Влияние моющих веществ на экосистему реки

Введение

        Водная среда характеризуется большим своеобразием физико-химических свойств, важных для жизни организмом: прозрачностью, высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью, высокой плотностью и вязкостью, подвижностью (текучестью), вертикальной циркуляцией, сглаженным колебанием температуры. В естественных водах всегда содержатся различные соли, в частности весьма важные для живых организмов карбонаты, сульфиды, хлориды. Благодаря своей выталкивающей силе вода одинаково легко поддерживает как тонкие структуры, так и массивные организмы. Вместе с тем водной среде присуща слабая аэрация и меньше, нежели в среде наземновоздушной, количество света.

        Какое из свойств воды можно назвать самым важным? В природе нет ничего самого важного, равно как нет и второстепенного. Из всех удивительных свойств воды чуть ли не самое интересное ее способность образовывать чрезвычайно прочную поверхностную пленку, возникающую благодаря очень сильному взаимному притяжению молекул самых верхних слоев. В глубине слоя воды каждая ее молекула окружена другими такими же молекулами равномерно и испытывает одинаковые силы притяжения во всех направлениях. Молекулу же воды, находящуюся на поверхности, снизу притягивают такие же, как т она, молекулы жидкости, а сверху над ней лишь изредка проносятся молекулы газов, входящих в состав воздуха. Равнодействующая сил на такую молекулу стремится втянуть ее с поверхности в объем жидкости – сумма сил притяжения, действующая «вниз» оказывается больше сил, действующих «вверх». Поэтому плотность воды на поверхности оказывается несколько выше, чем в основном слое. В результате возникает сила поверхностного натяжения, которая у воды самая высокая из всех жидкостей, кроме ртути (но это все-таки металл), и составляет 72 мН/м.

        «Столпотворение» стремящихся вниз молекул приводит к возникновению своего рода эластичной мембраны, способной поддерживать объекты, плотность которых больше плотности воды, если, конечно, эти объекты не смачиваются, т.е. сами не притягивают к себе молекулы воды, нарушая структуру поверхностной пленки. Если осторожно положить на поверхность воды стальную иголку или лезвие безопасной бритвы так, чтобы неловким движением не разорвать пленку, эти предметы не утонут.

        Важным для жизни обитателей водоемов фактором является кислотность воды, характеризующаяся водородным показателем – рН. Во всяком пресноводном водоеме вода, по определению, должна быть именно пресная, т.е. не иметь ни кислого, ни щелочного привкуса. Но чаще всего вода имеет слегка щелочную реакцию (рН до 8,0), потому что всегда содержит катионы: они вымываются из почвы и подстилающих пород, а также образуются (как, например, катион аммония) при разложении органических остатков.  К такому составу воды и приспосабливаются обитатели рек, озер и прудов. Слабощелочную реакцию вода сохраняет благодаря естественным буферным свойствам – способности нейтрализовать поступающие в нее вещества с различными показателями кислотности. Однако возможности буферных систем у водоемов различны и определяются свойствами подстилающих пород, мощностью почвенного слоя и составом почвы вокруг водоема.

        Водные экосистемы чутко реагируют на изменения в природных процессах под влиянием естественной цикличности и антропогенной деятельности.

        Целью представленной работы было изучить особенности влияния на планктон речной экосистемы синтетически моющих средств (СМС), содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве объекта исследований бала выбрана р. Челбас на территории станицы Каневской Каневского района.

        Качество воды в водоеме – фактор, определяющий устойчивость экосистемы.

        В последние годы рекреационная нагрузка на реку значительно увеличилась. Отдыхающие оказывают значительное негативное воздействие на экосистему водоема: выброс мусора, уничтожение растительности вдоль берега. Отрицательное воздействие человека на водоем проявляется также: выпасом скота вдоль реки, уничтожение птицы, рыбы, сточные воды, близость полей, ферм, которые усиливают загрязнение реки и ее обмеление.

        Проблему можно частично разрешить, повышая экологическую грамотность населения, привлекая к  этому вопросу и объясняя последствия воздействия такого рода на доступном научно-популярном материале. Поэтому одной из целей работы было составить на основе полученных данных конкретные и доступные для понимания рекомендации по экологически грамотному отношению к природному богатству водоема.

        В цели работы входило также составление рекомендаций по проведению занятий с младшими школьниками, содержащих описания наглядных и доступных опытов по теме.

Глава 1. Обитатели водной среды

1. Обитатели водной среды и воздействующие на них факторы

        Разнообразие организмов, освоивших области обитания водной среды жизни – гидробионтов, очень велико. Среди жизненных форм гидробионтов выделяют бентос – донные организмы; планктон – организмы, плавающие в толще воды, чаще переносимые течением, реже передвигающиеся сами; перифитон – организмы, прикрепленные к растениям и погруженным в воду предметам; нектон – активно плавающие организмы и, наконец, нейстон – организмы, плавающие на поверхности воды или сразу же под поверхностной пленкой, до 5 см в глубину.

