Для характеристики степени опасности загрязнения водных объектов, в т.ч. источников питьевого водоснабжения, должны использоваться следующие показатели:
- массовая нагрузка химическими веществами на водную среду;
- комплексные показатели загрязнения воды водоемов: показатель химического загрязнения (ПХЗ) и индекс загрязнения вод (ИЗВ);
- кратность превышения ПДК приоритетных по опасности веществ;
- показатели общесанитарного режима водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (БПК5 и растворенный кислород).
Оценка массовой нагрузки на водную среду химическими веществами в составе сточных вод должна проводиться по отношению количества сточных вод (выраженному в процентах) к величинам нагрузки сточных вод в масштабе территорий более высокого ранга - области, республики. Для расчета используются ежегодные данные сбросов промышленных и хозяйственно-бытовых вод в водоемы (по форме 2-ТП - "Водхоз").
Для оценки степени загрязнения питьевой воды, объектов хозяйственно-питьевого и рекреационного водопользования по кратностям превышения соответствующих ПДК приоритетных по опасности вредных химических веществ используются данные за длительный период, но не менее одного года.
Вопросы для самоконтроля:
1. Каковы недостатки существующих систем нормирования антропогенного воздействия на водные экосистемы?
2. Что такое медико-экологические риски?
3. Способы гигиенической оценки степени напряженности медико-экологической ситуации акваторий?
Литература: [1; 2; 4; 6]
ТЕМА 3 ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ
3.1Компоненты водных экосистем
Компоненты водных экосистем функционально не отличаются от главных компонентов наземных экосистем. В биологическом сообществе естественно присутствуют три главные группы организмов - продуценты, консументы и редуценты (рис. 3.1). Первые - продуценты (фитопланктон и фитобентос) ассимилируют энергию Солнца и создают органическое вещество, служащее источником жизни для них и остальных компонентов экосистемы. Консументы (зоопланктон, зообентос, нектон) это вещество преобразуют в свои тела. Редуценты (бактериопланктон и бактериальное население дна водоема) выполняют важнейшую часть работы - минерализацию экскретов и трупов консументов и продуцентов и переведение их в неорганическую форму с тем, чтобы сделать их доступными продуцентам для повторения цикла.
Рисунок 3.1 - Упрощенная схема экосистемы
3.2 Особенности водных сообществ по сравнению с наземными
Водные организмы находятся в условиях более слабой освещенности, чем наземные, а расположенные на глубинах водоемов (и в подземных водах) совершенно лишены света и их живые компоненты могут существовать только за счет поступления органических веществ извне. Поэтому в системе гидробиоценозов гораздо сильнее выражена вертикальная дифференциация (стратификация). В связи с вертикальной расчлененностью водной среды типы водных сообществ выделяются по совершенно иному принципу, чем типы биогеоценозов. Последние в большинстве случаев, как указывает В.Н. Сукачев, совпадают с границами растительных ассоциаций на поверхности земли, в то время как типы гидробиоценозов различаются главным образом по их положению в пространстве. Это уже описанные нами планктон, нектон, бентос, перифитон.
Организмы в водоемах биохимически и осмотически более тесно связаны с окружающей их средой и зависят от содержания в ней растворимых веществ. Благодаря значительно большей, чем у воздуха, плотности воды, многие водные организмы пребывают в свободно плавающем или парящем состоянии, поскольку вода содержит пространственно-распределенный источник пищи в виде взвешенной массы органических веществ и микробов. Вода одновременно создает возможность биохимических связей между сообществами гидробионтов за счет выделения многими организмами в воду кислорода, углекислоты и различных продуктов метаболизма. Эти вещества, токсичные, либо, наоборот, стимулирующие другие организмы, образуют как бы сеть, по которой организмы сообщаются косвенно, не вступая друг с другом в прямой контакт.
