Исследовательская работа школьника - практика

«Вода! У тебя нет ни вкуса, ни цвета, 

                                                                                ни запаха, тебя не опишешь, 

тобой наслаждаешься, не понимая, что ты такое.

 Ты не просто необходима для жизни,

 ты есть жизнь…

Ты – величайшее в мире богатство…».

А. де Сент-Экзюпери

Введение

Известный российский ученый В. И. Вернадский, один из основоположников геохимии, писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Все земное вещество – под влиянием свойственных воде частичных сил, ее парообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено».



Вода используется человеком не только как необходимое средство жизнедеятельности (питьевая вода, вода в составе растительных и животных продуктов питания). Современная экономика основана на широком применении воды: получение энергии (гидроэнергетика, тепловая и атомная энергетика); необходимое условие существования сельского хозяйства, водного транспорта, добывающих отраслей промышленности, рыбного хозяйства, коммунального хозяйства, отдыха и туризма. Вода поистине пронизывает всю жизнь человека. Нехватка воды – тяжкое бедствие для людей (организм человека на 60-80% состоит из воды, участвующей во всех процессах обмена. Потеря 12% воды у человека вызывает остановку сердца, а 6-8% воды - обморок).

Вода – важнейший компонент многих экосистем, причем не только водных (пресноводных, морских), но и наземных, поэтому наличие воды – непременное условие поддержания экологического равновесия и биоразнообразия как в водных объектах, так и на суше. На нынешнем этапе развития техносферы, когда в мире еще в большей степени возрастает воздействие человека на биосферу, а природные системы в значительной степени утратили свои защитные свойства, очевидно, необходимы новые подходы, «осознание реальностей и тенденций, появляющихся в мире в отношении природы в целом и ее составляющих» (Лосев, 1989). В полной мере это относится к осознанию такого страшного зла, каким является в наше время загрязнение и истощение поверхностных и подземных вод.

Объектом нашего исследования стала река – Елшанка (точнее её небольшой участок).

Река – один из самых интересных объектов живой природы. Как и любое живое существо, река может быть юной и быстрой, зрелой и полноводной, старой и медлительной. Она может быть здоровой и чистой, больной и почти умирающей…

Проблемы крупных рек – наболевшие, обсуждаемые в печати и по телевидению, - это на самом деле нерешенные проблемы рек малых – отсутствующие очистные на множестве мелких ферм, застроенные прибрежные зоны, распаханные долины, вырубленные леса в речных бассейнах.

Предмет исследования – проблемы реки Елшанки – проблема загрязнения, проблема зарастания, проблема обмеления и т.д.

Работа состоит из нескольких этапов: теоретический, на этом этапе мы дали определение экологии, выделили виды загрязнений рек и рассмотрели возможные экологические последствия. Практический – комплексная характеристика Елшанки и выбранного нами участка, определение качества воды и изучение биоразнообразия. Изучение биоразнообразия будет проходить весной и летом.

Цель нашей работы: углубить знания по экологическим проблемам гидросферы, изучить методы определения качества воды и научиться применять их на практике.

Задачи:

• · Изучить теоретические вопросы по заданной теме;
• · Рассмотреть методики комплексного изучения состояния качества воды;
• · Провести исследования по выявлению качества воды.

Методы исследования:

• · теоретические – изучение литературы по вопросам геоэкологии;
• · камеральные – описание реки Елшанка по картам и печатным источникам;
• · практические – исследования и замеры для определения качества воды.

Используемая литература:

• · справочная литература
• · печатные источники
• · ресурсы Интернета.

Глава 1. Антропогенное воздействие на гидросферу.

1.1.         Загрязнение гидросферы

Под загрязнением водоемов понимают снижение их биосферных функций и экологического значения в результате поступления вредных веществ.

Загрязнение вод проявляется в изменение физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного кислорода воздуха в воде, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей.

Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире - на каждого жителя России приходится свы­ше 30 000 м³/год воды. Однако в настоящее время из-за за­грязнения или засорения около 70% рек и озер России утрати­ли свои качества как источника питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязнен­ную недоброкачественную воду (Государственный доклад «Во­да питьевая», 1995).

