Введение
Вода — это самый ценный природный ресурс. Ее роль — участие в процессе обмена всех веществ, которые являются основой любой жизненной формы. Вода необходима всем: людям, животным, растениям. Для кого-то она является средой обитания. К сожалению, с увеличением темпов технического прогресса все ярче проявляется воздействие хозяйственной деятельности человека на окружающую его природную среду. Среди проблем, обусловленных этим воздействием, важное место заняла проблема чистой воды, поскольку поверхностные воды оказались наиболее чувствительным звеном природной среды. Без тщательного контроля состояния последних невозможно предупредить возникновение неблагоприятных экологических ситуаций. Известно, что качество воды, ее биологическая полноценность в значительной мере определяется состоянием биогидроценозов. Поэтому из всех существующих систем контроля качества природных вод только система гидробиологического контроля дает непосредственную оценку состояния биогидроценозов, и в этом ее основное преимущество перед другими системами контроля и качества вод. Все это настоятельно требует широкого внедрения в практику экологического мониторинга методов гидробиологического анализа. Гидробиологический анализ, будучи важнейшим элементом системы контроля загрязнения поверхностных вод и донных отложений, позволяет:
1)оценивать качество поверхностных вод и донных отложений как среды обитания организмов, населяющих водоемы и водотоки;
2)определять совокупный эффект комбинированного воздействия загрязняющих веществ;
3)определять трофические свойства воды;
4)устанавливать возникновение вторичного загрязнения, а в некоторых случаях специфический химизм и его происхождение;
5)устанавливать направления и изменения водных биоценозов в условиях загрязнения природной среды;
6)определять экологическое состояние водных объектов и экологические последствия их загрязнения.
Задачи практики:
1)узнать о методах сбора гидробиологического материала;
2)исследовать представителей растительного и животного мира водоемов;
3)изучить методы биоиндикации качества воды;
4)изучить методы оценки экологического состояния водоемов.
Информация о месте проведения практики
Полю́стровский парк — парк в Красногвардейском районе Санкт-Петербурга (муниципальный округ Полюстрово), ограничен шоссе Революции, проспектом Металлистов, Львовской улицей и улицей Маршала Тухачевского. Парк пересекает Апрельская улица.
Полюстровом издавна называли обширный заболоченный участок на правом берегу Невы. Парк расположен в экологически чистом районе, который относится к водоохране зоне горизонта месторождения минеральных вод. Целебные свойства железистых минеральных источников, находящихся в этом районе, было известно ещё в начале XVIII века. Сохранилось свидетельство, что Пётр I по совету своего лейб-медика Л. Л. Блюментроста, впоследствии первого президента Петербургской Академии наук, пользовался водой полюстровских железных ключей, называя их «стальными водами».
В начале XIX века в Полюстрово провели осушительные работы и построили водолечебницу, ставшую центром небольшого курорта. В 1868 году большой пожар уничтожил значительную часть существовавшего здесь парка, а также курорт, который уже не восстанавливался. Его территория, как и соседние усадьбы, была распродана по участкам, и здесь развернулось новое строительство, в том числе промышленных предприятий.
Современный парк разбит в 1967 году на месте старой жилой застройки. Перепроектирован в 1973 и 1986 годах (архитекторы О. Н. Башинский, Т. И. Шолохова).
До 2007 года парк носил название Парк имени 50-летия Октября. 7 декабря 2006 года постановлением городского правительства парк переименован в Полюстровский.
Методы сбора гидробиологического материала
Состав и уровень количественного развития водных беспозвоночных организмов является высокочувствительным показателем степени загрязнения водоема и нарушения чистоты его вод. Одним из компонентов биологического анализа водоема является изучение зоопланктонного сообщества, т.е. совокупности животных, населяющих толщу воды. Особенно велико участие зоопланктона В круговороте веществ в малопроточных водоемах - озерах, водохранилищах и прудах несколько меньше в реках.