Население гидросферы значительно разнообразнее, чем наземное, хотя во внутренних водоемах состав флоры и фауны сильно обеднен по сравнению с морями из-за выпадения многих групп. Основную массу первичных продуцентов составляют взвешенные в воде микроскопические водоросли, в то время как на суше - это почти исключительно крупные растения, с корнями в почве. Несмотря на чрезвычайно мелкие размеры планктонных водорослей, они обладают весьма высоким темпом размножения и могут давать очень высокую первичную продукцию, за счет которой развивается местами богатейшее животное население.
В горизонтальном направлении водные сообщества, как и биогеоценозы, также неоднородны. Биотопы определяются преимущественно физическими свойствами среды и группируются по экологическим зонам, на которые делятся водоемы: например, в озерах бенталь подразделяется на литораль (прибрежная зона), сублитораль (до нижней границы распространения высших растений), профундаль. Внутри каждой зоны может быть выделено по несколько биотопов и соответствующих им биоценозов (например, на разных грунтах).
Гидробиоценозы, как и наземные экосистемы (в первую очередь, фитоценозы), обладают хорошо выраженной изменчивостью во времени. Сезонная (годовая, суточная или иная циклическая) динамика, вызванная изменениями температуры, наблюдается как в ценозах высшей водной растительности, отмирающей с наступлением осени, так и в планктонных сообществах, состоящих из видов с кратким жизненным циклом. В меньшей мере выражены сезонные изменения в бентосе, остающемся в крупных водоемах на зиму в почти полном составе и количестве, хотя в некоторые периоды его гетеротопные группы (насекомые) покидают водоем.
Межгодовые (или многолетние) изменения в водоемах выражены не менее, если не более ярко, чем в биогеоценозах, и, в основном, происходят в результате тех же причин: изменения климатических условий и деятельности человека. В гидробиоценозах постоянно происходят также изменения в соотношении видов и их обилии, причины которых часто не удается установить. Эти ненаправленные изменения колебательного типа называют флуктуациями, противопоставляя их сукцессиям - изменениям в течение ряда лет, направленным в одну сторону. Сукцессии часто наблюдаются в гидробиоценозах и представляют собой обычно продолжающийся в течение ряда лет процесс постепенного приспособления сообществ гидробионтов к сильно изменившимся абиотическим условиям. Мы наблюдаем их при различных естественных изменениях режима водоемов, а в еще большем масштабе - при возникновении новых водоемов или водохранилищ (на затапливаемой, например, вследствие сооружения плотины, долине реки).
3.3 Подходы к оценке устойчивости экосистем
Устойчивость экосистемы - это способность отдельных ее частей противостоять колебаниям внешних факторов и сохранять свою структуру и функциональные особенности. Выделяют два основных типа устойчивости экосистем. Резистентная устойчивость - это способность экосистемы сопротивляться внешним воздействиям, поддерживая длительное время неизменной свою структуру и функции. Упругая устойчивость - это способность системы восстанавливаться после того, как ее структура и функция были нарушены под влиянием изменений, превосходящих норму. Как правило, при благоприятных физических условиях среды экосистемы в большей степени проявляют резистентную устойчивость, а не упругую, но в изменчивых физических условиях наблюдается преобладание упругой устойчивости.
Устойчивость биотической компоненты экосистемы (биоценоза) обычно достаточно высокая, если большинство организмов способны нормально функционировать в широком диапазоне значений физических и химических параметров окружающей среды, т.е. преобладающая часть биоты является эврибионтами. Если же биоценоз может существовать в весьма ограниченном диапазоне значений параметров окружающей среды, т.е. большинство его представителей являются стенобионтами, или многие виды незаменимы в своих функциях, такое сообщество оказывается в большинстве случаев неустойчивым, или динамически хрупким. С точки зрения антропогенного воздействия на устойчивость компонентов морских экосистем, представляет значительный интерес также концепция «ассимиляционной емкости», предложенная Ю.А. Израэлем.
Таким образом, для решения проблемы оценки устойчивости экосистем Балтийского, Белого, Черного и Азовского морей необходим комплексный анализ влияния основных климатообразующих процессов, параметров океанологического и устойчивости экосистем внутренних морей должна основываться на учете целого ряда процессов и факторов,
многие из которых взаимосвязаны (рис. 3.3.1).