Нарушено исторически сложившееся равновесие в водной среде Байкала — уникальнейшем озере нашей планеты, кото­рое, по подсчетам ученых, могло бы обеспечивать чистой во­дой все человечество в течение почти полустолетия. Только за последние 15 лет загрязнено более 100 км³ байкальской во­ды. На акваторию озера ежегодно поступает более 8500 т неф­тепродуктов, 750 т нитратов, 13 тыс. т хлоридов и других за­грязнителей. Ученые полагают, что только размеры озера и огромный объем водной массы, а также способность биоты участвовать в процессах самоочищения спасают экосистему Байкала от полной деградации.

Главные загрязнители вод. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае пре­вышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех пока­зателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесани­тарному или органолептическому, вода считается загрязнен­ной.

Различают химические, биологические и физические за­грязнители (П. Бертокс, 1980). Среди химических загрязни­телей к наиболее распространенным относят нефть и нефте­продукты, СПАВ (синтетические поверхностно-активные ве­щества), пестициды, тяжелые металлы, диоксины и др. Очень опасно загрязняют воду биологические за­грязнители, например вирусы и другие болезнетворные мик­роорганизмы, и физические — радиоактивные вещества, теп­ло и др.

Основные виды загрязнения вод. Наиболее часто встре­чается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение.

Химическое загрязнение – наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышь­як, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пла­сте вредные химические вещества сорбируются частицами по­род, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязнен­ных вод не происходит. Очаг химического загрязнения под­земных вод в сильно проницаемых грунтах может распростра­няться до 10 км и более.

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в во­де патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный харак­тер.

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радио­активное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде  (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхно­стные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отхо­дов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпа­дения их на поверхность земли в виде радиоактивных продук­тов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вме­сте с атмосферными водами, так и в результате взаимодейст­вия подземных вод с радиоактивными горными породами.

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусо­ром), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми от­ходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влия­ют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхно­стными или технологическими водами. Так, например, извес­тно, что на площадке Кольской атомной станции, расположен­ной за Полярным кругом, через 7 лет после начала эксплуата­ции температура подземных вод повысилась с 6 до 19 °С вбли­зи главного корпуса. При повышении температуры происхо­дит изменение газового и химического состава в водах, что ве­дет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов — сероводорода, ме­тана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ус­коренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способст­вует развитию других видов загрязнения. По существующим санитарным нормам температура водоема не должна повышать­ся более чем на 3 ⁰С летом и 5 °С зимой, а тепловая нагрузка на водоем не должна превышать 12—17 кДж/м³.

Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Процессы загрязнения поверхностных вод обу­словлены различными факторами. К основным из них отно­сятся: 1) сброс в водоемы неочищенных сточных вод; 2) смыв

ядохимикатов ливневыми осадками; 3) газодымовые выбросы; 4) утечки нефти и нефтепродуктов.

Наибольший вред водоемам и водотокам причиняет выпуск в них неочищенных сточных вод — промышленных, комму­нально-бытовых, коллекторно-дренажных и др.

Промышленные сточные воды загрязняют экосистемы са­мыми разнообразными компонентами в зависи­мости от специфики отраслей промышленности. Следует за­метить, что в настоящее время объем сброса промышленных сточных вод во многие водные экосистемы не только не умень­шается, но и продолжает расти. Так, например, в 1995 г. в оз. Байкал, вместо планируемого прекращения сброса сточных вод из ЦБК (целлюлозно-бумажного комбината) и перевода их на замкнутый цикл водопотребления, было сброшено сточных вод на 21 % больше, чем в 1994г.

Приоритетные загрязнители водных систем по

отраслям промышленности (г.Орск)

Отрасль промышленности	Преобладающий вид загрязняющих компонентов
Нефтегазодобыча, нефтепереработка	Нефтепродукты, СПАВ, фенолы, аммонийные вещества, соли, сульфиды
Машиностроение, металлообработка, металлургия	Тяжелые металлы, взвешенные вещества, фториды, цианиды, аммонийный азот, нефтепродукты, фенолы, смолы
Легкая, текстильная, пищевая	СПАВ, нефтепродукты, органические красители, другие органические вещества

Коммунально-бытовые сточные воды в больших коли­чествах поступают из жилых и общественных зданий, пра­чечных, столовых, больниц, и т. д. В сточных водах этого типа преобладают различные органические вещества, а так­же микроорганизмы, что может вызвать бактериальное за­грязнение.

