.jpg/1280px-Duckweed_Pond_(15317740476).jpg)
Пресноводная биология — это научное биологическое исследование пресноводных экосистем , являющееся разделом лимнологии . Эта область стремится понять взаимоотношения между живыми организмами в их физической среде. Эти физические среды могут включать реки, озера, ручьи, пруды, водохранилища или водно-болотные угодья. [1] Знания из этой дисциплины также широко используются в промышленных процессах для использования биологических процессов, связанных с очисткой сточных вод [2] и очисткой воды . Наличие и течение воды являются существенным аспектом распределения видов и влияют на то, когда и где виды взаимодействуют в пресноводной среде. [1]
В Великобритании Ассоциация биологии пресной воды, базирующаяся недалеко от Уиндермира в Камбрии, была одним из первых учреждений, изучавших биологию пресной воды и продвигавших концепции трофизма в озерах, а также продемонстрировавших процесс миграции из олиготрофной воды через мезотрофную в болотистую . [3]
Пресноводная биология также используется для изучения последствий изменения климата и возросшего воздействия человека как на водные системы, так и на более широкие экосистемы. [4] Пресноводные организмы, особенно позвоночные, по-видимому, подвержены более высокому риску вымирания из-за изменения климата, чем наземные или морские организмы. [5]
Пресноводные среды обитания поддерживают существование самых разных организмов, включая реки, ручьи, озера, пруды и водно-болотные угодья. [6]
Проточная вода — это тип пресноводной среды обитания, которая в основном состоит из рек и ручьев. Проточные, быстро текущие воды имеют более высокое содержание кислорода, что позволяет различным видам процветать и облегчает борьбу с загрязнением. [6] Проточная вода — это открытая система, то есть она не изолирована и обменивается веществом и энергией с другими системами. [6] Будучи открытой системой, много органических веществ, обнаруженных в проточной воде, поступает из стока с суши или дальнейших отложений выше по течению, и эти вещества являются важным источником пищи для многих видов. Проточные водоемы начинаются в верховьях, которые включают в себя источники, озера и талые снега, и перемещаются к своим устьям, как правило, другому движущемуся водному каналу или океану. [7] Характеристики ручьев и рек меняются на протяжении их пути от источника к устью. Например, вода в источнике более чистая, имеет более высокое содержание кислорода, более низкую температуру и распространенные виды гетеротрофов. В середине ширина обычно расширяется, а разнообразие видов увеличивается из-за изменений температуры и содержания кислорода, включая водные зеленые растения и водоросли. Вода в устье имеет более низкую концентрацию кислорода и более мутная из-за осадка, который был собран и перемещен по длине реки или ручья. Этот увеличенный осадок уменьшает количество света, который может проникать в воду, и там меньше разнообразия флоры, а более низкий уровень кислорода снижает разнообразие фауны. [7]
Прибрежная зона — это территория вдоль берега реки или ручья, где произрастают жизненно важные растения с высоким содержанием влаги. Эти растения создают буфер между землей и проточной водной системой, защищая ее от загрязнения и наводнений. Кроме того, эти растения обеспечивают обширную среду обитания для многих видов водно-болотных угодий, многие из которых находятся под угрозой исчезновения или находятся под угрозой исчезновения. Наконец, прибрежные растения затеняют воду от солнечного света, снижая тепловой стресс воды и водной флоры и фауны, а также обеспечивают питательные вещества в виде органических веществ. [6]
Стоячая вода — это тип пресноводной среды обитания, которая в основном состоит из озер и прудов. Эта среда обитания имеет ограниченное видовое разнообразие, поскольку они изолированы друг от друга и других водных систем, в отличие от проточной воды. [7] Стоячая вода подвергается процессу стратификации, когда вода расслаивается из-за содержания кислорода. [6] Стратификация не происходит в проточной воде из-за быстро движущейся воды, которая смешивает воду с различным содержанием кислорода. Самый верхний слой содержит больше всего кислорода, и с увеличением глубины содержание кислорода уменьшается. [6] Стратификацию можно физически почувствовать по температуре воды, так как самый верхний слой воды теплее, чем более глубокая вода, потому что он нагрет солнцем.
