Оценка экологического состояния водных экосистем

Качество воды может быть установлено гидрофизическими и гидрохимическими методами, например, по содержанию кислорода, состоянию грунтов, но оно никогда не будет полным без использования биологического метода. Первые два позволяют судить преимущественно об интенсивности антропогенной нагрузки, в то время как биологический метод дает возможность судить о последствиях этих воздействий, о степени нарушения «нормального» состояния экосистемы.

Биологический метод оценки качества воды основан на изучении качественного и количественного состава населения водоёма, то есть планктона, бентоса, ихтиофауны, макрофитов. Практика исследований показала, что наиболее показательными являются организмы зообентоса. У большинства представителей донной фауны жизненный цикл превышает несколько месяцев, а в ярде случаев – лет. Поэтому донные организмы как бы аккумулируют изменения условий существования в течение длительных периодов.

Оценка качества воды или степени её загрязнения может производиться двумя путями. Первый путь предполагает использование видов-индикаторов, характерных для участков водоёма с разной степенью загрязнения. При этом необходимо не только достаточно точно определить видовую принадлежность животных, но и установить их количественную представленность в биоценозе. Второй путь также связан с результатами сравнения видового разнообразия, численности и биомассы гидробионтов загрязнённых и чистых зон, но в данном случае можно провести исследования на уровне групп.

Для такого сравнения пользуются как величинами количественных показателей биоценозов, так и различными индексами. При этом руководствуются главным критерием: в условиях загрязнения происходит уменьшение разнообразия населения, то есть последовательное исчезновение тех или других групп организмов.

Каждый биотический индекс может быть специфичным для одного, возможно двух-трех типов загрязнения, но не может быть чувствительным ко всем видам загрязнения (органического, нефтяного, металлами, детергентами, пестицидами и т.д.).

Биотические индексы должны отражать специфику загрязнений с учётом географии распространения видов растений и животных. Наличие или отсутствие вида в сообществе должно соотноситься с ареалом вида. Расширение ареала может быть показателем загрязнения, например теплового в северных широтах. В отличие от индексов разнообразия биотические индексы базируются на специфических (биологических, экологических, физиологических) особенностях организмов-индикаторов.

Качество воды может быть оценено при помощи структурных и функциональных показателей сообществ, представленных величинами биотических индексов. Если для величин биотических показателей разработаны шкалы оценки качества вод, то видовое разнообразие, структурные и функциональные показатели, как правило, сравниваются с данными по незагрязняемому участку водного объекта или по эталонному водоёму.

Видовое богатство. Очевидно, число видов гидробионтов снижается на участках, подверженных загрязнению, относительно фоновых. Если провести подробную видовую идентификацию биоты водоёма не представляется возможным, то сравниваются показатели видового обилия по отдельным сообществам или таксонам водных беспозвоночных. В этом случае такие сообщества или таксоны должны быть широко представлены и многочисленны.

Выявление видового богатства зависит от объёма материала, возрастая с увеличением числа проб, и асимптотически стремится к некоторому порогу насыщения, характерного для каждого региона.

Изменения (снижение) видового богатства S любых морфо-экологических групп гидробионтов можно оценить по простым формулам, предложенным Котэ и Хэллауэлом (Kothe, 1962; Хэллауэл, 1977):

и ,

где S_u – число видов выше места поступления сточных вод, S_d – ниже места поступления, а S_m – количество видов, отсутствующих на станции ниже стоков.

Приведённые примеры оценки видового богатства подразумевают наличие течения: станции располагаются выше и ниже места водовыпуска, оценивается разнообразие таксонов, богаче представленных в текучих водах. Однако сравнение видового богатства донных и пелагических сообществ на различных станциях применяется и даёт хорошие результаты и в стоячих водоёмах. При этом следует иметь ввиду, что в озёрах зона подверженная загрязнению может занимать как весь водоём, так и его часть или отдельный горизонт.

Индекс видового сходства

I=

a и b – общее количество видов в водоёмах.

c – количество общих видов.

>60% – одно и то же сообщество, нет влияния.

30-60% – туда-сюда

<30% – совсем разные

Создателями системы индикаторных организмов были Кольктвиц и Марссон (1908-1909 гг.). Они установили 4 зоны загрязнения. Причём изменения качества воды могут происходить в двух противоположных направлениях:

1. От чистого водоёма к загрязнённому соответственно различают зоны:

· Олигосапробная «о» – очень чистая

· Бетамезасапробная «Bm» –

· Альфамезасапробная «am» –

· Полисапробная «p» – очень грязная

2. В обратном направлении – от загрязнённого водоёма к чистому; это происходит в результате процессов самоочищения.

