Дипломная работа: Екологічний стан р. Південний Буг. Характеристика та заходи щодо його поліпшення
Вода має високу густину і поверхневий натяг, які залежать від температури та тиску. Густина протидіє руху у воді й допомагає планктону триматись, не падаючи на дно. Поверхневий натяг проявляється когезійними силами між молекулами води в суміжних з повітрям областях, виникає так звана поверхнева плівка. Важливою властивістю води для біоценозів водойм є її прозорість.
Вода є життєво необхідною для процесів обміну у клітинах. Це ідеальний розчинник для органічних і неорганічних речовин. Під час розчинення солі дисоціюють на окремі іони, кислоти – лише частково. Легко розчинні у воді речовини наприклад солі, цукор, амінокислоти, яєчні білки, називають гідрофільними, речовини, які важко або зовсім не розчиняються, наприклад жири – гідрофобними.
Розчинні молекули поводять себе у воді як молекули газу, які змішуються з іншими газами. Частинки знаходяться у постійному русі (броунівський молекулярний рух). Швидкість руху залежить від надходження тепла й збільшується з підвищенням температури. Якщо в одному просторі концентрація молекул різна, то з часом ця різниця вирівнюється: більше молекул рухається від місця з більшою концентрацією до місця з меншою концентрацією. Це фізичне вирівнювання концентрацій називається дифузією й не потребує підведення тепла. Воно залежить від величини молекул, від різниці концентрацій, від перетину, через який молекули можуть переміщатись, відстані та часу. Невеликі відстані перекриваються завдяки дифузії дуже швидко, більші – повільніше. Тому дуже малі тварини (шлях дифузії <1 мм) не потребують кровоносної системи для транспортування газів чи поживних речовин. За допомогою клітинних мембран або оболонки тіла найрізноманітнішої структури та матеріалу живі організми відмежовують себе від їх оточення і підтримують постійне внутрішнє середовище. Клітинна мембрана напівпроникна, тобто вона проникна лише для певних молекул (наприклад води), а для інших непроникна (наприклад солі, цукор) [3].
Якщо два об’єми з різними концентраціями розділити напівпроникною мембраною, розрідження розчиненої речовини шляхом дифузії стане неможливим, воно може відбуватися лише через проникнення води (осмос). Завдяки, броунівському молекулярному руху об’єм з нижчою концентрацією залишає більше молекул води (гіпотонічний розчин), ніж об’єм з вищою концентрацією (гіпертонічний розчин). Внаслідок цього підвищується тиск у гіпертонічному об’ємі, який можна виміряти, наприклад через різницю висоти водяного стовпа (гідростатичний тиск). Тиск, який треба протиставити проникаючим молекулам води, поки число молекул, що входять, зрівняється з числом молекул, що виходять, є потенційним осмотичним тиском. Він вказується в паскалях. Осмос і дифузія – це пасивні процеси транспортування через мембрану, які не вимагають від організму енергії. Проте жива клітина має бути здатною регулювати свій об’єм, водневий потенціал та склад іонів, щоб забезпечити умови для діяльності ферментів. Необхідно, щоб вона могла накопичувати молекули з навколишнього середовища та виділяти отруйні речовини. Транспортування проходить через ферментні білкові молекули (переносники, або пермеази), які знаходяться у мембрані. Останні розпізнають молекули, які потрібно транспортувати, за принципом ключа та замка за формою або розподілом зарядів. Швидкість транспортування залежить від числа переносників у мембрані та від вільних місць на них. При перепаді концентрацій транспортування може проходити спонтанно (пасивне транспортування). Для вирівнювання концентрацій необхідно виконати роботу. Це транспортування потребує енергії, яку одержує у вигляді хімічної енергії, як АТФ з обміну речовин: активне транспортування. Рослини навколо своїх клітинних мембран мають еластичні стінки, які під час поглинання води вакуолями та клітиною плазмою протидіють тиску (тургорний тиск) і не дають клітині розтріскатись.
Міцності трав’янистим рослинам додає тургор, зі зменшенням сили якого вони в’януть. З в’яненням концентрація соку в клітинах, а також потенційний осмотичний тиск збільшується. Тиск на стінки зменшується або наближається до нуля. Клітина може поглинати більше води, її напруга всмоктування зростає. Кількість води, що є в осмотичних системах (наприклад, цитоплазма, вакуолярний сік, рідина тіла), за їх дією може бути ототожнена з концентрацією водяної пари в повітрі. Цей стан води Г. Вальтер назвав гідратурною. Найчастіше вона виникає у насиченому парою повітрі або чистій воді[4].
