Методы количественной оценки

Оглавление

Введение. 2

Состав ОВ.. 4

Методы количественной оценки. 6

Продукционно – деструкционные процессы.. 11

Список литературы: 14

 

 

 

Введение

 

Органическое вещество (ОВ) в море – это интегральный показатель, величина которого в основном зависит от трофности вод, от соотношения скоростей продукционно-деструкционных процессов и от величины стока. Количественное и качественное изучение растворенного (РОВ) и взвешенного (ВОВ) органического вещества, изменчивость его концентраций, элементного и биохимического состава во времени и пространстве, а также скоростей его преобразования необходимо для понимания процессов, формирующих и поддерживающих функционирование и продуктивность морской экосистемы.

Репрезентативными показателями содержания РОВ и ВОВ являются соответственно концентрации растворенного и взвешенного органического углерода (Сорг), по их величинам можно оценить запасы ОВ и потенциальную величину биологической продуктивности морской экосистемы.

Баренцево море справедливо считается самым продуктивным среди шельфовых морей Арктики. Суммарная первичная продукция Баренцева моря, вычисленная по спутниковым наблюдениям и средним величинам первичной продукции для выделенных диапазонов содержания хлорофилла в поверхностных водах арктических морей (для периода апрель-сентябрь), равна 38.4 млн т С/год (Виноградов и др., 2000). С учетом корректировки значений для месяцев, когда наблюдалась сплошная облачность, годовая продукция составит 55 млн т С/год (Романкевич, Ветров, 2001). Рассчитанная таким образом величина среднегодовой первичной продукции в Баренцевом море составляет 0.11 гС/м2 в сутки, что позволяет отнести море к мезотрофным акваториям. Столь высокая продуктивность объясняется, с одной стороны, полным набором присутствующих здесь пелагических и донных фитоценозов - водорослей-макрофитов, микрофитобентоса, фитопланктона и криофлоры, с другой - особыми условиями потока и трансформации биогенных элементов (Макаревич, Дружкова, 2010).

 

Состав ОВ

 

Элементный и биохимический состав ОВ меняется в зависимости как от интенсивности первичного продуцирования (ПП), так и от интенсивности преобразования ОВ вторичными продуцентами. Влияние физических и биологических изменений на метаболизм экосистемы легче проследить и оценить по индивидуальным биохимическим компонентам.

Преобразование ОВ осуществляется главным образом с помощью ферментов — белковых катализаторов, обладающих высокой каталитической активностью и специфичностью. Ферменты катализируют специфические реакции, идущие в популяциях планктона, во фракции взвеси (микропланктон и ферменты, сорбированные на детрите), а также в осадке. Измерение активности соответствующих ферментов катаболизма во взвеси и осадке даёт возможность сравнить скорости и пути преобразования ОВ, скорости регенерации биогенных элементов и их оборачиваемость в продукционно­деструкционном цикле, а также оценить полноту использования вещества и энергии в метаболизме данной морской экосистемы.

Главными процессами, определяющими цикл ОВ, являются процессы его

(1) поступления

(2) трансформации

(3) выхода из круговорота.

Основным источником ОВ океане является первичная продукция, при которой, благодаря фотосинтетическим процессам в фотическом слое, из СО2 синтезируются органические соединения. Этот процесс определяет включение углерода и других биогенных элементов в биохимические циклы различных морских экосистем. ПП обуславливает интенсивность обмена СО2 и О2 между океаном и атмосферой, оказывая воздействие на климат планеты. Поток ОВ в глубины океана и в осадки зависит от структуры сообщества фотического слоя и величины ПП в этом сообществе.

Методы количественной оценки

 

Многообразие состава и свойств органического вещества, незначительная концентрация и сложность определения обусловливают не­ достаточную изученность его распределения в природных водах. Значение исследований различных форм ОВ (растворённое, взвешенное и осаждённое) ещё больше возросло в последнее время в связи с растущим антропогенным эвтрофированием водоёмов, которое наблюдается сейчас в большинстве высокоразвитых стран.