Стоячая вода может быть разделена на три зоны в зависимости от глубины и расстояния от берега. Литоральная зона является самым верхним слоем и самой теплой водой, встречающейся в озерах и прудах, так как солнце нагревает ее напрямую. [7] Эта зона содержит наибольшее биоразнообразие в стоячей воде, с большим разнообразием организмов, найденных здесь, жизненно важных для здоровья экосистемы и важного аспекта рациона организмов в среде обитания, таких как водоросли , водные растения , моллюски , насекомые , рыбы , ракообразные и земноводные . [7] Лимнетическая зона находится ниже литоральной зоны. Эта зона имеет более низкие температуры, довольно хорошо освещена и населена меньшим разнообразием организмов, включая фитопланктон , зоопланктон и рыбу . [7] Планктон, обнаруженный в этой зоне, играет решающую роль в пищевой цепи среды обитания и поддерживает рацион многих важных организмов. Самая глубокая зона — профундальная зона , с очень малым количеством света, более низкими температурами и более высокой плотностью, чем в предыдущих слоях. [7] Когда планктон умирает, он падает в этот слой и обеспечивает питательными веществами фауну, которая обитает в этом слое. Эти фауны называются гетеротрофами , что означает, что они питаются мертвыми организмами и используют кислород для клеточного дыхания, что приводит к более низкому содержанию кислорода в профундальной зоне. [7]
Термоклин — это переходная зона между теплой поверхностной водой и более глубокой водой с более низкой температурой. [6] Ограниченное смешивание и движение воды, которое происходит в стоячей воде, происходит в термоклине. Смешивание слоев воды в стоячей воде в основном происходит из-за сезонного переворота. Осенью и весной происходит смешивание слоев, как правило, из-за ветра, который переносит кислород и создает более равномерную температуру во всей водной системе. [7] Береговая зона — это переходная зона между водными системами и сушей, похожая на прибрежную зону, наблюдаемую в проточных водных системах. [6] Эта область функционирует во многом так же, как и прибрежная зона, растения защищают воду от загрязнения, наводнений и теплового стресса, а также обеспечивают питательные вещества и среду обитания для водных и водно-болотных видов.
Водно-болотные угодья — это особый тип местообитаний со стоячей водой, включающих болота, топи и трясины. Из-за заболоченной и затопленной природы земли анаэробные условия водно-болотных угодий уникальны и поддерживают самое высокое видовое разнообразие всех экосистем. [7] Водно-болотные угодья замедляют разложение органического вещества, создавая слои богатого органического материала, который обеспечивает важные питательные вещества для видов в системе. Фауна, обитающая в водно-болотных угодьях, называется гидрофитами, что означает, что она приспособлена к очень влажным и сырым условиям. [7 ] Водно-болотные угодья являются домом для большого количества видов птиц, амфибий, насекомых, рептилий, трав и деревьев, которые не могут обитать ни в какой другой системе, что ставит их под угрозу исчезновения, поскольку водно-болотные угодья уничтожаются для городского развития и сельского хозяйства. [6] Водно-болотные угодья помогают бороться с загрязнением и изменением климата, поскольку они фильтруют загрязняющие вещества и хранят большое количество углерода из биосферы в своей влажной почве и стоячей воде, несмотря на небольшую площадь земли, которую они занимают. Кроме того, водно-болотные угодья обеспечивают защиту от наводнений и штормов, поскольку система может поглощать большие объемы избыточной воды. [6] Способность водно-болотных угодий поглощать воду также способствует пополнению запасов грунтовых вод , что очень важно для использования воды человеком, поскольку пригодные для использования источники пресной воды истощаются. Водно-болотные угодья — это не только пресноводные среды обитания и системы, поскольку существуют солончаки и болота, которые поддерживают различные виды. [7]