Оскільки атмосфера, як правило не насичена водяною парою, вологе тіло віддає воду в повітря. Вміст води в активній при обміні речовин плазмі коливається від 50 до 90%. Сланеві рослини (талофіти: бактерії, повітряні водорості, лишайники) одноклітинні організми, круглі черви та тихоходи, гриби, а також спори і насіння рослин поводять себе щодо водного режиму як кренобіонти без можливості регулювання. Вони перемінновологі. Вміст води в них залежить від умов навколишнього середовища. Вони мають бути здатними пережити висихання, не подаючи тривалий час ознак життя.
Види які мають власну вологу, регулюють свій водний баланс і завдяки цьому не залежать від водного режиму навколишнього середовища. Судинні рослини зі своїми вакуолями як резервуари води гомойогідридні. Для захисту від великої втрати води випаровуванням вони утворюють зовнішній покрив клітин з кутином та воском. У рослин на вологих місцях тонка кутикула також зменшує транспірацію на <10% від випаровування вільної поверхні води (хвоя <0,5, кактуси <0,05%). На противагу кутикулярному випаровуванню віддіаюча вода через продихи може регулюватися здебільшого на нижній стороні листка. Через відкриті продихи рослини випаровують значно більше води і вбирають необхідний для фотосинтезу СО2 .
Поглинання води здійснюється через коріння, звідки вода у неживих трубках клітин, ксилемах, транспортується до органів рослин. Гідрофільність залежить від площі поверхні коріння, перепадів тиску водяної пари у корінні та ґрунті (наприклад, стінка клітини, перетин ксилемних трубок). Для рослини жита обчислили загальну поверхню коріння, вона становить 400 м2 в об’ємі ґрунту 56 дм3 (= 80 разів до поверхні наземної частини рослини). Потенційний осмотичний тиск більшості грунтів становить >5·105 Па (степові солонці >30·105 , пустелі >30·105 Па). Осмотичний тиск клітин коріння відрізняється залежно від місцезнаходження та виду рослини (квасоля звичайна – (2–3,5)·105 Па, пеларгонія – близько 5·105 Па). Рослини які потребують вологи, можуть збільшити напругу всмоктування її коріння максимально до 10·105 Па, культурні рослини – (10–20)·105 Па, лісові дерева приблизно до 30·105 Па, галофіти – 20·105 Па, рослини пустель – >100·105 Па. Найбільший перепад тиску водяної пари, а також найбільші коливання мають місце на суміжній поверхні рослина/повітря. Завдяки перепаду тиску водяна пара без витрат рослиною енергії подається від ґрунту через рослину в атмосферу. Необхідну енергію для переходу води з рідкого стану в газоподібний дають сонячне випромінювання й температура навколишнього середовища.На суміжних поверхнях та частинках, що споживають воду, виникає тяга, яка на основі когезії молекул води досягає коріння. Рух води починається вранці у кроні і продовжується по стовбуру. Стовбури дерев за сильної транспірації всередині дня сухіші. Увечері та вночі втрати від транспірації знову поповнюються [5].
Вода може виділятись рослинами й у вигляді рідини, краплями (гутація), завдяки чому забезпечується поглинання поживних речовин, коли випаровування у насичених водяною парою місцях незначне.
Із основних поживних макроелементів С, О та Н поглинаються у вигляді СО2 та Н2 О а решта лише у вигляді іонів Fе потрібний лише незначною мірою і переходить до групи поживних мікроелементів, які в зовсім малій кількості так само необхідні, як і основні поживні елементи.