        Удивительные свойства водяной пленки использует целый ряд живых организмов – ведь жизнь на границе двух сообществ, как известно, отличается заметным преимуществом. Поверхность любого водоема – уникальная экологическая ниша, где встречаются две совершенно разные среды обитания – воздушная и водная. Нестонные организмы разделяют на тех, кто обитает на поверхности водяной пленки – эпинейстон (в пресных водоемах это клопы – водомерки и гладыши и жуки-вертячки), и тех, которые держаться под ней, - гипонейстон. Интересно, что некоторые представители гипонейстона используют нижнюю поверхность пленки воды в качестве опоры – это личинки комаров, некоторые водяные жуки и различные улитки.

        Самые известные обитатели поверхности водоемов, конечно, клопы-водомерки. Они живут только на водяной пленке, никогда не погружаясь, скользят на поверхности водя, касаясь ее только самыми кончиками лапок, покрытых жесткими щеточками не смачиваемых волосков. Тело водомерки покрыто специальными чешуйчатым покровом, также защищающим от смачивания. Однако при намокании, например, во время дождя, насекомое может утонуть. Водяная пленка для водомерок еще и источник информации. Основываясь на характере колебаний водяной пленки, воспринимаемых эластичными мембранами, расположенными между сегментами лапок, насекомое узнает, с какой стороны грозит опасность или где находится потенциальная жертва. Водомерки могут и сами вызывать такие колебания, подавая те или иные сигналы сородичам. Такая коммуникация используется для взаимодействия между противоположными полами и является необходимым условием воспроизведения особей данного вида.

        Ориентируясь на колебания, передающиеся по поверхности воды и воспринимаемые чувствительными кончиками лапок, находит свою жертву и хищный клоп-гладыш. В отличие от  водомерок, гладыши держатся на поверхностной пленке не сверху, а снизу, т.е. относятся к гипонейстону. Вертячки (жуки сем. Gyrinidae) считаются самыми лучшими пловцами среди водяных жуков. Основным органом, позволяющим вертячке получать информацию об окружающих событиях, являются три пары антенн-усиков, направленных горизонтально вперед и примыкающих к поверхности пленке воды. Эти антенны воспринимают все сигналы, приходящие по воде, а жуки реагируют на них настолько быстро, что даже в полной темноте способны скорректировать курс и обойти препятствие, возникшее всего в 1-1,5см.

        По поверхности воды, подвешиваясь снизу к пленке поверхностного натяжения, могут странствовать моллюски – катушки и прудовики. При этом они не только держатся за поверхностную пленку, но могут ползать по ней ничуть не хуже, чем по поверхности любого твердого предмета.

        Для обитателей более глубоких слоев воды сила поверхностного натяжения не столь значима. Более важные факторы для них – кислотность (при ее повышении для всех водных обитателей наступают тяжелые времена), содержание кислорода в воде, ее химический состав, прозрачность. Например, для личинок поденок особо важно содержание кислорода, а кислотность воды значима для икры земноводных, улиток, рыб, планктона. Не встречается в кислых водах, например, личинка малярийного комара: она предпочитает нейтральные и слабощелочные водоемы, бедные органическими остатками. У личинок комара обыкновенного противоположные требования.

2. Классификация организмов речной экосистемы.

        Фитопланктон

        Отдел зеленые водоросли

        Класс сцеплянки

        Спирогира – широко распространена в прудах, озерах, ручьях, реках, канавах и лужах. Особенно весной ее слизистые длинные, не ветвистые нити образуют светло-зеленые скопление ватообразные тины.

        Класс улотриксовые

        Улотрикс – населяет пресные водоемы, но встречается и на морских побережьях, и в зоне заплекса, где на коленях, деревяшках и другом субстрате образует зеленый налет из тонких не ветвистых нитей, закрепляющихся с помощью бесцветной базальной клетке.

        Класс харовые

        Хара – растет на песке и илистом грунте прудов, озер, рек и ручьев, образуя нередко обширные заросли. По виду эти водоросли похожи на хвощи – от вертикального «стебля» мутовками отходят боковые ветви тела (таллома). На них заметны красноватые мужские и зеленые женские органы размножения.

        Зоопланктон

        Тип простейшие         

        Класс саркодовые

        Амеба – из амеб чаще всего встречается обыкновенная амеба. Она похожа на полупрозрачный студенистый комочек. Цитоплазма амебы медленно  переходит в постоянно образующиеся выпячивания – многоножки, с помощью них происходит передвижение амебы. Форма тела амебы не постоянна.

          Класс жгутиконосцы

        Эвглена зеленая – одноклеточный организм, сочетающий в себе признаки животного и растения. Эвглене свойственно афтотрофное питание, благодаря наличию хлорофилла, участвующего в фотосинтезе, что характерно для растений. С другой стороны, как животное – эвглена активно двигается, обладает гетеротрофным питанием – поедает органические вещества, мелких животных, одноклеточные водоросли. Если эвглена зеленая длительное время находится в темноте, то хлорофилл у нее исчезает, и она питается только органическими веществами. Эвглена обитает в загрязненных пресных водоемах, вызывает «цветение» воды.