Фитопланктон является одним из важнейших элементов водных экосистем, участвующих в формировании качества вод. Индикаторные свойства фитопланктона определяются не только фатом нахождения или отсутствия определенных видов, но и степенью их количественного развития. Поэтому изучение таких статических характеристик, как видовой состав, численность, биомасса, распределение водорослей в водоеме имеет большое практическое значение
Количественный метод сбора планктона.
Сеть Джеди (рис. 1) состоит из фильтрующего шелкового или капронового конуса, верхнего обратного усеченного конуса из плотного белого материала. По верхнему и нижнему краю обратного конуса пришивают металлические обручи (диаметр 0,5 1,0 см), к которым на равном расстоянии друг от друга посредством манжет из плотной ткани крепятся три боковые стропы сети. Стропы делают из льняного или капронового фала. Свободные концы строп связывают петлей над входным отверстием сети. К нижнему концу фильтрующего конуса, как и в любой качественной сети, пришивается манжета из плотной ткани, с помощью которой к сети прикрепляется стакан с краном для сливания пробы. Стакан также посредством трех строп прикрепляется к большому нижнему кольцу с таким расчетом, чтобы при подвешивании груза фильтрующий конус имел небольшую слабину. Места крепления строп обоим кольцам, также ушки стаканчика необходимо вместить по одной прямой во избежание перекручивания фильтрующего конуса сети. Перед началом работы сеть вывешивается в открытом состоянии: кольцо уздечки зажато крючком замыкателя. Кран для сливания пробы на стаканчике закрыт. В таком виде через сеть пропускается 50 литров воды с помощью ведра объемом 10 литров (5 раз), затем поднимается до нужного горизонта, и к этому моменту по спускному тросу пускается посыльный груз, который, ударяя по головке спускного механизма, освобождает кольцо уздечки - сеть закрывается и повисает на тросе, прикупленном к большому кольцу. Закрытая сеть поднимается на поверхность. Сети придается первоначальное положение, т.е. ее кольцо уздечки зажимается крючком замыкателя. Кран стакана открывается и проба, сконцентрированная в нем, переливается в подготовленную заранее обязательно чистую посуду. Нельзя допустить, чтобы при споласкивании сети в нее попала через входное отверстие новая порция воды. После облова каждого горизонта сеть споласкивают. Отобранные пробы переливаются в небольшие баночки или бутылки.
Для учета пресноводного зоопланктона используют камерау Богорова. (рис. 2). Камера представляет собой пластину из прозрачного материала с выемкой в виде лабиринта. Исследуемую пробу выливают в выемку и просматривают под бинокулярным микроскопом последовательно, продвигаясь от одного конца лабиринта к другому. При этом проба не перемешивается.
Рис.1- сеть Джеди Рис.2- камера Богорова
Количественный сбор бентоса осуществляется при помощи дночерпателя Петерсона(рис.2). Он представляет собой ковш с режущей поверхностью, куда попадает мягкий грунт и бентос. Площадь захвата составляет 1/40 кв.м. После чего отбираем животных макрозообентоса, которые остаются на сите диаметром 1 мм. Образцы грунта с его животным населением на глубинах свыше двух или трех метров берут драгой. Сачки, скребки, тралы, тоже служат для определения видового состава территории.
Рис.3- дночерпатель Петерсона. Рис.4-сачок Рис.5-скребок
Для изучаемой территории был характерен песчаный, глинистого – песчаный, песчано- илистый грунт. Для определения процентного соотношения бентоса используется гидробиологическая рамка, которая имеет определенный размер. С площади ограничиваемой пределами рамки осуществляется сбор грунта.
Рис.6- гидробиологическая рамка.
А также сбор гидробиологического материала можно провести с помощью батометра (рис. 4).
Рис. 7- батометр
4. Методы и индикаторы оценки качества и экологического состояния вод.
Оценка экологического состояния водных экосистем и качества воды осуществляется с помощью физико-химических и гидробиологических методов, которые основаны на определении индивидуальных или комплексных показателей состояния среды или водных гидробионтов.
Использование физико-химических методов связано с определением значений конкретных показателей качества воды, поэтому они позволяют ответить на вопросы, каким веществом и насколько загрязнена вода и сделать вывод о пригодности ее для тех или иных целей. Физико-химические методы дают оценку среды обитания водных организмов и не позволяют объективно судить о состоянии водной экосистемы в целом.