И для каждой зоны сапробности Кольквитц и Марссон дали списки организмов-индикаторов

Полисапробная (р - сапробная) зона. Зона сильного загрязнения органическим веществом с очень низким содержанием или отсутствием кислорода. Организмы с высокой требовательностью к кислороду абсолютно отсутствуют.

Полисапробная зона характеризуется большим содержанием нестойких органических веществ (100-400 мг/л) и наличием продуктов их анаэробного распада (метан, сероводород). Кислород отсутствует. Все биохимические процессы носят восстановительный характер, ил – чёрный, возможно с запахом сероводорода.

Население полисапробных вод обладает малым видовым разнообразием, но отдельные виды могут достигать большой численности.

В 1 мл чёрного ила содержатся сотни тысяч и миллионов бактерий, БПК₅ – 10-50 мг О /л.

Альфа-мезосапробная (a) зона. Зона, где начинаются процессы самоочищения, имеется некоторое количество кислорода, количество органического вещества уменьшается до 25-100 мг/л. Здесь содержится много свободной углекислоты. В воде и донных отложениях протекают окислительно-восстановительные процессы. Поэтому в результате распада сложных белковых органических соединений накапливается аммиак и аминокислоты. В a -мезосапробной зоне население качественно обеднено, здесь развиваются организмы, обладающие большой выносливостью к недостатку кислорода и большому содержанию угольной кислоты.

Энергичным самоочищениемхарактеризуются a -мезосапробные воды. В нем принимают участие и окислительные процессы за счёт кислорода, выделяемого хлорофиллоносными растениями. Среди них встречаются некоторые цианобактерии, диатомовые и зеленые водоросли. Большой численностью обладают грибы и бактерии, достигающие сотен тысяч в 1 см³. Могут обитать нетребовательные к кислороду виды рыб, главным образом, караси.

Водоёмы a -мезосапробной зоны загрязнены поступающими в них сточными водами, они непригодны в качестве питьевой воды (БПК₅ – 5-10 мг О /л). Много видов, характеризующихся массовым развитием.

Бета-мезосапробная зона (β) – зона с меньшим количества органического вещества (2-20 мг/л). Окислительные процессы преобладают над восстановительными. Концентрация кислорода и угольной кислоты сильно колеблются в течение суток, в дневные часы содержание кислорода в воде доходит до перенасыщения и угольная кислота может полностью исчезать. В ночные часы может наблюдаться дефицит кислорода в воде. В илах много органического детрита, преобладают такие продукты минерализации белка, как нитриты и нитраты. Ил серой или коричневой окраски. Число бактерий в 1 мл воды не превышает обычно 100 тыс. кл. Разнообразно представлены диатомовые, и зеленые водоросли, и цианобактерии. Многие макрофиты находят здесь оптимальные условия для своего роста. В обрастаниях обычны нитчатки и эпифитные диатомеи; в илах – черви, личинки хирономид, моллюски.

Именно этой зоне свойственно наибольшее количество видов простейших. Особенно богат набор видов бентосных и планктонных, ресничных и сосущих инфузорий. БПК₅ в них равен 2.5-5.0 мг О /л.

Олигосапробная зона (о). Содержание кислорода высокое. Содержание органических веществ не превышает 1 мг/л, число бактерий не более 1000 кл./л. Богато представлены перединеи, встречаются харовые водоросли.

Это чистые воды (водоёмы). Содержание кислорода близко к насыщению. БПК₅ = 1.0-2.5 мг О /л. На дне водоёмов детрита немного, преобладают коричневые илы.

Если видовое определение животных оказывается затруднительным, лучше пользоваться методами, основанными на использовании в качестве биоиндикаторов крупных таксонов.

В настоящее время наиболее широко применяется оценка состояния вод (особенно рек) по составу зообентоса методом Вудивисса. В этом методе объединяется принцип индикаторного значения отдельных таксонов и принцип – снижение разнообразия фауны в условиях загрязнения водоёма.

Биотический индекс Ф. Вудивисса был предложен в 1964 г. для реки Трент (Trent Biotic Index, TBI), быстро вошёл в практику биоиндикации и стал наиболее известным и популярным.

Для учёта разнообразия фауны введено условное понятие «группа» животных, под которой понимают для одних животных отряды (подёнки, веснянки, ручейники), для других – классы (олигохеты, пиявки, нематоды), для третьих – семейства (двукрылые насекомые, ракообразные), для моллюсков – рода. В соответствии с количеством групп и качественным составом населения рассчитывают значения так называемого биотического индекса, который характеризует определённый класс вод по чистоте или степени загрязнения. Для определения биотического индекса пользуются специальной таблицей.

