Рыбоводство

Тема  2. Определение физических свойств

и химического состава воды

 

Цель занятия: изучение методик отбора проб и методов определения физических свойств и химического состава воды.

Задание:

1) изучите методы отбора проб;

2) научитесь определять физические свойства воды;

3) определите содержание кислорода и рН в аквариумной и водопроводной воде.

Как и всякий живой организм, рыба нормально растет и развивается при благоприятных условиях внешней среды. Поэтому исследование среды ее обитания является обязательным условием при оценке водоема как рыбоводного угодья.

В природных условиях вода не бывает в чистом состоянии, а содержит различные растворенные и взвешенные в ней вещества. Количество и состав их обусловливают важнейшие качества воды и возможность ее практического использования. Комплекс растворенных веществ определяет химический состав природной воды, знание которого имеет важное практическое значение при использовании водных объектов (озер, прудов, водохранилищ, рек, артезианских скважин), в том числе и для рыбохозяйственных целей.

Биологические процессы, протекающие в водоеме, во многом зависят от физических свойств и химического состава воды. В рыбоводном хозяйстве систематически проводятся исследования по определению основных показателей водной сферы. Во многих случаях регулярный контроль за качеством воды ограничивается определением растворенных газов, в основном кислорода, а также температуры воды.

В соответствии с намеченными задачами устанавливают, какой анализ воды необходимо произвести.

В настоящее время при контроле за рыбоводными процессами, а также в ходе проектно-изыскательских работ, связанных со строительством новых прудов и водохранилищ, производят один из перечисленных ниже типов анализа воды:

1) текущий – определяются физические свойства воды (температура, прозрачность, цвет, запах, вкус), активная реакция (рН), содержание кислорода, свободной углекислоты и сероводорода;

2) сокращенный общий – помимо указанных выше показателей дополнительно определяют щелочность, карбонатную жесткость, окисляемость воды и содержание общего железа;

3) общий – дает характеристику воды; уточняются те же показатели, что и в сокращенном анализе, дополнительно определяется общая жесткость, окисляемость фильтрованной воды, содержание азота (аммонийного, нитратного, альбуминоидного), фосфатов, кальция, магния, окисного и закисного железа, сульфатов и хлоридов, а при необходимости и других веществ, находящихся в воде.

Количество воды, которое необходимо отобрать для пробы, зависит от числа определяемых компонентов. Для газового анализа достаточно взять 500 мл, а для полного – не менее 2 л.

При проведении гидрохимических исследований особое внимание следует обращать на отбор проб воды.

Его следует выполнять, тщательно придерживаясь следующих основных правил:

- проба должна быть отобрана так, чтобы она соответствовала условиям, наблюдающимся в водоеме;

- отбор пробы, хранение ее, транспортировка и обращение с ней должны проводиться так, чтобы не произошло изменений в содержании определяемых компонентов или в свойствах воды;

- объем пробы должен быть достаточным для определения всех намеченных компонентов.

Место для отбора пробы выбирают в соответствии с целью анализа. Вода озер, водохранилищ и больших по площади прудов неоднородна по своему составу, поэтому пробы отбирают на разных участках и с различных глубин. На рыбоводных прудах должны быть определены стационарные точки для взятия проб воды.

При контроле за зимовкой рыбы пробы отбирают в головном пруду, водоподающем канале, в зимовальных прудах в месте подачи воды из канала и у водоспуска. Горизонт отбора проб зависит от глубины водоема: при небольших глубинах водоема пробы отбираются под поверхностью и у дна (0,2–0,5 м от дна); если водоем имеет значительную глубину, то пробы отбирают на стандартных горизонтах: 0,5; 2; 5; 10 м и т. д.Время взятия проб воды также имеет значение. В летний период пробы воды желательно брать в утренние часы, когда наблюдается наиболее напряженный газовый режим. Пробы воды для химического анализа отбирают с помощью специального прибора – батометра (рис. 27).

Батометр представляет собой латунный полый цилиндр с открывающимся дном и верхней крышкой. При взятии пробы батометр с открытыми дном и крышкой опускают в воду. На заданной глубине встряхивают трос-веревку и батометр захлопывается, в нем остается проба воды с заданной глубины.

Пробы воды для определения кислорода помещают в специальные кислородные склянки и фиксируют сразу же на месте отбора. Одновременно из батометра берется вода для определения СО₂ и рН.

Химическому анализу воды предшествует определение ее физических свойств: температуры, прозрачности, цвета.

