Биоиндикационные методы определения занрязнений водоемов по комплексу беспозвоночных

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Введение……………………………………………………………………….3

2. Биологический контроль санитарного состояния водоема………………...4

3. Методы биотестирования…………………………………………………….8

3.1 Оценка качества воды рек и озер по биотическому индексу……………..10

3.2 Определение сапробности водоема по методу Пантле и Букка …………12

3.3 Индекс Вудивисса…………………………………………………………..14

3.4 Индекс видового разнообразия Маргалефа………………………………..16

3.5 Индекс биоразнообразия Симпсона………………………………………..17

4. Заключение……………………………………………………………………19

5. Используемая литература……………………………………………………20

ВВЕДЕНИЕ.

Определение качества поверхностных вод, которое осуществляется главным образом с помощью методов физико-химического анализа, представляет одну из сложнейших проблем экологического мониторинга. Это вынуждает экологов искать другие, малозатратные методы контроля состояния поверхностных вод.

Методы биоиндикации и биотестирования имеют ряд преимуществ по сравнению с методом физико-химического анализа проб окружающей среды. Они повышают достоверность оценки экологического состояния поверхностных вод, поскольку биоценозы формируются в определенных условиях, в определенных биотопах в течение длительного времени, они достаточно надежно отражают эти условия и позволяют судить об антропогенном воздействии на экосистемы, о динамике процессов самоочищения.

Методы биоиндикации качества водоемов основываются на способности пресноводных моллюсков очищать воду от загрязняющих веществ. Например, моллюски, заселяющие один квадратный метр донного ила водоема, за сутки способны профильтровать до 280 м3
воды. Некоторые виды моллюсков могут жить в загрязненной воде, и это позволяет судить о чистоте воды по видимому разнообразию обитающих в данном водоеме моллюсков-биоиндикаторов. Так, катушку, перловицу и беззубку утиную можно найти только в водоемах с чистой водой, битинию, горошину, лужанку, прудовика, перловицу вздутую и физу - в водоемах со слабым загрязненной водой, а шаровку роговую- с умеренно загрязненной

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ САНИТАРНОГО СОСТОЯНИЯ ВОДОЕМА.

Под биологическим методом понимается оценка состояния водоема по составу растительного и животного населения и тестам на токсичность. Преимуществом биологического метода перед другими является возможность показать не только единовременное состояние водоема, но также предшествующие условия, в которых развились обнаруженные биоценозы, а также состояние водоема в ближайшей перспективе.

Организмы водоема относятся к планктону и бентосу, ряд из них составляет перифитон. Наиболее характерными для оценки загрязнения водоема являются бентос и перифитон. В состав биоценозов бентоса входят все формы растений и животных, которые своей жизнью тесно связаны с дном водоема. Организмы зообентоса принято разделять в зависимости от размеров и способов лова на макробентос, мезобентос, микробентос. Фитобентос представлен в водоеме макрофитами (высшая водная растительность) и микроводорослями. В планктон включают те формы животных и растений, которые проводят всю жизнь во взвешенном состоянии в толще воды водоема. К фитопланктону принадлежат микроводоросли, к зоопланктону - животные.

Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологический метод оценки состояния водоема позволяет решить задачи, разрешение которых с помощью гидрофизических и гидрохимических методов невозможно. Оценка степени загрязнения водоема по составу живых организмов позволяет быстро установить его санитарное состояние, определить степень и характер загрязнения и пути его распространения в водоеме, а также дать количественную характеристику протекания процессов естественного самоочищения.

Планктон - совокупность живых обитателей водоема, не способных активно передвигаться или медленно передвигающихся, но не противостоящих токам воды.

Фитопланктон - совокупность растительных организмов водоема, не способных активно передвигаться, - важнейший компонент водных систем, активно участвует в формировании качества воды и является чутким показателем состояния водных экосистем и водоема в целом.

Каждая группа организмов 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 - совокупность животных, обитающих на дне и в придонных слоях воды, 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.

Зоны сапробности.
Под сапробностью принято понимать степень распада органических веществ в загрязненных водах. 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 объясняются потребностью в органическом питании и выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения органического вещества.

В полисапробной зоне водоема органических веществ много, кислорода нет. Здесь происходит расщепление белков и углеводов.