На основе анализа природных особенностей экосистем Балтийского, Белого, Черного и Азовского морей можно прийти к выводу о том, что наиболее значимым экологическим фактором, определяющими устойчивость характеристик морских биоценозов, является соленость воды, которая демонстрирует наиболее выраженные межгодовые и многолетние колебания в Балтийском и Азовском морях.
Роль температуры воды и ее изменчивости также существенна. В таблице 3.3.1 представлено обобщение физико-географических процессов и характеристик, способных оказывать влияние на степень устойчивости значений солености и температуры воды во внутренних морях.
Таблица 3.3.1 - Процессы и характеристики, влияющие на устойчивость важнейших параметров абиотической среды внутренних морей
 |
При непосредственной оценке степени устойчивости конкретных морских акваторий представляется целесообразным основываться на более детальной схеме, представленной на рисунке 3.3.2.
Рисунок 3.3.2 - Детализированная схема связей между процессами и характеристиками, определяющими устойчивость параметров морской среды и биоты внутренних морей
|
Рисунок 3.3.1 - Структурная схема связей между природными процессами и характеристиками, которые необходимо учитывать при оценке устойчивости экосистем внутренних морей
Вопросы для самоконтроля:
1. Первичная продукция и методы ее определения.
2. Классификация водоемов по величине первичной продукции.
3. Продукция и деструкция, их соотношение в водных экосистемах циклического и транзитного типов.
4. Продукция биоценозов.
5. Биоценозы. Структура биоценозов.
6. Потоки энергии в экосистемах.
7. Круговорот вещества в экосистемах.
Литература: [1; 2; 4; 7]
ТЕМА 4 МЕТОДЫБИОИНДИКАЦИИ И БИОТЕСТИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ
4.3 Токсикологический контроль водной среды методами биотестирования
Контроль за токсичностью стоков и загрязняемых вод водных объектов может быть проведен только методами биотестирования. Биотестированием обычно называют методический прием оценки качества окружающей среды по реакциям или характеристикам организмов, находящихся в этой среде. Основной принцип гидробиологического биотестирования заключается в испытании действия проб воды на водный организм с известными и поддающимися учету характеристиками. При этом биообъект специально вводится в исследуемую среду, и режим воздействия находится под контролем. Таким образом, биологический объект выступает в роли прибора, выявляющего интегральный эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы.
Строго говоря, биотестированием называется любое исследование свойств вещества или фактора среды с использованием живых организмов.
Задачи биотестирования:
• определение токсичности отдельных веществ, вносимых в водную среду, для представителей водных сообществ в целях скрининга и нормирования;
• выявление присутствия в водной среде неизвестного состава биологически опасных веществ, что могло бы служить основанием для последующего химического исследования этой среды;
• установление источников токсического загрязнения водных объектов и оценка их интенсивности;
• определение необходимой степени разведения сточных вод до биологически и экологически безвредных уровней.
К числу одного из первых методов биотестирования можно отнести «рыбную пробу», применявшуюся еще в начале прошлого века. С тех пор в качестве тест-объектов был рекомендован широкий круг организмов, охватывающий все группы водного сообщества. Но ни один из тест-объектов не может служить универсальным индикатором, из-за видовой избирательности в равной степени чувствительным ко всем экологическим факторам.
Поэтому для оценки токсикологических характеристик загрязняемых природных вод должен быть использован комплекс объектов, относящихся к различным группам водных сообществ. С введением каждого дополнительного объекта надежность схемы испытаний повышается, однако бесконечное расширение ассортимента обязательных объектов невозможно. В связи с этим каждый из предлагаемых методов должен иметь строгое целевое назначение и очевидные преимущества перед рекомендованными ранее.
С учетом указанных задач и условий в 1983-1985 гг. была организована и проведена апробация методов биотестирования, использовавшихся в лабораторной практике на территории СССР. На испытания было представлено 46 методов и их модификаций. Наибольшее число разработок было связано с использованием водорослей и дафнии.