Огромное количество таких опасных загрязняющих ве­ществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фос­фор, калий и др., смываются с сельскохозяйственных тер­риторий, включая площади, занимаемые животноводчески­ми комплексами.  По большей части они попада­ют в водоемы и в водотоки без какой-либо очистки, а поэто­му имеют высокую концентрацию органического вещества, биогенных элементов и других загрязнителей.

Значительную опасность представляют газо-дымовые со­единения (аэрозоли, пыль и т. д.), оседающие из атмосферы на поверхность водосборных бассейнов и непосредственно на водные поверхности. Плотность выпадения, например, ам­монийного азота на европейской территории России оцени­вается в среднем в 0,3 т/км², а серы — от 0,25 до 2,0 т/км².

Огромны масштабы нефтяного загрязнения природных вод. Миллионы тонн нефти ежегодно загрязняют морские и пресноводные экосистемы при авариях нефтеналивных судов, на нефтепромыслах в прибрежных зонах, при сбросе с судов балластных вод и т.д.

Кроме поверхностных вод постоянно загрязняются и под­земные воды, в первую очередь в районах крупных промыш­ленных центров. Источники загрязнения подземных вод весь­ма разнообразны.

Загрязняющие вещества могут проникать к подземным водам различными путями: при просачивании промышлен­ных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, прудов-накопителей, отстойников и др., по затрубному пространст­ву неисправных скважин, через поглощающие скважины, кар­стовые воронки и т.д.

К естественным источникам загрязнения относят сильно минерализованные (соленые и рассолы) подземные воды или морские воды, которые могут внедряться в пресные незагряз­ненные воды при эксплуатации водозаборных сооружений и откачке воды из скважин.

Важно подчеркнуть, что загрязнения подземных вод не ог­раничиваются площадью промпредприятий, хранилищ отходов и т. д., а распространяются вниз по течению потока на расстоя­ния до 20—30 км и более от источника загрязнения. Это созда­ет реальную угрозу для питьевого водоснабжения в этих рай­онах.

Следует также иметь в виду, что загрязнение подземных вод негативно сказывается и на экологическом состоянии по­верхностных вод, атмосферы, почв, других компонентов при­родной среды. Например, загрязняющие вещества, находящиеся в подземных водах, могут выноситься фильтрационным пото­ком в поверхностные водоемы и загрязнять их. Как подчерки­вают многие ученые, круговорот загрязняющих веществ в сис­теме поверхностных и подземных вод предопределяет единст­во природоохранных и водоохранных мер и их нельзя разры­вать. В противном случае меры по охране подземных вод вне связи с мерами по защите других компонентов природной сре­ды будут неэффективными.

1.2.         Экологические последствия загрязнения гидросферы

Загрязнение водных экосистем представляет огромную опас­ность для всех живых организмов, и в частности для человека.

Пресноводные экосистемы. Установлено, что под влия­нием загрязняющих веществ в пресноводных экосистемах от­мечается падение их устойчивости вследствие нарушения пи­щевой пирамиды и ломки сигнальных связей в биоценозе, мик­робиологического загрязнения и других крайне неприятных процессов. Они снижают темпы роста гидробионтов, их плодовитость, а в ряде случаев приводят к их гибели.

Наиболее изучен процесс эвтрофирования водоемов. Этот естественный процесс, характерный для всего геологического прошлого планеты, обычно протекает очень медленно и посте­пенно, однако в последние десятилетия, в связи с возросшим антропогенным воздействием, скорость его развития резко уве­личилась.

Ускоренная, или так называемая антропогенная эвтрофикация связана с поступлением в водоемы значительного коли­чества биогенных веществ — азота, фосфора и других элемен­тов в виде удобрений, моющих веществ, отходов животновод­ства, атмосферных аэрозолей и т. д. В современных условиях эвтрофикация водоемов протекает в значительно менее продол­жительные сроки — несколько десятилетий и менее.