Величина биотического индекса зависит от числа присутствующих групп и их состава. Например, если на станции обнаружено от 2-х до 5-ти групп и среди них есть личинки веснянок, то индекс равен 6-7. Если при таком же количестве групп личинки насекомых и ракообразных отсутствуют, а в пробе зообентоса преобладают тубифициды и красные личинки хирономид (мотыли), то индекс будет равен 2. При очень сильном загрязнении индекс равен 0.

Категория грязных вод имеет биотический индекс 1-0

Загрязнённые воды 2-1

Умеренно загрязнённые 4-3

Чистые воды 7-5

Очень чистые 8-10

Многие исследователи в качестве индикаторных организмов используют олигохет, являющихся одним из основных компонентов. В местах же спуска стоков они развиваются в огромных количествах. Массовое развитие олигохет без более точного определения расценивается как показатель загрязнения вод.

Степень загрязнения часто определяют по величине численности олигохет (экз/м²).

Слабое загрязнение 100-1000

Среднее загрязнение 1000-5000

Тяжёлое загрязнение 5000 и более

Однако сильное загрязнение не всегда сопровождается массовым развитием олигохет. Численность их зависит от многих факторов: условий осаждения детрита, качества грунта и т.д.

В практике санитарно-гидробиологических исследований широко используются индексы, учитывающие представленность отдельных групп гидробионтов. Так, Индекс Гуднайта и Уитлея (Goodnight, Whitley, 1961) или Олигохетный индекс (No/Nc или Ol) выражает численность только одного таксона – малощетинковых червей, относительно численности всех донных животных в процентах (Goodnight, Whitley, 1961). Индекс имеет три градации: менее 60% – водоём в хорошем состоянии, 60-80% – в сомнительном, более 80% – в тяжёлом состоянии.

I= *100%

Позже были разработаны и другие индексы оценки загрязнения, учитывающие численность разных групп в составе олигохет. Так, Э.А. Пареле (1975) предложила рассчитывать отношение численности олигохет к численности животных бентоса (D ₁) и численности тубифицид к численности олигохет (D ₂) (см. Приложение 13). При этом коэффициент D ₁ был предложен для быстротекущих рек с хорошей аэрацией воды, где развивается более разнообразная донная фауна, а D ₂ – для медленнотекущих водотоков с неудовлетворительным кислородным режимом, где донная фауна может состоять из одних олигохет.

Биотический индекс Вудивисса, Олигохетный индекс Гуднайта-Уитлея и Хирономидный индекс Балушкиной вошли в список основных показателей состояния пресноводных экосистем и применяются Гидрометеослужбой России для оценки качества вод уже более 30 лет.

Оценка степени загрязнения изученных нами водоёмов (реки, протекающие по территории г. Перми и Пермского края) показала, что каждый водоём имеет свою индивидуальность, специфичность, которую необходимо отметить для себя и использовать при оценке качества воды. Необходимо знать также закономерности пространственного распределения животных и динамику их развития. Например, летние одноразовые сборы зообентоса могут совпадать с периодом их минимальной численности, обусловленной вылетом насекомых, а не загрязнением вод. Поэтому наиболее достоверные результаты мы получаем, если величины индексов определяются по усреднённым данным для нескольких сезонов.

В пространственном распределении зообентоса существуют свои особенности. Так, зообентос плёсовых участков рек значительно отличается по своему составу от перекатов, прибрежная фауна от русловой, в верхнем течении рек формируются экосистемы значительно отличающиеся от таковых в нижнем течении.

Биологические критерии оценки качества воды дают более обобщенные данные о состоянии водоёма, чем химические показатели. Они характеризуют изменения состояния водоёма, происходящие за большой отрезок времени воздействия на водоём. Биологический анализ используют для характеристики процессов антропогенного эвтрофирования и для оценки степени загрязнения.

Преимущество биологической индикации состоит в том, что биологические процессы интегрируют влияние среды и изменение в структуре сообщества.

Установить зоны сапробности можно не только по наличию индикаторных организмов, но и рассчитав индексы сапробности, характеризующие сапробиологическую оценку по количественным показателям видов индикаторов в пробах планктона и бентоса. Индексы сапробности могут характеризовать как точечные или локальные состояния воды водоёма, так и позволяют дать оценку процессов самоочищения.