Водоросли как тест-объект использовались для контроля токсичности загрязняемой водной среды, сбросных и сточных вод, для выявления токсичности медицинских полимеров и бумажных материалов и др. Продолжительность испытания длилась от нескольких минут до двух недель (в случае необходимости выявления возможного экологического ущерба).
Планктонные рачки были выбраны в качестве наиболее перспективных тест-объектов для контроля токсичности жидких сред. Рачок Daphnia magna служит не только «датчиком», позволяющим непосредственно выявлять присутствие токсических агентов в водной среде, но и калибровочным эталоном для других методов и биосистем, рекомендуемых для целей биотестирования токсичности жидких сред. Помимо контроля токсичности сточных и загрязняемых природных вод, этот тест-объект применялся в экспериментальных условиях для оценок токсичности загрязненных почв, технологического сырья и изделий из различных материалов, загрязненности атмосферы рабочих помещений и др.
Процедура испытаний с применением дафний не требует использования специального дорогостоящего оборудования, может производиться в обычном лабораторном помещении и в полевых условиях, а также в условиях учебного класса и жилой квартиры. Продолжительность испытаний - от нескольких часов до 14 суток (при необходимости получения заключений по влиянию на процессы размножения и для выявления отдаленных последствий).
В список приоритетных тест-объектов были также включены бактерии (биолюминесценция и активность окислительных ферментов), рыбы (избегание токсичности, частота дыхания и сердцебиения), двустворки, пиявки, инфузории.
Среди основных характеристик приемов биотестирования находятся оперативность и чувствительность. Для оценок длительного эффекта слабых воздействий важна экологическая значимость контролируемых параметров.
Для выявления самого факта токсического загрязнения могут быть использованы экспресс-методы, а для выявления его возможных биологических и экологических последствий - методы хронических испытаний.
Экспресс-методы характеризуются относительной избирательностью, сравнительно низкими чувствительностью и экологической значимостью. Поэтому для надежного выявления токсических агентов с различной направленностью действия необходимо одновременно использовать комплекс методов, включающий различные тест-объекты. В список таких тест-систем могут быть включены, в частности, иммобилизованные ферменты, люминесцирующие бактерии, интенсивность свечения которых изменяется при токсических воздействиях, водоросли, состояние которых регистрируется методами флуоресценции, инфузории разных видов.
Основными достоинствами всех перечисленных методов являются их оперативность (получение ответа через минуты после начала воздействия), простота регистрации результатов (с использованием аппаратуры), пригодность для экспедиционных условий.
В последние годы за рубежом широко продаются и используются наборы тест-объектов (водорослей, инфузорий, коловраток), находящихся в покоящемся состоянии («токсикокиты»). Обычно в такой комплект, помимо высушенных или иным способом «законсервированных» тест-организмов, входит посуда, простейший инструментарий и инструкция. При необходимости организмы быстро активизируются и могут быть использованы для проведения испытаний токсичности объектов среды.
4.4 Биоиндикация токсического загрязнения вод
В отличие от биотестирования, биоиндикация представляет собой выявление последствий уже состоявшегося загрязнения водного объекта по функциональным и морфологическим показателям его обитателей или по экологическим характеристикам сообщества. Некоторые подходы к оценкам состояния среды методами биоиндикации освещены выше. Основная проблема, с которой сталкивается такой подход, это идентификация фактора окружающей среды, который оказался причиной изменений биообъекта, наблюдаемых в природных условиях.
В части контроля качества вод по гидробиологическим показателям обобщения известны с середины XIX века. Кольквиц и Марссон (Kolkwitz, Marsson) предложили систему сапробности и списки сап-робионтов в основном применяемые и в настоящее время. В сообществе водных организмов были выделены две основные группы организмов - сапробионтов (от «сапрос» - гнилой) из загрязненных вод, и катаробионтов (от «катарос» - чистый), населяющих чистые воды, в связи с чем были предложены от 4 до 7 уровней загрязнения - полисапробный, альфа-полисапробный, альфа-, альфа-бета- и бета-мезосапробные, олиго-бета-мезосапробный, олигосапробный.