Антропогенное эвтрофирование весьма отрицательно влияет на пресноводные экосистемы, приводя к перестройке структу­ры трофических связей гидробионтов, резкому возрастанию био­массы фитопланктона благодаря массовому размножению сине-зеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды, ухуд­шающих ее качество и условия жизни гидробионтов (к тому же выделяющих опасные не только для гидробионтов, но и для человека токсины). Возрастание массы фитопланктона сопро­вождается уменьшением разнообразия видов, что приводит к невосполнимой утрате генофонда, уменьшению способности экосистем к гомеостазу и саморегуляции (Яблоков, 1983).

Процессы антропогенной эвтрофикации охватывают мно­гие крупные озера мира — Великие Американские озера, Бала­тон, Ладожское, Женевское и др., а также водохранилища и речные экосистемы, в первую очередь малые реки. На этих реках, кроме катастрофически растущей биомассы сине-зеленых водорослей, с берегов происходит зарастание их высшей рас­тительностью. Сами же сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины, представляющие опасность для гидробионтов и человека.

Помимо избытка биогенных веществ на пресноводные экоси стемы губительное воздействие оказывают и другие загрязняю

щие вещества: тяжелые металлы (свинец, кадмий, никель и др.), фенолы, СПАВ и др. Так, например, водные организмы Байкала, приспособившиеся в процессе длительной эволюции к естествен­ному набору химических соединений притоков озера, оказались неспособными к переработке чуждых природным водам химиче­ских соединений (нефтепродуктов, тяжелых металлов, солей и др.). В результате отмечено обеднение гидробионтов, уменьше­ние биомассы зоопланктона, гибель значительной части популя­ции байкальской нерпы и др.

Морские экосистемы. Скорости поступления загрязняю­щих веществ в Мировой океан в последнее время резко возрос­ли. Ежегодно в океан сбрасывается до 300 млрд м³ сточных вод, 90% которых не подвергается предварительной очистке. Морские экосистемы подвергаются все большему антропоген­ному воздействию посредством химических токсикантов, ко­торые, аккумулируясь гидробионтами по трофической цепи, приводят к гибели консументов даже высоких порядков, в том числе и наземных животных — морских птиц, например. Сре­ди химических токсикантов наибольшую опасность для мор­ской биоты и человека представляют нефтяные углеводороды (особенно бенз(а)пирен), пестициды и тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий и др.).

По Ю. А. Израэлю (1985), экологические последствия за­грязнения морских экосистем выражаются в следующих про­цессах и явлениях (рис. 14.4):

—нарушении устойчивости экосистем;

—прогрессирующей эвтрофикации;

—появлении «красных приливов»;

—накоплении химических токсикантов в биоте;

—снижении биологической продуктивности;

—возникновении мутагенеза и канцерогенеза в морской среде;

--  микробиологическом загрязнении прибрежных районов моря.

До определенного предела морские экосистемы могут про­тивостоять вредным воздействиям химических токсикантов, ис­пользуя накопительную, окислительную и минерализующую функции гидробионтов. Так, например, двустворчатые моллю­ски способны аккумулировать один из самых токсичных пес­тицидов — ДДТ и при благоприятных условиях выводить его из организма. (ДДТ, как известно, запрещен в России, США и некоторых других странах, тем не менее он поступает в Миро­вой океан в значительном количестве.) Ученые доказали и су­ществование в водах Мирового океана интенсивных процессов биотрансформации опасного загрязнителя — бенз(а)пирена, бла­годаря наличию в открытых и полузакрытых акваториях гете­ротрофной микрофлоры. Установлено также, что микроорга­низмы водоемов и донных отложений обладают достаточно раз­витым механизмом устойчивости к тяжелым металлам, в ча­стности, они способны продуцировать сероводород, внеклеточ­ные экзополимеры и другие вещества, которые, взаимодейст­вуя с тяжелыми металлами, переводят их в менее токсичные формы.

