Эксперт

Сергей

Задать вопрос

Мы готовы помочь Вам.

В XXI веке морские и пресноводные экосистемы вынуждены
функционировать в условиях как изменения климата, так и возрастающей антропогенной нагрузки. Процесс загрязнения вод Мирового океана идет все нарастающими темпами, в каких-то регионах экосистемы справляются с этой нагрузкой за счет процессов естественного самоочищения, однако в других районах качество водных ресурсов значительно ухудшилось. Одним из инструментов снижения нагрузок на водные системы является соблюдение международно-правовых основ и законодательства РФ в области контроля загрязнений и защиты вод Мирового океана от загрязнения. Не менее важным инструментом исследования процессов загрязнения является применение математического моделирования при решении задач распространения, трансформации загрязняющих веществ в морских водах и процессов самоочищения. Результаты модельных оценок совместно с мониторинговыми исследованиями позволяют дать оценку текущему состоянию системы и ее изменения в будущем, а также составляют основу последующих принятий решений по предотвращению загрязнения морской среды и ее сохранению.
Учебное пособие содержит задания для проведения занятий различного типа: лабораторные, практические, семинарского типа. Выполнение представленных в практикуме заданий способствует формированию обучающимися практических навыков оценки видов и источников загрязнения вод Мирового океана, исследований трансформации загрязняющих веществ, а также выполнения творческих проектов в области охраны прибрежных вод.

