Биотестирование окружающей среды

Другими словами: если фактор отличается слишком высокой или слишком низкой интенсивностью, но еще не летален, то организм находится в физиологическом пессимуме. За пределами некоторого минимального и максимального значения фактора дальнейшая жизнь невозможна. В ограниченной области интенсивности фактора, особо благоприятной для данной особи, организм существует в условиях физиологического оптимума. Оптимальны те условия, при которых нормальное функционирование системы в целом обеспечивается минимумом энергетических затрат.

 

 

Рисунок 1 – Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности

 

Примером такого рода зависимости может служить следующее наблюдение. Среднесуточная физиологическая потребность во фторе взрослого человека составляет 2000 – 3000 мкг, причем 70 % этого количества человек получает с водой и только 30 % с пищей. При длительном употреблении воды, бедной солями фтора (0,5 мг/дм3 и меньше), развивается кариес зубов. Чем меньше концентрация фтора в воде, тем выше заболеваемость населения кариесом.

Высокие концентрации фтора в питьевой воде также приводят к развитию патологии. Так, при концентрации его более 15 мг/дм3 возникает флюороз – своеобразная крапчатость и буроватая окраска зубной эмали, зубы постепенно разрушаются [3].

Каждый фактор неодинаково влияет на разные функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других.

Ширина диапазона фактора, узкая (стенотопность или стенобиотность) или широкая (эвритопность или эврибиотность) амплитуда вида определяют их индикационные возможности. Физиологическая толерантность организма определяет его индикаторную ценность.

Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т.е. могут влиять:

1 как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций;

2 как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях;

3 как модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения организмов;

4 как сигналы, свидетельствующие об изменениях  других факторов среды.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменения среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки переходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.

К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию [17].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Оценка качества водной среды, методами биоиндикации

 

Качество вод в естественных водоёмах традиционно оценивается по результатам физико-химического, бактериологического и биологического анализов. Для их проведения требуется сложное оборудование, длительное время и высокая квалификация сотрудников. В связи с этим в последнее время активно развиваются методы биоиндикационных исследований природных вод.

Методы биоиндикации водоёмов является составной частью комплексной программы мониторинга водных объектов. При организации биоиндикационных исследований водоёмов должны соблюдаться следующие принципы:

Исследования должны проводится в период максимальной активации гидробиологических процессов, т.е. в летний и летне-осенний период [9].

При проведении биоиндикационных исследований крайне важно правильно выбрать точки отбора проб. Гидробиологические пробы должны отбираться в местах с благоприятным кислородным режимом, в различных частях акватории водоёма и на разной глубине. При этом следует избегать участков с сильным течением или длительным застоем воды, а также рекреационных зон.

Точки сбора проб должны по возможности находиться рядом с местами проведения стандартных гидробиологических и физико-химических исследований. Это повысит точность наблюдений и увеличит количество индикационных показателей.

Любые биоиндикационные исследования, независимо от их целей и задач, должны проводиться по единой методике и с использованием одинакового инструмента. Это снизит погрешности полевого периода работ и позволит правильно интерпретировать полученные результаты.

В качестве объектов-биоиндикаторов должны привлекаться организмы разных экологических и систематических групп. Проведение комплексных исследований, например, оценки сапробности воды или общего экологического состояния водоёма, с использованием 1-ого 2-ух видов биоиндикаторов недопустимо!

В качестве индикаторов выбираются представители разных систематических и экологических групп водных организмов, наличие которых наиболее полно характеризует уровень загрязнения воды. Наибольшее распространение получили методы биоиндикационных исследований при помощи перифитона, фито- и зоопланктона и зообентоса.

Перифитон используется при оценке содержания отдельных химических компонентов в воде, её сапробности, а также при отслеживании «эффектов загрязнения» водоёмов за длительный период времени.

Наибольшее значение среди перифитонных организмов в биоиндикации имеют представители трех основных функциональных групп: автотрофы (водоросли); гетеротрофы-консументы (простейшие, коловратки, черви и другие) и гетеротрофы-редуценты (зооглейные, нитчатые, палочковидные, кокковидные и другие бактерии и грибы).

