Методы биоиндикации в мониторинге поверхностных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ В МОНИТОРИНГЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД



1. Экологические модификации как методологическая основа биоиндикации качества вод

Наиболее существенным системным показателем изменения состояния водных экосистем под воздействием антропогенных факторов является перестройка структуры и метаболизма биоценозов.

Фундаментальную основу существования биоценозов составляют процессы утилизации энергии и веществ, содержащихся в окружающей природе, процессы извлечения энергии из окружающей среды и превращение экзогенных веществ в биомассу биоценоза. Эти целенаправленные, иерархически организованные, высокоинтегрированные как на организменном, так и на биоценологическом уровне процессы, в которых участвуют многие ряд мультиферментных систем, обеспечивающих непрерывный обмен веществом и энергией между биоценозом и его средой, составляют метаболизм биоценоза.

Загрязнение окружающей среды оказывает воздействие на обеспеченность биоценозов жизненными ресурсами, поскольку с этими процессами в в.о. поступает дополнительно большое количество биогенных элементов и органических веществ.

В условиях загрязнения окружающей среды может происходить как увеличение интенсивности метаболизма биоценоза - метаболический прогресс, так и ее уменьшение - метаболический регресс.

Существуют три общих направления метаболического прогресса, связанные с тремя путями изменения структуры биоценоза:

- с усложнением структуры - с экологическим прогрессом (яркий пример - высокопродуктивные сообщества корраловых рифов, характризующиеся оч. высокими показателями видового разнообразия.),

- с упрощением структуры - с экологическим регрессом (высокопродуктивные сообщества эстуариев в умеренном поясе, выделяющиеся крайне низкими показателями видового разнообразия).

- с перестройкой структуры, не ведущей к ее усложнению или упрощению - с экологической модуляцией.

Изменения структуры биоценозов, связанные с этими явлениями, объединяются общим термином - экологической модификацией. Т.е. каждая экологическая модификация характеризуется определенной направленностью развития целого комплекса очень общих по своему экологическому значению признаков.

Более подробно рассмотрим эти категории.

Экологический прогресс. Усложнение структуры сообщества, вызванное увеличением разнообразия биоценоза. Такое увеличение позволяет э/с стабильно поддерживать высокий уровень метаболизма в широком диапазоне флуктуаций тех или иных факторов внешней среды в тесном соответствии с обеспеченностью важнейшими жизненными ресурсами.

Но следует подчеркнуть, что изменение видового разнообразия разных групп организмов в биоценозе происходит далеко не синхронно. Так, при некоторых уровнях фонового загрязнения наблюдается одновременно увеличение видового обилия макрозоопланктона и уменьшение видового обилия макрозообентоса. При дальнейшем загрязнении, когда видовое обилие планктона начинает сокращаться, видовое обилие простейших начинает увеличиваться.

Часто предпосылкой для экологического прогресса оказывается слабое загрязнение олиготрофных экосистем, выделяющихся крайней бедностью биогенными элементами.

Экологический регресс. Результаты исследований воздействия окр. среды на биоценозы приводят к выводу, что не только экологический прогресс, но и экологический регресс, ведет к метаболическому прогрессу биоценозов. В данном случае экологический регресс характеризуется увеличением скорости обмена биогенных веществ между биоценозом и окр. средой, увеличением продукции, но уменьшением видового разнообразия продуцентов и консументов, уменьшением устойчивости к внешним воздействиям, упрощением межвидовых отношений, упрощением пищевой цепи, упрощением пространственной гетерогенности, уменьшением времени жизни организмов.

Важной предпосылкой экологического регресса становится усиленное загрязнение экосистем органическими веществами.

Обильное и постоянное поступление орг. вещ-ва как бы освобождает э/с от необходимости самостоятельного продуцирования органического вещества из неорг-го. Происходит упрощение отношений биоценоза с окружающей средой и, как следствие этого, его организационная деградация.

Третье направление метаболического прогресса - экологическая модуляция.

Экологической модуляцией называют такую перестройку биоценоза, которая не изменяет общего уровня организации биоценоза. Она может выражаться в смене доминантных видов, в изменении состава руководящих комплексов, в общем изменении видового состава биоценоза. Явление экологической модуляции - наиболее распространенное направление метаболического прогресса, но оно как правило не ведет к таким глубоким изменениям интенсивности биоценозов, к каким приводят экологический прогресс и экологический регресс.

Таким образом, наличие различных способов метаболического прогресса обуславливает высокую пластичность б/ц - их способность быстро и глубоко перестраиваться, приспосабливаясь к изменениям среды, в том числе и под воздействием загрязнения.

Однако адаптивные возможности биоценозов, хотя и очень велики, но не безграничны. В тех случаях, когда уровень загрязнения окружающей среды превосходит предел адаптационных возможностей биоценоза, экологический регресс ведет к метаболическому регрессу. Метаболический регресс характеризуется снижением биоактивности биоценоза, представляющей собой сумму всех процессов образования и разрушения органического вещества.

Существенную предпосылку метаболического регресса составляет тяжелое загрязнение водоемов и водотоков токсическими веществами. Среди наиболее опасных токсических веществ можно назвать тяж. металлы. Многие из них, накапливаясь в организмах в больших количествах, ингибируют различные биохимические системы и подавляют как процессы новообразования органического вещества, так и процессы деструкции.

Экологические модификации могут возникать в результате изменения физ. и химич. хар-к водной среды. Такие изменения часто происходят под влиянием антропогенного воздействия. Это уменьшение прозрачности, изменение цветности, повышение т-ры, снижение содержания О2, снижение рН воды, накопление чужеродных химических компонентов, не имеющих природных деструкторов и т.д.

