Способы высушивания до постоянного веса

Валюминометрические методы (валюменометр Усачева, Яшнова).

Метод Ломана.

Метод геометрического подобия.

Задача:

Определить биомассу водоросли цилиндрической формы L(h)= 300 μm, d= 20 μm, обнаруженных в количестве 300000 кл∙л^-1

Решение:

1) Определяем площадь основания цилиндра

S= πD²/4= πR² = 0,785 D² (314 μm²)

2) Определяем объем цилиндра (клетки фитопланктона), или вес, так как он равен произведению плотности (равной единице) на объем

V= S∙h= 0,785∙20²∙300= 0,785∙120000= 94200 μm³

Соотношение единиц массы к объему, с учетом того, что плотность планктона и воды равна единице:

1г= 1см³

1мг= 1 мм³ = 1000 000 000 μm³ = 10⁹ μm³ (т.е. объект, имеющий объем 1 млрд куб. микрон

имеет массу 1 мг)

3) Вычисляем биомассу фитопланктона зная численность клеток в единице объема воды и массу (вес) одной клетки

В= (94200 ∙ 300000)/ 10⁹ = 28,26 мг∙л^-1

Для определения объема используется модель исследуемого организма, вылепленная из пластилина на проволочных осях, длина которых пропорциональна промерам, снятым с исследуемого объекта под микроскопом. В мерный цилиндр с известным объемом воды погружается изготовленная модель и определяется ее объем по объему вытесненной жидкости. Масса (вес) исследуемого организма находится из пропорции:

L_М/L_О = V_М/V_О следовательно V_О= (L_О ∙ V_М) / L_М

где L_О – длина объекта, измеренная под микроскопом, L_М - длина модели, измеренная линейкой, V_М - объем или вес воды, вытесненной моделью, V_О - вес (масса) объекта.

Недостатки: значительная трудоемкость и недостаточная точность получаемых результатов, в особенности, когда тела организмов имеют сложную форму, либо сильно опушены щетинками, шипиками и т.п.

Недостаток использования таблиц весов: не учитывают реальные размеры организмов, что может сильно исказить итоговую биомассу, не выявить какие-либо долгопериодные изменения структуры сообществ.

Чаще всего используются при определении биомассы планктона и дают удовлетворительные результаты при достаточно большой биомассе в пробе (порядка нескольких сотен миллиграммов).

Для крупных организмов (от нескольких мг и выше: водоросли макрофиты, макрозообентос, рыбы) сырая масса находится прямым взвешиванием.

Основная трудность: необходимость освободить исследуемые организмы от наружной воды. При обсушивании сразу же после удаления наружной воды начинает извлекаться вода, входящая в состав тела. Уловить момент перехода очень трудно.

Учет наружной воды:

1. Непрерывное взвешивание. Истинный вес соответствовал остановке или перегибу.

2. Метод помещения исследуемых организмов в раствор определенного вещества известной концентрации (глюкоза).

3. Стандартизация времени и способов обсушивания (одноминутное обсушивание, обсушивание до прекращения появления мокрых пятен). Тщательное и точное соблюдение условий и времени обсушки позволяет получать результаты с ошибкой 5% и менее.

Определение сырого веса моллюсков, особенно двустворчатых, большие погрешности в определении их веса, сопряжены с водой, содержащейся в мантийной полости (ее нужно удалять).

Изменение веса, связанное с фиксацией формалином. Стабилизация веса наступает после 4 месяцев хранения, потеря составляет 2-4%.

Методика определения сухой массы (веса) - DW

1. Высушивание в эксикаторах над осушителями (CaCl₂, H₂SO₄ силикагель и др.): 20-25 сут.

2. Высушивание под вакуумом.

3. Лиофильная сушка.

4. Сушка в инфракрасных лучах.

5. Сушка в сушильном шкафу.

Рекомендуемая температура: 100-105⁰С (использовали 50-105⁰С). Величины постоянного веса, полученные при разных температурах, отличаются. При массовых определениях ими можно пренебречь в случае стандартизации. Различия в весе при обсушке при 50⁰С и 105⁰С составляют 3,5%. При температуре 100-105⁰С сырой вес достигает постоянного веса за 2-3 часа. Обращайте внимание на тип весов, с тем, чтобы точность определения была не менее ±1-3%.

