Биоиндикация загрязнения водной среды

Параметры водной среды.Вода является важнейшим возобновляемым природным ресурсом. В результате нарушения природного равновесия вода необратимо меняет свои качества, и в последнее время резко обострилась проблема достаточного количества биологически полноценной воды. Свойства и качество природных вод зависят от состава и концентрации содержащихся в ней веществ. Природная вода содержит многочисленные растворенные вещества – соли, кислоты, газы, продукты отходов промышленных предприятий и нерастворимые частицы минерального и органического происхождения. Водоемы, загрязненные органическими стоками, как и организмы, способные в них жить, называют сапробными. По степени загрязненности вод органическими веществами водоемы, или их зоны, классифицируют на:

1) полисапробные (содержат большое количество органических веществ, кислород отсутствует);

2) мезосапробные (в этой зоне нет неразложившихся белков, в воде растворены сероводород, диоксид углерода и кислород, происходит минерализация органических веществ). В этом классе сапробности выделяют две подзоны:

- α-мезосапробная (вода умеренно загрязнена органическими веществами, есть аммиак и аминосоединения, кислорода мало);

- β-мезосапробная (органических загрязнителей мало, кроме аммиака, есть продукты его окисления – азотная и азотистая кислоты, много кислорода);

3) олигосапробные (практически нет растворенных органических соединений, кислорода много, вода чистая).

Биотестирование качества вод.Для оценки качества природных вод пригодны и биоиндикационные методы, и приемы биотестирования. Суть токсикологического контроля качества вод заключается в относительно кратковременном наблюдении за какой-либо характеристикой тест-организмов, помещенных в исследуемую среду. Биотестирование с применением гидробионтов может быть использовано для оценки токсичности загрязняемых природных вод, контроля токсичности сточных вод, ускоренной оценки экстрактов, смывов и сред с санитарно-гигиеническими целями. В ходе лабораторных токсикологических тестов устанавливаются критерии качества вод, выраженные значениями ПДК, ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ) и др. Для каждого тест-организма устанавливается круг основных тест-параметров, контролируемых в обязательном порядке. При этом для надежного контроля токсичности загрязнителей должно быть использовано несколько тест-объектов.

Токсикологические исследования проводят на зеленых водорослях Scenedesmus quadricauda, Chlorella vulgaris, C. Pyrenoidosa, видах рода Ankistrodesmus и др. Токсичность испытываемых веществ определяют по визуальным показателям (изменение окраски культуры водорослей, лизис клеток), значениям рН культуры, численности клеток, выделению и поглощению кислорода, соотношению живых и мертвых клеток. Для более полной оценки токсичности веществ используют показатели биомассы клеток, содержание хлорофилла и каротиноидов и др. наиболее удобные тест-объекты из макрофитов – элодея (Elodea Canadensis) и рясковые (ряска малая (Lemna minor L.) и ряска тройчатая (Lemna trisulcs L.)). В острых опытах устанавливают концентрации веществ, вызывающие за 10 дней роста культуры гибель 50% особей. В хронических опытах при разведении исходной острой концентрации контролируют визуальные повреждения (изменение окраски, потеря тургора и др.), выживаемость и прирост основного побега, число боковых отростков и их длину, число и длину корней. Ряска малая (Lemna minor L.) и ряска тройчатая (Lemna trisulcs L.) чувствительны к загрязнению воды при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ba, Cu, Mg, Fe, Co. На каждый загрязнитель у видов рясок проявляется специфическая реакция. На медь (0,1 – 0,25 мг/мл) листецы реагируют полным рассоединением из групп и изменением окраски с зеленой на голубую; реакция проявляется через 4 часа после воздействия. Реакция на цинк (0,025 мг/мл) заключается в изменении окраски листеца с насыщенно зеленой до бесцветной, где зелеными остаются только точки роста. Барий (0,1-0,25 мг/мл) вызывает полное рассоединение листецов, опадание корней и изменение окраски с зеленой на молочно-белую. Кобальт (0,25-0,0025 мг/мл) - полную приостановку роста и потерю окраски. Кроме этого, в качестве тест-функции используют изменение количества хлоропластов в эпистрофном положении как чувствительный показатель, свидетельствующий о степени загрязнения системы.