Комплекс физ. и хим. факторов обычно глубоко изменяет условия существования водных биоценозов. Скорость изменения биоценозов должна быть не меньше, чем скорость изменения биологически важных для них элементов среды, в противном случае они оказываются в состоянии метаболического или экологического регресса.

Стоит также отметить, что уменьшение загрязнения водоемов ведет к обратному течению рассмотренных выше процессов.

Так, например, уменьшение поступления биогенных элементов в вдм., где б/ц находятся в состоянии экологического регресса может привести к уменьшению обеспеченности б/ц важнейшими жизненным ресурсами и к уменьшению интенсивности метаболизма и экологическому прогрессу.

В данном случае экологический прогресс - приспособительная реакция б\ц, направленная на установление соответствия интенсивности и характера его метаболизма.

Таким образом, экологический прогресс, экологическая модуляция, экологический регресс представляют собой различные способы достижения соответствия интенсивности и характера метаболизма биоценоза его обеспеченности важнейшими жизненными ресурсами.

Абсолютных биологических величин, имеющих одинаковый смысл для всех э/с не зависимо от типа и географического положения последних, не существует.

Равными количественными характеристиками могут обладать системы, находящиеся в принципиально разных состояниях. Только основные качественные состояния инварианты для всех без исключения водных экосистем это:

- состояние метаболического и экологического прогресса,

- состояние метаболического прогресса и экологического регресса

- состояние метаболического и экологического регресса.

Каждое из этих состояний соответствует определенному уровню антропогенной нагрузки, что является объективным критерием для научно обоснованного экологического нормирования.

Метод экологических модификаций качественной оценки состояния экосистем был предложен Абакумовым в 80-х гг. прошлого века

Включает следующие градации оценки состояния экосистем:

· фоновое состояние - возможны перестройки структуры, не ведущие к ее усложнению или упрощению, т.е. не изменяющие общего уровня организации биоценозов (например, смена доминантных видов, изменение видового состава);

· состояние антропогенного экологического напряжения - выражается в увеличении разнообразия биоценоза, в частности, в увеличении общего числа видов, в уменьшении энтропии, в усложнении межвидовых отношений, в увеличении пространственно-временной гетерогенности, в усложнении временной структуры и пищевых цепей и т.д.;

· состояние антропогенного экологического регресса - характеризуется уменьшением разнообразия и пространственно-временной гетерогенности, увеличением энтропии, упрощением межвидовых отношений, сезонных модуляций, трофических цепей;

· состояние антропогенного метаболического регресса - соответствует снижению активности биоценоза по сумме всех процессов утилизации вещества и энергии.

При этом следует учитывать, что в водных экосистемах, подвергающихся комплексному воздействию различных факторов (химическое, термическое, радиационное загрязнение, изменение гидродинамического режима и проч.), могут протекать спонтанные и неоднозначно трактуемые нарушения динамики количественного развития или трансформации видовой структуры, которые на самом деле не имеют никакого отношения к анализируемому фактору. Например, можно отметить следующие механизмы изменения биоразнообразия, не связанные с антропогенным загрязнением:

· эволюция биоценоза в направлении формирования комплекса экологически полифункциональных популяций;

· резкие сезонные колебания (вылет имаго насекомых) или пространственная неоднородность биотопов;

· колебания степени эвтрофирования водоемов, связанные с многолетней природно-климатической динамикой.

Проблема экологически допустимого состояния э/с решается в дифференцированном подходе к природным объектам.

Выделяются следующие их категории водных объектов, для каждой из этих которых существуют свои предельно допустимые состояния экосистем:

1. заповедные, уникальные водные объекты. Для них не допустимы никакие антропогенные экологические модификации

2. водные объекты, испытывающие умеренную антропогенную нагрузку. Для них не допустимо состояние антропогенного экологического регресса.

3. водные объекты с сильно преобразованными экосистемами. Для экосистем третьей водных объектов не допустимо состояние антропогенного метаболического регресса

Наряду с общими для каждой категории критериями допустимого экологического состояния для отдельных групп водных объектов внутри каждой категории вводятся дополнительные частные критерии, позволяющие учитывать индивидуальные требования к этим группам водных объектов.

Так, например, для рек, в которых обитают лососевые, дополнительным критерием будет сохранение запасов этих ценных рыб.

Общие подходы в разработке немногочисленных количественных методов гидробиологического контроля базируются на следующих двух принципах и направлениях [Федоров, 1974; Абакумов, 1987]:

· функциональное (балансовое или продукционно-энергетическое) направление, изучающее продукционный метаболизм вещества и энергии в водоемах,

· структурное (популяционное) направление, оценивающее целостность структуры экосистемы и ее отдельных компонентов на всех уровнях.

2. Гидробиологические данные и расчетные индексы: попытки обобщений

Обилие видов живых существ, населяющих водоем, сложность их взаимодействия, как между собой, так и с окружающей средой, послужили причиной создания многочисленных вариантов методов оценки состояния природных вод.

Большинство этих методов основано на оценке совокупности показателей числа видов, численностей и биомасс популяций, населяющих водоём (то, что "проще" и что умеем измерять...), и рассчитанных различных соотношений между ними.

Показатели можно разделить на:

· простые, непосредственно характеризующие какой-либо индивидуальный компонент экосистемы (например, численность, биомасса, или число видов в сообществе);

· комбинированные, отражающие компоненты с разных сторон (например, видовое разнообразие учитывает, как число видов, так и распределение их обилия);

· комплексные, использующие сразу несколько компонентов экосистемы (например, продукция, самоочищающая способность, устойчивость).