        Вольвокс -  представляет собой шарик около 3 мм в диаметре, на поверхности которого в один слой располагаются клетки. Число клеток в колонии вольвокса может достигать более 60 тыс. Внутренняя полость шарика занята жидкой слизью.

        Класс инфузории

        Инфузория – туфелька – одноклеточное животное, длиной 0,5 мм, имеет веретеновидную форму тела, отдаленно напоминающую туфлю. Инфузории-туфельки все время находятся в движении, плавая тупым концом вперед. Скорость передвижения этого животного достигает 2,5мм в секунду. На поверхности тела инфузории расположено около 15 тыс. колеблющихся ресничек. Реснички колеблются примерно 30 раз в секунду и, словно весла, толкают инфузорию вперед. Питается различными бактериями.

        Инфузория сувойка прикрепляется ко дну или к растению длинными стебельками, которые могут сокращаться, благодаря особым сокращательным волоконцам. Многие сувойки образуют колонии. Питаются сувойки преимущественно бактериями.

        Тип членистоногие

        Класс ракообразные

        отряд листоногие

        Дафнии – прозрачные, зеленоватые, красноватые или желтоватые, с двустворчатой раковиной. Вторая пара усиков крупная, служит для движения. Большинство дафний обитает в мелководных прудах или в прибрежной зоне других стоячих водоемов. С помощью листовидных ножек отфильтровывают мелкие (около 0,01 м) водоросли, бактерии, взвешенные в воде органические частицы и т.п. В Центральной Европе более 80 видов листоногих. Они служат кормом для рыб.

        отряд веслоногие

         Циклопы-  разные виды циклопов могут быть в длину от 0,6 до 5,5мм. У самок яйцевые мешки располагаются на брюшке. Живут среди растений прибрежной полосы стоячих водоемов. Плавают с помощью грудных ножек. Питаются планктоном. Развитие проходит несколько личиночных стадий. В Центральной Европе встречается до 160 видов веслоногих. Они играют важную роль в питании рыб.

        отряд равноногие

         Водяной ослик – обычно 1,2см в длину, самец несколько мельче. Встречается в стоячих или медленно текущих пресноводных водоемах, а также в солоноватых водах; среди растений или на дне водоемов. Питается отмершими растениями. Откладывает яйца в выводковую сумку, в которой некоторое время после вылупления живут молодые рачки.        отряд разноногие 

        Бокоплав – тело 1 см в длину. Живет на мелководьях Северного и Балтийского морей, часто большими скоплениями. Строит в грунте изогнутые туннели, цементируя их стенки специальным секретом. Для рытья норок, а также для захвата пищевых частичек использует крупные вторые антенны. Служит кормом донной рыбе. В Центральной Европе более 40 трудноразличимых видов бокоплава. Обитает в морях, пресных водоемах и подземных источниках.

        Тип моллюски

        Класс брюхоногие

        Катушка блестящая – до 10 мм в ширину и около 2 мм в высоту. Раковина очень блестит, сквозь нее просвечивают беловатые наросты - «зубы». Обитают обычно в мелких водоемах, канавах, болотах и т.п.

        Класс двустворчатые

        Беззубка – до 20 мм в длину, 12 см в высоту и 6 см в толщину. Раковина изнутри с сильным перламутровым блеском. Живет в стоячих и медленно текущих водоемах, на глубине до 2 м. Ползает по дну, прочерчивая в илистом грунте характерные глубокие борозды. Питается путем отфильтровывания пищи (мелкие организмы и частички детрита). За счет этого в значительной мере происходит биологическое очищение воды, что, кстати, можно использовать при устройстве аквариумов.

        Тип кольчатые черви

        Класс пиявки . Семейство челюстные пиявки.

        Пиявка ложноконская – около 10см в длину, максимально 15см. Зеленовато или буровато-черная. Распространена в прудах, реках и канавах, выходит и на берег. Хищник. Нападает на любое животное, которое может одолеть, например, на дождевых червей. Коконы откладывает во влажной почве на берегу.

        Медицинская пиявка – самая крупная (более 20см в длину) пиявка в Европе. Встречается в озерах, прудах, болотах; в настоящее время встречается не часто. Молодые пиявки питаются мальками и червями, а взрослые сосут кровь позвоночных животных и могут насосавшись до предела обойтись без пищи более года. Коконы откладывают в сырую прибрежную землю. Пиявки, подобны олигожтам – гермафродиты м похожи на них особенностями размножения (откладывают коконы через поясок), однако, их способность к регенерации значительно ниже и размножаются они только половым путем. Медицинская пиявка раньше широко распространялась при кровопускании. В настоящее время масштабы лечебного использования медицинских пиявок вновь увеличивается.