В то же время в океан продолжают поступать все новые и новые токсичные загрязняющие вещества. Все более острый характер приобретают проблемы эвтрофирования и микробио­логического загрязнения прибрежных зон океана. В связи с этим важное значение имеет определение допустимого антропоген­ного давления на морские экосистемы, изучение их ассимиля­ционной емкости как интегральной характеристики способно­сти биогеоценоза к динамическому накоплению и удалению загрязняющих веществ.

Для здоровья человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды, а также при контакте с ней (купание, стирка, рыбная ловля и др.) проявляются либо непо­средственно при питье, либо в результате биологического на­копления по длинным пищевым цепям типа: вода — планк­тон — рыбы — человек или вода — почва — растения — жи­вотные — человек, и др.

При непосредственном контакте человека с бактериально загрязненной водой, а также при проживании или нахождении близ водоема различные паразиты могу проникнуть в кожу и вызвать тяжелые заболевания, особенно для тропиков и субтропиков. В современных условиях увеличивается опасность и таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др.

Глава 2. Практическая часть

2.1. Комплексное изучение реки Елшанка

Елшанка – река в Оренбургской области. Берет свое начало за деревней Саверовка близ города Гая, протекает через Орск и впадает в Урал. Течение реки преграждается двумя плотинами.

Елшанка относится к малым рекам (длина не превышает 50 км). Елшанка по условиям протекания – равнинная река – наблюдается спокойный характер движения воды. Река прямолинейна (слабоизвилистая). Падение реки не значительное.

Елшанка протекает в степной зоне. В летние месяцы на отдельных участках река пересыхает. По водному режиму относится к Восточно-Европейскому типу – имеет преимущественно снеговое питание и весеннее половодье. Летняя межень – питание лишь подземными водами и редкими атмосферными осадками.

Термический режим реки – зависит от сезона года. Наиболее высокая температура отмечается в июле. Зимой на реке наблюдаются ледовые явления – ледостав.

2.2. Исследования участка реки Елшанка

Для нашего исследования был выбран участок реки Елшанка в районе второго участка. Протяженность участка около 100 м, ширина от 1,5 до 3 м. Сечение русла сложное. Скорость течения 0,5 – 1,0 м/с.

В ходе работы над исследованием мы выяснили, что определить экологическое состояние реки можно при помощи исследования качества воды. Мы нашли несколько методик определения качества воды, но некоторых из них были сложны для выполнения, поэтому мы отобрали лишь те, которые сами в состояние выполнить. Результаты исследования мы предлагаем вашему вниманию.

Исследование №1. «Определение степени загрязнения водоема по внешнему виду».

На берегах пластиковые бутылки, ржавые железки, резиновые покрышки, бумажный мусор, стеклянные бутылки. В воде древесный, жестяной, пластиковый мусор, покрышки от автомобилей, стеклянный  бой.

Исследование №2. «Определение запаха воды».

Небольшое количество речной воды при комнатной температуре залили в колбу с широким горлом и закрыли пробкой, встряхнули колбу. Открыли колбу и определили характер и интенсивность запаха. Затем колбу нагрели на водяной бане и еще раз оценили запах.

Вывод: характер запаха воды – плесневелый или болотный; интенсивность запаха воды – заметный (легко обнаруживаемый).

Исследование №3. «Определяем осадок в речной воде».

Набрали 2,0 литра речной воды в стеклянную банку, через некоторое время посмотрели на банку – выделился заметный илистый осадок. Осветление произошло слабое.

Исследование №4. « Определение хлоридов».

В пробирку с речной водой добавили 10% раствор нитрата серебра – образуются хлопья. Это говорит о больших выбросах хозяйственно-бытовых сточных вод.

Исследование №5. «Оценка загрязнения водоема пленочной нефтью»

Отдельные пятна и серые пленки на поверхности воды.

Заключение

В нашей работе мы рассмотрели теоретические вопросы экологии, а также провели ряд экспериментов по выявлению качества воды в реке Елшанка.

Исходя, из исследований можно сделать вывод, что Елшанка относится к заметно-загрязненным рекам (по классификации это 4 класс качества).

Тема нашей работы «Экологические проблемы реки Елшанки» мы постарались отразить главные проблемы и источники загрязнения. Наша работа не окончена – мы не смогли отобразить биоразнообразие Елшанки. Работа будет продолжена весной и летом 2009года.