Заливы Каролины (также известные как покосинс, что означает «болото на холме») — уникальная форма водно-болотных угодий, встречающаяся преимущественно в Каролинах, а некоторые из них встречаются за пределами Каролин вдоль Восточного побережья США. [8] Заливы Каролины характеризуются как эллиптические впадины, окруженные песчаным ободом и имеющие песчаное дно. [8] Эта впадина проходит через влажные и сухие периоды, заполняясь дождевой водой в зимние и весенние месяцы и высыхая летом. [8] Заливы Каролины часто содержат редкие виды, некоторые из которых являются эндемиками заливов. [8]
Пресноводные организмы обычно делятся на категории бентосных и пелагических организмов, поскольку это две зоны жизни, обнаруженные в пресноводном биоме. Пресноводные организмы могут включать беспозвоночных , насекомых , рыб , амфибий , млекопитающих , птиц , водные растения и планктон . [7]
Пресноводные беспозвоночные включают пресноводных моллюсков , насекомых , ракообразных и червей . [9] Пресноводные беспозвоночные являются важным звеном в пресноводных пищевых цепях, транспортируя питательные вещества и энергию от производителей, таких как водоросли и водные растения, к высшим потребителям, таким как рыбы и земноводные. [9] Кроме того, беспозвоночные могут выступать в качестве важных биоиндикаторов здоровья экосистемы. [9]
Пресноводные рыбы включают в себя очень разнообразны, состоят из более чем 18 000 видов и составляют 1/4 видов позвоночных в мире. [10] Около половины видов рыб обитают в пресноводной среде, другая половина - в соленой воде . [11] Некоторые рыбы, такие как лосось и некоторые виды акул, способны перемещаться между пресноводной и соленой средой, связывая их. [11] Эти рыбы называются диадромными рыбами, что происходит от греческого слова и означает «бегать между», в отношении рыб, которые перемещаются между пресной и соленой водой. [12]
Амфибии, в число которых входят лягушки , жабы , саламандры и червяги , представляют собой группу, которая в основном обитает в пресноводных местообитаниях. Амфибии являются экзотермическими животными, обладающими тонкой кожей, что означает, что им нужна вода, чтобы оставаться гидратированными. [13] Амфибии Амфибии могут служить индикатором здоровья окружающей среды, поскольку на них легко влияют изменения в окружающей среде, такие как загрязнение или изменение климата. [13]
Водоплавающие птицы — это группа птиц, которые полагаются на водные местообитания для охоты, отдыха и иногда гнездования. [14] Птицы, которые полагаются на пресноводные местообитания, включают таких птиц, как зимородки , фламинго и различные виды водоплавающих птиц . Многие виды полагаются на растения в этих пресноводных средах для гнездового материала, среды обитания и пищи. Кроме того, пресноводные птицы выступают в качестве контроля для рыб и насекомых в пресноводных средах. [14]
Водные растения действуют во многом как наземные растения, обеспечивая основу для пищевой цепи, удаления углекислого газа и производства кислорода. Водные растения можно разделить на 3 категории: полупогруженные, подводные и плавающие. [15] Полупогруженные растения , такие как хвощи и рогозы , укореняются вблизи края пресноводных экосистем и обычно торчат из воды. [15] Погружные растения , такие как элодея и рдест , - это те, которые полностью находятся под водой и могут быть как с корнями, так и без них. [15] Плавающие растения, такие как кувшинки или ряска , - это растения, которые могут быть с корнями или без них, но листья которых плавают на поверхности воды. [15]
Наиболее распространенной причиной загрязнения воды является ливневый сток с развитых территорий, таких как тротуары и крыши. [16] Ливневый сток перемещает дождь и талый снег, которые не были поглощены. [16] Непроницаемые поверхности, используемые в жилищном и городском строительстве, заменяют почву, которая раньше впитывала ливневую воду, увеличивая объем стока, перемещающегося на большие расстояния. Этот избыточный сток может собирать загрязняющие вещества, поскольку в конечном итоге он попадает в ручьи, реки, озера, водно-болотные угодья и даже водоносные горизонты, загрязняя важные пресноводные экосистемы и пригодную для использования воду. [16] Кроме того, увеличение ливневого стока может привести к увеличению наводнений и эрозии .