        Тип членистоногие

        Класс  ракообразные

        Речной рак – окраска изменчива. Живет в чистых водоемах; днем – в укрытиях, ночью ползает по дну в поисках пищи – мелких животных., растений и падали. В случае опасности делает резкие гребки брюшком и быстро уплывает задним концом вперед. После спаривания – осенью – самки заботятся о потомстве – прикрепляют оплодотворенные яйца к своим брюшным ножкам. Личинки вылупляются в мае следующего года и быстро развиваются в рачков около 1 см в длину. Вареные раки – деликатес. Загрязнение водоемов и эпидемические заболевания раков привели к снижению численности этого вида.

        Класс насекомые

        Жук-плавунец – 3-3,5 см в длину. Живет в спокойных, богатых растительностью водоемах. Днем находится в укрытии, лишь на короткое время поднимается на поверхность, подышать воздухом, слегка высунув из воды конец брюшка. При этом тражетная система заполняется свежим воздухом и обновляется его запас для дыхания под водой. Ловит мелких животных, даже головастиков и вялых, ослабленных рыбешек. При неблагоприятных условиях   перелетает на другой водоем. Высыхание водоема может пережить, закопавшись в иле. Откладывает яйцекладки до 1000 яиц (в марте-мае) в водные растения, которые постоянно имеют необходимый для развития яиц кислород. Личинки – свирепые хищники. Могут причинить заметный вред, уничтожая молодых рыб.

        Класс паукообразные

        Паук-серебрянка – 1-2 см в длину. Самец крупнее самки. Живет в богатых кислородом и растительностью водоемах, где строит сеть-колокол, заполненную воздухом. Для дыхания поднимается на поверхность, но может до 4 суток оставаться под водой. Набрав воздух в легкое и в волосяной покров на брюшке, паук уносит пузырьки воздуха под воду. Питается мелкими животными. Яйца хранит в нескольких коконах в особом двухкамерном колоколе. В нижней камере сидит самка, охраняя потомство.

        Тип хордовые

        Класс рыбы

        Сазан – культурные формы сазана называются карпами. Среди них различают три формы – голый карп, зеркальный и чешуйчатый. Длина тела в среднем 30 см, максимально до 1,5м. Родина сазана – Китай, Япония и Восточная Европа. В Центральной Европе только одомашненные формы. Дикая форма обитает в бассейнах Черного, Азовского, Каспийского и Аральского морей, реки Амур. Живет в мелких теплых водоемах с богатой растительностью. Питается мелкими животными, водными растениями, планктоном, но может есть и ячмень, кукурузу и т.п. (подкормка в прудах). Успех нереста зависит от температуры, поэтому карпов выращивают в мелких прудах. Мясо карпа очень ценится. Вылавливают рыбу из прудов осенью.

        Класс земноводные

        Жаба серая – в Центральной Европе самки до 13 см в длину, самец – мельче. Кожа спины в крупных бородавках; очень не уклюжая, самец издает тихие лающие звуки, что-то вроде «вэк». Можно встретить на полях, лугах, в огородах,даже в подвалах. Жабы очень полезны, так как уничтожают множество различных беспозвоночных животных. Для размножения идут в воду, собираясь в некоторых водоемах в огромных количествах. Головастики мелкие, черные. Иногда с обыкновенной жабой путают чесночницу обыкновенную, из семейства чесночницевых, которую можно узнать по большому желтоватому бугру.

        Жаба камышовая – до 8 см в длину. Легко узнаваема по узкой желтой полоске на спине. Самец с большими резонаторами, громко кричит «эрр-эрр-эрр». Несмотря на короткие задние ноги, может быстро бегать. Живет в различных биотопах, предпочитает, однако, песчаные почвы. Очень вынослива к сухости. Размножается в апреле-мае.

        Лягушка травяная – до 10см в длину. Голова спереди туповатая, окраска разнообразная, но не бывает травянисто-зеленой. Довольно плохо прыгает. Может далеко уходить от водоемов. Нерест и зимовка проходит в воде. Ранней весной в прудах слышен урчащий хор. В сильную жару лягушки порой исчезают (нечто вроде летней спячки). Питается различными беспозвоночными, ведет на суше преимущественно ночной образ жизни. Живет на болотистых лугах, в пойменных лесах и т.п.

        Лягушка прудовая – это гибрид между довольно мелкой и крупной, до 15 см в длину, оливково-земной озерной лягушкой. Самка обычно около 9 см, самец мельче. Голова спереди заостренная. Окраска варьируется от светло-зеленой до буроватой, чаще – ярко-зеленой. Встречается в больших и малых водоемах. Брачный период в мае-июне, но и позже можно услышать всем известные лягушачьи концерты. В отличие от травянистой лягушки ведет дневной образ жизни, любит погреться на солнышке. Отличить прудовую лягушку от озерной можно по цвету резонаторов: у прудовой они белые, у озерной – серые.