 

 

 Рис. 27. Батометр:а – заводской;б – самодельный

 

Температура воды – один из наиболее важных экологических факторов. Температура воздействует на распределение гидробионтов в водоемах и на скорость протекания различных жизненных процессов в их организмах (интенсивность обмена веществ, скорость полового созревания, темп роста и т. д.). С учетом температурного режима водоема определяются и наиболее подходящие для выращивания в нем виды рыб. Так, теплолюбивые виды рыб, такие как карп, белый амур, буффало, наиболее интенсивно питаются и хорошо растут при температуре 23–30 °С.

При снижении температуры воды до 12–14 °С интенсивность питания падает, а при температуре ниже 4 °С эти рыбы почти не питаются. Повышение температуры в водоеме выше 32 °С вызывает снижение аппетита, ухудшение условий дыхания у рыб, так как потребность в кислороде у них растет.

Температура определяет и растворимость газов в воде. Температура воды значительно устойчивее, чем воздуха, что связано с большой удельной теплоемкостью воды. В прудах температура воды изменяется в зависимости от времени года, климатических условий, времени суток. Температуру воды измеряют специальными термометрами с делениями 0,1 °С. Термометр (в металлической оправе с чашечкой) крепят на размеченном  тросике и  опускают  на  определенную  глубину  на 5 минут, затем поднимают на поверхность и определяют температуру.

Прозрачность – одно из важных физических свойств воды. Степень прозрачности воды зависит от количества взвешенных и растворенных в ней органических и минеральных веществ. В летний период прозрачность в значительной мере зависит от развития водорослей. Значение показателя прозрачности определяется тем, что интенсивность фотосинтеза (являющегося основным источником кислорода в водоеме) зависит от характера распространения света в толще воды. Зная прозрачность воды, можно иметь представление о том, как протекают процессы фотосинтеза в толще воды.

Прозрачность определяют с помощью металлического диска (диск Секки), покрытого белой краской. Диск на размеченном шнуре или тросе опускают в воду до тех пор, пока он не исчезнет из поля зрения, и поднимают его, пока он снова не станет заметным. Средняя величина между этими показателями в сантиметрах или метрах будет считаться прозрачностью воды. Оптимальной считается прозрачность, составляющая 1/3 глубины водоема.

Цвет воды является показателем некоторых ее химических и биологических особенностей. Чаще всего цвет воды зависит от количества растворенных в ней органических веществ. Окраска воды сама по себе, по-видимому, не играет роли в жизни водных организмов. Однако изменения ее в ряде случаев могут служить показателем неблагоприятных условий в водоеме.

Цвет воды выражается в условных единицах – градусах платино-кобальтовой шкалы. Измеряют цвет воды сравнением исследуемого раствора со стандартной шкалой. Цветность наиболее подходящего стандарта и будет цветностью испытуемой воды. Цветность более 30^о считается высокой, и вода с такой цветностью обычно не рекомендуется для водоснабжения рыбоводных прудов.

При рыбоводных работах особое внимание уделяется изучению кислородного режима водоемов, так как наличие в воде растворенного кислорода является обязательным условием для существования большинства водных организмов.

В результате изменения температуры воды, освещенности и влияния других факторов в водоемах наблюдаются периодические сезонные и суточные колебания в количестве кислорода, растворенного в воде. Поэтому рыбовод обязан постоянно контролировать содержание кислорода в воде.

Определение содержания растворенного кислорода. Одним из стандартных методов определения кислорода, получивших широкое распространение в гидрохимической практике, является йодометрический метод Винклера. Он основан на взаимодействии гидрата закиси марганца в щелочной среде с кислородом, растворенным в воде. В ходе реакции растворенный кислород связывается и образуются водные окислы марганца высшей валентности. В кислой среде марганец переходит в двухвалентное соединение, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количество ионов йода. Выделившийся йод оттитровывают с помощью раствора гипосульфита и по количеству его, затраченному на титрование, вычисляют содержание кислорода.

Точное определение концентрации кислорода в воде возможно при соблюдении обязательных правил отбора проб: исследуемую воду берут при помощи батометра или других приспособлений, предохраняющих ее от перемешивания с воздухом. Вода из батометра переносится в специальные кислородные склянки с притертыми пробками, или пикнометры, вместимостью 100–150 мл. Склянку наполняют так, чтобы верхний слой воды, соприкасавшийся с воздухом, вылился. Не закрывая склянку, сразу же вводят в нее 1 мл раствора едкого натра с йодистым калием (NaOH + KJ) и 1 мл раствора хлористого марганца (МnСl₂). Указанное количество реактивов рассчитано на пробу объемом 100–150 мл. Пипетки с реактивами погружают до половины склянки и затем по мере выливания реактивов поднимают вверх. Для каждого из указанных растворов необходимо иметь отдельные пипетки. В зимнее время фиксацию кислорода можно производить сразу же после переноса проб в помещение.