Некоторые характеристики вод разных категорий представлены в таблице 4.2.
Выделение уровней производится по содержанию органического вещества, продуктов их разложения (метан, сероводород и др.) и по населению вод, наличию индикаторных видов. Индикаторными или показательными называют виды, существование и развитие которых зависит от степени и характера загрязнения. Так, в число видов, нестойких к загрязнению, относятся личинки ручейников и веснянок. Стойкие к умеренному загрязнению - изоподы, бокоплавы, пиявки, личинки стрекоз, брюхоногие моллюски. Стойкие к загрязнению - хирономиды, личинки мух. К сильному загрязнению стойки олигохеты - тубифициды.
Олигосапробные воды - чистые воды больших озер, характеризующиеся содержанием органики не более 1 мг/л, числом бактерий - не более 1 тыс. в 1 см3 и БПК5 в пределах 3-5 мг/л. Такие воды заселены олигосапробной фауной и флорой, в частности диатомовыми Melosira italica, коловратками Notholca longispina, моллюсками Dreissena polymorpha, ракообразными Daphnia longispina, Bythotrephes longimanus, личинками стрекоз и однодневок, которые здесь впервые появляются. Из рыб здесь могут быть представлены стерлядь, форель, гольян, а из амфибий - тритоны.
Эвтрофированному водоему соответствует бета-мезосапробный уровень, при котором доминируют окислительные процессы, наблюдается перенасыщение кислородом в дневное время и значительное содержание продуктов минерализации белков - нитриты и нитраты, число бактерий в 1 см3 воды не превышает 100 тыс., активно развиваются многие макрофиты, а БПК5 находится в пределах 3-8 мг/л. Примером (З-мезосапробных видов могут служить сине-зеленые Oscillatoria limosa, Aphanizomenon flos acquae при массовом развитии (при других условиях последний вид является олигосапробным), диатомовые Melosira varians, ряд видов Diatoma, Navicula и др., зеленые водоросли Cladophora, Protococcales и Conjugata, роголист (Ceratophyllum demersum), моллюски Limnaea auricularia, Valvata, Vivipara, ракообразные (циклопы и дафнии), рыбы (вьюн, карась, линь, карп, взрослые угри, колюшки, верховка, уклейка и голец) и лягушки.
Таблица 4.2 - Характеристика вод разной сапробности (по Зернову, 1949)
| Признак | Зона | |||||||
| полисапробная | α-мезосапробная | β-мезосапробная | олигосапробная | |||||
| Характерные химические компоненты | белковые вещества, полипептиды, углеводы | аммиак, аминокислоты, амиды, амидо-кислоты | NH3, N203, N205 аммиачные соединения жирных кислот | N205 | ||||
| Кислородные условия | анаэробные | полуанаэробные | аэробные | аэробные | ||||
| Характер биохимических процессов | восстановительные | восстановительно-окислительные | окислительные | окислительные | ||||
| Угольная кислота | много | повышенный уровень | немного | мало | ||||
| Сероводород | много | повышенный уровень | мало | нет | ||||
| Форма соединений железа | FeS | FeS + Fe203 | Fe203 | Fe203 | ||||
| Проба на загниваемость | загнивает | загнивает | не загнивает | не загнивает | ||||
| Источники кислорода | диффузия | диффузия | диффузия и ассимиляция СО2 | диффузия и ассимиляция С02 | ||||
| Содержание бактерий | сотни тысяч - миллионов | сотни тысяч | десятки тысяч | сотни - десятки | ||||
| Интенсивность развития отдельных форм | обычно высокая | очень высокая | значительная | нередко высокая | ||||
| Разнообразие видов | очень малое | небольшое | значительное | очень большое | ||||
| Преобладание отдельных видов | очень сильное | сильное | слабое | обычно слабое | ||||
| Смена сообществ | часто катастрофическая | часто катастрофическая | довольно медленная | довольно медленная | ||||
| Продуценты | нет | мало | немного | много | ||||
