вода достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, что обеспечивает высокую скорость протекания биохимических реакций внутри живых организмов и химических реакций в окружающей среде. Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль не только растворителя, но и терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ и т. д. У наземных животных содержание воды в организме составляет от 45 до 95%.

Роль воды в клеточных процессах

Вода участвует в реакции фотосинтеза – главного процесса, создавшего на Земле органическое вещество. В ходе фотосинтеза водород из состава воды входит в структуру органических веществ, а свободный кислород выделяется в атмосферу. Вода участвует в гидролизе – разрушении органических веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ (аденозинтрифосфат – вещество в ядре клетки, играющее исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах) выделяется энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток

В жидком состоянии вода практически не сжимаема и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счёт осмоса вода создаёт избыточное давление внутри растительных клеток, обеспечивающее упругость клеточной стенки и поддержание её формы. У растений благодаря капиллярному эффекту, характерному для воды, осуществляется подъём по сосудам от корня к другим частям растворённых в воде минеральных солей. Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворённом виде у животных также происходит благодаря свойствам воды.

Роль воды в терморегуляции

Вследствие своей большой теплоёмкости вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая её там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, вода обладает высокой удельной теплотой испарения, на которое расходуется много энергии.

Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоёмкости от температуры имеет минимум около +37°С. Вследствие этого нормальная температура большинства теплокровных животных находится в диапазоне температур 32–39°С.

Вода как абиотический фактор

Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Наземные животные окружены воздухом, содержание воды в котором ниже, чем в их собственном теле; поэтому все они обычно теряют воду путём испарения, а также при выведении с водой конечных продуктов метаболизма. Дефицит влаги – одна из существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов происходила в условиях приспособления к добыванию и сохранению влаги.

Режимы влажности воздуха на суше очень разнообразны, велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Режим выпадения осадков, наличие водоёмов, запасов почвенной влаги и т. п. – всё это привело к развитию у наземных организмов способности адаптироваться к различным режимам водообеспечения.

По отношению к воде (влажности) выделяют ряд экологических групп растений: гидатофиты (водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду); гидрофиты (наземно-водные растения, частично погруженные в воду); гигрофиты (наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха); мезофиты (растения, живущие в условиях среднего увлажнения) и ксерофиты (растения, произрастающие в местах с недостаточным увлажнением).

Среди основных механизмов адаптаций растений к водному фактору можно выделить следующие: уменьшение потери воды (толстая восковая кутикула, опушённые листья, листья превращены в колючки или иглы, погруженные устьица, сбрасывание листьев); увеличение поглощения воды (длинные корни, обширная корневая система); запасание воды; переживание неблагоприятного периода (в виде семян, луковиц или клубней).

Животные получают воду при потреблении жидкости и сочной пищи и в результате метаболизма (окисление и расщепление жиров, белков и углеводов). Удаление (потери) воды происходит путём испарения также через покровы или со слизистых оболочек дыхательных путей, а также путем выведения с продуктами метаболизма. Величина испарения воды зависит от влажности воздуха. Многие животные могут совершенно обходиться без питьевой воды, получая влагу другими способами. К этой группе относятся, например, многие пустынные животные: антилопы, суслики, тушканчики, черепахи, различные насекомые – воду они получают, поедая зелёные растения.

По отношению к влаге также выделяют несколько экологических групп животных: гигрофилы (влаголюбивые виды); ксерофилы (сухолюбивые виды); мезофилы (виды, занимающие промежуточное положение).

Регулирование водного баланса осуществляется поведенческими, морфологическими и физиологическими адаптациями. В условиях недостатка влаги большое значение у животных имеет использование метаболической воды, образующейся в результате окисления жиров и некоторых других веществ. Экономия воды при выведении продуктов метаболизма достигается всасыванием как можно большего её количества в пищеварительной и выделительной системах (в зависимости от условий среды). Испарение воды (потоотделение через потовые железы или через слизистую), связанное с терморегуляцией, также обеспечивает регулирование водного обмена, но может быть причиной истощения водных ресурсов организма.