После добавления щелочи и хлористого марганца склянку закрывают, следя за тем, чтобы под пробкой не осталось пузырьков воздуха. Содержимое склянки тщательно перемешивают. После фиксации кислорода проба должна некоторое время постоять, с тем чтобы образовавшийся осадок полностью опустился на дно. Как только жидкость над осадком станет прозрачной, склянку открывают и пипеткой вводят 2 мл серной кислоты (1:1), или концентрированной ортофосфорной кислоты, или соляной кислоты (НСl). Делают это осторожно, чтобы осадок не поднялся вверх. Склянку закрывают пробкой и содержимое вновь перемешивают.

Когда осадок полностью растворится, из склянки пипеткой берут 50 или 100 мл исследуемой воды и переносят ее в коническую колбу вместимостью 200–250 мл. Титрование ведут 0,01 н. или 0,02 н. раствором гипосульфита. Содержимое колбы во время титрования необходимо перемешивать. После того как цвет раствора станет слабо-желтым, прибавляют 1 мл свежеприготовленного раствора крахмала. Окрасившуюся в синий цвет пробу дотитровывают с особой осторожностью до полного обесцвечивания. Если кислорода в воде мало и цвет жидкости после растворения осадка кислотой оказался бледно-желтым, а не бурым, крахмал добавляют с самого начала титрования. При этом учитывают все количество гипосульфита, пошедшего на титрование.

Содержание кислорода в воде определяют по следующей формуле:

 

где П  – количество гипосульфита, пошедшего на титрование;

К – поправка на нормальность гипосульфита;

0,08 – количество кислорода, эквивалентное 1 мг 0,01 н. раствора гипосульфита;

О – объем воды;

о  – объем прибавленных реактивов.

Если для титрования используют не весь объем склянки, а берут 50 мл воды, то вычисление ведут по упрощенной формуле:

 

О₂ = 1,6 ∙ П ∙ К, мг/л.

 

При использовании метода Винклера помимо йодометрического возможно и колориметрическое определение кислорода. Так, по цвету, полученному после добавления в пробу воды раствора реактивов NaOH + KJ, МnСl₂ и H₂SO₄, можно судить о количестве растворенного кислорода. Для этого используют подготовленные стандартные растворы и цветные шкалы, а также колориметрическую кривую для определения на фотоэлектроколориметре.

В настоящее время в рыбоводстве все шире стали применять приборы оксиметры, позволяющие уточнять количество содержащегося в воде кислорода в очень короткий срок.

При анализе кислородного режима водоема важно знать не только абсолютное количество кислорода, растворенного в воде, но и его относительное содержание – процент насыщения от нормы при данной температуре (табл. 5).

По относительному содержанию кислорода судят о напряженности окислительных процессов в водоеме.

 

Таблица  5. Зависимость количества растворенного в воде кислорода (К)

от температуры воды (Т), мг/л

 

Т, оС	К	Т, оС	К	Т, оС	К
10,0	11,5	17,0	9,9	24,0	8,8
10,5	11,4	17,5	9,8	24,5	8,7
11,0	11,2	18,0	9,7	25,0	8,6
11,5	11,1	18,5	9,7	25,5	8,6
12,0	11,0	19,0	9,6	26,0	8,5
12,5	10,9	19,5	9,5	26,5	8,4
13,0	10,8	20,0	9,4	27,0	8,4
13,5	10,7	20,5	9,3	27,5	8,3
14,0	10,5	21,0	9,2	28,0	8,2
14,5	10,4	21,5	9,1	28,5	8,2
15,0	10,3	22,0	9,1	29,0	8,1
15,5	10,2	22,5	9,0	29,5	8,0
16,0	10,1	23,0	8,9	30,0	7,9
16,5	10,0	23,5	8,8

 

Расчет.  Предположим, что содержание кислорода в водоеме составляет 5,7 мг/л. Температура воды 24 ^оС. Необходимо рассчитать относительное содержание кислорода. Из табл. 5 находим, что при данной температуре содержание растворенного в воде кислорода должно быть 8,8 мг/л. Тогда относительное содержание кислорода составит:

 

Х = 5,7 ∙ 100 / 8,8 = 64,8 %.

 

Предельно допустимым при выращивании рыбы является 40–50 % насыщения воды кислородом. Изменение насыщения в пределах 50–90 % не оказывает существенного влияния на темп роста рыб. Перенасыщение воды кислородом до 200 % и более грозит возникновением газопузырьковой болезни, которая появляется при перенасыщении азотом.

Определение углекислоты. Угольная кислота находится в водоеме как в свободном состоянии (растворенной в воде), так и в виде ионов. Углекислый газ может попадать в воду из атмосферы. Свободная углекислота является источником питания растений, которые используют углерод для построения своих клеток и тканей. Летом в период усиленного развития водорослей (цветение водоемов) содержание ее сильно колеблется: в дневное время оно уменьшается, а в ночное – увеличивается.