| Консументы | очень много | много | много | немного | ||||
| Потребители бактерий | масса | много | немного | очень мало |
Продолжение таблицы 4.2 - Характеристика вод разной сапробности (по Зернову, 1949)
| Потребители растений | нет | редки | нередки | часты |
| Потребители животных | почти нет | есть | много | очень много |
| Водные цветковые растения | нет | нет или мало | немного | много |
| Главные группы организмов | бактерии, бесцветные жгутиковые, серные бактерии, инфузории | грибы, бактерии, сине-зеленые, зеленые жгутиковые, инфузории, черви, коловратки, личинки мух | сине-зеленые, диатомовые, зеленые водоросли, зеленые жгутиковые, инфузории, губки, коловратки, моллюски, ракообразные, рыбы | зеленые жгутиковые водоросли, перидинеи, хризомонады, коловратки, мшанки, губки, моллюски, ракообразные, рыбы |
| Потребность организмов в кислороде | ничтожная | слабая | большая | очень большая |
| Обрастания и наросты | преимущественно хлопьевидно-слизистые | землисто-войлочные |
В альфа-мезосапробной зоне происходит энергичное самоочищение, в частности, за счёт окисления кислородом, выделяемым фото-синтезирующими организмами. БПК5 достигает 8-20 мг/л. Здесь отмечается большое количество грибов, бактерий (сотни тыс. в 1 см3 воды) и других нетребовательных к кислороду видов. К а-мезосапро-бам относятся: грибы Mucor sp. и Leptomitus (Apodya) lacteus, сине-зеленые виды Oscillatoria, зеленые - нитчатка Stigeoclonium tunue, которая заходит и в более чистые зоны и жгутиковая Euglena viridis при массовом развитии, ресничные инфузории Stentor coeruleus, моллюски Sphaerium соrnеит, рачки Asellus aquaticus (водяной слик) при высокой численности, личинки Chironomus plumosus. Обилие видов инфузорий, червей, коловраток и других форм существенно отличает а-мезосапробную зону от полисапробной.
Полисапробные воды характеризуются видовой бедностью, обилием углекислоты и легкоусваиваемых белков и углеводов. В этих условиях интенсивно идут процессы редукции и распада с образованием сернистого железа в иле и сероводорода. Полисапробами являются: из бактерий - Sphaerotilus natans, Zoogloea ramigera и серобактерии (виды Beggiatoa); из Protococcales - Polytoma uvella; из животных - жгутиковая Oicomonas mutabilis, инфузории Paramaecium putrinum и Vorticella putrina и червь Tubifex tubifex при его массовом развитии. Из насекомых - личинки Eristalis tenax. При малом числе видов может быть велика численность отдельных из них. Отсутствуют аэрофильные микроорганизмы, но распространены бесцветные жгутиконосцы и бактерии. Число колоний, вырастающих из 1 см3 полисапробной воды на желатине, может превышать 1 млн. Полисапробные виды могут встречаться в мезосапробных зонах, но редко - в олигосапробных.
Полисапробные воды Сладечек (Sladecek) предлагал подразделять на три подзоны - изосапробная (преобладание цилиат над флагеллятами), метасапробная (преобладание флагеллят над цилиатами), гиперсапробная (отсутствие простейших, при развитии бактерий и грибов). Предлагают также подразделять воды по загрязненности на катаробные (чистые), лимносапробные (включающая ксеносапробные, олигосапробные, бета- и альфа-мезосапробные, полисапробные), эусапробные и транссапробные.
Развитием системы сапробности следует считать, например, сиcтему Пантле и Букк (Pantle, Buck) с оценкой сапробности по индексу, определяемой по формуле 4.2.1:
(4.2.1)
где: s - индикаторная значимость (для олигосапробов-1, бета-мезасапробов-2, альфа-мезосапробов-3, полисапрбов-4);
h - относительное количество особей вида (случайные находки - 1, частая встречаемость - 3, массовое развитие - 5).