В мезосапробной зоне нет неразложившихся белков, есть сероводород, диоксид углерода и кислород. Происходит минерализация органических веществ. Есть различия между альфа - и бета-мезосапробной зонами. Вода в альфа-мезосапробной зоне умеренно загрязнена органическими веществами, есть аммиак и аминосоединения, кислорода мало. В бета-мезосапробной зоне органических загрязнителей мало; кроме аммиака есть продукты его окисления - азотная и азотистая кислоты, много кислорода.

В олигосапробной зоне практически нет растворенных органических веществ, кислорода много, вода чистая.

В водоеме сапробность развивается в двух противоположных направлениях. Первое - от чистого водоема к загрязненному: олиго-сапробность ® бета-мезосапробность ® альфа-мезосапробность ® полисапробность. Второе - в обратном направлении - от загрязненного водоема к чистому, это результат процессов самоочищения (табл. 1).

Таблица 1.

Основная характеристика зон сапробности.

Показатель	Зона
	полисапробная		альфа-мезосапробная	бета-мезосапробная		олигосапробная
Кислородные условия	Анаэробные		Полуанаэробы	Аэробные
Азотистые соединения	Белковые вещества		Аммиак, аминокислоты	Аммонийные соли, нитриты, нитраты		Нитраты
Сероводород	Много		Порядочно	Мало		Нет
Загниваемость	Загнивает			Не загнивает
Содержание бактерий в 1 мл воды	Сотни, тысячи, миллионы	Сотни тысяч		Десятки тысяч	Сотни, десятки
Преобладание отдельных видов	Очень сильное	Сильное		Слабое	Обычно слабое
Разнообразие видов	Очень малое	Небольшое		Значительное	Очень большое
Количественное богатство форм	Часто высокое или низкое	Очень высокое		»	Невысокое
Смена сообществ	Катастрофическая	Часто катастрофическая		Довольно медленная
Потребность организмов в кислороде	Ничтожная	Слабая		Большая	Очень большая
Главные группы организмов	Бактерии, бесцветные жгутиковые, серные бактерии, инфузории	Грибы, бактерии, инфузории, сине-зеленные водоросли, зеленые жгутиковые		Сине-зеленные водоросли, диатомовые водоросли, зеленые водоросли, зеленые жгутиковые, инфузории, коловратки, ракообразные, рыбы	Зеленые водоросли, диатомовые водоросли, перидинеи, хризомонады, коловратки, мшанки, губки, ракообразные, рыбы

Чистые водоемы населяют пресноводные моллюски, личинки веснянок, личинки мошек, двустворчатые моллюски-шаровки, битинии, лужанки, личинки стрекоз и пиявки.

Чрезмерно загрязнение водоемы заселяют малощетинковые кольчецы, личинки комара-звонца и ильиной мухи.

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.

МЕТОДЫ БИОТЕСТИРОВАНИЯ.

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

Для изучения рек и ручьев большое значение имеют перифитонные организмы, 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.

Также случайные загрязнения местного характера легче всего могут повлиять на характер населения дна (т.е. организмов бентоса) в таких водоемах.

Это обстоятельство заставляет при исследовании рек обращать внимание на быстрые места их течения - перекаты, плотины и т. д. Если мы хотим получить представление об общем состоянии реки, то станции необходимо выбирать именно здесь. Если же нас интересуют разовые или местные загрязнения необходимо исследовать обитателей дна в местах со слабым течением - в заводях, бочагах и т.п. После впадения в реку тех или иных загрязненных стоков последние сносятся течением вниз по реке и откладываются в более глубоких местах реки с замедленным течением.

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.

Почти любое использование воды влияет на ее качество. Использованная вода обычно возвращается в реки или отстойники для восстановления. Это может оказать нежелательное влияние на жизнь, если использованная вода будет сильно отличаться от естественной.

Сообщества зообентоса являются мониторными протекающей над ними воды, поскольку достаточно стабильно связаны с определенными биотопами в течение длительных отрезков времени, а загрязнения в наибольшей степени концентрируются в придонных слоях воды.

Общепринято, что оценка степени загрязнения водоемов по показательным организмам и их видовому разнообразию более объективна. Однако для оценки качества воды необходимо учитывать и региональную оценку.