Гидробиологические методы основаны на анализе реакции водных организмов к изменению состава и свойств воды, поэтому они дают объективную оценку состояния водной экосистемы и позволяют судить о загрязненности воды, но только на качественном уровне.
В гидробиологическом анализе используются практически все группы организмов, населяющих водоемы и водотоки: планктонные и бентосные беспозвоночные, простейшие водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы.
Водорослям принадлежит ведущая роль в индикации качества вод в результате эвтрофирования водоемов. Биоиндикация по водорослям может затрудняться их недостаточной таксономической изученностью и сложностью различать живые и мертвые клетки.
Зоопланктон, как и фитопланктон, используется для получения картины загрязнения той части водотока, которая лежит выше пункта взятия пробы. В сравнении с фитопланктоном, зоопланктон менее показателен при индикации изменения качества вод в результате процессов эвтрофирования водоемов. Однако его значение в качестве биоиндикатора качества вод достаточно велико, что обусловлено наличием среди зоопланктона представителей патогенной фауны, ограничивающей использование водного объекта в целях водоснабжения и рекреации. Зоопланктон в качестве биоиндикатора особенно широко используется (и в ряде случаев имеет решающую роль) при контроле качества вод озер и водохранилищ.
Зообентос является хорошим, а в некоторых случаях и единственным биоиндикатором загрязнения донных отложений и придонного слоя воды.
Наибольшая биомасса бентоса представлена моллюсками, но далеко не все моллюски могут служить надежными индикаторами загрязнения воды и донных отложений. Достоверными индикаторами являются легочные моллюски, особенно катушки и речные чашечки.
Рассмотрим ещё один индикатор оценки состояния водных объектов – личинки насекомых. Наиболее чувствительными к загрязнению являются свободно живущие камподеовидные личинки ручейников (без предохраняющих домиков) из подотряда кольчатощупиковых; личинки поденок с жабрами, не покрытыми крышечками. Они являются надежными индикаторами чистых участков водоема.
Хорошие показатели степени загрязнения вод – многие организмы мейобентоса. Например, представители 2 подклассов нематод: Adenophorea (предпочитают незагрязненные воды) и Secernatea (тяготеют к участкам, содержащим большое количество органических веществ). Соотношение численности представителей Adenophorea и Secernatea может быть
использовано в качестве показателя степени загрязнения, для чего вполне достаточно определять нематод до отряда, что не вызывает затруднений.
Таким образом, живые организмы могут выступать в качестве индикаторов качества среды или биоиндикторов.
Биоиндикаторы:
· вследствие эффекта кумуляции могут реагировать даже на сравнительно слабые антропогенные нагрузки,
· суммируют действия всех без исключения важных биологических факторов,
· отражают физические и химические параметры, характеризующие состояние экосистемы,
· фиксируют скорость происходящих в среде изменений,
· вскрывают тенденции развития окружающей среды,
· указывают пути и места скопления загрязнений и возможные пути попадания их в пищу человека,
· позволяют судить о степени вредности любых веществ для живой природы, давая возможность контролировать их действие,
· устраняют чрезвычайно трудную задачу применения дорогостоящих и трудоемких физических и химических методик,
· постоянно присутствуют в окружающей среде и реагируют, в том числе, на кратковременные залповые сбросы загрязняющих веществ, на которые может не отреагировать автоматизированная система контроля, рассчитанная на дискретный во времени отбор проб,
· помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различные по своей устойчивости к антропогенным воздействиям, так как одинаковый состав и объем загрязнений может привести к различным реакциям экосистем, расположенных в разных географических условиях.
4.1. Оценка степени загрязнения вод разлагающимися органическими веществами, или сапробности.
Сапробность (от греческого sapros–гнилой) –физиолого-биохимические свойства организма (сапробионта), обусловливающего его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ.