Планктонным организмам отдаётся предпочтение при определении физико-химических показателей воды и оценке её сапробности. В биоиндикации активно используются преставители как фитопланктона (сине-зелёные, диатомовые и зелёные водоросли) так и зоопланктона (низшие ракообразные и мелкие личинки насекомых).

Зообентос удобен при оценке общего экологического состояния водоёма. В практике биоиндикационных исследований наибольшее значение получил макрозообентос, представленный организмами разного систематического положения. К ним относятся плоские, круглые и кольчатые черви, брюхоногие и двустворчатые моллюски, ракообразные и многочисленные водные насекомые [10].

Кроме традиционной биоиндикации водоёмов существуют методики биотестирования. Они основаны на привлечении в качестве тест-объектов одного или нескольких видов водных растений или животных.

Биоиндикационные исследования водоёмов проводятся в несколько этапов и требуют тщательного соблюдения всех установленных правил. От этого зависит достоверность полученных результатов. С этой целью составляется примерная программа проведения исследований. Она включает следующие этапы:

1 Рекогносцировочное обследование водоёма и выбор мест проведения анализа (контрольных точек). Обследование водоёма проводится стандартными гидрологическими методами. При этом определяются основные гидрографические и гидрометрические характеристики -тип водоёма, название и принадлежность к бассейну речной системы, протяжённость и извилистость, притоки, падение и уклон реки, площадь водосборного бассейна, ширина русла, скорость течения, глубина различных участков акватории, температура и важнейшие органолептические показатели воды. По результатам обследования составляется план русла реки или озера, на котором отмечаются выбранные контрольные точки.

2 Взятие  гидробиологических проб и их  обработка. Сборы водных организмов-биоиндикаторов проводятся в соответствии с правилами взятия проб разных экологических групп гидробионтов. Наибольшей информативностью отличаются свежие «живые» пробы, обработанные не позднее 4 часов после изъятия. Каждая проба должна быть этикетирована. На этикетке обязательно указывается номер пробы, дата и суточное время взятия пробы, название и тип водоёма, пункт взятия пробы, глубина взятия пробы, субстрат, орудие лова и фамилия сборщика. При исследовании проб в большинстве случаев определяются два показателя видовой состав гидробионтов и их обилие. Кроме того, ряд методик требует использования дополнительных индикационных показателей (возраст организмов, физиологическое состояние отдельных особей, репродуктивные способности и проч).

3 Оценка результатов биоиндикационных исследований. На заключительном этапе программы оценивают состояние водоёмов с помощью специальных индикаторных шкал, таблиц, индексов и т.п. В системе мониторинга РФ экологическое состояние пресных водоёмов принято оценивать с помощью классов качества воды (ККВ). Их семь:

1 - очень чистая вода;

2 - чистая;

3 - умеренно  загрязнённая;

4 - загрязнённая;

5 - грязная;

6 - очень  грязная;

7 - предельно  грязная.

Методики биоиндикационных исследований пресных водоёмов можно условно разделить на простые и сложные. Сложные способы имеют ряд серьёзных ограничений при выборе индикаторных групп организмов, типа водоёма, времени исследований и т.д. Простые методики этими ограничениями пренебрегают, однако позволяют оценивать качество воды весьма приблизительно. Эти методики рекомендуется использовать на предварительном этапе биоиндикационных исследований, при первом знакомстве с водоёмом [14].

 

3.1 Биологический контроль водоема  методом сапробности

 

Под сапробностью принято понимать степень распада органических веществ в загрязненных водоемах. Сапробионты, или сапробные организмы могут служить индикаторами загрязнения или различных степеней разложения органических веществ в водоеме. Распад органики в водоеме приводит к дефициту кислорода и накоплению ядовитых продуктов (углекислоты, сероводорода, органических кислот и др.). Способность организмов обитать в условиях разной степени сапробности объясняется потребностью в органическом питании, устойчивостью к дефициту кислорода и выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения органического вещества (Таблица 2).