        Класс рептилии

        Уж  - обычно 1 м в длину. Характерны 2 желтых пятка на голове. Живет в различных местах, к примеру, по берегам водоемов, на откосах дорог, лугах. Часто охотиться вблизи водоемов, так как питается преимущественно лягушками. Спаривание обычно происходит в апреле-мае. Самка откладывает яйца кучкой, под гниющую листву. Совершенно безвредная змея, но ее нередко путают с гадюкой.

                 Ящерица – до 17 см в длину. В отличие от других видов, эта ящерица встречается и в сырых местах, и высоко в горах. Яйца не откладывает, детеныши вылупляются из них в теле матери. В зимнюю спячку впадают с октября по февраль.

                Гадюка -более крупная самка, свыше 80см в длину. Рисунок и окраска очень изменчивы. Живет чаще в сухих, прогреваемых местах, но встречается и в умеренно влажных. Рождает живых детенышей. Питается мелкими грызунами, ящерицами и лягушками, которых, как и все змеи, заглатывает, впрыскивая ей при укусе яд. Избегает человека, но, испуганная или внезапно потревоженная, может укусить. Ядовитая! Укус гадюки опасен для человека, но редко бывает смертельным. После укуса обязательно нужно обратиться к врачу.

        Класс птицы

        отряд гусеобразные

        Кряква – величиной до 0,5м. Живет на тихих водоемах с обильной растительностью, особенно с зарослями камыша, даже в больших городах. Самая обычная утка в Европе. Утки собирают корм, опустив головку вниз и отцеживая клювом растительный материал, а также беспозвоночных – червей, моллюсков, насекомых. Период размножения с марта по июнь. Пары образуют осенью предыдущего года и на зимовках. Гнездо обычно спрятано в траве на краю водоема. Объект спортивной охоты. От кряквы происходит утка домашняя.

        Чирок-свистон – самая мелкая из наших уток – 35см в длину. Предпочитает водоемы с зарослями камыша, встречается и в горах. Питается, как кряква. Период размножения в мае-июне. Замаскированное гнездо располагается на земле довольно близко от воды. Зимует в Южной Африке, редко на юге Европы.

        Чирок-трескун – длина около 40 см. Полет быстрый и бесшумный. Места обитания такие же, как у чирка-свистуна. По характеру питания сходен с кряквой. Время гнездования май-июнь. Гнездо тщательно спрятано на суше, более или менее близко от воды. Зимует в Южной Африке.

        Утка серая – около 50см в длину. Оперение невзрачное и мало отличается у самца и самки. Отличительный признак – белое зеркальце на крыльях. В полете похожа на крякву, с которой их путают. Похожи у них и голоса. Предпочитает более крупные водоемы с зарослями по берегам или заболоченные.

        Нырок красноголовый – около 45 см. Предпочитает более крупные водоемы с отмелями. Питается растительностью. Период размножения май-июнь.

        Лебедь-шипун – около 1,5м в длину. Стая летит, выстроившись в косую линию, шеи вытянуты, крик в полете глуховатый и хриплый. Характерные признаки – нарост на клюве. Дикие лебеди гнездятся на водоемах. Обычно на прудах, в парках. Питается водными растениями и беспозвоночными, которых добывает, опустив в воду длинную шею. Птенцы и молодые лебеди буровато-серые, белыми становятся через несколько лет.

        Гусь серый – длина тела около 80 см, самка мельче. Стая летит «гуськом» или клином. Предпочитает большие спокойные заросшие озера, открытые угодья. Кормится на суше: травой, проростками растений, семенами, корнями. От серого гуся ведет свою историю домашний гусь.

        Семейство пастушковые

        Камышница (водяная курочка) – максимум 30см в длину. Легко узнается по красной кожистой «бляшке» на лбу. При беге и на плаву, как большинство пастушковых, кивает головой и подергивает хвостиком. Летает редко. Предпочитает небольшие водоемы с густой растительностью. Питается различными мелкими животными и икрой рыб, а также растительной пищей.

        Лысуха  - не больше 40см в длину. Характерна белая кожистая «бляшка» на лбу и белый клюв. Хорошо плавает. Полет быстрый, взлетает с воды после долгого разбега. Обитает на крупных реках и озерах, питается водными растениями, мелкими животными, икрой рыб.

        Чернозобик – размером, примерно, со скворца (18 см), которого он напоминает в полете. Весной и летом грудь и передняя часть брюшка темно-бурые, зоб в темных пестринках. Плотного, немножко сутулое сложение. Выискивает в почве червей, улиток и других беспозвоночных, редко- растительную пищу.

        Чайка озерная – от темно-коричневой маски зимой остается лишь пятно за глазками. Передний край крыла ярко-белый, конец – черный. Обитает на различных водоемах. Питается в основном насекомыми и другими беспозвоночными, а также мелкой, преимущественно больной и мертвой рыбой, на суше – грызунами.