Биосфера обладает самым незначительным суммарным объёмом из всех видов воды, включенных в мировой водный запас. Биологическая вода содержится в тканях растений, животных, микроорганизмов, однако водообмен в биосфере происходит наиболее интенсивно, на порядки быстрее, чем в окружающей организмы среде.

Разнообразие организмов в водах. Бактериальные сообщества

В водной среде обитают около 150 тыс. видов животных (примерно около 7% общего количества на Земле) и 10 тыс. видов растений (8%). Следовательно, вода как среда жизни не отличается видовым разнообразием. Однако бо́льшая часть невидимых нам организмов: бактерии, микроводоросли и грибы не может обитать в среде без значительного количества воды. Наибольшем разнообразием бактерий характеризуются почвы. Учитывая, что почвы тесно связаны с поверхностными и поземными водами, разнообразие бактериальных сообществ в водоёмах всегда сравнимо с разнообразием бактериальных сообществ почв. В последнее время, когда растёт загрязнение природных вод, разнообразие бактериальных, грибных, микроводорослевых сообществ в природных водоёмах напрямую связано с процессами самоочищения вод. Именно эти невидимые глазу организмы осуществляют очистку воды от самых опасных загрязняющих веществ, включая ксенобиотики (вещества, в определённых концентрациях токсичные для живых организмов).

Токсичность, биоиндикация, биотестирование

Под токсичностью понимают способность веществ вызывать нарушения физиологических функций организма, что в свою очередь приводит к нарушению метаболизма или, в тяжелых случаях, к гибели. Степень токсичности веществ принято характеризовать величиной токсической дозы – количеством вещества (отнесённым, как правило, к единице массы животного или человека), вызывающим определенный токсический эффект. Чем меньше токсическая доза, тем выше токсичность вещества. Различают средне смертельные (ЛД₅₀), абсолютно смертельные (ЛД₁₀₀), минимально смертельные (ЛД_0-10) и другие дозы. Цифры в индексе отражают вероятность (%) летального исхода в группе подопытных организмов.

Существуют два принципиально разных направления изучения загрязнённости природных вод по их действию на живые организмы: биоиндикация и биотестирование. Биоиндикация – оценка качества воды по живущим в ней организмам (видовому составу, разнообразию, численности), биотестирование – оценка качества воды по реакции организма (организмов) в стандартизованных условиях лабораторного опыта (поведенческие реакции, выживаемость, плодовитость, продукция).

Биоиндикация осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза. Поиск обобщённых показателей оценки состояния природных объектов является одной из ведущих современных проблем. Однако к настоящему времени отсутствует единая, достаточно полная и сбалансированная комплексная методика оценки качества воды. На основе гидробиологических индексов созданы многие классификации качества вод.

В последние десятилетия для оценки состояния водных объектов всё шире применяется биотестирование.

Биотестирование представляет собой методический приём оценки качества окружающей среды по реакциям или характеристикам подопытных организмов с известными и поддающимися учёту характеристиками. Для целей биотестирования применяются биологические системы любого уровня сложности (биохимическая система, выделенный элемент клеточной структуры или орган, функциональные или структурные элементы целого организма, выборки, популяции и сообщества организмов). Показателем токсического действия служат степень изменения какого-либо из параметров, определенного биохимическими или биофизическими методами.

При проведении опытов по биотестированию необходимо иметь в виду, что отсутствие проявлений какого-либо эффекта токсичности при испытаниях проб не свидетельствует, однако, об отсутствии потенциально токсичных компонентов в их составе. В высокосапробных (содержащих большие концентрации органических веществ) водах присутствие токсикологически нейтральных органических соединений приводит к связыванию потенциальных токсикантов, например, тяжёлых металлов. В результате происходит известная в экотоксикологии «маскировка» токсичности. Это явление можно рассматривать в качестве врéменного благоприятного эффекта от смешения стоков разной химической природы. Однако не исключено, что может произойти разложение связывающих компонентов, что повысит биодоступность токсикантов с соответствующими биологическими и экологическими последствиями.