Лібіх ще в 1840 році встановив, що речовина, яка є в мізерній кількості, визначає ріст (здебільшого N, Р та К): закон мінімуму. Лише 0,2% запасу поживних речовин знаходяться у ґрунті в розчиненому стані, 2% адсорбуються на поверхні і близько 98% міцно зв’язані у гумінованих речовинах або мінералах. Іони поживних речовин, які абсорбуються на поверхні, можуть обмінюватись на іони Н+ або НСО3 – , які віддає коріння рослин. Частина міцно зв’язаних іонів поживних речовин може бути розчинена іонами Н+ або органічними кислотами. Поглинання поживних речовин відбувається двома шляхами. В процесі дифузії або з пасивно проникаючою водою іони потрапляють у стінки клітин та в міжклітинні простори кори коріння до поясків Каспарі в ендодермі (апоплазматичне транспортування). Стінки клітин на цьому місці внаслідок відкладення кутинів непрозорі, тому подальше проникнення блокується. Зрештою, саме там іони поживних речовин мають надходити в плазму клітини через клітинну мембрану (селекція). Це відбувається за допомогою енергоспоживаючого активного транспортування. Симплазматичне транспортування здійснюється через цитоплазму до ксилемних тканин. Поживні солі розподіляються транспіраційним потоком по рослині[6].
1.2 Характеристика водних ресурсів Землі та України
Запаси води на Землі величезні – 1,39·109 км3 , що становить 0,023% усієї маси Землі, проте абсолютна більшість цієї колосальної маси – це гіркувато-солона морська вода, непридатна для пиття та технічного використання. Маса прісної води на планеті – 35·106 км3 (усього 2% її загальної кількості). Основна кількість (75%) прісної води зосереджена в льодових щитах Антарктиди й Гренландії, гірських льодовиках, айсбергах, у зоні вічної мерзлоти. Із всієї кількості прісної води лише 0,6-1% перебуває в рідкому стані (річки, прісноводні озера, частина підземних вод) [7]. Саме ця вода й використовується людством для своїх численних потреб. Слід зазначити, що 20% усієї прісної рідкої води Землі зосереджено в такому унікальному водному басейні, яким є сибірське озеро Байкал. Та найбільші запаси води на Землі зосереджені в її надрах у зв’язаному вигляді (в складні мінералів). За даними В. Вернадського, в земній корі в зв’язаному стані міститься щонайменше 1,3 млрд. км3 води, тобто приблизно стільки ж, як у Світовому океані (табл. 1.1) [8].
Вода виконує дуже важливі екологічні функції:
1) це головна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70% складається з води, а деякі організми, такі, як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99% води);
2) основний механізм здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);
3) головний агент-переносник глобальних біоенергетичних екологічних циклів;
4) води Світового океану є основним кліматоутворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і “кухнею» погоди для всієї планети;
Таблиця 1.1. Розподіл водних ресурсів землі за їх місцезнаходженням
| № п/п | Об’єкти | Площа поширення млн. км3 | Обсяг, тис. км3 | Питома вага у світових запасах,% | |
| від загальних запасів | від запасів прісних вод | ||||
| 1 | Світовий океан | 361,3 | 1338000 | 96,5 | – |
| 2 | Підземні води | 134,8 | 23400 | 1,7 | – |
| в т.ч. Прісні | – | 10530 | 0,76 | 30,1 | |
| 3 | Ґрунтова волога | 82,0 | 16,5 | 0,001 | 0,05 |
| 4 | Льодовики і постійні сніги | 16,2 | 26064 | 1,74 | 68,7 |
| 5 | Води прісних озер | 1,24 | 91,0 | 0,007 | 0,26 |
| 6 | Води річок | 148,2 | 2,1 | 0,0002 | 0,006 |
| 7 | Вода в атмосфері | 510,0 | 12,9 | 0,001 | 0,04 |
| 8 | Загальні запаси води | – | 1385984,6 | 100,0 | – |
| 9 | Загальні запаси прісної води | – | 35029,2 | 2,53 | 100,0 |
5) одним із найважливіших видів мінеральної сировини, головний природний ресурс споживання людства (людство використовує її в тисячу більше ніж нафти чи вугілля);
6) інформаційна [9].
Величезну роль відіграє гідросфера в формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, у розвитку екзогенних процесів (вивітрення гірських порід, ерозії, карту тощо), в переносі хімічних речовин, забруднювачів довкілля (табл. 1.2).
Для багатьох організмів вода є середовищем їхнього життя. Хімічний склад морської води дуже схожий на склад людської крові – містить ті ж хімічні елементи й приблизно в тих же пропорціях. Це – один з доказів того, що предки людей, як і інших ссавців, колись жили в морі. Солоність океанічних вод становить 35% (тобто від океанічної води міститься 35 г. солей). Найсолоніша вода в Мертвому морі – 2600 /00 (людина вільно лежить на поверхні цієї води, не занурюючись в неї), у чорному морі – 180 /00 , Азовському – 120 /00 .