            Класс млекопитающие

        Отряд грызуны

        Ондатра обыкновенная – размером почти с дикого кролика: длина тела 30-40см (хвост до 25 см). Живет на богатых растительностью водоемах, активна в сумерках и ночью. Хорошо плавает и ныряет, питается водными растениями, а так же моллюсками, реже рыбой.

Глава 2. Методика исследований

1. СМС - загрязняющие вещества водоемов

        Наиболее распространенными химическими загрязнителями водоемов являются детергенты (от англ. Deterge- очищать) – поверхностно-активные синтетические вещества (СПАВ и ПАВ), употребляемые в промышленности и в быту как моющие средства.

        Важное свойство ПАВ – поверхностная активность, т.е. способность молекул абсорбироваться на границе раздела фаз и понижать поверхностное натяжение жидкости, чтобы смочить загрязненную поверхность, моющий раствор должен обладать достаточно низким поверхностным натяжением по сравнению с чистой водой. Ученые давно заметили, что, чем чище вода, тем больше нужно усилий, чтобы разорвать ее поверхностную пленку. Молекулы растворенных веществ, вклиниваясь между молекулами воды, делают поверхностную пленку менее прочной. Особенностью молекул ПАВ является наличие полярной карбоксильной группы (- COONa)  с гидрофильными свойствами, и длинной неполярной углеводородной цепи с гидрофобными свойствами. Гидрофильная часть способствует растворению вещества в воде, гидрофобная – его выталкиванию. В результате вся поверхность воды покрывается своеобразным «частоколом» из молекул ПАВ, образующих слой толщиной около 0,1 нм. Такая водная поверхность обладает увеличенной смачивающей способностью.

        Резко – более чем в два раза – понижает поверхностное натяжение мыла. Это значит, что мыльная вода может проникать в самые отдаленные уголки, в самые мельчайшие поры. В растворе мыла находятся как свободные молекулы ПАВ, так и коллоидные частицы – мицеллы, обеспечивающие солюбилизацию – растворение нерастворимых в обычных условиях веществ путем включения их внутрь мицелл. Молекулы ПАВ, проникая между частицами загрязняющего вещества и волокнами, приводят к возникновению расклинивающего давления, в результате чего загрязняющее вещество отрывается от поверхности. Моющее действие ПАВ обусловлено еще и тем, что детергенты образуют высокоустойчивые пены, гидрофобные пузырьки которых флотируют частицы загрязнений. Поступая со сточными водами в реки и водоемы, эти вещества образуют на поверхности воды «горы» устойчивой пены. В этом случае страдают вcе организмы, находящиеся в этих водоемах. Например, в реке Темзе погибло все живое, и даже было затрудненно судоходство из-за пены, скопившейся в черте   Лондона.

        Для достижения хорошего эффекта стирки вовсе не обязательны большие количества ПАВ. Более того, значительные количества моющего вещества при стирке могут оказаться вредными. Это объясняется тем, что детергенты состоят из отдельных молекул только в очень разбавленных растворах. Увеличение концентрации таких растворов до 2-3% приводит к тому, что молекулы ПАВ начинают объединяться, образуя мицеллы. Сначала они имеют шарообразную форму, затем преобразуются в вытянутые пластинчатые мицеллы. При концентрации 7-8% появляются сплошные мицеллярные слои, раствор детергента сильно загустевает, теряет свою текучесть и моющую активность. Это означает, что распространенное в быту мнение, что для лучшей стирки нужно брать побольше порошка, неправильно и даже вредно. При стирке нужно строго придерживаться указаний, данных на этикетке моющего препарата.

        Синтетические моющие средства (СМС) – это композиции, в состав которых, кроме ПАВ, входят различные добавки, органические и неорганические. Как бы ни различались названия шампуней, стиральных порошков и т.п., основными составляющими всех СМС будут одни и те же компоненты, разница – только в дозировке (табл.1.см. приложение 1).

        Из всех компонентов, входящих в состав СМС, наиболее загрязняют окружающую среду полифосфаты, предназначенные для связывания ионов, обусловливающих жесткость воды. Продукты гидролиза полифосфатов – монофосфаты – накапливаются в сточных водах. Непосредственной угрозы для человека они не представляют, но считаются опасными для водных экосистем, так как вызывают эвтрофикацию водоемов. Эвтрофицирование вод – это повышение их биологической продуктивности в результате накопления биогенных элементов. Эвтрофикация приводит к массовому развитию микроскопических водорослей и других микроорганизмов, а также бактерий, разлагающих отмершее органическое вещество. При этом расходуется значительное количество кислорода, а в воду выделяются токсичные продукты распада, что приводит к ухудшению условий обитания гидробионтов.

        СМС еще и сильные дезоксигенаторы, т.е. вещества, активно раздражающие растворенный в воде кислород. Поэтому они опасны для всего живого в воде даже в очень малых концентрациях. Например,  содержание в 1 л воды 1 мг моющего вещества токсично для рыб.