Влияние воды на биоценозы

Водные организмы, реагируя на поступление загрязняющих веществ извне, способны перестраивать свои биоценозы таким образом, чтобы снять эту нагрузку и привести качество воды в исходное состояние. Этот процесс, называемый самоочищением водных объектов, наблюдается повсеместно. Однако загрязнение не должно превышать некоего критического уровня, после достижения которого экосистема переходит в угнетённое состояние и частично или полностью утрачивает способность обеспечивать самоочищение водного объекта. Процессы, происходящие в природных системах, активно используются человеком в очистных сооружениях с блоками биологической очистки.

Время перестройки водных биоценозов может изменяться от суток (и даже часов) до десятилетий. Наиболее мобильной частью водных экосистем являются бактериальные сообщества, которые в течение часов могут изменить свою продукцию и видовую структуру, приспосабливаясь к новым условиям.

Так, загрязнение органическим веществом водного объекта приводит к уменьшению видового разнообразия гидробионтов, к возрастанию роли консументов 1-го порядка, среди которых преобладают глотатели и собиратели детрита, и снижению роли консументов 2-го порядка (хищного зообентоса). В целом, органическое загрязнение приводит к преобладанию детритных пищевых цепей, резкому увеличению скорости деструкции органического вещества, значительному отклонению её от равновесного состояния.

Изменения в структуре биоценозов в связи со сменой нагрузки могут происходить в течение различных периодов времени. Они происходят по разным причинам – как естественным (ураганы, бурные паводки, пожары в бассейне реки), так и антропогенным (загрязнение, подкисление водной среды и т.п.). Изменение всегда направлено на утилизацию поступившего «излишка» органики или на трансформацию органического токсиканта до соединений, безвредных для гидробионтов. При снижении действия дополнительного фактора нагрузки структура биоценозов может возвращаться к прежнему состоянию или стать стабильной, но качественно иной.

Источник

Вода как фактор биосферы и необходимое условие существования жизни на Земле. Требования к качеству источников питьевого водоснабжения.

Вода — важнейший элемент окружающей среды, оказывающий существенное влияние на здоровье и деятельность человека, это основа зарождения и поддержания всего живого. Общая площадь океанов и морей в 2,5 раза превышает территорию суши, океанические воды покрывают почти3/4 поверхности Земного шара слоем толщиной около 4 км.

Гидросфера — совокупность всех водных объектов Земного шара — прерывистая водная оболочка Земли. Воды рек, озер и подземные воды являются составными частями гидросферы. Гидросфера является составной частью биосферы и находится в тесной взаимосвязи с литосферой, атмосферой и биосферой. Она обладает высокой динамичностью, связанной с круговоротом воды. В круговороте воды выделяют три основных звена: атмосферное, океаническое и материковое (литогенное). Атмосферное звено круговорота характеризуется переносом влаги в процессе циркуляции воздуха и образованием атмосферных осадков. Для океанического звена характерно испарение воды и непрерывное восстановление водяного пара в атмосфере, а также перенос огромных масс воды морскими течениями. Океаническим течениям принадлежит большая климатообразующая роль. Литогенное звено― это участие в круговороте воды подземных вод. Пресные подземные воды залегают преимущественно в зоне активного водообмена, в верхней части земной коры.

К источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения следует отнести подземные, поверхностные и атмосферные воды.

К подземным водам относятся грунтовые воды, располагающиеся на водоупорном ложе и не имеющие над собой водоупорной кровли; межпластовые воды, имеющие водоупорное ложе и кровлю. Если пространство между ложем и кровлей не полностью занято водой, то это безнапорные воды. Если же это пространство заполнено и вода находится под напором, то такие воды называются межпластовыми напорными, или артезианскими.