Определение золы

Количество золы может колебаться у различных представителей одного и того же вида (масса раковины мидии = 80-86%, еще больше у рапаны). Содержание золы в тканях пресноводных моллюсков колеблется от 11 до 30 % от сухого вещества.

Метод – прокаливание в муфельной печи. Помнить (!): некоторые соли, входящие в состав минеральной фракции тела водных организмов, при определенных температурах (свыше 550⁰С) начинает интенсивно разлагаться CaCO₃, основной скелетный материал многих беспозвоночных. За счет этого величина минерального остатка может снизиться до 44%. При этом разложение солей происходит очень быстро после достижения критической температуры. В муфельной печи пространственный градиент температуры может достигать 50⁰С.

Для полного сгорания органического вещества навески порядка 100 мг сухого веса достаточно 20-24 часов прокаливания.

Определение золы в теле моллюсков следует проводить, предварительно освободив его от раковины, и анализировать только мягкие ткани. AFDW – ash free dry weight – вес сухого беззольного вещества.

Определение калорийности

С 1981 г. СССР принял в качестве ГОСТ стандарта Международную систему единиц (СИ): 1 кал = 4,187 Дж; 1 Дж = 0,239 кал.

Калорийность сухого вещества тела водных организмов колеблется в широких пределах от 0,2 до 8,0 ккал/г, что обусловлено разным соотношением минеральной и органической фракции.

А.П.Остапеня и А.И.Сергеев показали, что калорийность сухого вещества самых разнообразных морских и пресноводных, планктонных и бентосных организмов прямо зависит от соотношения между органической и минеральной фракциями сухого вещества. Эта зависимость описывается уравнением:

q= 0,0559 × ОВ_%

где q - калорийность сухого вещества, ккал×г^-1; ОВ - процент органического вещества (ОВ) в пробе. Было показано, что с вероятностью 0,997 калорийность ОВ различных водных организмов в среднем составляет 5,59 ккал.г^-1 (23,40 Дж×мг^-1 сухой массы ОВ). Содержание органического углерода в сухом беззольном органическом веществе (AFDW) составляет в среднем 50%, т.е. 46,80 Дж×мг^-1 С. Реально оно колеблется в переделах 39,69-53,76 Дж×мг^-1 (С). Чаще всего энергетический эквивалент массы углерода принимают равным 44,77 (т.е. 1 мг С= 44,77 Дж).

Таким образом, в настоящее время довольно твердо установлено, что калорийность органического вещества водных организмов близка к 5,6 – 5,8 ккал/г ОВ (23,4-24,3 кДж/г ОВ). Отклонения обусловлены отличием химического состава организмов.

Определение калорийности микрофитов (клеток фитопланктона) производили расчетным способом по величине объема их тела (V, мкм³) с помощью уравнений Р. Стратмана (1967):

lg C= -0,422 + 0,758 (lg V) для диатомовых водорослей

lg C= -0,460 + 0,866 (lg V) для остальных групп

где С – биомасса водоросли, выраженная в единицах органического углерода, 10^{-12 г С·кл-1}. Для перевода значений в единицы энергии допускалось, что 1 мг С= 44,77 Дж.

Методы определения калорийности

1. Прямая калориметрия (Микробомбовый калориметр).

Сжигание пробы в избытке кислорода под давлением (25-30 атм) в бомбе. Измерение производится по учету изменения температуры с точностью до 0,002⁰С, что обеспечивает точность определения 0,1-1%. Его сочетают с определением золы, хотя погрешность связана с Т= 1000⁰С. При 50% золы поправка составит 3-4%.

2. Мокрое сжигание (сильные окислители: йодат KJ, бихромат калия K₂Cr₂O₇).

По разности между исходным количеством окислителя и оставшимся после окисления пробы рассчитывается количество кислорода, затраченное на окисление ОВ. По этим данным с помощью оксикалорийного коэффициента определяется калорийность исследуемого вещества.

Оксикалорийный коэффициент = 3,4 ккал/1 г О₂ (14,24 кДж/г) [1 мл О₂ = 1,429 мг О₂].