Раздел I. РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАНИЯ (ЛАБОРАТОРНЫЙ
ПРАКТИКУМ)
Выполнение расчетных заданий осуществляется в компьютерном классе или с использованием личных ноутбуков обучающихся. При реализации вычислений применяются табличные редакторы (MicroSoft Excel, OpenOffice Calc) или самостоятельно написанные студентами коды на языках программирования, например, Python, Fortran.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Исследование закономерности роста популяции морского
бактериопланктона в водах различной трофности
В настоящее время водоемы — как пресные, так и морские, нередко
испытывают перегрузку в загрязнении промышленными и бытовым сточными водами. Охрана водоемов от загрязнений становится одной из важнейших проблем. Различают естественные загрязнения и загрязнения, связанные с деятельностью человека (отходы промышленности, радиоактивные вещества, нефтепродукты, пестициды и др.). В связи с этим важное значение приобретают вопросы изучения процессов биологического
самоочищения водоемов. Под самоочищением понимают гидродинамические, физико-химические и биологические процессы, приводящие к восстановлению качества воды. Физико-химическое самоочищение осуществляется путем осаждения взвешенных частиц и окисления растворенных соединений
кислородом, содержащимся в воде.
Одним из важных факторов самоочищения природных вод является
жизнедеятельность водных организмов, которые осуществляют ряд процессов, обусловливающих разложение и утилизацию загрязняющих веществ. Эти процессы:
– биологическое извлечение – удаление загрязняющего вещества из
среды путем потребления в пищу или через сорбцию;
– биодеградация – разрушение загрязняющего вещества в процессе
метаболизма живого организма;
– биоконцентрирование – накопление в организмах химических веществ,
находящихся в окружающей их среде в меньшей концентрации;
– биоаккумуляция – многократное увеличение концентрации
накопленных веществ на каждой следующей ступени экологической
пирамиды;
– биоседиментация – оседание в воде биогенных частиц в виде
фекальных комочков (пеллет), имеющих гидравлическую крупность
многократно большую в сравнении со взвесью, потребляемой организмами фильтраторами.
В процессе самоочищения принимают участие микроогранизмы флоры и фауны (сапрофитные бактерии, бесцветные жгутиковые, грибы), а также простейшие (через потребление ими бактерий, органической взвеси, водорослей).
Ключевую роль в биологическом очищении водоемов играет
бактериопланктон, который осуществляет окисление органического вещества.
Источником питания для бактерий, кроме органических веществ, попадающи извне, служат также органические вещества отмирающего фитопланктона (водоросли) и водных растений. Бактерии включаются в пищевую цепь: их поглощают дафнии, коловратки и другие беспозвоночные, которые в свою очередь служат пищей для рыб. Следовательно, роль бактерий в
продуктивности водоемов заключается в передаче энергии и питательных веществ по пищевой цепи. Также велика роль микроорганизмов в круговороте биогенных элементов в водоемах.
Процесс роста клеток бактерий характеризуют две основные величины:
— численность или биомасса клеток (B) на данный момент времени;
— удельная скорость роста клеток (µ) как показатель интенсивности
нарастания биомассы.
Под ростом бактерий обычно подразумевают координированную
репликацию всех компонентов бактерий. Поскольку деление бактериальной клетки приводит к образованию двух особей, то их число растет в геометрической прогрессии. При внесении микроорганизмов в питательную среду они обычно растут до тех пор, пока содержание питательных веществ не достигнет минимума, после чего рост прекращается. Процесс роста и размножения микроорганизмов в такой системе может быть разделён по
меньшей мере на четыре фазы (рис. 1):
1. Лаг-фаза роста бактерий соответствует периоду физиологического
приспособления, включающего индукцию ферментов, синтез и сборку рибосом. Продолжительность этой фазы (может длиться от нескольких часов до нескольких суток) зависит от состава питательной среды, рН, температуры, возраста и количества внесенных клеток.
2. Экспоненциальная (логарифмическая) фаза роста бактерий характеризуется максимальной скоростью клеточного деления. Для
конкретного вида бактерий в конкретных условиях роста время генерации (то есть время, необходимое для удвоения количества бактерий) постоянно в течение всей логарифмической фазы, но вариабельно у различных видов и штаммов, а также зависит от состава среды и условий культивирования. Это период самого быстрого (для данных условий) размножения, когда число
клеток возрастает во времени по экспоненте.
3. Стационарная фаза характеризуется замедлением скорости роста
из-за накопления продуктов обмена веществ клеток, которые в
определенных концентрациях могут мешать нормальному протеканию обменных процессов. Снижение скорости роста происходит также вследствие сокращения площади поверхности клеток из-за тесного окружения одних клеток другими. Концентрация бактерий в среде достигает своего максимального значения. В этот период возможно отмирание части клеток и размножение некоторого количества клеток за счет веществ
отмерших клеток.
4.Фаза отмирания (спада, лизиса) включает период логарифмической гибели, переходящий в период уменьшения скорости отмирания бактерий.