Поверхностные воды― это воды рек, озер, водохранилищ. Наиболее надежными в гигиеническом отношении считаются межпластовые воды. Благодаря защищенности водоносных пластов артезианские воды обычно обладают хорошими органолептическими свойствами и характеризуются почти полным отсутствием бактерий. Межпластовые воды богаты солями, жесткие, так как, фильтруясь через почву, обогащаются углекислотой, которая выщелачивает из почвы соли кальция и магния. В то же время солевой состав подземных вод не всегда оптимален. Подземные воды могут содержать избыточные количества солей, тяжелых металлов (бария, бора, бериллия, стронция, железа, марганца и др.), а также микроэлементов — фтора. Кроме того, эти воды могут быть радиоактивны.

Питание открытых водоемов происходит в основном за счет атмосферных осадков, поэтому химический состав и бактериологическая обсемененность их непостоянны и зависят от гидрометеорологических условий, характера почв, а также наличия источников загрязнения (выпуски хозяйственно-бытовых, городских, ливневых, промышленных сточных вод).

Атмосферные (или метеорные) воды― это воды, которые выпадают на поверхность земли в виде осадков (дождя, снега), ледниковые воды. Для атмосферных вод характерна малая степень минерализации, это воды мягкие; содержат растворенные газы (азот, кислород, углекислоту); прозрачны, бесцветны; физиологически неполноценны.

Качество атмосферной воды зависит от местности, где собирают эту воду; от метода сбора; тары, в которой она хранится. Перед использованием вода обязательно должна подвергаться очистке и обеззараживанию. Используется в качестве питьевой в маловодных районах (на Крайнем Севере и на юге). В течение длительного времени не может быть использована для питья, так как содержит мало солей и микроэлементов, в частности бедна фтором.

При выборе источника питьевого водоснабжения с гигиенических позиций предпочтение отдается в убывающем порядке следующим источникам: 1) напорные межпластовые (артезианские); 2) безнапорные межпластовые; 3) грунтовые; 4) поверхностные открытые водоемы — водохранилища, реки, озера, каналы.

Для выбора и оценки качества источников водоснабжения разработан ГОСТ 27.61-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические и технические требования и правила выбора». За объект стандартизации в этом ГОСТе взяты источники водоснабжения, которые разделены на три класса. Для каждого из них предложена соответствующая система обработки воды.

Природный источник, выбираемый для целей централизованного водоснабжения населения, должен удовлетворять следующим основным требованиям:

Обеспечить получение необходимого количества воды с учетом роста числа населения и водопотребления;

Давать воду, отвечающую гигиеническим требованиям при экономически выгодной системе очистки;

Обеспечить бесперебойность снабжения населения водой, не нарушая сложившийся гидрологический режим водоема;

Иметь условия для организации зон санитарной охраны (ЗСО).

Экологические и гигиенические проблемы гидросферы, обусловленные антропогенным загрязнением. Загрязнения поверхностных и подземных вод и их возможные последствия. Загрязнение мирового океана. Тепловое загрязнение водоемов. Самоочищение.

Атмосферные загрязнения, в конечном счете, попадают в другие объекты окружающей среды, в т.ч. в водоемы и на поверхность почвы, откуда они попадают в грунтовые и межпластовые воды, а также сливаются в водоемы.

Основной ущерб наносится гидросфере посредством антропогенных влияний. Ежегодный расход пресной воды на промышленные и хозяйственные цели составляет 3000 км³, причем около 150 км³ уходит в безвозвратные потери. Самое большое кол-во воды потребляет сельское хозяйство для орошения, ¾ безвозвратно утрачивается за счет испарения. Огромные кол-ва воды используются в качестве теплоносителя и для охлаждения, в промышленном производстве в целях приготовления разнообразных растворов, моющих средств, удаления отходов. Велики объемы потребления воды на нужды человека: для питья, приготовления пищи, гигиенических мероприятий, уборки жилья и т.п. Город с населением 3-5 млн чел расходует в год более 1 км³ воды.