Бихроматное окисление впервые в СССР было применено Г.Г. Винбергом (1934). Существует два варианта:

1) Хромовая смесь применяется в присутствие разбавленной серной к-те при Т=180-200⁰С в течении 5 мин..

2) Хромовая смесь применяется в присутствие концентрированной серной к-ты при Т=100⁰С в течении около 2 час.

3. Расчет калорийности по химическому составу.

Все органические вещества имеют определенную теплоту сгорания. Отсюда, если определен химический состав органических фракций (белки, жиры и углеводы) исследуемых организмов и известны калорийные эквиваленты найденных веществ, нетрудно рассчитать калорийность исследуемых организмов (q):

q = (5,65 ∙ Б + 4,10 ∙ У + 9,45 ∙ Ж) / 100 = ккал/г

q = (23,66 ∙ Б + 17,17 ∙ У + 39,57 ∙ Ж) / 100 = кДж/г

где Б – белки, У – углеводы, Ж – жиры.

Соотношение между белковой и углеводной фракциями сравнительно мало влияет на калорийность, т.к. их энергетическая ценность близка (соответственно 5,65 и 4,10 ккал/г). Основное влияние оказывает содержание жира (9,45 ккал/г).

Задача:

Дафния в период размножения содержит 21% жира, тогда как в другое время – 4%. На сколько % изменяется ее калорийность, если содержание белка и углеводов в составе ОВ принять равным?

Решение:

Определяем удельную калорийность дафнии в период размножения:

1) 100 – 21= 79%

2) 79:2= 39,5% (содержание белков, углеводов)

3) q= 9,45 ∙ 0,21 + 5,65 ∙ 0,395 + 4,10 ∙ 0,395 = 5,83 ккал/г

Определяем удельную калорийность дафнии после размножения:

4) 100 – 4= 96%

5) 96:2= 48% (содержание белков, углеводов)

6) q= 9,45 ∙ 0,04 + 5,65 ∙ 0,48 + 4,10 ∙ 0,48 = 5,06 ккал/г

Определяем изменение калорийности

7) 5,83 – 5,06= 0,77 ккал/г

8) 0,77 ∙ 100 /5,83 = 13,2 %

Тот факт, что калорийность ОВ самых разных организмов независимо от их видовой принадлежности в большинстве случаев близка к 5,6 ккал/г (23,45 кДж/г), позволяет использовать эту величину при приближенных расчетах.

Задача:

Определите калорийность гидробионта, если его DW= 0,5 мг?

Решение:

Поскольку для большинства организмов калорийность 1 г сухого веса (DW)= 23,45 кДж/г или 1 мг DW = 23,45 Дж находим

23,45 Дж/мг ∙ 0,5 мг = 11,72 Дж (DW),

либо 11,72 ÷ 44,77 = 0,26 мг С, или 0,5 ∙ 50%

При сжигании белков, жиров и углеводов образуются одни и те же вещества (СО₂ и Н₂О), поэтому их физическая калорийность равна физиологической. Однако, физиологическая калорийность белков и других азотсодержащих веществ может существенно отличаться, из-за не полного окисления. Конечным продуктом азотистого обмена являются:

· аммиак – водные беспозвоночные, пресноводные рыбы

(физиол.калор. Б = 5,5 ккал/г)

· мочевая кислота – насекомые, пресмыкающиеся и птицы

(физиол.калор. Б = 4,8 ккал/г)

· мочевина – морские рыбы, амфибии и млекопитающие

(физиол.калор. Б = 4,3 ккал/г).

При средней калорийности Б = 5,65 ккал/г, для беспозвоночных физиологическая калорийность оказывается ниже на 2,65 %, а для морских рыб – на 23,9% (в среднем 13,3%).

Для расчета калорийности водных организмов по их химическому составу приводит к результатам, которые на 18% ниже данных, получаемых методом прямой калориметрии.

Методы определения органических веществ

Белки – методы Кьельдаля и Лоури.

Жиры – метод Сокслета.

Углеводы – фотометрические методы с использованием антронового реактива.

* * * * *

Вопросы

1. Биомасса и способы ее выражения.

2. Сырой и сухой вес, методы определения.

3. Энергетический эквивалент массы тела.

4. Состав органического вещества гидробионтов.

5. Методы определения калорийности.