Реки и ручьи отводят воду, которая падает на возвышенные районы, и эта движущаяся вода растворяет загрязняющие вещества быстрее, чем стоячая вода. [16] Однако из-за высокого производства и размещения загрязняющих веществ в этих движущихся водах, воды загрязняются быстрее, чем скорость разбавления загрязняющих веществ, что приводит к чрезмерному загрязнению рек и ручьев. Все три основных источника загрязнения — промышленность, сельское хозяйство и города — обычно находятся вдоль движущихся вод, что усугубляет чрезмерное загрязнение рек и ручьев. [16] Только знание того, что быстро движущиеся воды могут разбавлять загрязняющие вещества, способствовало еще большему загрязнению, еще больше усугубляя проблему загрязнения. Еще одной проблемой, способствующей разрушению рек и ручьев, является физическое изменение этих движущихся вод, в основном в виде плотин, отвода воды, изменения русла и освоения земель. [16] Эти изменения влияют на температуру воды, характер течения воды и увеличивают осадок, разрушая важные условия среды обитания для многих водных организмов и снижая качество воды. [16]
Областью разногласий относительно загрязнения ручьев и рек является концепция, что загрязнение выше по течению влияет на людей ниже по течению. [16] Отходы завода выше по течению могут загрязнять чью-то питьевую воду ниже по течению. Это становится особенно проблемой для водоемов, которые граничат с несколькими странами или штатами, поскольку то, что одна страна или штат делает выше по течению, может кардинально повлиять на то, что может сделать страна или штат ниже по течению. [16]
Озера и пруды испытывают большую часть того же загрязнения, что и реки и ручьи, но загрязняются быстрее из-за более медленного движения воды, отсутствия водостоков и количества воды. [16] Стоячая вода циркулирует гораздо меньше, чем движущаяся вода, при этом более глубокие слои воды движутся только во время сезонных изменений дважды в год. [16] Озера и пруды представляют собой бассейны, в которые обычно впадает и накапливается проточная вода, что означает, что загрязняющие вещества также накапливаются без стока. Озера и пруды содержат меньше воды, чем большинство рек и ручьев, что означает, что более мелкие озера и пруды загрязняются быстрее.
Эвтрофикация — это процесс обильного роста растений, доминирующая угроза для стоячих вод. [16] Если химические питательные вещества для роста водных растений, которые ранее были ограничены, станут доступны, популяции растений быстро увеличатся. Этот чрезмерный рост популяции растений снижает содержание кислорода в воде, и другие водные организмы задыхаются. Человеческие отходы часто содержат эти химические питательные вещества, такие как фосфор в удобрениях, и в сочетании с плохой циркуляцией воды в стоячих водах вызывают загрязнение и истощение организмов. [16] Многие проблемы загрязнения, которые влияют на пруды и озера, также влияют на водно-болотные угодья, поскольку циркуляция воды в водно-болотных угодьях также медленная.
Поверхностные воды — это места, где грунтовые воды выражаются, а водно-болотные угодья являются крупнейшими примерами уровня грунтовых вод, находящихся вблизи или на поверхности. Вода, обнаруженная в пресноводных местообитаниях, представляет собой комбинацию поверхностного потока, осадков и выражения грунтовых вод. [16] Эта связь между грунтовыми и поверхностными водами означает, что загрязнение грунтовых вод также влияет на загрязнение поверхностных пресных вод.
Согласно исследованию Агентства по охране окружающей среды, около четверти используемых грунтовых вод Соединенных Штатов загрязнены. Грунтовые воды являются единственным источником питьевой воды примерно для половины Соединенных Штатов. [17] По мере роста численности населения и индустриализации растет спрос на грунтовые воды, но также увеличивается и загрязнение грунтовых вод. Загрязнение грунтовых вод легко достигается из-за медленной циркуляции воды, даже медленнее, чем в озерах и прудах. Вода должна проходить через небольшие отверстия в водоносной породе, перемещаясь в среднем всего на пару дюймов в день. [16] Скорость пополнения грунтовых вод — это время, необходимое грунтовым водам для самовосполнения, и она чрезвычайно медленная, что приводит к нехватке воды, поскольку люди извлекают воду из водоносных горизонтов быстрее, чем скорость пополнения. [16] Из-за такой медленной циркуляции воды грунтовые воды могут оставаться загрязненными в течение десятилетий, поскольку естественные процессы очистки очень медленные.
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)