Выросшие клетки, исчерпавшие питательные вещества среды, отмирают и автолизируются (распад белков мертвых клеток под действием собственных ферментов).
Рисунок 1 – Фазы жизни бактерий
Любая популяция теоретически способна к неограниченному росту
биомассы, если ее не лимитируют факторы внешней среды. В таком
гипотетическом случае скорость роста популяции будет зависеть только от величины биотического потенциала 𝜇𝑚𝑎𝑥, свойственного виду. Понятие биотического потенциала введено в экологию в 1928 г. Р.Чепменом. Этот показатель отражает теоретический максимум потомков от одной пары (или одной особи) за единицу времени, например за год или за весь жизненный цикл.
𝑑𝐵
𝑑𝑡 = 𝜇𝑚𝑎𝑥
𝐵,
(1)
Кривая, отражающая на графике подобный рост популяции, носит
название экспоненциальной. На логарифмической шкале подобная
зависимость плотности популяции от времени будет представлена прямой, а биотический потенциал µ𝑚𝑎𝑥 отразится ее наклоном по отношению к горизонтальной оси, который тем круче, чем больше величина µ𝑚𝑎𝑥, которая обычно складывается как разность между рождаемостью и смертностью в популяциях.
В природе биотический потенциал популяции никогда не реализуется полностью. Безграничный прирост популяции может привести к быстрому подрыву ресурсов среды, нехватке пищи, убежищ, пространства и т. п., что неминуемо повлечет за собой общее ослабление популяции. Перенаселенность настолько неблагоприятна для любого вида, что в ходе эволюции у разных
форм выработались в результате естественного отбора самые разнообразные механизмы, способствующие предотвращению избытка особей и поддержанию определенного уровня плотности популяций.
В общем виде уравнение (1) может быть записано
𝑑𝐵
𝑑𝑡 = 𝜇𝐵,
(2)
где μ – удельная скорость роста бактериопланктона (1/сут).
Графики роста плотности любой природной популяции в реальных
условиях сильно отличаются от экспоненты. Кривая после подъема разной степени крутизны поворачивает параллельно горизонтальной оси, чем знаменует установление некоторого предельного значения, которое затем поддерживается в течение более или менее длительного времени. Такой ход кривой показывает, что в природе какие-то причины сдерживают чрезмерный рост популяции, не давая ей реализовать свой биотический потенциал, и ограничивают ее численность определенными пределами. В этом случае скорость роста μ из уравнения (2) может быть представлена в виде:
8
µ=µ𝑚𝑎𝑥
(1 − 𝐵 𝐵𝑚𝑎𝑥⁄ )
(3)
где 𝐵𝑚𝑎𝑥 ˗ максимально возможная величина плотности популяции при заданном уровне трофности водоема (мг/м3).
Изменение биомассы бактериопланктона со временем будет определяться по формуле:
𝑑𝐵
𝑑𝑡 = µ𝑚𝑎𝑥
(1 − 𝐵
𝐵𝑚𝑎𝑥
⁄ )𝐵,
(4)
Одним из основных факторов, определяющих распространенность
бактерий в водной среде, является количество доступных пищевых субстратов (прежде всего органического вещества) и режимы его поступления.
Увеличение численности бактерий приводит к исчерпанию питательных веществ (C, N, P и пр.), которые становятся лимитирующим фактором. Совместное влияние высоких концентраций органического субстрата и последующего увеличения общей численности популяции может быть записано в виде
𝜇 =𝜇𝑚𝑎𝑥
(
𝑆
𝐾𝑠+𝑆
−
𝐵
𝐵𝑚𝑎𝑥
)
(5)
где S ˗ концентрация окисляемого органического вещества (мг/л), 𝐾𝑆
˗
константа Михаэлиса (константа полунасыщения) (мг/л).
Тогда уравнение (2) примет вид:
𝑑𝐵
𝑑𝑡=𝜇𝑚𝑎𝑥
(
𝑆
𝐾𝑠+𝑆
−
𝐵
𝐵𝑚𝑎𝑥
)𝐵
(6)
Интересным представляется исследование прироста биомассы при
постоянном значении количества субстрата S, так и в случае его
увеличиваться/уменьшаться во времени.
Цель работы: исследовать динамику роста биомассы популяции
бактериопланктона без учета и с учетом влияния лимитирующих факторов для вод различной трофности.
Рассматриваемые типы вод:
— олиготрофные районы Мирового океана;
— шельфовые «условно чистые» воды;
— загрязненные хозяйственно-бытовыми стоками прибрежные участки моря.
Исходные данные: количественные характеристики субстрата и
популяции бактериопланктона для вод разной трофности приведены в таблице 1.
Таблица 1 ― Количественные характеристики субстрата и популяции бактериопланктона для вод разной трофности
Характеристика Олиготрофные Шельфовые Загрязненные
воды
µmax,1/сут 1,99 2,21 2,7
В0, мг/м3 10 100 1000
Вmax, мг/м3 380 790 4500
Ks, мг/л 5 7,5 10
S, мг/л 5-10 10-20 20-30
Задания по работе:
1. Используя данные для шельфовых/загрязненных вод по уравнению (4) подобрать оптимальный шаг по времени для расчетов по явной схеме.
Диапазон возможных вариантов временного шага от 1/16 суток до 1 суток (Δt = 0,0625, 0,125, 0,25, 0,5 и 1 суток).
2. Выполнить расчёты динамики биомассы бактериопланктона со
временем по моделям (1), (4) и (6). Расчеты производятся для временного интервала 10 суток по явной конечно-разностной схеме, то есть 𝛥𝐵/𝛥𝑡 =(𝐵𝑖 − 𝐵𝑖−1)/𝛥𝑡.
3. По уравнению (6) расчеты выполнить при постоянном значении
количества субстрата (берется среднее значение из приведенного в таблице 1
диапазона), так и для случая линейного снижения (увеличения) его
количества во времени в пределах приведенного диапазона за период 10 суток
(т.е. S=f(t)).
4. Представить в графическом виде результаты динамики биомассы
бактериопланктона по моделям (1), (4) и (6).
5. Проанализировать полученные результаты. Какие фазы жизни
бактерий можно выделить на графиках? Как введение ограничивающего фактора в модели и задание переменной концентрации субстрата сказывается на изменении биомассы?