Як видно з таблиці, що найбільші запаси прісної води міститься в людовиках та постійний снігах. Другі за запасами прісної води є підземні. У м. Вінниця використовується прісна вода з річок, що на нашу думку не є ефективно, як по запасам так і по якості води для пиття. В подальшому ми розглянемо це питання детальніше [10].
Таблиця 1.2. Швидкість водообміну (повне перемішування води – роки)
| № п/п | Об’єкти | Роки |
| 1 | Світовий океан | 2500 |
| 2 | Підземні води | 1400 |
| 3 | Ґрунтова волога | 1 |
| 4 | Полярні льодовики і постійний покрив | 9700 |
| 5 | Льодовики гірських районів | 1600 |
| 6 | Підземні води багаторічної мерзлоти | 10000 |
| 7 | Води озер | 17 |
| 8 | Води боліт | 5 |
| 9 | Води в руслах рік | 16 |
| 10 | Волога в атмосфері | 8 |
Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний. За мінералізацією води змінюються від прісних, що використовуються для пиття й водопостачання, до мінералізованих і навіть до ропи з солоністю 6000 /00 ; деякі мінералізовані підземні води мають лікувальні властивості.
Основним джерелом водопостачання для людства є річковий стік. Серед країн світу перше місце за цим показником посідає Бразилія з її гігантською річкою Амазонкою (9,900 млрд. м3 ). Річковий стік України становить у середньому 85,1 млрд. м (без Дунаю), а в маловодні роки зменшується до 48,8 млрд. [11]
Проблема забезпечення людства чистою водою в тому числі і України (табл. 1.3) нині надзвичайно загострилася, оскільки наявні ресурси прісної води в багатьох районах є недостатнім для задоволення всіх споживачів не лише на перспективу, але й на сьогодні. Усі галузі господарства за відношенням до водних ресурсів поділяють на дві групи: споживачів й користувачі води.
Споживчі забирають воду з джерела, використовують її для виробництва промислової й сільськогосподарської продукції, а потім повертають, але в іншому місці, в меншій кількості й іншої якості.
Таблиця 1.3. Водні ресурси і водозабезпеченість України в розрізі адміністративних областей
| № п/п | Адміністративні одиниці | Забезпеченість річок тис. м3 /рік | |
| на 1 км2 | на 1 жителя | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | Республіка Крим | 33,7 | 0,38 |
| 2 | Вінницька | 93,2 | 1,26 |
| 3 | Волинська | 107,9 | 2,11 |
| 4 | Дніпропетровська | 27,3 | 0,23 |
| 5 | Донецька | 38,5 | 0,19 |
| 6 | Житомирська | 105,4 | 2,04 |
| 7 | Закарпатська | 618,7 | 6,58 |
| 8 | Запорізька | 22,8 | 0,3 |
| 9 | Івано-Франківська | 330,2 | 3,34 |
| 10 | Київська | 70,6 | 0,46 |
| 11 | Кіровоградська | 38,6 | 0,77 |
| 12 | Луганська | 54,7 | 0,51 |
| 13 | Львівська | 225,7 | 1,84 |
| 14 | Миколаївська | 23,2 | 0,44 |
| 15 | Одеська | 10,5 | 0,13 |
| 16 | Полтавська | 67,4 | 1,13 |
| 17 | Рівненська | 115,9 | 2,0 |
| 18 | Сумська | 102,9 | 1,72 |
| 19 | Тернопільська | 131,2 | 1,57 |
| 20 | Харківська | 52,9 | 0,53 |
| 21 | Херсонська | 4,91 | 0,11 |
| 22 | Хмельницька | 103,9 | 1,4 |
| 23 | Черкаська | 48,3 | 0,66 |
| 24 | Чернівецька | 151,8 | 1,35 |
| 25 | Чернігівська | 108,2 | 2,42 |
| В цілому | 86,8 | 1,03 | |
Користувачі воду з джерел не забирають, а використовують її як середовище (водний транспорт, рибальство, спорт тощо) або як джерело енергії (ГЕС). Проте і вони можуть змінювати якість води (наприклад, водний транспорт забруднює воду).
Вода може використовуватись з різною метою: для потреб промисловості, сільського, комунального господарства, транспорту та для господарсько-питних потреб тощо [12].