Кольквитц и Марссон изучая различные водоемы, установили 4 зоны сапробности:
1.Полисапробная зона. Содержится значительное количество нестойких органических веществ и продуктов их анаэробного распада. Много белковых веществ. Кислород поступает в воду главным образом за счет атмосферной реаэрации и расходуется полностью на окисление. В воде присутствует сероводород и метан. На дне кислорода нет.
2.a-мезосапробная зона. Начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, углекислота, кислорода мало, сероводорода и метана нет. БПК составляет десятки мг/л. Содержатся организмы, приспособленные к недостатку кислорода и высокому содержанию углекислоты. В илах много тубифицид и личинок хирономид.
3.b-мезосапробная зона. Нет стойких органических веществ, произошла полная минерализация. Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток: днем избыток кислорода, дефицит углекислоты, ночью -наоборот. Много организмов с автотрофным питанием, наблюдается цветение воды.
4.Олигосапробная зона. Чистые воды, соединения азота в форме нитратов, вода насыщена кислородом; СО2мало, сероводорода нет. Это практически чистые водоемы. Цветения не бывает. На дне мало детрита, автотрофных организмов и бентосных животных.
Окончательная оценка качества вод осуществляется с учетом других важнейших показателей: численности и биомассы организмов, общего числа видов, соотношения различных групп организмов в отдельных сообществах, состояния макрофитов, интенсивности продукционно-деструкционных процессов, активности микробиологических процессов. Общая оценка качества вод в каждом конкретном случае дается по совокупности гидробиологических показателей с учетом экологических и зоогеографических особенностей водного объекта. При этом принимаются во внимание также и особенности загрязнения различных биотопов, на что могут указывать различия показателей планктонных и бентосных сообществ.
4.2. Оценка качества вод по показателям зообентоса
При мониторинге пресноводных экосистем показательным объектом служат животные макрозообентоса. Они удовлетворяют многим требованиям к биоиндикаторам, среди которых: повсеместная встречаемость, достаточно высокая численность, относительно крупные размеры, удобство сбора и обработки, сочетание приуроченности к определенному биотопу с определенной подвижностью, достаточно продолжительный срок жизни, чтобы аккумулировать загрязняющие вещества за длительный период. Зообентос служит хорошим, а в ряде случаев единственным биоиндикатором загрязнения донных отложений и придонного слоя воды.
Наиболее перспективная методика для анализа бентосных проб из прибрежных зон рек по состоянию фауны – метод Вудивисса. Вудивиссом был составлен список оперативных единиц, которые для удобства он назвал «группами». Несомненное достоинство этого метода в том, что в нем объединяются принципы индикаторного значения отдельных таксонов и принцип изменения разнообразия фауны в условиях загрязнения.
Понятие «группа» включает: все известные виды плоских червей(Plathelmintes),круглые черви (Annelida), за исключением рода Nais; род Nais; все известные видыпиявок(Hirudinea); все известные виды моллюсков (Mollusca); все известные виды ракообразных (Crustacea); все известные виды веснянок (Plecoptera); все известные виды поденок (Ephemeroptera),кроме Baetis rodani, Baetis rodani(подёнка), все семейства ручейников (Trichoptera); все виды личинок вислокрылок (Megaloptera); личинки комаров-звонцов (Chironomidae), кроме Chironomussp. и Chironornus thummi (мотыль); Chironomussp. и Chironornus thummi (мотыль); личинки мошек Simulidae; все известные виды мух (остальные Diptera); все известыне виды жуков(Coleoptera); все известные виды водных клещей (Hydracarina); все известные виды водных клопов (Hemiptera); Arachnidae.
4.3. Оценка качества воды по показателям зоопланктона и бентоса.
Простейшие обладают высокой чувствительностью к содержанию органического загрязнения в воде, что делает их ценными показателями в биологическом анализе водоема. Однако необходимо учитывать, что многие современные поверхностные воды загрязняются не только органическими веществами животного и растительного происхождения, но и многими токсическими веществами: пестицидами, нефтью и ее продуктами, тяжелыми металлами, детергентами и др., что ограничивает возможность использования представителей протозойного планктона и бентоса в качестве
биоиндикаторов. Но благодаря широким возможностям распространения и короткому жизненному циклу, простейшие быстро появляются вновь при наступлении благоприятных условий.