Основные источники загрязнения природных вод:

Атмосферные воды, содержащие массы вымываемых из воздуха химических в-в промышленного происхождения;

Ливневые стоки, вовлекающие с собой большое кол-во разнообразных в-в, загрязняющих городские улицы, площади, сельскохозяйственные земли и зеленые золи, лесные массивы и др территории;

Хозяйственно-бытовые сточные воды, содержащие канализационные стоки, а также большое кол-во бытовых химических в-в;

Промышленные сточные воды, образующиеся во всех отраслях производства, особенно в целлюлозно-бумажной промышленности, черной и цветной металлургии, энергетике, химической и нефтеперерабатывающей промышленности;

Химические аэрозоли и пылевые частицы, осаждающиеся из воздуха.

Загрязнение поверхностных вод

Наиболее сильному антропогенному воздействию подвергаются поверхностные воды. Особенно сильно портят воду промышленные стоки химических, нефтеперерабатывающих, металлургических, кожевенных заводов, текстильных и бумажно-целлюлозных фабрик и комбинатов, а

Немало опасных, для экологии веществ, поступают в водоемы, стекая во время дождей и таяния снегов с полей, пастбищ и скотоводческих ферм. Среди них могут быть соединения азота, пестициды, фосфор, и тому подобное. Особенно опасен данный вид загрязнения тем, что воды, стекающие с полей, вообще не подвергаются никакой очистке. Источником загрязнения вызывающим немало проблем могут стать газодымовые и пылевые соединения. Они могут оседать на поверхность воды из загрязненного воздуха.

Повышенное содержание органических в-в, как правило, приводит к повышенной обсемененности воды рек, протекающих через густонаселенные районы.

Загрязнение подземных вод

Загрязнение грунтовых и межпластовых вод возникает, в основном, при утечке технологических и сточных вод, а также при наличии прилегающих фильтрующих земляных сооружений, используемых для сбора, хранения и испарения жидких отходов производства. В зависимости от характера производства вместе со стоками в подземные воды могут перейти тяжелые металлы, ароматические вещества, нефтепродукты и многие другие. Из хозяйственно-бытовых в подземные воды могут проникать и бактериальные загрязнения, соединения азота, ПАВ, входящие в состав синтетических моющих средств. При неконтролируемом использовании в сельском хозяйстве пестицидов, минеральных удобрений и ядохимикатов последние вместе с оросительными и атмосферными водами загрязняют и грунтовые воды. Борьба с загрязнениями, попавшими в подземные воды, крайне сложна и требует дорогостоящих очистительных мероприятий, следовательно, основным средством защиты подземных вод являются тщательные профилактические мероприятие.

Загрязнение Мирового океана

Постоянно увеличивающаяся нагрузка на Мировой океан ведет к постепенной деградации морских экосистем. Моря загрязняются в результате прямого сброса, поступление загрязнений вместе с водой впадающих в моря рек, в результате аварий морских судов, за счет прямого осаждения различных видов загрязнений из атмосферы и другими путями. Последствием такого загрязнения может быть включение их в «пищевую цепь» посредством заражения морских животных и других продуктов морского происхождения. Наибольшую опасность представляет нефтяное загрязнение. Нефтепродукты не смешиваются с водой, а образуя на ее поверхности пленку, препятствуют воздухообмену между водой и атмосферой. В результате обеднения воды кислородом погибает планктон и, как следствие, это нарушает жизнедеятельность других обитателей моря― рыбы и водоплавающих птиц. Океанические воды, как и другие типы вод, также загрязняются другими типами промышленных веществ.

Тепловое загрязнение водоемов

При получении электрической энергии, в промышленности получается большое кол-во избыточного тепла, охлаждение производится с помощью большого кол-ва воды, которая затем сбрасывается в окружающую среду, прежде всего, в водоемы. В результате температура воды в водоемах повышается, что плохо сказывается на экосистемах водоемов. Тепловое загрязнение сглаживает сезонные колебания температуры в водоемах, нарушая жизненный цикл некоторых видов рыб и растений.

Источник