Экология

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образование «Омский государственный технический университет»

Экология

Методические указания для выполнения лабораторных работ

Омск Издательство ОмГТУ

2009

Составитель М.В. Кубарева, канд. биол. наук, ст. преподаватель каф. «Промышленная экология и безопасность»

Методические указания по дисциплине «Экология» предназначены для выполнения лабораторных работ студентами, обучающимися по специальности 200503 и 130501, 1 курс ДО, ЗО, а также студентами других специальностей, изучающих дисциплину «Экология» очной и заочной форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

2

Содержание ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ………………………………………..……………..4

Лабораторная работа № 1.

Круговорот веществ. Круговорот азота в вечнозеленом лесу………...........….…..4

1.1.Задание………………………………………………...……..…….………...4

1.2.Пояснения к заданию……….………………………….……..……………..4

1.3.Справочные данные………………………………………..….……..…...…8

1.4.Основные понятия и определения ………………………..………..……….8

Лабораторная работа №2.

Факторы среды обитания и закономерности их действия на организмы………....9

2.1.Задание……………………………………….………….…….…………......9

2.2.Пояснения к заданию……….…………….………….…………..........….....9

2.3.Справочные данные………………………………..………..…..............…10

2.4.Основные понятия и определения …………………………………….….11

Лабораторная работа №3.

Важнейшие абиотические факторы и адаптации к ним организмов…….…..…..11

3.1.Задание……………………………………….……………………..............10

3.2.Пояснения к заданию……….………………….………...…………….......12

3.3.Справочные данные…………………………………...………...............…14

3.4.Основные понятия и определения …………………………..................….14

Лабораторная работа №4.

Структура и динамика популяции……………………………………………...…15

4.1.Задание………………………………………..…………………..…….…..15

4.2.Пояснения к заданию………..……………………………………………..16

4.3.Справочные данные…………….………………………………….…...…18

4.4.Основные понятия и определения …………………..…………………….18

Лабораторная работа №5.

Определение степени очистки сточных вод………………………..……….….…19 5.1. Задание………………………………………..…………………….…..…..19 5.2. Пояснения к заданию………..………………………………….……...…..19

5.3. Справочные данные…………….………………………………….…....…22

5.4. Основные понятия и определения …………………..…..…………..…….23

Лабораторная работа №6.

Оценка степени экологической устойчивости ландшафта…………………….23

6.1. Задание………………………………………..………………..….…...…...23

6.2. Пояснения к заданию………..…………………………………..…….…...24

6.3. Справочные данные…………….……………………………….….…..…26

6.4. Основные понятия и определения ………………..…………..……..…...27

ЗАДАЧИ…………………………………….………………………………….…….28

Список литературы………………………………………………………….……….35

1. Лабораторная работа 1

3

Круговорот веществ. Круговорот азота в вечнозеленом лесу.

1.1.Задание

1.Ознакомиться со схемой круговорота кислорода, углерода и азота.

2.Рассчитать максимальное количество азота, накопленное (ретенция) каждой компонентой экосистемы пихтового леса. В какой из них он содержится в максимальном количестве? Полученные результаты занести в таблицу 1.

3.Определить количество азота, проходящее (массоперенос) через каждую компоненту экосистемы пихтового леса. Полученные результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

Максимальная величина ретенции азота и массоперенос между компонентами экосистемы зрелого пихтового леса

№	Компонента экосистемы	Ретенция азота,	Массопере-
п/п		кг/га	нос азота,
			кг/га
1	Надземные части
2	Корни
3	Микориза
4	Лесная подстилка
5	Грибы
6	Органические вещества почвы		*н. о.

*н. о. — не определяли

1.2. Пояснения к заданию

В природе существуют два круговорота веществ: биологический или малый, и геологический или большой.

Биологический круговорот — это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами. Зеленые растения как автотрофные организмы в процессе фотосинтеза потребляют из воздуха диоксид углерода и выделяют кислород, создавая при этом органические вещества из неорганических. Они получили название продуцентов.

Животные — гетеротрофные организмы — относятся к консумен-

там, т. е. потребителям органического вещества зеленых растений.

После смерти растений и животных бактерии, грибы, простейшие и некоторые насекомые перерабатывают это органическое вещество и в результате получаются минеральные соли, диоксид углерода, вода, которые вновь используются зелеными растениями. Эту группу организмов называют ре-

4

дуцентами. Минерализуя органические вещества, они замыкают цепь круговорота.