        Большинство ПАВ, которые используются в настоящее время, способны к биологическому разложению. Например, быстро и эффективно разлагаются алкилсульфаты и мыла, полученные из жиров, т.к. они содержат не разветвленные углеводородные цепи, которые по «зубам» многим бактериям. А вот алкиларилсульфонаты, которые входят практически во все СМС, разлагаются хуже, из разветвленные цепи, имеющие изостроение, бактерии «переварить» не могут ( табл.1 см. Приложение I).

        Загрязнение вод моющими средствами осложняется еще и тем, что даже их биологическое разрушение не является решением проблемы, так как сами продукты такого разложения в некоторых случаях являются токсичными. Микроорганизмы, процеживая через себя воду и получая, таким образом, питательные вещества, вместе с ними получают и дозу загрязнителя. Загрязнение распространяется по пищевой цепи, концентрация такого вещества на единицу веса каждого последующего консумента возрастает (см. Приложение III).

        Вода, содержащая даже следы синтетических моющих веществ, имеет неприятный вкус, плохо очищается на обычных очистных сооружениях, уменьшая их эффективность.

        В последнее время оказалось более перспективным изготавливать бытовые моющие препараты не в виде порошков, а в виде паст или гелей. Их изготовление дешевле, они не вызывают аллергии.

        Методика исследований подбиралась нами таким образом, чтобы используемое оборудование было простым, а результаты работы – наглядными и доступными. Для проведения исследований использовались моющие средства наиболее известные по рекламе и по результатам опроса населения (табл.2 см. Приложение II).

2.2. Оценка свойств воды и действия на них СМС.

        Определение кислотности воды проводили с помощью универсальной индикаторной бумаги. Способность моющих средств к пенообразованию оценивали визуально. Результаты исследований занесены в табл.2 (см. Приложение II). Поверхностное натяжение воды оценивали с помощью следующего опыта.

        При расчете коэффициента поверхностного натяжения удобнее всего пользоваться соотношением границы поверхностного слоя F = δ* l

                Приборы и материалы: весы с гирями, штатив, пробирка с песком, штангенциркуль или измерительная линейка с миллиметровыми делениями, лист бумаги, проволочка или проволочная рамка на нитях.

        Указания к работе

        1.Зажать весы в лапке штатива.

        2.Измерить штангенциркулем или масштабной линейкой длину проволочки (периметр рамки).

        3.Привязать к одной из чашек весов нить с подвешенной проволочкой или рамкой и уравновесить весы песком (песок сыпать на лист бумаги, положенный на чашку).

        4.Добиться горизонтального положения проволочки.

        5.Под чашкой установить стакан с водой так, чтобы поверхность воды находилась от проволочки на расстоянии 1-2 см.

        6.Медленно опустить проволочку или рамку так, чтобы она коснувшись поверхности воды, «прилипла» к ней.

        7.Очень осторожно добавлять песок до «отрыва» проволочки или рамки от поверхности воды.

        8.Осушить проволочку или рамку фильтрованной бумагой и вновь уравновесить весы, но уже при помощи гирь.

        9.При определении массы (m) песка действуют разнообразные факторы, приводящие к разбросу в значениях m. В таких случаях, необходимо проделать несколько опытов, найти среднее значение.

        mср =   m1+m2+m3+.../n

        10.Вычислить коэффициент поверхностного натяжения

        δ ср= mср*g /2 l

        Таким способом можно измерить поверхностное натяжение жидкости в условных единицах. Результаты расчета коэффициента поверхностного натяжения занесены в Главу 3 (см. раздел Главы 3.3.).

2.3. Изучения влияния СМС на обитателей водоемов.

        Эту работу проводили на простейших – одноклеточные существа удобны для наблюдения под микроскопом и важны для экосистемы, так как являются начальным звеном пищевой цепи. На предметное стекло наносили 2 капли жидкости с простейшими и каплю чистой воды, в которую добавляли минимальное, взятое на кончике препаровальной иглы, количество СМС. Затем каплю раствора СМС соединяли тонкой перемычкой (с помощью препаровальной иглы) с одной из капель с простейшими. После этого наблюдали за поведением простейших в этой и другой (контрольной) капле, отмечая характер происходящих изменений и время.

Глава 3. Результаты работы

1. Состояние экосистемы реки

        Продуцентами в экосистеме реки являются водоросли, в том числе фитопланктон и водные цветковые растения прибрежной зоны – рдест плавающий, элодея канадская, хвощ приречный. На берегу – заросли рогоза широколистного, камыша озерного, сусака зонтичного и др. Консументы первого порядка представлены большим числом видов, консументы второго порядка менее разнообразны. Для выступления перед аудиторией мы использовали стандартную схему сообщества реки (см. Приложение III).