Индикаторная роль простейших меняется в различных климатических зонах, поэтому при исследованиях необходимо дорабатывать вышеупомянутые списки соответственно местным условиям.
Для получения наиболее наглядных результатов по индикаторной роли инфузорий из многих имеющихся к настоящему времени методов можно использовать метод, предложенный Р. Пантле и X. Букком в модификации В. Сладечека. Ученые приняли, что каждый индикаторный вид встречается только в одной зоне загрязнения. В действительности же очень редкие виды обнаружены лишь в какой-то определенной зоне, поскольку четкие границы между зонами очень трудно обозначить и следует учитывать существование переходных зон. Поэтому В. Сладечек изменил значения индексов сапробности индикаторных видов, данных в работах.
По Пантле и Букку, степень загрязнения характеризуется индексом сапробности:
𝑆=∑(𝑠ℎ)∑ℎ,
где S - индекс сапробности, s - индикаторная значимость, h - относительное количество особей вида.
Индикаторная значимость s для олигосапробов составляет 1, β-мезосапробов - 2, α-мезосапробов - 3, полисапробов - 4. Относительное количество особей вида h равно для случайных находок 1, редко 2, нередко 3, часто 5, очень часто 7, массового развития 9.
Индекс сапробности S в полисапробной зоне (сильно загрязненной) находится в пределах 4,0-3,5; в α-мезосапробной зоне (загряненной) - 3,5-2,5; в β-мезосапробной зоне (умеренно загрязненной) - 2,5-1,5; в олигосапробной зоне (чистой) - 1,5-1,0; в ксеносапробной зоне (очень чистой) равен 1.
5. Характеристика растительности водоемов.
Водные растения-многолетние (реже однолетние) растения, необходимое условие жизни которых -пребывание в пресной (большей частью), солёной или солоноватой воде.
Виды водных растений по зоне их расположения:
· прибрежные, которые расположены вдоль берега, выставляя над поверхностью часть стеблей и листьев: хвощ, стрелолист, рогоз, камыши, тростники;
· околоводные: ирисы, пондетерия, сусак, калужницы и др.;
· водные, у которых вся жизнь проходит на глубине водоема: водяной мох, роголистник, хара, нителла;
· плавающие по поверхности или в толще воды: пистия, мох-фонтиналис, лютик водяной, ряска, водокрас, болотноцветник, водяной орех;
· глубоководные или погруженные, которые укореняются в грунте, а над поверхностью находятся цветки: кубышка, кувшинка, оронтиум, лотос;
· оксигенераторы — растения, погруженные в воду и активно выделяющие кислород, необходимый для обеспечения жизнедеятельности всех обитателей водоема: водяная звездочка, роголистник, турча болотная, уруть колосистая.
Растения водоемов Полюстровского парка
На 1-й точке (пруд №1) Полюстровского парка были найдены следующие виды растений:
· Ежеголовник прямой (Sparganium erectum L.)
Ежеголовник (Sparganium) — многолетнее прибрежное растение, склонное к быстрому разрастанию. В природе ежеголовники растут по топким берегам рек, прудов, на болотах. Головчатые соцветия этих растений состоят из множества мелких невзрачных цветков. В цветках вместо лепестков по три зеленоватых чешуйки. Тычиночные головки маленькие, желтые, пушистые. Более крупные зеленоватые пестичные головки расположены под тычиночными.
· Роголистник погружённый (Ceratophyllum demersum)
Водное многолетнее растение, вид рода Роголистник (Ceratophyllum).
Бескорневое водное цветковое растение, способное произрастать в широком спектре экологических условий, часто образующее моновидовые скопления. Водное растение, свободно плавающее или прикреплённое к субстрату тонкими ризоидными побегами, отходящими от основания стебля. Питательные вещества растения всасывают непосредственно из воды. Часто растения образуют крупные одновидовые скопления в водоёмах, достигающие 5—6 и даже 10 м в глубину.