Для того чтобы оценивать распределение и количество ОВ в море с целью получения репрезентативных данных необходимо максимально точно определять количество органического углерода (Сорг), азота (Nорг) и фосфора (Рорг) в растворе, во взвеси и в осадках, что является одной из острейших проблем морской химии.

Наиболее точным показателем содержания растворённого, взвешенного и осаждённого ОВ являются концентрации Сорг в воде, во взвеси и в осадках соответственно. Для корректного определения концентраций всех форм ОВ необходимо весь содержащийся в них углерод полностью окислить до СО2, предварительно удалив имеющийся в соответствующих пробах неорганический углерод.

За последние 30 лет отечественными и зарубежными авторами было предложено большое количество методов окисления С орг, которые условно можно разделить на три типа:

· метод сухого сжигания

· метод мокрого сжигания

· метод фотоокисления

По всем типам методов разработаны установки определения Сорг, различающиеся по чувствительности, степени автоматизации, продолжительности определения и т.д. Многие из них выпускаются промышленностью.

Ранее было установлено [Агатова и др., 1996], что в сложных смесях, к которым относится и морская вода, определение растворённого Сорг методом окисления персульфатом и УФ по сравнению с методом высокотемпературного каталитического сожжения (ВТКС) может давать значительное занижение его концентраций в зависимости от состава и физико­химических свойств этих сложных растворов. Механизм этого занижения заключается в способности различных соединений, растворённых в морской воде, при облучении УФ образовывать свободные радикалы, которые могут далее инициировать полимеризацию входящих в эту смесь простых веществ [Peyton, 1993].

 Исследования Ридала и Мура [Ridal, Moore, 1993] показали, что от 5 до 18% растворённого Сорг, выделяемого при культивировании некоторых видов морского фитопланктона, устойчиво к окислению персульфатом и от 15 до 27% устойчиво к окислению УФ. Авторы указывают, что этими методами в морской воде могут недооцениваться концентрации не только высокомолекулярных, но и низкомолекулярных соединений.

Очень важно, что в зависимости от стадии роста водорослей меняется степень устойчивости выделяемого растворённого Сорг к окислению. Определение растворённого Сорг в среде, в которой культивируются водоросли, методом ВТКС даёт более высокие результаты, чем определение методом мокрого сожжения с УФ. Причём степень различия зависит как от вида культивируемых организмов, так и от их физиологического состояния [Chen, Wangersky, 1993]. К тому же было показано, что в морской воде высокие концентрации хлоридов могут ингибировать окисление ОВ персульфатом, что может значимо занижать концентрации растворённого Сорг [McKenna, Doering, 1995].

Метод ВТКС является более универсальным.

 На значения, получаемые методом мокрого сожжения, влияет слишком много факторов, главные из которых — строение и состав ОВ, его физико­химическое состояние и среда, способствующая или ингибирующая развитие свободно­радикальных реакций. Основным фактором, влияющим на репрезентативность данных, получаемых методом ВТКС, является получение бланковой воды с минимальным содержанием растворённого Сорг и точное установление его остаточной концентрации в ней, а также вклад в ОВ легколетучих веществ.

Интеркалибрация между различными лабораториями мира по определению растворённого Сорг, проводимая под руководством профессора Шарпа из США, показала, что только в 6 лабораториях применяли методы мокрого сожжения ОВ, в остальных 56 использовали метод ВТКС [Sharp et al. 2002]. В интеркалибрации участвовало 62 лаборатории из 17 стран. Таким образом, к концу девяностых годов прошлого века основная масса исследователей ОВ для получения репрезентативных данных при определении концентраций растворённого Сорг выбрала метод ВТКС. В это число входит и лаборатория гидрохимии ВНИРО, в которой с 1993 г. для определения концентраций РОВ применяется метод ВТКС.