Индекс составляет в полисапробной зоне - 4-3,5; альфа-мезосапробной - 3,5-2,5; бета-мезосапробной - 2,5-1,5; олигосапробной - 1,5-1,0.
Из других индексов на основе видового разнообразия для оценки качества среды чаще других используются следующие:
• индексы видового разнообразия d по Марголефу:
(4.2.2)
и по Менхиникку:
(4.2.3)
• показатель видового разнообразия по Шеннону-Виверу:
(4.2.4)
где: N- общее количество особей в пробе;
пi - общее количество особей вида i;
S - число видов.
В России исследования по индикации качества вод проводятся с начала XX века (А.С. Скориков, Е.Н. Болохонцев, СМ. Вислоух, Я.Я.Никитинский и др.).
Для практического применения в нашей стране за основу классификации приняты следующие категории, предложенные С.М. Драчевым (1964): 1 класс - очень или особо чистые; 2 - чистые; 3 - умеренно (слабо) загрязненные; 4 - загрязненные; 5 - грязные или сильно загрязненные; 6 - очень или сильно грязные. Наиболее распространенными являются 2-5 классы.
Загрязнения более высокие, чем при полисапробности, называют гиперсапробностъю, копрозойностъю, улътрасапробностъю.
В последние десятилетия предложено множество вариантов метода оценки качества вод по видовым характеристикам, в частности, по доминирующим в сообществе видам, по видовому разнообразию, индексам сходства населения, по соотношению организмов с разным типом питания (продуценты и консументы) и др.
Важную роль в индикации играет зоопланктон. Вблизи от источника загрязнения определяется зональность по численности и составу планктона. При использовании методов индикации, например - по простейшим и коловраткам, удобнее использовать прием Пантле и Букк в модификации Сладечека, который более универсален и прост, чем другие.
При оценках по организмам бентоса чаще всего используется система Вудивисса. В соответствие с этим подходом выделяют группы часто встречающихся групп донных организмов (плоских червей, пиявок, поденок, двукрылых, жуков и др.). Иногда показателем качества вод служит наличие или обилие представителей группы нематод. По таблице определяют их биотический индекс, снижающийся по мере загрязнения и зависящий от видового разнообразия и состава населения.
Из микробиологических методов используются прямой просчет бактерий на мембранных фильтрах, количество сапрофитов, растущих на МПА, скорость размножения бактерий (время генерации), индекс отношения сапрофитов к общему числу клеток.
Для количественного сравнения проб из чистой и загрязненной зон применяются коэффициенты сходства видового состава проб, например по Жаккару (формулы 4.2.5 -4.2.6):
k = c / (a + b + c) (4.2.5)
или по Серенсену:
K = 2c / (a + b) (4.2.6)
где: с - число видов, общих для обоих участков,
а (а) и b- число видов в каждой из сравниваемых проб, соответственно.
В качестве перспективных подходов заслуживают упоминания такие системы, как оценка соотношения числа видов или масс продуцентов и консументов, определение количества олигохет (100-999 экз/м2 - слабое загрязнение, 1 000-5 000 - среднее, более 5 000 - сильное), установление соотношения масс личинок насекомых и олигохет.
При количественных оценках загрязнения морской среды также применяются показатели численности различных групп водных организмов (макрофитов, зообентоса, фито- и зоопланктона, соотношения, например, численностей копепод и нематод и пр.).
Помимо статических показателей, обозначается динамический подход, включающий динамику сообщества, функциональных характеристик, энергетического баланса как метода количественного выражения биотической трансформации вещества и энергии или круговорота вещества на отдельных его этапах.
Все биологические показатели качества вод могут быть поделены на чувствительные (количество органики, скорость её включения в биотический кругооборот, функциональные и некоторые структурные показатели состояния фитопланктона), малочувствительные (количество бактерий и некоторых других групп) и нечувствительные (по индикаторным значениям отдельных видов).