 

Таблица 2 – Основные характеристики зон сапробности

 

Показатель	Полисапробные	Альфа-мезосапробные
Кислородные условия	Анаэробные	Полуанаэробные
Сероводород	Много	Достаточно много
Загниваемость	Загнивает	Загнивает
Бактерии в 1 мл воды	109	106
Преобладание отдельных видов	Очень сильное	Небольшое
Разнообразие видов	Очень малое	Небольшое
Смена сообществ	Катастрофическая	Часто катастрофическая
Потребность организмов в кислороде	Ничтожная	Слабая
Показатель	Бета-мезасапробные	Олигасапробные
Кислородные условия	Аэробные	Аэробные
Сероводород	Мало	Нет
Загниваемость	Не загнивает	Не загнивает
Бактерий в 1 мл воды	105	10-102
Преобладание отдельных видов	Значительное	Очень большое
Разнообразие видов	Значительное	Очень большое
Смена сообществ	Довольно медленная	Медленная
Потребность организмов в кислороде	Большая	Очень большая

 

Принцип метода сапробных индикаторов основан на взаимосвязи организмов со средой обитания. Понятие сапробности, с одной стороны, приближается к значению эвтрофикации, так как включает трофическую характеристику, а с другой стороны, сапробность близка к токсичности или загрязненности, поскольку характеризует действие в среде отрицательных факторов (дефицит или отсутствие кислорода, продукты разложения органики и т.д.). Таким образом, понятие сапробности приобретает значение характеристики качества воды [4].

Организмы водоема относятся к планктону и бентосу, ряд из них составляет перифитон (обрастания). В планктон включают те формы животных и растений, которые проводят всю жизнь во взвешенном состоянии в толще водоема. К фитопланктону принадлежат микроводоросли, к зоопланктону – простейшие животные.

Наиболее показательны для оценки загрязнения водоема бентос и перифитон. В состав биоценозов бентоса входят все формы растений и животных, которые своей жизнью тесно связаны с дном водоема. Организмы обрастания прикрепляются к камням, днищам судов, железным и бетонным арматурам мостов.

В полевых условиях для оценки сапробности проводят предварительное обследование водоема. Следует указать, что водоем реагирует на загрязнение целым комплексом взаимосвязей биотической и абиотической среды. Поэтому при биологическом исследовании изучают водоем в целом – воду, дно, берега, а не только организмы, населяющие водоемы. Прежде чем приступить к обследованию, необходимо иметь сведения о гидрологическом режиме водоема: расходах воды, характере водосборной площади, расположении, количестве и качестве выпусков сточных вод, наличии загрязненных территорий вдоль берега водоема. В момент осмотра водоема в полевом журнале отмечают температуру воды, ее прозрачность (по белому диску Секке), наличие или отсутствие пленок на поверхности, запах и особенности цвета воды, наличие водной растительности, загрязнение берегов, заиленность дна и характер ила, пленки нефтепродуктов на дне и поверхности водоема [16].

При окончательном обследовании водоема производят отбор и обработку проб. Пробы отбирают ниже источника загрязнения, по возможности, на всем протяжении загрязненности водоема, а также для сравнения — в чистом пункте выше сброса. Для полной биологической диагностики водоема должны быть учтены все сообщества: перифитон, бентос, планктон, плейстон, нектон, макрофиты. Но практически при единичном обследовании можно ограничиться рассмотрением наиболее типичных сообществ: например, в малых водостоках исследуют перифитон, в реках – планктон, бентос и перифитон, в прудах – заросли макрофитов и т.д.

Перифитон собирают скребком, переносят в лабораторию в термосе, чтобы сохранить пробу для микроскопирования в живом виде. Впоследствии фиксируют формальдегидом, доведя его концентрацию в пробе до 2–4%, и затем окончательно определяют виды. Учитывают сапробность и частоту встречаемости организмов.