Комбинированные и комплексные показатели принято обобщенно называть “индексами”.

Если используемые индексы адекватно отражают высокую чувствительность некоторых сообществ реагировать на воздействие поступающих в водоем загрязняющих веществ, то они позволяют достаточно надежно выявлять изменения, происходящие в экосистеме водоема, не замеченные за долгое время другими методами. В частности, индексы, основанные на планктонных организмах, из-за короткой продолжительности жизни последних пригодны для оперативной оценки обстановки, поскольку могут быстро реагировать на поступление в водоем токсичных веществ.

Индексы, основанные на бентосных организмах, из-за большей продолжительности жизни представителей бентоса могут отражать экологическое состояние за более длительный интервал времени, как бы интегрируя условия существования.

К сожалению, до настоящего времени отсутствуют как общепринятое и сколько-нибудь математически строгое определение “экологического состояния водоема”, так и обобщенный перечень контрольных показателей, необходимых для идентификации этого состояния.

До сих пор не удается также прийти к единому мнению относительно допустимых интервалов изменения самых общепринятых индексов.

Такое положение вызвано не только недостаточной изученностью механизма функционирования природных экосистем, но и противоречивостью, неоднозначностью целей у различных пользователей природных ресурсов водоемов.

Исходя из принципа приоритета первичных данных, основным результатом гидробиологического мониторинга являются три основных показателя:

· плотность видов

S - оценка числа видов (видового разнообразия), характерная для данной точки экосистемы;

· плотность организмов

N - численность особей каждого вида, приходящаяся на единицу размера экосистемы (м³, м², м);

· плотность

биомассы B - масса особей каждого вида, приходящаяся на пространственную единицу экосистемы.

Последний отечественный обзор методов биологического мониторинга выполнен почти 30 лет назад А.В. Макрушиным и стал библиографической редкостью. Новый квалифицированный критический обзор был сделан А.И. Бакановым, который цитирует свыше 60 методов мониторинга, включающих различные характеристики зообентоса.

Проблема интерпретации значений индексов часто бывает очень сложна и может привести к существенным ошибкам.

С другой стороны, применение оценочных или обобщающих индексов в действующих методиках биологического мониторинга представляется обоснованным.

Это определяется значительно более сложным компонентным составом экосистем по сравнению, например, со шкалой гидрохимических показателей, разными типами устойчивости живых организмов к влиянию внешних факторов, сложной функциональной обусловленностью структурных составляющих биотических сообществ, вызванных разными типами взаимодействия популяций и т.д.

Биологические методы оценки качества вод основаны на изучении состояния гидробиоценоза водного объекта.

Биологические показатели определяют наличие или отсутствие водных индикаторных организмов, находящихся на поверхности (планктон) и в толще (нейстон) воды или располагающихся у дна водоема, берегов и на поверхности подводных предметов (бентос), чувствительных к специфическим загрязнениям.

Биологические методы измерения загрязнения вод осуществляются в рамках направлений, которые получило название биоиндикация и биотестирование.

Биоиндикация - это оценка естественного состояния среды с помощью присутствующих живых организмов.

Биотестирование - методический прием лабораторной оценки качества речной воды по реакциям подопытных организмов с известными и поддающимися учету характеристиками. Биологический объект (тест-организм) в биотестировании фактически используется в качестве аналитического прибора.

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций и сообществ.

Критерии выбора биоиндикаторов: быстрый ответ, надежность (ошибка менее 20%), простота и постоянное присутствие в природе данного живого объекта.

Биотестирование основано на регистрации суммарного токсического действия на тест-организм сразу всех компонентов загрязнения и, таким образом, позволяет быстро оценить, является ли анализируемая проба загрязненной или нет.

Достоинства и недостатки биологических методов оценки загрязнения вод. В результате анализа методов биоиндикации, по оценке загрязнения поверхностных вод можно выделить основные достоинства и недостатки.

Все перечисленные методы биоиндикации широко используются для оценки антропогенного воздействия биоценозы наземных и водных экосистем. При любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.

Кроме этого методы биоиндикации имеют общие недостатки:

- численность большинства организмов имеет четко-выраженную сезонность, и зависят от погодных условий;

- для большинства методов требуются квалифицированные специалисты в определении видов живых организмов.

Наряду с методами биоиндикации необходимо применение и метода биотестирования, для выявления и оценки действия факторов (в т.ч. и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.

Рассмотрим, как реагируют сообщества водных организмов на загрязнение

При сбросе в водоем токсических веществ, содержащихся в промышленных сточных водах, происходит угнетение и обеднение фитопланктона.

При обогащении водоемов биогенными веществами, содержащимися, например, в бытовых стоках, значительно повышается продуктивность фитопланктона. При перегрузке водоемов биогенами возникает бурное развитие планктонных водорослей, окрашивающих воду в зеленый, сине-зеленый, золотистый, бурый или красный цвета ("цветение" воды).

"Цветение" воды наступает при наличии благоприятных внешних условий для развития одного, редко двух-трех видов. При разложении избыточной биомассы, выделяется сероводород или другие токсичные вещества.

Это может приводить к гибели зооценозов водоема и делает воду непригодной для питья. Многие планктонные водоросли в процессе жизнедеятельности нередко выделяют токсичные вещества. Увеличение в водоемах содержания биогенных веществ в результате хозяйственной деятельности человека, сопровождаемые чрезмерным развитием фитопланктона, называют антропогенным эвтрофированием водоемов.

Каждая группа организмов, которую можно использовать в качестве биологического индикатора имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации.

Водорослям принадлежит ведущая роль в индикации изменения качества воды в результате эвтрофирования (заболачивания) водоема.