В качестве тестовых организмов могут выступать и простейшие, например, инфузории Paramecium caudatum. Отклик на токсиканты определяют по показателям выживаемости особей и функции их размножения, выражающейся в изменении скорости клеточного деления. ПДК для ракообразных устанавливают на примере представителей отряда Cladocera Daphnia magna, D.longispina, D. carinata, Ceriodaphnia affinis. В острых опытах степень воздействия той или иной концентрации вещества оценивают по времени гибели 50% популяции. В хронических опытах исследуют такие популяционные характеристики, как выживаемость, рост, плодовитость и качество потомства. Среди представителей бентоса удобными тест-объектами являются брюхоногие моллюски и личинки хирономид. При токсикологических испытаниях используют также представителей ихтиофауны - мальков и взрослых рыб из семейств лососевых (форель, пелядь), окуневых (судак, окунь), карповых (плотва, пескарь, верховка, голавль, гольян, лещ, красноперка, карп, карась). Степень отравления определят по изменению следующих показателей: выживаемость рыб, прирост или снижение биомассы, клиническая картина отравления, характер питания, характер и частота дыхания, внешний вид, состояние жаберного аппарата.

Интегрируя предельные концентрации для разных организмов, полученные в лабораторных токсикологических опытах, вычисляют используемые в природоохранных документах ПДК. Существуют нормативы, регламентирующие состав воды отдельно в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования и в водоемах рыбохозяйственного назначения.

Тем не менее, нельзя согласиться с одним из основополагающих принципов концепции ПДК, указывающим на абсолютную универсальность полученных нормативов, пригодность их для любой природной зоны, любого времени года, любого местообитания. Каждая экосистема обладает эволюционно обусловленным уникальным комплексом связей между отдельными компонентами, специфическим адаптационным потенциалом к возможным опасным воздействиям, выработанной со временем токсикорезистентностью. На водные экосистемы помимо химического загрязнения оказывают влияние и многие другие антропические факторы нехимической природы, например, тепловое загрязнение, изменение гидрологического режима водоема. Состояние водных экосистем находится в прямой зависимости от состояния площади водосбора, уровня антропической освоенности бассейна, береговых и русловых деформаций и т.п. В результате ПДК часто оказываются завышенными или заниженными. Поэтому ПДК можно использовать как важные ориентиры при планировании деятельности, связанной с возможным загрязнением среды, а биотестирование может служить дополнением, но не альтернативой методам биоиндикации и экологического нормирования в природных экосистемах.

Биоиндикационные методы.Биоиндикация ориентирована на изучение сообществ организмов в природных экосистемах и позволяет оценивать их состояние по целому комплексу биотических показателей, на которые совместно влияют все компоненты соответствующего геоценоза.

Альгоиндикация. Водорослям принадлежит ведущая роль при биоиндикации изменения состояния водных экосистем, так как они быстрее других водных организмов реагируют на загрязнение, являются чувствительными индикаторами тяжелых металлов, органического загрязнения и др.

Для оценки используются водоросли трех экологических групп: фитопланктон, фитобентос и перифитон. Индикаторными показателями являются видовое разнообразие, обилие отдельных видов, содержание хлорофилла, валовая суточная продукция фитопланктона. Видовой состав перифитонных сообществ может служить индикатором экосистемной «целостности». Высокая представительность диатомей свидетельствует о высоком уровне целостности. В то же время увеличение доли нитчаток или цианобактерий – показатель его снижения. Видовой состав фитопланктона и численность видов могут служить индикаторами тяжелых металлов, нефтепродуктов и дисперсантов. Довольно чувствительным методом является изучение вариабельности динамики биомассы фитопланктона. Показано, что вариабельность, измеряемая как отношение минимальной биомассы к максимальной за год, возрастает пропорционально увеличению изменчивости температуры в водоеме.

Наибольшей популярностью пользуется метод, основанный на учете относительного обилия видов-индикаторов сапробности (индексы Сладчека, Ватанабе, Пантле и Букка). Индекс вычисляется по формуле:

, где

s – индивидуальная сапробность каждого вида, h – численность вида или относительная частота встречаемости.