Количество участков реки, выбираемых для обследования, определяется целями работы. При исследовании качества воды на всем протяжении водотока места отбора проб выбирают через равные интервалы от истока до устья.

При выборе участков отбора проб следует учитывать ряд условий. На них не должно быть мелководий с густой водной растительностью, а также затонов с застойной водой. И в том, и в другом случае донное население может значительно отличатся от такового на участках реки с нормальной скоростью течения воды.

Очень важно, чтобы в пробах на каждом из обследованных участков были представлены донные организмы различных биотопов: илистых, песчаных и каменистых грунтов. Чем разнообразнее участок по числу местообитаний, тем число проб должно быть больше. Но и на участках с однообразным дном число проб должно быть не менее трех.

Пробы грунта с обитающими в нем донными организмами отбирают с помощью специальных ловушек: закидной драги и сачкового скребка.

Оценка качества воды рек и озер по биотическому индексу.

О чистоте воды природного водоема можно судить по видовому разнообразию и обилию животного населения. Показателем качества воды может служить биотический индекс, который определяется по количеству ключевых и сопутствующих видов беспозвоночных животных, обитающих в исследуемом водоеме. Самый высокий биотический индекс определяется числом 10, он отражает качество воды экологически чистых водоемов, вода которых содержит количество биогенных элементов и кислорода, в ней отсутствуют вредные газы и химические соединения, способные ограничить обитание беспозвоночных животных.

Для определения биотического индекса необходимо взять пробу воды из водоема с помощью водного сачка. В исследуемой пробе определяют ключевые виды и группы сопутствующих видов. Под группой сопутствующих видов в одних случаях понимают род, или семейство, или класс беспозвоночных, в других - каждый вид.

Определив количество групп и число ключевых видов, находим в таблице вертикальный столбец и горизонтальную графу и на их пересечении определяем биотический индекс (табл.2.). Эта цифра и будет показателем биотического индекса данного водоема. Существенным дополнением к биотическому индексу может стать определение численности особей ключевых видов. Чем больше число особей ключевого вида, тем экологически чище водоем. Единичные особи ключевых видов свидетельствуют об ухудшении условий жизни. В оценку БПИ включены только виды и группы организмов, которые имеют значение для оценки качества воды.

Таблица 2.

Соответствие между типами водотоков, классами качества воды и биотическим индексом (БПИ).

Тип водотока, группа, подгруппа	Класс качества воды	Воды	БПИ
Чистые, 1.1	I	Очень чистые	10-9
Чистые - слабо загрязненные, 1.2-2.2.	"text-align:center;">II	Чистые	8-7
Умеренно-загрязненные,3	III	Умеренно загрязненные	6-5
Загрязненные,4	IY	Загрязненные	4
Грязные,5	Y	Грязные	3-2
Очень грязные,6	YI	Очень грязные	1-0

По полученным значениям БПИ определяют санитарно-экологический тип водотока и класс качества вод, принятый в системе Общегосударственной службы наблюдений и контроля (табл.3).

Таблица 3.

Перерасчет результатов количественного учета на значение частоты

Значение частоты, h	Зоопланктон	Макробентос
Доля одного вида в общем количестве экземпляров:	Количество экземпляров на площади 0,1 м2 грунта водоема
1	Не более 1	1-5
2	3	4-10
3	4-10	11-50
5	10-20	50-150
7	20-40	150-500
9	40-100	Свыше 500

Зона	Условное обозна-чение	Численное значение	Зона	Условное обозна-чение	Численное значение
Олиго-сапробная	o	1	Альфа-мезосапробная	a	3
Бета-мезосапробная	b	2	Полисапробная	r	4

Простота расчета БПИ за счет исключения из анализа некоторых групп, позволяет получить экспресс-информацию о качестве воды, как в лабораторных, так и в экспедиционных условиях.

Определение сапробности водоема по методу Пантле и Букка.

В 1955г. выходит работа Пантле и Букка (по Макрушину, 1978), в которой они характеризуют степень загрязнения индексом сапробности (S). Индикаторную значимость (s) они приняли у олигосапробов за 1, бета-мезосапробов за 2, бета-мезосапробов за 3 и полисапробов за 4. Относительное количество особей вида (h) оценивается следующим образом: случайные находки – 1, частая встречаемость 3 и массовое развитие – 5.