Зоопланктон также достаточно показателен как индикатор эвтрофирования и загрязнения (в частности органического и нитратного) вод. Кроме этого, среди зоопланктона встречаются и представители патогенной фауны, ограничивающей использование водного объекта в целях водоснабжения.

Простейшие являются высокочувствительными индикаторами сапробного состояния водоемов.

Зообентос - служит хорошим индикатором загрязнения донных отложений и придонного слоя воды.

Наиболее достоверными индикаторами среди них служат легочные моллюски, особенно катушки и речные чашечки. Положительные результаты дает также оценка качества воды по личинкам насекомых. Свободно живущие личинки ручейников, а также поденок являются наиболее чувствительными организмами.

Значение макрофитов (высшая водная растительность) наиболее существенно при предварительном гидробиологическом осмотре водных объектов. При загрязнении водоемов изменяется: видовой состав, биомасса и продукция макрофитов, возникают морфологические аномалии, происходит смена доминантных видов, обусловливающих особенности ценоза.

Данные по ихтиофауне важны при оценке состояния водного объекта в целом и особенно при определении допустимых уровней загрязнения водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение.

Проведение биологических исследований имеет свои особенности в стоячих и текущих водоемах.

Для изучения рек и ручьев большое значение имеют перифитонные организмы (т.е. обрастатели), те, которые дают картину общего состояния воды за достаточно длительный промежуток времени, предшествующий исследованию. Быстрые колебания степени загрязнения воды плохо уловимы с помощью перифитона и для их наблюдения лучше подходят гидрохимические и бактериологические методы.

Биологическое исследование стоячих водоемов, как правило, интерпретируется более легко. Здесь, прежде всего, необходимо проведение комплексных исследований с тем, чтобы иметь более полное представление о состоянии водоема.

Чем крупнее исследуемый водоем, тем большее количество разнообразных станций надо выбирать по его периметру.

Различные виды живых существ показывают, чем загрязнена окружающая среда.

Бурное развитие сине-зеленых водорослей - хороший индикатор опасного загрязнения воды органическими соединениями.

Лучший индикатор опасных загрязнений - прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой очистке фекально-бытовых сточных вод обрастания бывают белыми или сероватыми. Как правило, они состоят из прикрепленных инфузорий (сувойки, кархезиум и др.) Стоки с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий-теотриксов.

Таким образом, биологические методы оценки состояния водоема позволяют решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно.

Помимо этого, определение качества воды и состояния водных экологических систем по совокупности гидробиологических показателей оказывается гораздо дешевле и порой проще, чем оценка по гидрохимическим показателям.

Гидробиологические показатели дают возможность оценить качество воды за видовым составом живых организмов и растительностью в водоемах.

Как выше уже указывалось, рассматриваются различные типы населения водоемов - перифитон, бентос, планктон, нектон, макрофиты.

Изменение видового состава экосистем может происходить даже из-за незначительного загрязнения водоемов, которое не определяется никаким образом.

Поэтому гидробиологические показатели самые чувствительные. Существует несколько способов гидробиологического оценивания качества воды.

Оценка качества воды по уровню сапробности.

В гидробиологии под сапробностью понимают способность организмов жить при большом содержании органических веществ в среде.

Организмы, обитающие в загрязненных водоемах, называют сапробионтами или сапробными организмами.

Они могут служить индикаторами (показателями) загрязнения, или различных ступеней разложения органического вещества в водоеме.

Распад органических загрязнений в водоеме приводит к потреблению кислорода и накоплению ядовитых продуктов распада (углекислота, сероводород, органические кислоты и др.).

Способность организмов обитать в условиях разной степени сапробности объясняется потребностью в органическом питании и выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения органического вещества.

Из гидробиологических показателей качества в России наибольшее применение нашел так называемый индекс сапробности водных объектов, который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне).

Полисапробная зона - содержится много не стойких органических веществ и продуктов их анаэробного разложения. Фотосинтеза нет. Дефицит О₂, полностью идет на окисление. В воде - сероводород и метан. На дне много детрита, идут восстановительные процессы; железо в форме FeS. Ил черный с запахом сероводорода. Много сапрофитной микрофлоры, гетеротрофных организмов: нитчатые и серные бактерии, бактериальные зооглеи; простейшие - инфузории, жгутиковые, олигохеты, водоросль Polutoma.

Альфа-мезосапробная - начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, СО₂, мало О₂, сероводорода, метана - нет. Железо в форме закиси и окиси. Идут окислительно-восстановительные процессы. Ил серого цвета. Преобладают бактериальные зооглеи, эвглена, хламидомонада, личинки хиромонид.

Бета-мезосапробная - произошла минерализация. Увеличивается число сапрофитов. Содержание О₂ колеблется в зависимости от времени суток. Ил желтый, идут окислительные процессы. Много детрита, цветение воды (фитопланктон), диатомовые и зеленые водоросли, роголистник. Много корненожек, инфузорий, червей, моллюсков, личинок хиромонид. Есть ракообразные, рыбы, но численность их невелика.

Олигосапробная - чистые водоемы. Цветения не бывает, содержание 0₂ и С0₂ не колеблется. Детрита мало. Бентос малочисленен. Встречаются водоросли рода Melozira, коловратки, дафнии, личинки веснянок, поденок, моллюски, стерлядь и т.д.

Установлено, что фактически в ряду олигосапробы - мезосапробы - полисапробы возрастают не только специфическая стойкость к органическим загрязняющим веществам и к таким: их последствиям, как дефицит кислорода, но и их эврибионтность, т.е способность существовать при различных условиях среды.

Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа. Поэтому термин «сапробность» в последнее время употребляют, когда говорят о степени общего загрязнения вод. Для оценки общего загрязнения поверхностных вод в современных ситуациях, например, в случае токсического загрязнения или антропогенного увеличения минерализации, использование только одного сапробиологического анализа оказывается уже недостаточным.

В системе Росгидромета для оценки сапробности воды по организмам перифитона рекомендуется применять метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека.

Данный метод учитывает относительную частоту встречаемости (обилие) гидробионтов h и их индикаторную значимость s (сапробную валентность).

Для статистической достоверности результатов исследования необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой частоты встречаемости (обилия) h равной 30.

Индекс сапробности указывают с точностью до 0,01. Для ксеносапробной зоны он находится в пределах 0-0,50 - очень чистые; олигосапробной - 0,51-1,50 - чистые; бета-мезосапробной - 1,51-2,50 - умеренно-загрязненные; альфа-мезосапробной - 2,51-3,50 - тяжело загрязненные; полисапробной - 3,51-4,00 - очень загрязненные.

Оценка качества воды за видовым составом организмов. С увеличением степени загрязненности водоемов видовой состав, как правило, уменьшается. Поэтому изменение видового состава является показателем изменения качества воды. Оценивание видового состава осуществляют па основе индексов многообразия (индексы Марголефа, Шеннона и др.).

Оценка качества воды за функциональными характеристиками водоемов. В этом случае качество воды определяют величиной первичной продукции, интенсивности деструкции и некоторыми другими показателями

3. Показатели развития фитопланктона, перифитона и зоопланктона в оценке загрязненности водных экосистем

Оценка состояния качества вод по фитопланктону

Для формальной характеристики видовой структуры сообществ используются индексы видового богатства и разнообразия.

Индексы видового разнообразия, применяемые для анализа сообществ должны учитывать следующие два условия:

а) Разнообразие сообщества тем выше, чем больше в нем количество видов;

б) Разнообразие сообщества тем выше, чем выше его выравненность.

Индексы видового богатства.

Видовое богатство представляет собой просто число видов, обнаруженных в пробе. Очевидно, что этот показатель будет в значительной мере определяться размером пробы (чем больше размер пробы или количество проб, тем больше видов будет отмечено). Чтобы избежать влияния размера пробы на число видов в ней, используют относительные индексы видового разнообразия.

Один из наиболее простых и распространенных - это видовая плотность (число видов, например, на 1 м² площади). Реже используется т.н. «нумерическое видовое богатство». Например, при исследовании экологических воздействий на сообщество рыб можно использовать такой показатель, как число видов на 1000 пойманных рыб.

Существуют и более сложные показатели видового богатства. В частности, это индекс Маргалефа: и индекс Менхиника: Достоинство этих индексов - простота расчета. Большая величина индекса соответствует большему богатству.

Высокое видовое разнообразие, как правило, соответствует благополучному (ненарушенному) состоянию данной экосистемы. Отсюда вытекает возможность использования Индексов видового разнообразия для целей биоиндикации.

Изучение различных структурных характеристик сообществ и индексов разнообразия показало, что для формальной оценки изменений видовой структуры фитопланктонного сообщества под действием неблагоприятных условий среды наибольшей разрешающей способностью обладает индекс Менхиника:

,

основанный на соотношении между количеством видов N и общей численностью фитопланктона W.

Наиболее известные И.в.р. -- индекс Симпсона, индекс Шеннона, индекс выравненности Пиелу.

Для оценки состояния пресноводных экосистем по фитопланктону используют также метод Пантле и Букка в модификации Сладечека. В результате применения этого метода получают индекс сапробности, вычисляемый по формуле

,

где s -- индикаторная зависимость каждого вида (определяется по спискам сапробных организмов),

h -- численность вида или относительная частота встречаемости вида, определяемая по глазомерной шкале.

Индекс сапробности вычисляют с точностью до 0,01.

Для ксеносапробной зоны он находится в пределах 0-0,50;

бетамезосапробной -- 1,51-2,50;

альфамезосапробной -- 2,5 1-3,50;

полисапробной -- 3,51-4,00.

При оценке состояния водных экосистем важно учитывать одновременно функциональные и структурные характеристики фитопланктоценозов.

Одновременное увеличение первичной продукции и видового разнообразия фитопланктона является надежным показателем экологического прогресса. Это явление часто наблюдается в местах смешения водных масс различного происхождения. С экологическим прогрессом обычно связано также образование водохранилищ.

В первые десятилетия существования водохранилища увеличение первичной продукции может сопровождаться многократным увеличением таксономического разнообразия фитопланктона.

При значительных уровнях антропогенных нагрузок, ведущих к увеличению первичной продукции, происходит сокращение видового разнообразия фитоценоза -- метаболический прогресс достигается путем экологического регресса фитоценоза.

На тяжелое загрязнение гидробиоценоза указывает явление экологического и метаболического регресса фитопланктоценоза.

"Перифитоном", или "обрастаниями", называют животных и растения, обитающие в толще воды на живых и мертвых субстратах, приподнятых над дном вне зависимости от их происхождения и степени подвижности.

Перифитонным организмам часто отдается предпочтение при биологической индикации качества поверхностных вод.

Это обусловлено большим количеством литературных данных о хорошей согласованности результатов биологического анализа перифитона с результатами, полученными другими методами, и, в то же время, относительной простотой сбора перифитона по сравнению со сбором других биоценотических групп гидробионтов.

Перифитон, благодаря своей приуроченности к субстрату, играет первостепенную роль при оценке качества воды и позволяет судить о ее среднем загрязнении за определенный промежуток времени, предшествующий исследованию.