Лекция 2. Первичная продукция

Концепция продуктивности. Методы определения первичной продукции. Первичная продукция планктона и бентоса. Основные факторы, определяющие первичную продукцию. Динамика роста популяций одноклеточных водорослей.

Когда исследователь задается вопросом: с какой скоростью данная биосистема воспроизводит себя или производит определенный продукт, он сталкивается с проблемой биопродктивности.

Термин продуктивность издавна используется в сельском хозяйстве применительно к домашним животным и культурным растениям. В общей экологии этот термин стали употреблять в более широком смысле. При этом понятие продуктивности, применявшееся к особям и группам особей, распространили на более широкий круг биологических систем, включая сообщества различной сложности.

Любой органический продукт (компонент общей продукции) находит своего потребителя в живой природе. Выпадение вещества из круговорота происходит только в результате недоступности для потенциального потребителя. Поэтому широкий экологический подход к проблеме биопродуктивности заставляет учитывать все, что производит та или иная биологическая система. Без изучения скоростей воспроизводства отдельных звеньев сложных сообществ невозможно глубокое раскрытие картины функционирования природных экосистем.

С проблемой продуктивности тесно связаны и такие «побочные» направления проблемы ресурсов, как оценка ресурсов устойчивости и самоочищения среды. Перенос и трансформация разного рода загрязнений в природе в большой мере происходят при участии живых организмов. Скорости этих процессов определяются скоростями эколого-физиологических процессов, раскрываемыми в ходе изучения продуктивности. Что касается устойчивости экосистем, то наиболее легко ранимыми и ключевыми звеньями являются сообщества живых организмов. Устойчивость последних также в большой мере связана с уровнем их эколого-физиологической активности.

Основные понятия и показатели продуктивности

Задача изучения продуктивности состоит в выяснении скорости, с которой разные биосистемы в тех или иных условиях производят (или могут производить) подобное себе вещество, используя для этого ассимилированные соединения и энергию. Любая биологическая система существует лишь при непрерывном обмене веществ с окружающей средой. Разрушение и убыль возмещаются воспроизводством массы характерного для данной системы состава.

Продуктивность биологической системы – ее способность производить подобное себе вещество.

Все биосистемы обладают продуктивностью, и системы одного типа сравнивают по уровню продуктивности (скорости продуцирования), о чем судят по величинам продукционных показателей. К основным продукционным показателям относятся продукция и удельная продукция.

Продуктивность первичная валовая (или валовый фотосинтез) – общее количество ОВ, продуцируемого автотрофами в процессе фотосинтеза в течение определенного периода времени, включая ту органику, которая расходуется на дыхание.

Продуктивность первичная чистая – это разница между валовой первичной продукцией и количеством вещества, израсходованного на поддержание системы, на дыхание и пр. Это запасаемое автотрофными организмами ОВ, которое идет на рост фитомассы.

Продукция есть все произведенное данной биосистемой за рассматриваемое время вещество с вычетом трат на обмен, независимо от ого, находится ли оно в конце исследуемого периода в системе или элиминировано.

Обычно подразумевается ОВ, синтезированное системой, но оценка продукции чаще всего производится в терминах «живой массы», включая скелетные и другие подобные образования (например, створки кремневого панциря диатомовых, или раковина моллюсков). Отсюда очевидно, что к продукции относят все образовавшееся в ней вещество, входящее в «живую массу» системы.

Продукция первичная – биомасса или энергия, накопленная продуцентами за единицу времени на единицу пространства (валовая и чистая ПП). Характеризует исходный уровень биологической продуктивности биоценозов. У планктонных водорослей на дыхание используется 15%, у травянистых растений – 40-50%, у деревьев – 70-80% валовой первичной продукции.

Продукция валовая, или общая биологическая продукция, суммарная скорость образования ОВ популяцией или сообществом (биоценозом) за определенный промежуток времен на единицу пространства.

Общая первичная продукция экосистемы (или брутто-продукция) – суммарное количество ОВ и энергии, фиксируемое всеми автотрофами экосистемы.