Данный метод позволяет сравнить состояние водоема в разных пунктах, например по продольному профилю реки, и представить результаты в цифровом и графическом виде. Зонам сапробности s придается цифровое значение от 1 до 4 в порядке возрастания загрязнения. Определяется также частота встречаемости h организмов в сообществе. Обе величины входят в формулу для вычисления индекса сапробности:

Ind s=S (sh) / (S h).

В полисапробной зоне он равен – 4,0-3,5, в бета-мезосапробной –3,5-2,5 в бета-мезосапробной зоне – 2,5-1,5 и в олигосапробной зоне 1,5-1,0.

Частоту встречаемости учитывают по девятибалльной шестиступенчатой шкале частот со следующими обозначениями: 1-очень редко, 2-редко, 3-нередко, 5-часто,7-очень часто, 9-масса. Кроме того, вводятся понятия «обнищание» и «мертвая» зона, что особенно характерно для промышленных стоков. Интервал точности для статистической надежности 95 %.

S=s±t0,05
sS
=2,51±2,02*0,1;

S=2,51±0,2.

Обычно индекс сапробности вычисляется с точностью до 0,1.

Однако многие виды-индикаторы встречаются в водах 2, 3 или 4-х зон сапробности, что является причиной неточности при установлении средней сапробности биоценоза.

По мнению Насибулиной Б.М. (Астраханский государственный университет): «метод Пантле-Букка дает более надежную информацию в районах, испытывающих влияния загрязнений органического характера, поэтому для объективной оценки загрязненности его целесообразно применять совместно с другими методами».

Индекс Вудивисса.

Этот метод является наиболее удачным для биологического анализа качества воды по составу донных ценозов. Он рекомендуется для использования в Общегосударственной системе биомониторинга. Этот метод базируется на анализе макрозообентоса и перифитона главным образом в зоне макрофитов. Индекс определяют по таблице. Значение индекса зависит от видового разнообразия и состава организмов. В таблице указана последовательность исчезновения из биоценозов организмов по мере увеличения загрязнения.

Индекс изменяется от 10 в чистых водоемах до 1 в загрязненных (табл.4).

Таблица 4.

Классификация биологических проб по Вудивиссу.

Присутствующие организмы	Количество присутствующих видов	Общее число присутствующих «групп»
		0-1	2-5	6-10	11-16	16 и более
		Биотический индекс
Личинки веснянок	Больше одного вида Только один вид	- -	7 6	8 7	9 8	10 9
Личинки поденок	Больше одного вида Только один вид	- -	6 5	7 6	8 7	9 8
Личинки ручейников	Больше одного вида Только один вид	- 4	5 4	6 5	7 6	8 7
Гаммарус	Все вышеназванные виды отсутствуют	3	4	5	6	7
Азеллюс	Все вышеназванные виды отсутствуют	2	3	4	5	6
Тубифициды и/или (красные) личинки хирономид	Все вышеназванные группы отсутствуют	1	2	3	4	-
Могут присутствовать некоторые виды, нетребовательные к кислороду, например Eristalis tenax	Все вышеназванные виды отсутствуют	0	1	2	-	-

В нашей стране использование метода Вудивисса встретилось с рядом проблем регионального характера. Так, например, поденки из рода Baёtis в ряде регионов могут быть эврисапробными и встречаться в самых разных водоемах, за исключением сильно загрязненных. Случайное попадание этих организмов в пробу может привести к существенному завышению индекса. Метод Вудивисса приемлем для грязных и сильно загрязненных вод; для более чистых вод биотические индексы занижены, так как отсутствовали личинки поденок, ручейников, веснянок и преобладали группы, которые в системе Вудивисса почти не отражены или же объединены в очень крупные таксоны.

Однако в целом применение биотического индекса Вудивисса дает положительные результаты. Наблюдается небольшие расхождения с гидрохимическими данными. Полная корреляция гидробиологических и гидрохимических показателей наблюдается в сильно загрязненных водоемах (по Насибулиной Б.М.). Кроме того метод не требует значительных временных затрат для получения и обработки данных.

Для быстрого и точного определения степени загрязнения воды в системе биомониторинга и прогнозирования может быть рекомендовано применение индекса Вудивисса в сочетании с уточненным индексом Пантле-Букка.