Наблюдения на водоемах проводятся в соответствие с программой экологического мониторинга. Такой программой обычно предусматривается цель наблюдения, круг отслеживаемых показателей, периодичность их учета. Характеристики, способные отразить качество среды, контролируемые в процессе мониторинга, приведены на схеме (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2 - Исследования, проводимые в рамках экологического мониторинга
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое эколого-рыбохозяйственные ПДК? Дать определение и объяснить назначение.
2. Для каких целей разработаны ОБУВ - ориентировочно безопасные уровни воздействия токсикантов?
3. Перечислить, по каким основным критериям принимают решение о нормативе качества воды.
4. Перечислите классы опасности веществ и их признаки.
5. Что такое биотестирование и биоиндикация и с какой целью они проводятся?
6. Что такое «система сапробности» и какие показатели положены в основу выделения зон сапробности?
7. Сравнить классификацию сапробных и токсичных загрязнений.
8. Как происходит деградация токсических веществ при биологической очистке сточных вод?
Литература: [1; 2; 4; 9]
ТЕМА 5 ЗАГРЯЗНЕНИЕ КАК ОДНА ИЗ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭКОСИСТЕМ
5.4 Антропогенное эвтрофирование: причины и контроль
Важное последствие бытового загрязнения вытекает из того, что коммунальные сточные воды, кроме большого количества органических веществ, несут и много биогенных элементов. Результатом этого становится антропогенное эвтрофирование водоемов и водотоков. Ряд авторов разделяет эвтрофирование - естественный процесс старения экосистем водоемов и эвтрофикацию, антропогенную или экспериментальную. Было даже предложено этот процесс именовать дистрификацией. В отечественной литературе, в отличие от англоязычной, где термин один (eutrophication) существуют варианты термина: эвтрофирование, эвтрофикация, эвтрофизация, эвтрификация, эвтрофия, евтрофирование, евтрификация, евтрофия. Особо нужно выделить английский термин - в англоязычной литературе «антропогенное» эвтрофирование называется «культурным» (cultural eutrophication).
5.1.1 Агенты эвтрофирования
Главными агентами эвтрофирования могут выступать соединения азота и фосфора, главным образом, в виде нитратов и фосфатов.
В конце 1960-х было широко распространено убеждение о загрязнении рек, озер и подземных вод нитратами бытовых сточных вод, сточных вод животноводческих комплексов и, особенно, возделываемых полей. Наибольшие опасения вызывал тот факт, что высокое содержание нитратов в воде может вызвать заболевания. Например, метгемоглобинемию, или синдром «blue-baby» - у детей младше 6 мес. Заболевание это чрезвычайно редкое, но между 1945 и 1960 гг. в мире было зарегистрировано 2000 случаев. В США погиб 41 младенец, в Европе - 80. Нитраты подозревались и в том, что они могут реагировать с аминами и амидами с образованием канцерогенов: нитрозаминов и нитрозамидов. Экспериментальные исследования сняли эти подозрения. Главной угрозой, которую представляют нитраты для окружающей среды, является эвтрофирование водоемов.
Источники поступления агентов эвтрофирования:
˗ Естественное вымывание питательных веществ из почвы и выветривание пород.
˗ Сбросы частично очищенных или неочищенных бытовых сточных вод, содержащих органические соединения азота и фосфора, нитраты и фосфаты.
˗ Смыв неорганических удобрений, содержащих нитраты и фосфаты.
˗ Смыв с ферм навоза, содержащего органические соединения азота и фосфора, нитраты, фосфаты, и аммиак.
˗ Смывы с нарушенных территорий (шахты, отвалы, стройки, неправильное использование земель).
˗ Сбросы детергентов, содержащих фосфаты.
˗ Поступление нитратов из атмосферы.
5.1.2 Стадии эвтрофирования
При эвтрофировании водная экосистема последовательно проходит несколько стадий. Сначала происходит накопление минеральных солей азота и/или фосфора в воде. Эта стадия, как правило, непродолжительна, т.к. поступающий лимитирующий элемент немедленно вовлекается в кругооборот и наступает стадия интенсивного развития водорослей в эпилимнионе. Нарастает биомасса фитопланктона, увеличивается мутность воды, повышается концентрация кислорода в верхних