При сравнении методов сожжения азотсодержащих ОВ персульфатом, УФ и ВТКС, как в стандартных растворах, так и в морских водах различной солёности, пришли к выводу, что наиболее подходящими методами для определения растворённого Nорг являются методы окисления персульфатом и ВТКС, результаты которых не только хорошо воспроизводимы, но и хорошо согласуются друг с другом. Метод же окисления УФ либо совместно с перекисью водорода, либо с персульфатом даёт не только плохо воспроизводимые результаты, но и может занижать значения концентраций на 5–40% по сравнению с двумя вышеупомянутыми методами [Bronk et al., 2000].

При определении растворённого Рорг также существует целый ряд аналитических проблем. Многие фосфоэфирные связи трудно поддаются расщеплению и для этого требуются такие жёсткие методы их окисления, как метод ВТКС [Sharp, 2002].

При определении ВОВ особо остро встаёт вопрос о фильтрации. Во­первых, очень важен размер фильтра, на который будет собрана взвесь, а во­вторых, какой объём воды будет пропущен через этот фильтр. Оказалось, что при фильтрации довольно значительные количества РОВ (5–10% растворённого Сорг и 2–10 % растворённого Nорг) могут сорбироваться на фильтрах, искажая истинные концентрации ВОВ, особенно в олиготрофных водах [Turnewitsch et al., 2007].

В собранной на соответствующий фильтр взвеси определяют взвешенный Сорг и Nорг, как правило, после высокотемпературного со­ жжения образца на CNH­анализаторе.

Сопоставление этого метода с методом окисления ВОВ персульфатом для получения соответствующих окислов углерода и азота показало равнозначность этих методов.

Это позволило не только определять взвешенный Nорг и Рорг из одной пробы взвеси, собранной на фильтр, но и разработать метод одновременного определения Сорг, Nорг и Рорг [Raimbault et al., 1999].

Однако все те недостатки метода мокрого сожжения ОВ по сравнению с методом ВТКС, которые указывались выше при разборе методов определения растворённого Сорг, остаются в силе и при определении кон­ центраций взвешенного Сорг.

В донных осадках содержание Сорг, как правило, определяют методом высокотемпературного (900–950 °С) сжигания образца в токе кислорода. За последнее десятилетие всё чаще применяется метод ВТКС осаждённого ОВ. В качестве катализатора используют смесь окиси кобальта и платины [Stein, 2008].

Таким образом, для определения концентраций и количества растворённого, и взвешенного, и осаждённого ОВ в море всё­таки предпочтительнее метод ВТКС, жёсткие условия которого позволяют полностью разложить ОВ практически любой сложности до соответствующих окислов составляющих его основных элементов Сорг, Nорг и Рорг.

 

Для измерения продукционно­деструкционных показателей сообщества фитопланктона и микрофитобентоса применялся модифицированный кислородный метод светлых и тёмных склянок [Федоров, 1979]. Концентрацию растворённого кислорода определяли методом Винклера в начале и в конце экспозиции.

Кислородный метод определения первичной продукции позволяет выполнить измерение фотосинтеза в световой фазе, во время которой происходит фотолиз воды и синтез энергетических молекул (АТФ и НАДФ. Н2). В дальнейшем они расходуются для синтеза углеводов, в других биохимических реакциях или мембранотранспортных процессах, происходящих в клетках. При анализе продукционных процессов в морских фитоценозах необходимо учитывать, что кислородный показатель в данном случае — величина интегральная. Она формируется как за счёт жизнедеятельности самих первичных продуцентов, входящих в состав растительных сообществ, так и за счёт присутствия в любом исследуемом фитоценозе обязательного бактериального компонента. При использовании кислородного метода нужно принимать во внимание бактериальное дыхание, а также возможность роста или снижения уровня кислорода в тёмных ёмкостях за счёт увеличения концентрации H2O2 [Pamatmat et al., 1997; Wong et al., 2010].