Другими словами, анализ перифитона может указать на ранее имевшее место ухудшение качества воды, не отмеченное быть может по единовременным химическим или биологическим пробам.

Перифитон незаменим при исследованиях, связанных с оценкой экологического состояния водных систем, на что неоднократно указывали ученые-гидробиологи, называя перифитон исключительно подходящим объектом для исследований в области экологии.

В состав обрастаний (перифитона) входят представители трех основных функциональных групп:

- автотрофные организмы-продуценты (водоросли);

- гетеротрофные организмы-консументы (простейшие, коловратки, черви и другие) и организмы-редуценты (зооглейные, нитчатые, палочковидные, кокковидные и другие бактерии и грибы).

Причем основу пленок обрастаний составляют в основном формы микроскопические, для которых характерны высокий уровень метаболизма, короткие жизненные циклы и способность быстро реагировать на изменение внешней среды.

Перифитон как составная часть водных экосистем претерпевает вместе с ними изменения, обусловленные разными природными и антропогенными факторами, что выражается в пространственных и временных сукцессиях перифитонных сообществ.

Биоценозы перифитона являют собой примеры очень динамичных биологических систем, изучение которых требует определенным образом организованной в пространстве и во времени системы отбора проб.

Наиболее целесообразно проводить изучение обрастаний в летний или переходный летне-осенний сезон, являющийся для большинства регионов биологическим летом, т.е. периодом максимальной активизации гидробиологических процессов. Места (точки, створы) для сбора проб перифитона должны по-возможности совпадать с местами, намеченными для стандартного гидробиологического и гидрохимического обследования и охватывать различные по уровню загрязнения и общей антропогенной нагрузке участки водосборных бассейнов (приуроченные к разным типам ландшафта фоновые участки, загрязненные участки, зоны самоочищения, устьевые участки, зарегулированные и незарегулированные водотоки и др.).

Наибольшее показательное значение имеет перифитон, развивающийся на субстратах в проточных и открытых местах водных объектов, где невозможны какие-либо случайные застои грязной или чистой воды. В реках, например, идеальным местом отбора перифитона являются каменистые перекаты. В то же время при проведении специальных исследований, связанных, например, с картированием отдельных участков водных объектов, могут изучаться перифитонные сообщества из разных «микрозон», что определяется целью конкретного исследования.

Термин сапробность - способность организмов жить при большом содержании органических веществ в среде.

Сапробность является функцией как потребностей организма в органическом питании, так и устойчивости возникающих при разложении органических соединений ядовитых веществ: H₂S, CO₂, NH₃, H⁺, органических кислот.

Установлено, что фактически в ряду олигосапробы -- мезосапробы -- полисапробы возрастают не только специфическая стойкость к органическим загрязняющим веществам и к таким: их последствиям, как дефицит кислорода, но и их эврибионтность, т. е способность существовать при очень различных условиях среды.

В системе Роскомгидромета для оценки сапробности воды по организмам перифитона рекомендуется применять метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека.

Данный метод учитывает относительную частоту встречаемости (обилие) гидробионтов h и их индикаторную значимость s (сапробную валентность). Индикаторную значимость s и зону сапробности определяют для каждого вида по спискам сапробных организмов СЭВ.

Обе величины (h и s) входят в формулу для вычисления индекса сапробности.

.

Для статистической достоверности результатов исследования необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой частоты встречаемости (обилия) , равной 30.

Индекс сапробности указывают с точностью до 0,01.

Для ксеносапробной (х-сапробной) зоны он находится в пределах 0-0,50; олигосапробной (0-сапробной) -- 0,51-1,50; beta-мезосапробной (в- мезосапробной) -- 1,51-2,50; alpha-мезосапробной (?- мезосапробной) -- 2,51-3,50; полисапробной -- 3,51-4,00.

Сам по себе (несколько пенитенциарный) термин “зона” возник из того обстоятельства, что в одном и том же водоеме могут быть участки (зоны) с разной сапробностью. Чаще всего это является естественным свойством водоема, не связанным с антропогенным воздействием.

Например, в прибрежной зоне у топких берегов обычно располагается -мезосапробная зона - здесь активно идут естественные процессы старения водоема, связанные с его зарастанием.

Пробы воды, взятые с наиболее глубоких участков, дают нередко характерную полисапробную картину. Весь же водоем в целом с учетом характеристики разных жизненных форм, по субъективному мнению эксперта-гидробиолога, может быть охарактеризован, как переходный от ? - к мезасапробному типу (впрочем, другой, не менее квалифицированный гидробиолог может сделать несовпадающую оценку).

В целом можно сказать, что чем сапробность водоема ниже, тем он беднее органическими веществами, тем меньше в нем колебания химического состава воды и других показателей. Чем выше показатель сапробности - тем больше органических веществ, тем богаче фауна, тем изменчивее химические и физические параметры данного водоема.

Часто (но отнюдь не всегда) величина сапробности прямой зависимостью связана с загрязненностью водоема - чем больше привносимых органических веществ - тем больше видовое богатство и численность биологических организмов.

Другим термином, связанным с системой сапробности, является “ступень”, выведенная из феномена процессов самоочищения, являющихся неотъемлемой частью материально-энергетического баланса.

Органические вещества, попадающие в водоем, разлагаются (преимущественно бактериями) на воду, углекислоту и минеральные составные части, служащие, в конце концов, питательными веществами для организмов более высокого порядка.

Фазы процесса самоочищения следуют в проточной воде во времени и в пространстве друг за другом, характеризуясь различным составом биоценозов, через последовательные ступени от анаэробного гниения полисапробной зоны к первоначальной чистоте олигосапробной зоны.