Геологический круговорот осуществляется как циркуляция веществ между Мировым океаном и сушей. Вода океанов с имеющимися в ней твердыми включениями испаряется и воздушными течениями разносится на большие расстояния. Выпадая в виде осадков, она способствует процессам разрушения и выветривания, горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов. Растворенные в ней химические вещества и взвешенные частицы выносятся в реки, моря, океаны. Здесь они оседают на дно, накапливаются в виде осадочных пород.

Оба круговорота — геологический и биологический взаимосвязаны и представляют собой единый процесс.

В биологическом круговороте участвуют почти все химические элементы неживой природы. Особенно важное значение имеют круговороты кислорода, углерода и азота.

Круговорот кислорода. Свободный кислород необходим для дыхания растений и животных. Почти весь кислород атмосферы биогенного происхождения. Часть его превратилась в озон и защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения (рис. 1).

Рис.1. Круговорот кислорода

5

Круговорот углерода. Углерод, содержащийся в виде CO2 в атмосфере служит "сырьем" для фотосинтеза растений, а затем вместе с их веществом потребляется консументами разных трофических уровней. При дыхании растений, животных и редуцентов, а также по мере разложения мертвого вещества в почве выделяется CO2, в форме которого углерод и возвращается в атмосферу (рис. 2).

Рис. 2. Круговорот углерода

Большая часть углерода, вовлеченного в круговорот, содержится в океанах. От углерода, содержащегося в океанах в виде карбонатов, главным образом, зависит количество двуокиси углерода в атмосфере. Океан поглощает избыток двуокиси углерода из воздуха, в результате чего образуются карбонатные и бикарбонатные ионы. Существует и обратный процесс, в ходе которого двуокись углерода выделяется из океанов в атмосферу. Таким образом, океаны, поддерживающие концентрацию CO2 в атмосфере на постоянном уровне, играют роль своеобразного буфера. Считается, что этот механизм обеспечивал относительное постоянство содержания двуокиси углерода в атмосфере, пока не вмешался фактор индустриализации.

В далекие геологические эпохи (сотни миллионов лет назад) значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под минеральными осадками. Находясь в земле миллионы лет, этот детрит (мертвые растительные и животные остатки) под действием высоких температуры и давления превращался в нефть, природный газ и уголь. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топли-

6

во для обеспечения энергетических потребностей нашего индустриального общества и, сжигая его, завершаем круговорот углерода. При сжигании углерод топлива выделяется в виде CO2, концентрация которого в воздухе резко возрастает: его поступление существенно превышает поглощающие возможности растений. Что чревато серьезными климатическими последствиями.

Круговорот азота. Организмы нуждаются в различных химических формах азота для образования белков и генетически важных нуклеиновых кислот типа ДНК. Большинству зеленых растений требуется азот в форме нитрат-ионов (NO3) и ионов аммония (NH 4+). Газообразный азот (N2), составляющий 78 % объема земной атмосферы, ни растениями, ни людьми, ни большинством других организмов не может быть использован непосредственно. Газообразный азот может преобразовываться в растворимые в воде соединения, содержащие нитрат-ионы и ионы аммония, усваиваемые корнями растений в процессе круговорота азота (рис. 3).

Рис. 3. Круговорот азота

Преобразование атмосферного газообразного азота в усваиваемые растениями химические формы называется фиксацией азота. Осуществляется она, в основном, либо сине-зелеными водорослями и определенными видами бактерий в почве и воде, либо бактериями из рода Rhizobium, обитающими в небольших клубеньках на корнях люцерны, клевера, гороха, фасоли и других бобовых растений. Определенный вклад в фиксацию азота вносят грозовые разряды молний, при которых газообразные азот и кислород в атмосфере превращаются в оксид и диоксид азота. Эти газы взаимодействуют

7

с водяным паром и преобразуются в нитрат-ионы, которые попадают на земную поверхность в форме азотной кислоты, растворенной в атмосферных осадках, и в форме частиц нитратных солей.

Величина ретенции (накопления) азота компонентами экосистемы определяется по формуле:

P=M (N/100) (1)

где Р – накопление азота, кг/га; М – биомасса компонентов экосистемы, кг/га;

N – содержание азота в компонентах экосистемы, %.