Индекс видового разнообразия Маргалефа
.

В загрязненных водоемах обычно уменьшается разнообразие видов. Поскольку количество видов пропорционально логарифму изученной площади, а общее количество особей пропорционально площади, предложена в качестве меры формула

= (s-1) / ln N,

где S – количество видов; ln N-натуральный логарифм количества особей;`d - принимает максимальное значение, если все особи принадлежат к разным видам (S=N) и равен нулю, когда все особи принадлежат к одному виду (S=1).

По мере загрязнения индекс будет уменьшаться.

Индекс биоразнообразия Симпсона.

В качестве количественной оценки экологического состояния поверхностных вод по видовому разнообразию молюсков-биоиндикаторов можно использовать индекс биоразнообразия Симпсона D:

D=1/ (ΣPi
2
),

где P2
i
- видовое разнообразие в сумме видов сообщества, принятого за единицу. Также можно применять показатель жизненности биоиндикаторов G предложенной Ю.С, Бадтиевым (табл.5):

G=WS,

где W- относительное разнообразие биоиндикаторов в сумме, принятой за единицу; S- плотность биоиндикаторов на единице площади.

Экологическое состояние поверхностных вод водоемов оценивается по состоянию биоиндикаторов относительно состояния биоиндикаторов в нормальных условиях.

Таблица 5.

Индексы Симпсона и Бадтиева.

Состояние	D	G
Удовлетворительное	Менее 5	Менее 20
Кризисное	25-50	25-50
Катастрофическое	Более 50	Более 50

Для повышения достоверности оценки экологического состояния поверхностных вод поиск контрольного водоема проводят с применением метода биотестирования. Этот метод основан на определении изменения интенсивности биолюминесценции некоторых бактерий в результате воздействия токсических веществ. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту. По сравнению с биоиндикацией метод биотестирования более сложен, так как предусматривает приготовление контрольных и рабочих растворов, отбор проб воды для последующего анализа, который проводится в соответствии с «Методикой экспрессного определения токсичности воды» с помощью люминесцентного бактериального теста «Эколюм» (НР № 11-1/133-09, 2000г.). Методика биотестирования обладает высокой точностью (ошибка не более 2%). В результате исследований получают интегральную картину состояния воды, т. е. степень ее токсичности для человека.

Таблица 6.

Степень токсичности.

Индекс токсичности	Проба	Класс токсичности
Менее 20	Не токсична	1
20-49	Токсична	2
Более 50	Сильно токсична	3

Полученные результаты не требуется сравнивать с фоновой токсичностью, поскольку такое сравнение ведется автоматически.

Индекс токсичности рассчитывается следующим образом:

П=(I0
-I/I0
)100%

Где I0
- интенсивность свечения контрольного (эталонного) раствора; I- интенсивность свечения раствора с добавлением исследуемой пробы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Современные методы контроля качества природных вод, полноты очистки сточных вод, влияния их на природные воды включают лишь химические показатели БПК и ХПК, а также содержания различных форм азота, фосфора и других химических веществ, на которые установлены ПДК. Ни один из этих показателей, ни все вместе взятые не могут непосредственно характеризовать токсичность воды для водных организмов. Это возможно лишь с помощью токсикологических опытов с использованием водных организмов-биоиндикаторов. Гидробионты реагируют на действие целого комплекса веществ, содержащихся в сточных водах. Нередко токсичность воды обусловлена присутствием веществ в столь низких концентрациях, что их невозможно идентифицировать из-за недостаточной чувствительности или отсутствия аналитического метода.

Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов. Постепенные же изменения видового состава формируются в результате длительного отравления водоема, и явными они становятся в случае в случае далеко идущих изменений.

Таким образом, можно сделать определенные выводы. В результате отбора, обработки и анализа материала по основным гидробиологическим показателям, мы получаем интегральную оценку качества воды. Основными индикаторными биоценозами рек являются перифитон и бентос, важнейшие характеристики которых лежат в основе обобщенной оценки. Видовой состав и численность обитателей водоема зависят от свойств воды. Главная идея биомониторинга состоит в том, что гидробионты отражают сложившиеся в водоеме условия среды. Те виды, для которых эти условия неблагоприятны, выпадают, заменяясь новыми видами с иными потребностями.