Между ними ?мезасапробность выражает нарастание аэробных механизмов деструкции, а ?мезосапробность - завершение этого процесса, свидетельствуя о минерализации.

Именно это обстоятельство породило иллюзию того, что в основании сапробиологической классификации водоемов лежат именно "биологические" факторы, а не механизмы деструкции органического вещества.

Считается, что именно по соотношению индикаторных организмов достигается более быстрая, точная и дешевая классификация водоема, по сравнению, например, с методами химического анализа.

На практике же, чаще всего, применяется обратный подход: зоны сапробности оцениваются на основании опыта исследователя или с использованием инструментальных методов контроля, а найденные индикаторные виды лишь иллюстративно подтверждают уже сделанный вывод.

Если под сапробностью понимается интенсивность органического распада, то трофность означает интенсивность органического синтеза.

В природе оба процесса - органический синтез и распад - существуют параллельно и состоят друг с другом в многократном взаимодействии, что позволяет говорить об аналогии ступеней сапробности и трофики: "олигосапробность - олиготрофия", "? -мезосапробность - мезотрофия", "? -мезасапробность - эвтрофия" и "полисапробность - гипертрофия".

Эта аналогия привлекательна тем, что создает предпосылку к устранению одной из классификаций, как ненужного дублирующего звена. В худших конкурентных условиях находится система сапробности, как основанная на весьма "размытых" разделяющих факторах, когда как классификация по трофике жестко связана с концентрациями биогенных элементов.

В то же время, ряд исследователей подчеркивает неполное совпадение форм трофики и сапробности, особенно в мезосапробных зонах и для непроточных водоемов.

Система Кольквитца-Марссона была разработана применительно к условиям загрязнения вод средней Европы в начале века.

В настоящее время характер и степень загрязнения водоемов изменились, в основном за счет интенсификации антропогенного воздействия. Это явилось причиной расширения "классической" классификации в двух основных направлениях:

· появление новых зон "чище" олигосапробной и "грязнее" полисапробной;

· выделение дополнительных зон на принципиально новой классификационной основе.

Наиболее широкая ревизия "классической" системы была выполнена В. Сладечеком, который включил в классификацию абиотические зоны, а внутри полисапробной выделил три зоны - изосапробную (преобладание цилиат над флагеллятами), метасапробную (преобладание флагеллят над цилиатами) и гиперсапробную (отсутствие простейших при развитии бактерий и грибов). Наконец, была сделана методологически решительная попытка сравнения некоторых бактериологических и химических показателей с отдельными ступенями сапробности и предложена общая "биологическая" схема качества вод.

4. Оценка состояния пресноводных экосистем по индикаторным организмам-зоопланктерам

Зоопланктон - типичный представитель толщи воды. Он образует верхнее гетеротрофное звено трофической цепи всей планктонной фауны (фитопланктон, бактериопланктон, простейшие). Подвижность структурной организации зоопланктона обусловлена различными диапазонами толерантности составляющих сообщество видов: от стенобионтных до эврибионтных (поливалентных, видов-космополитов). Выбор зоопланктона в качестве индикатора загрязненности позволяет оценить конечный результат воздействия водной среды на планктонную составляющую водной экосистемы

Видное место среди методов биологического анализа пресных вод занимает сапробиологический анализ, или оценка состояния пресноводных экосистем по индикаторным организмам. Авторы данного метода Кольквитц и Марссон, использовав различную чувствительность гидробионтов к воздействиям внешней среды, выделили четыре зоны сапробности и предложили списки видов-индикаторов, характерных для каждой из этих зон. В систему по мере ее эксплуатации постоянно вносились изменения; наибольший вклад в ее усовершенствование внесли Пантле и Букк, Зелинка и Марван, Сладечек, Ротшайн.

Одним из методов оценки средней сапробности биоценоза является метод Пантле и Букка в модификации Сладечека. Данный метод учитывает относительную частоту встречаемости гидробионтов h и их индикаторную значимость s. Значение s определяется для каждого вида зоопланктона по спискам сапробных организмов.

Величины h и s входят в формулу для вычисления индекса сапробности:

.

Вместо частоты встречаемости h можно использовать абсолютную численность.

Однако в этом случае приходится производить операции с большими числами, что возможно только в хорошо оснащенной лаборатории (вычислительные приборы, калькуляторы), т. е. перевод абсолютной численности в частоту встречаемости h обусловлен трудоемкостью вычислений.

Для статистической достоверности результатов исследования необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой частоты встречаемости h, равной 30.

При использовании метода Пантле и Букка следует иметь в виду, что индикаторное значение видов может быть неодинаковым в различных климатических зонах.

Однако исследования показали, что состав планктона в целом достаточно правильно отражает степень загрязненности участков разных водных объектов,

С другой стороны, он хуже передает различия между отдельными станциями в пределах одного водоема или водотока.

В условиях фонового загрязнения для оценки состояния пресноводных экосистем могут быть рассчитаны индекс ^e/_O (отношение эвтрофных видов к олиготрофным) и индекс трофности по А. Мяэметсу, и др.

Удобным при оценке состояния пресноводных экосистем в условиях фонового загрязнения по зоопланктону представляется индекс стабильности зоопланктонного сообщества.

Используются два показателя стабильности.

Первый предполагает, что устойчивость может характеризоваться величиной, получаемой из усреднения ряда индивидуальных показателей стабильности отдельных характеристик системы:

_,

где N -- число показателей стабильности отдельных характеристик.