Массоперенос азота между компонентами экосистемы определяется по формуле:

F = L (N/100) (2)

где F – массоперенос азота, кг/га;

L – величина переносимых биомасс (массоперенос), кг/га; N – содержание азота в компонентах экосистемы, %.

1.3.Справочные данные

1.Схема круговорота кислорода, углерода и азота (рис. 1-3).

2.Данные максимальной величины биомассы, массопереноса и содержания азота в компонентах экосистемы зрелого пихтового леса (табл. 2.).

Таблица 2

Максимальная величина биомассы, массопереноса и содержания азота в компонентах экосистемы зрелого пихтового леса

№	Компонента эко-	Биомасса,	Массоперенос	Содержание
п/п	системы	кг/га	азота, кг/га	азота, %
1	Надземные части	260000	3200	0,16
2	Корни	49000	0	0,08
3	Микориза	25000	14600	0,62
4	Лесная подстилка	19000	3000	0,47
5	Грибы	23000	9200	0,80
6	Органические	450000	*н. о.	1,70

*н. о. — не определяли

1.4. Основные понятия и определения

Биологический круговорот, геологический круговорот, гетеротрофы, автотрофы, консументы, редуценты, денитрификация, ретенция, массоперенос.

2. Лабораторная работа №2

8

Факторы среды обитания и общие закономерности их действия на организмы

2.1.Задание

1.Построить график зависимости жизнедеятельности собаки и ящерицы от действия температуры. Выделить зоны оптимума, пессимума и критические точки на каждом графике. Определить экологическую валентность каждого вида по отношению к температуре. Сделать соответствующие выводы.

2.Построить график зависимости жизнедеятельности карася и леща от действия фактора среды — солевого состава воды. Учесть, что карась обитает в пресных водах с содержанием солей до 1 г/л, а лещ в солонов атых с содержанием солей до 25 г/л. Выделить зоны оптимума, пессимума и критические точки на каждом графике. Определить экологическую валентность каждого вида по отношению к солевому составу воды. Сделать соответствующие выводы.

2.2.Пояснения к заданию

Среда — это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Отдельные элементы среды, воздействующие на организмы называются экологическими факторами среды. Экологические факторы подразделяются на абиотические и биотические.

Абиотические факторы — это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм (свет, температура, влага, воздух, почва, ветер). Биотические факторы — это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.

В некоторых случаях влияния, обусловленные деятельностью человека, выделяют в особую группу антропогенных факторов.

Каждый экологический фактор характеризуется определенными показателями, например, силой и диапазоном действия. Интенсивность экологического фактора наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект — пессимумом, т. е. условия, при которых жизнедеятельность организма максимально угнетается, но он еще может существовать. Максимально и минимально переносимые значения фактора это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Критические точки ограничивают степень выносливости, называемую также экологической

9

валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

В комплексном действии среды факторы по своему воздействию неравноценны для организмов. Их можно подразделить на ведущие (главные) и фоновые (второстепенные). В роли ведущего фактора на разных этапах жизни организма могут выступать то одни, то другие факторы среды.

Понятие о ведущих факторах нельзя смешивать с понятием об ограничивающем факторе. Фактор, уровень действия которого выходит за пределы выносливости организма, называется ограничивающим, или лимитирующим. Ограничивающее действие фактора будет проявляться даже в том случае, когда другие факторы среды благоприятны или даже оптимальны.

2.3.Справочные данные

1.Данные температурных границ жизнедеятельности собаки и ящерицы (табл. 3).

2.Данные содержания солей в пресной и солоноватой воде (табл. 4).

Таблица 3

Температурные границы жизнедеятельности некоторых видов животных

			Температурные границы, °С
	№	Вид	опти-	мини-	макси-
			мальная	мальная	мальная
	п/п
	1	Собака	+25	-40	+50
	2	Ящерица	+30	+5	+ 50

Таблица 4

Содержание солей в пресной и солоноватой воде и оптимальный уровень солености для некоторых видов рыб

№		Оптимальный	Содержание солей, г/л
п/п	Вид	уровень солено-	пресная вода	солоноватая вода
		сти, г/л
1	Карась	0,5	0-1
2	Лещ	12,5		1 – 25

2.4. Основные понятия и определения

10