В полисапробной зоне водоема наблюдается обилие инфузорий и бактерий, видов водорослей немного: это хлорелла, политома и некоторые виды хламидомонад. При этом численность водорослей может быть высокой. В мезосапробной зоне видовое разнообразие водорослей большое. При этом в β-мезосапробной зоне количество видов водорослей больше, чем в α-мезосапробной, но их численность может быть ниже. Наличие α-мезосапробов говорит о существовании очагов загрязнения в относительно чистых водоемах (например, у сбросов очищенных вод городской канализации). Типичные α-мезосапробы - энтороморфа, монорафидиум, стигеоклониум тонкий, осциллятория короткая, осциллятория выдающаяся, нитцшия игловидная, хламидомонас, циклотелла менегини, гониум некторальный, клостериум игольчатый и другие. Бета-мезосапробы – показатели умеренного, можно сказать, фонового загрязнения. В планктоне преобладают многие диатомеи, в составе бентоса и перифитона – кладофора, спирогира, зигнема, микроцистис.

В олигосапробной зоне водоросли разнообразны, но численность их невелика. Олигосапробы встречаются преимущественно в чистых родниках, в мочажинах на верховых болотах, в речных ручейках. Олигосапробные водоросли: микростериас, космариум, синура.

Животные-биоиндикаторы качества вод. Животные-гидробионты успешно используются в качестве индикаторов самых разнообразных показателей качества вод. Оценка качества воды по животному населению производится с помощью расчета разнообразных балльных индексов (индекс сапробности (см. выше), биотический и олигохетный).

Биотический индекс для зообентоса находится по методу Вудивисса, согласно которому по мере повышения уровня загрязнения вод происходит упрощение видовой структуры бентоценоза за счет выпадения индикаторных таксонов при достижении предела их толерантности на фоне снижения общего разнообразия организмов, объединенных в так называемые группы Вудивисса. Разработана специальная шкала, учитывающая присутствие показательных организмов и число групп Вудивисса в пробе, позволяющая найти биотический индекс.

Индекс увеличения представительности олигохет с ростом уровня загрязнения (олигохетный индекс) рассчитывается как отношение численности видов класса Oligochaeta к общей численности зообентоса. Для оценки состояния зообентоса применяют также индекс Пареле, вычисляемый как отношение семейства тулифицид к общей численности олигохет и индекс Балушкиной:

, где

α_Т, α_Ch, α_о – вспомогательные величины соответственно для подсемейств Tanypodinae, Сhironominae и Orthocladiinae.

Интегральная оценка качества природных вод.В последнее время разработана современная экспертная система оценок, основанная на методе экологических модификаций. Метод включает следующие градации оценки состояния экосистем: фоновое, антропогенного экологического напряжения, антропогенного экологического регресса и антропогенного метаболического регресса. При фоновом состоянии возможны перестройки биоценоза, не ведущие к усложнению или упрощению его структуры, т.е. не меняющие общего уровня организации входящих в него сообществ. Состояние экологического напряжения выражается в увеличении разнообразия биоценоза (увеличении общего числа видов, уменьшении энтропии, усложнении межвидовых взаимодействий, увеличении пространственно-временной гетерогенности, усложнении пищевой цепи). Состояние экологического регресса характеризуется уменьшением разнообразия и пространсвенно-временной гетерогенности, увеличением энтропии, упрощением межвидовых взаимодействий, трофических цепей. Состояние метаболического регресса соответствует снижению активности биоценоза по сумме всех процессов образования и разрушения органического вещества фитопланктона, перифитона, бактерий и консументов. Применение метода основано на определении изменений интенсивности общего метаболизма биоценоза (продукционные характеристики фитопланктона, отношение и деструкции продукции фитопланктона, характер вертикального распределения хлорофилла и др.).

Другим методом экспертной классификации водных экосистем является индекс экологического состояния, интегрирующий основные биотические индексы и параметры гидробионтов: численность и биомасса бентоса, число видов в сообществе, видовое разнообразие, биотический индекс Вудивисса, олигохетный индекс Пареле и гидробиологические параметры (Таблица 4,5).

Интегральный индекс (ИБС) рассчитывается по формуле:

, где

В_i – используемые биологические показатели, выраженные в относительных единицах; N_b –количество отобранных биологических показателей.

Таблица 4.