Как показывают многочисленные исследования, процесс фотосинтеза водорослей наиболее интенсивно происходит при концентрации углекислоты от 0,1 до 0,9 %, а при 1–5 % интенсивность его снижается. Высокая концентрация свободной углекислоты отрицательно сказывается и на физиологическом состоянии рыб. Критический показатель для лососевых составляет 120–140 мг/л, молоди растительноядных – 200, крупных растительноядных – 280–300, карпа – выше 200 и для линя – около 400 мг/л. Согласно существующим нормативам, количество свободной углекислоты в рыбоводных прудах должно быть не выше 20 мг/л летом и 40 мг/л зимой.

Методика определения свободной углекислоты основана на том, что щелочь, добавленная в воду, связывает свободную углекислоту. Конечным этапом титрования считают рН около 8,3–8,4, когда количество углекислоты практически равно нулю. Индикатором для этого диапазона является фенолфталеин, приобретающий при рН выше 8,3 розовую окраску.

В склянки вместимостью 150–200 мл с притертыми пробками отбирают две параллельные пробы с такими же предосторожностями, как и при анализе на кислород.

Содержание углекислоты во время хранения воды изменяется под влиянием соприкосновения с воздухом, изменения температуры, процессов жизнедеятельности организмов и т. п. Поэтому определение по возможности следует проводить на месте взятия пробы или немедленно по прибытии в лабораторию.

Берут 100 или 150 мл воды. Градуированной пипеткой в склянку добавляют 0,1 мл 1%-ного спиртового раствора фенолфталеина, после чего содержимое перемешивают круговым движением. Полученный раствор или остается бесцветным (при наличии СО₂), или окрашивается в розовый цвет (при наличии карбонатной углекислоты).

В первом случае определяют свободную углекислоту в воде. Пробу титруют раствором щелочи (0,02 н. NaOH или Na₂CO₃) до тех пор, пока исчезающая вначале окраска не станет устойчивой и жидкость не приобретет розовый оттенок. Интенсивность окраски, при которой титрование можно считать законченным, уточняют по минеральному стандарту в колбе такой же вместимости. Если в течение 5 минут розовая окраска не изменилась, производят подсчет количества израсходованной щелочи и все определение повторяют заново. При этом в склянку добавляют почти такой же объем щелочи, который пошел на первое титрование. Пробу дотитровывают до стандартной розовой окраски. Количество щелочи, израсходованное при втором титровании, эквивалентно содержанию СО₂ в данном объеме воды.

Расчет концентрации свободной углекислоты (мг/л) ведут по следующей формуле:

 

СО₂ = (П ∙ К ∙ 0,88 ∙ 1000) : О,

 

где П –  количество 0,02 н. раствора NaOH, израсходованное на титрование;

К – поправка для щелочи на 0,02 н. раствора;

0,88 – коэффициент (если пользоваться 0,1 н. раствором щелочи, то он равен 4,4);

О – объем пробы, взятой для исследования.

Определение рН воды.  Для жизнедеятельности рыб наиболее благоприятна нейтральная или слабощелочная реакция воды (7,0 – 7,5). Активную кислотность (рН) воды определяют одним из нижеприведенных способов.

Пробу воды (1–2 мл) помещают в небольшую фарфоровую чашку, добавляют 1–2 капли универсального индикатора и сравнивают окраску воды со стандартными образцами.

В пробирку наливают 5 мл исследуемой воды, добавляют 0,1 мл универсального индикатора, перемешивают и определяют рН по следующей шкале (табл. 6).

В исследуемую воду опускают индикаторную бумажку и сравнивая ее с эталоном, устанавливают рН. Для определения рН в настоящее время используют рН-метры, потенциометры.

 

Таблица 6. Шкала определения рН

 

Окраска раствора	рН	Окраска раствора	РН
Красно-розовая	2,0	Желто-зеленая	7,0
Красно-оранжевая	3,0	Зеленая	8,0
Оранжевая	4,0	Сине-зеленая	9,0
Желто-оранжевая	5,0	Фиолетовая	10,0
Лимонно-желтая	6,0

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите типы анализа воды.

2. В чем заключается суть газового анализа воды?

3. Какие показатели включает общий анализ воды?

4. Каковы основные правила отбора воды?

5. Как определить место и глубину отбора проб?

6. Чем отбирается проба воды на химический анализ?

7. В чем заключается сущность определения содержания растворенного в воде кислорода по методу Винклера?

8. Как определяется процент насыщения воды кислородом?

9. Какова методика определения свободной углекислоты?

10. Как определить рН воды?