Для детального изучения продукционного процесса в биосистеме необходимо получить информацию в масштабе времени, характерном для индивидуального существования системы и ее основных компонентов. Так, для микроорганизмов, одноклеточных водорослей или коловраток невозможно изучать продукцию сразу за год и даже месяц, тогда как для многоклеточных водорослей и многолетних животных такой подход вполне возможен.

С целью сравнения наиболее удобно в качестве основной единицы времени использовать сутки. В любом случае необходимо указывать какая (по времени) продукция изучается: суточная, месячная. Годовая и т.п. Поскольку продукция измеряется или вычисляется за определенный период времени, принимаемый за единицу, она может одновременно рассматриваться и как скорость продукции (скорость продуцирования). В общем случае продукцию и скорость продукции рассматривают как синонимы.

Помимо временных продукция имеет также пространственные границы. Так, изучают продукцию популяций в их ареалах, сообществ в границах соответствующих биотопов, на квадратном метре поверхности, в кубометре воды.

Удельная продукция – продукция за единицу времени в пересчете на единицу биомассы продуцирующей биосистемы.

Причем расчет удельной продукции производится обязательно на единицу средней биомассы. В зависимости от избранной единицы времени получают часовую, суточную, месячную, годовую удельную продукцию. Наиболее приемлемым сравнительным показателем является суточная удельная продукция. Сравнение проводится как по величинам продукции, так и по удельной продукции.

Сравнительная суточная удельная продуктивность массовых представителей основных структурных компонентов экосистемы Черного моря

Фитопланктон 1,828-2,967 сут^-1

Зоопланктон 0,484-1,042 сут^-1

Макрофитобентос 0,008-0,017 сут^-1

Макрозообентос 0,011-0,017 сут^-1

Знание динамики биомассы и характера изменений удельной продукции позволяет легко оценить продукцию. Поскольку данные о биомассе системы получают почти при любом гидробиологическом исследовании, в центре внимания исследователя неизменно оказывается удельная продукция.

Методы определения первичной продукции.

В 1817 году французы Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенам Кавенти впервые выделили хлорофилл (с греч., «зеленый лист»). Позже они же открыли хинин, стрихнин, кофеин и некоторые другие вещества растительного происхождения.

В 1865 году немецкий ботаник Юлиус фон Захс показал, что, хотя листья растений и кажутся ровно окрашенными, хлорофилл неравномерно распределен в растительной клетке и локализуется он в маленьких субклеточных включениях, которые позднее назвали хлоропласты.

В основу изучения первичной продукции планктона положено общеизвестное балансовое равенство фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ – 674 ккал/моль

Это же равенство при чтении справа налево передает итог деструкции ОВ в процессе аэробного обмена или дыхания организмов, когда субстратом дыхания служат углеводы.

О величине продукции в принципе можно судить по нескольким различным показателям, например, по скорости выделения кислорода, потреблению углекислоты, изменению рН, накоплению продуктов фотосинтеза.

Кислородный метод.

По отношению к морскому планктону этот метод впервые был применен немецким физиологом Пюттером (1908).

В соответствие с уравнением фотосинтеза 1 мг освобожденного кислорода соответствует 0,375 мг синтезированного углерода, при этом потребляется 3,5 кал солнечной энергии, таким образом, по выделению свободного кислорода в процессе фотосинтеза можно судить о количестве образовавшегося ОВ.

Определение производят, инкубируя воду с фитопланктоном в светлых и темных склянках (описать судовой вариант и непосредственно в водоеме) в течение суток при температуре воды и естественном освещении. По разности в содержании кислорода в склянках, инкубируемых на свету и в темноте, судят о фотосинтезе. Разница между исходным содержанием кислорода и таковым после суточной экспозиции в темноте дает значение деструкции (дыхания). Валовая продукция определяется по разности в содержании кислорода в инкубируемой пробе воды без затемнения. Соответственно чистую продукцию получают вычитанием затрат на дыхание из величины валовой первичной продукции. Чистую продукцию планктона следует отличать от чистой продукции фитопланктона, которая представляет собой валовый фотосинтез за вычетом затрат кислорода на дыхание только фитопланктона. Последняя величина не поддается прямому измерению и чаще всего остается неизвестной или оценивается косвенным образом. Затраты на дыхание фитопланктона в среднем достигают 15-20% валовой первичной продукции.

Дата добавления: 2014-01-13