        В результате увеличения демографической нагрузки на ландшафт, в настоящее время возрастает количество стоков, содержащих СМС. Были замечены случаи накопления хлопьев пены. Пока эта составляющая антропогенного загрязнения не нанесли существенного ущерба экосистеме водоема, но сложившаяся ситуация требует вмешательства.

3.2. Влияние СМС на свойства воды и ее обитателей

        Наблюдения показали, что под воздействием даже незначительного количества СМС жизнедеятельность микроорганизмов существенно меняется. Характер движения простейших становится иным: из поступательного оно превращается во вращательное (на одном месте). Через некоторое время простейшие погибают. Результаты исследований представлены в табл.2 (см. Приложение II).

3.3. Влияние СМС на силу поверхностного натяжения

        В ходе эксперимента мы определили, что чистая вода реки при температуре 200 С имеет коэффициент поверхностного натяжения равный 73,5 мн/м, добавление к воде даже незначительного количества мыла снижает его почти вдвое – до 43,2 мн/м. Содержание в воде стирального порошка влияет на коэффициент поверхностного натяжения еще значительнее. Он снижается до 21,1 мн/м.

         Заключение

Выводы

1. СМС, попадая в реки, неизбежно оказывают существенное влияние на экосистему.
2. Под воздействием компонентов СМС меняются такие важнейшие физико-химические показатели, как кислотность (величина рН), прозрачность, сила поверхностного натяжения, состав ионов, количество растворенного кислорода.
3. Изменение кислотности воды может привести к изменению видового состава экосистемы, гибели одних видов и вспышке численности других, нехарактерных для данного водоема (например, личинок комара малярийного). Изменение состава ионов может привести к эвтрофикации.
4. Образуемая СМС пена ухудшает освещение нижележащих слоев воды, нарушая условия фотосинтеза.
5. Попадающие в воду ПАВ, снижают силу поверхностного натяжения, делая невозможными нормальное передвижение, добычу пищи, коммуникация и размножение нейстонных организмов.
6. Компоненты СМС оказывают воздействие на все формы гидробионтов, особенно чувствительны к загрязнению детергентами микроорганизмы, начальное звено пищевых цепей.
7. Не следует стремиться к увеличению количества СМС в моющем растворе – выигрыша в качестве это не дает.
8. Сохранить водоем – значит предупредить попадание детергентов. Одни из путей достижения этой цели – экологическое просвещение населения.

Рекомендации по проведению занятий с младшими школьниками

1. Знакомство с экосистемой реки – рассказ с демонстрацией таблиц, микропрепаратов простейших (водных обитателей), моделей, коллекций.

2. Изучение влияния моющих средств на жизнь реки. Ознакомление с результатами опытов, предложенных в данном проекте. Для показа изменения силы поверхностного натяжения воды под действием СМС рекомендуем сделать из медной проволочки плоскую спираль в несколько витков, смазать ее вазелином и очень осторожно опускать на поверхность воды. Если капнуть в середину спирали ПАВ, спираль начинает вращаться. Опыт можно демонстрировать через графопроектор. При проведении занятий в начальных классах имеет смысл изготовить модели животных («водомерок») из бумаги, наклеить их на лезвие безопасной бритвы. Если аккуратно положить такую модель на поверхность чистой воды, она останется на плаву. При  добавлении в воду раствора СМС модель тонет.

3. Демонстрацию влияния СМС на простейших можно проводить фронтально. Рекомендуется предварительно вырастить культуру простейших, для чего достаточно поместить в кристаллизатор несколько луковиц репчатого лука, налив немного воды на его дно. Через 6-8 дней культура готова к демонстрации.

Литература

1. Алексеев В.А. 300 вопросов и ответов по экологии. - Ярославль: Академия развития, 1998.
2. Артеменко А.И. Органическая химия и человек. -М.: Просвещение, 1985.
3. Букцус П.Ф. Книга для чтения по органической химии. -М.:Просвещение, 1985.
4. Зданович В.В. Жизненные формы гидробионтов // Биология, 2003, № 6.
5. Иорданский А. Будет кисленький дождь // Химия и жизнь, 1983, № 1.
6. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Т.1.-М.: Прогресс, 1993.
7. Нифантьев Э.Е., Парамонова Н.Г. Основы прикладной химии. -М.: ВЛАДОС, 2002.
8. Ольгин О.М. Опыты без взрывов. -М.: Химия, 1986.
9. Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. -М.: Педагогика,1981.
10. Пономарева И.Н. Экология.-М.: Вентана-Граф, 2001.
11. Райков Б.Е., Римский-Корсаков М.Н. Зоологические экскурсии. - М.:ТОПИКАЛ, 1994.
12. Реймерс Н.Ф. Краткий словарь биологических терминов. -М.: Просвещение, 1995.
13. Феоктистова Н.Ю. Бегущие по воде // Биология, 2002, № 37.
14. Шульпин Г. Химия стирки // Наука и жизнь, 1981, № 3.
15. Элементарный учебник физики. Ред. Ладсберг Г.С. Т.1 -М.: Наука, 1972.