За показатель стабильности принимается значение отклонения амплитуды переменной относительно ее среднего значения:

_,



где K_j -- значение переменной в момент измерения (K_j ≥ 0), а

n -- число измерений. Максимальная стабильность (S_i = 0) наблюдается при постоянстве характеристик; S_i > 0 при изменениях переменной i.

Второй индекс -- коэффициент вариабельности:

,

где -- среднее значение,

S_i -- стандартное отклонение:

_.

Стабильность достигает своего максимума (V_j=0) при отсутствии изменений свойств экосистемы.

Для анализа используются следующие характеристики зоопланктона: средние за сезон показатели численности (N) и ее устойчивости (S₁, V₁), биомассы (B, S2, V2), продукции мирного зоопланктона (P, S3, V3), P/B коэффициента(P/B, S4, V4), индекс видового разнообразия (H, S5, V5) и общая стабильность (S, V), высчитанная как среднее из этих показателей.

О сильной нарушенности экосистем водных объектов свидетельствуют высокие значения индексов стабильности.

Индекс стабильности имеет прямую связь с продукцией зоопланктона и обратную с его видовым разнообразием. Индекс общей стабильности зоопланктонного сообщества представляется вполне надежным, но трудоемким.

Для вычисления этого индекса нужны подробные исследования зоопланктона на водоеме по вышеуказанным параметрам в течение не менее чем двух лет.

С другой стороны, такие исследования на водоеме предусмотрены программой наблюдений за фоновым состоянием водных экосистем, разработанной в Институте глобального климата и экологии.

5. Показатели развития сообществ микроорганизмов и макрозообентоса в оценке загрязненности водных экосистем

Наиболее удобным, информативным и надежным биоиндикатором состояния водной среды и ее антропогенных изменений является зообентос.

Продолжительность жизненных циклов организмов зообентоса (бентонтов), по сравнению с планктонными организмами, существенно выше. Кроме того, донные беспозвоночные, в основном, ведут оседлый образ жизни, поэтому состояние зообентоса четко характеризует не только экологическое состояние водоема или водотока в целом, но и конкретных его участков. Таким образом, изо всех сообществ гидробионтов именно зообентос наиболее стабилен в пространстве и времени, его характеристики определяются общим состоянием среды и основным направлением сукцессии экосистемы.

Зообентос принято делить на микро-, мезо- (или мейо-) и макробентос. К мейобентосу относятся организмы длиной менее 0.1 мм, к мезобентосу - длиной от 0.1 до 2 мм, к макробентосу - более крупные. Наиболее часто при биоиндикации используется макрозообентос, т.к. он наиболее доступен учету и наиболее подробно изучен.

Кроме того, основу пресноводного макрозообентоса чаще всего составляют личинки насекомых, которые, по сравнению с другими гидробионтами, отличаются повышенной чувствительностью к токсическим воздействиям и другим изменениям среды.

Известны примеры использования для биоиндикации самых разных характеристик бентоса: на суборганизменном уровне, на уровне организма, популяции и сообщества.

Возможности и эффективность применения этих характеристик существенно различаются.

Так, методы биоиндикации, связанные с исследованиями на суборганизменном уровне, могут быть весьма чувствительными к действию некоторых факторов среды, но плохо отражают качество среды в целом.

Это относится к показателям, определяемым и на субклеточном, и на клеточном, и на тканевом уровнях.

Количество морфологических аномалий, уродств отдельных органов у бентонтов увеличивается под действием антропогенных факторов также избирательно: некоторые негативные воздействия на этот показатель не влияют. Кроме того, выяснить этиологию наблюдаемых уродств бентонтов часто не удается.

Для общей оценки качества среды и состояния экосистем намного более значима реакция бентоса на организменном, популяционном и, особенно, ценотическом уровнях

Если экология какого-либо вида изучена достаточно подробно, хорошо известна его реакция на основные антропогенные факторы, то эколого-физиологические и популяционные характеристики такого вида могут успешно использоваться при биоиндикации. К числу таких хорошо изученных видов-индикаторов относится, например, широкопалый рак Astacus astacus L.

Он весьма чувствителен к качеству среды и реагирует на ее ухудшение изменением показателей роста, обмена, плодовитости, популяционной плотности, размерно-возрастной структуры популяции, и др. Эти реакции детально исследованы, причем некоторые из них описаны количественно, что позволяет уверенно оценивать качество среды и ее антропогенные изменения по состоянию популяции широкопалого рака.

Однако видов, изученных настолько подробно, слишком мало. Сведений по экологии большинства видов гидробионтов не хватает для того, чтобы осуществлять биоиндикацию только по их эколого-физиологическим и популяционным характеристикам, но эта дополнительная информация часто оказывается полезной при применении ценотических методов биоиндикации.

Биоиндикация с использованием показателей сообществ макрозоообентоса (ценотические методы биоиндикации)

Наиболее широкое развитие и применение получила биоиндикация с использованием показателей всего сообщества макрозообентоса -- различных характеристик его состава, структуры и функций). В рамках этого подхода могут быть выделены и сопоставлены две основные группы методов:

1) Показатели, основанные на учете тотального макрозообентоса, его функциональных групп и таксонов надвидового ранга (без учета видового состава сообщества);

2) Показатели, основанные на определении видового состава макрозообентоса.

Показатели, основанные на учете тотального макрозообентоса, его функциональных групп и таксонов надвидового ранга (без учета видового состава сообщества)

Простейшими количественными показателями являются биомасса макрозообентоса и его численность.

Биомасса или численность бентоса и тенденции их изменения иногда позволяют в первом приближении судить о состоянии экосистемы и силе испытываемого ею воздействия.

...