Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

Комбинаторный индекс загрязненности (КИЗ), в гидрохимической практике использует метод интегральной оценки качества воды, по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. В этом методе для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДКвр – Кi и повторяемости случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл – Bi. Рассчитывается комбинаторный индекс загрязнения по формулам (2-4):

 

                               К_i = C_i \ ПДК_i,                                                               (2) 

                              

                              B_i = ∑ K_{i  ∙} H_i                                                                (3)

                             

                               H_i = N_оi \ N_i                                                                     (4)

 

Где: С_i – концентрация в воде i-го ингредиента;

ПДК_i – предельно допустимая концентрация – i-го ингредиента    для водоемов рыбохозяйственного назначения, мг/м³;

NПДК_i – число случаев превышения ПДК по i-му ингредиенту, мг/м³;

       N_i – общее число измерений i-го ингредиента, мг/м³.

Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных  баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса  загрязненности устанавливается класс  загрязненности воды.

Показатель  Эрисмана учитывает загрязняющие вещества по четырём критриям:

– санитарный (Wc): ПБК, О_2, ХПК и характерные загрязняющие

вещества; 

– органолептический (Wорг.): запах, взвешенные вещества и т.д;

– санитарно-токсикологический (Wст.);

– эпидемиологический (Wэ).

Экотоксологический  критерий Моисеенко определяется как сумма показателей токсичности (Х_т), физико-химические загрязнения (биогнные вещества) (Х_ф) и эвтрофности (Х_э), рассчитывается по формуле (5):

 

                                 Х= Х_ф + Х_т + Х_э                                                                                     (5)

 

Результаты  гидрохимических анализов по множеству  показателей дают определять классы качества воды в виде интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязненности воды (ИЗВ), которая рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений 6 основных показателей качества воды по формуле (6):

 

                                ИЗВ = 1\n ∑ Ci/ПДКi                                          (6)

 

Где: Сi – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это среднее значение за год);

  ПДКi – предельно-допустимая концентрация для данного загрязняющего вещества, мг/м³.

В зависимости  от полученного ИЗВ водные объекты  классифицированы по степени загрязнения  следующим образом, таблица А.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Классификация водоёмов по уровню загрязнения на основе

      биологических  характеристик воды

 

 

Присутствие индикаторных видов растений и животных позволяет более глубоко судить о качестве воды в водоеме. Биологические методы оценки – это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема. Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Влияние антропогенных факторов отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов.

Достоинства биологических  методов:

– составление полной характеристики водной экосистемы.

– возможность оценки качества воды.

– позволяет получить интегральную оценку результатов природных и антропогенных процессов в водном объекте.

В системе гидробиологической службы наблюдений и контроля поверхностных  вод используются как индикаторы качества вод бактерии, простейшие, водоросли,  макробеспозвоночные и рыбы. Каждая группа этих организмов в качестве биоиндикатора имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют границы ее применения при решении тех или иных задач биоиндикации.

Уделяется внимание рассмотрению современных методов  отбора и анализа бентосных организмов, а также обсуждению оценок состояния донных сообществ. Актуальность такого подхода определяется тем, что донные сообщества являются важнейшим компонентом экосистем, и играет значительную роль в трансформации органического вещества. Вместе с тем в результате антропогенного воздействия, бентосные сообщества, как правило, находятся в неблагоприятных условиях вследствие аккумуляции загрязняющих веществ в придонном слое воды и осадках. В силу ограниченной лабильности бентоса и относительной устойчивости донных сообществ они отражают фоновые загрязнения водных масс за относительно продолжительный период времени.

Зоопланктон успешно используют в различных методах оценки качества воды и, особенно, при выработке экспресс методов. В тоже время существует мнение, что зоопланктон мало полезен для оценки качества вод, так как в водотоках он проносится течением, не образуя достаточно стабильных по составу сообществ, характерных для данного участка реки.

Основные показатели биологического метода:

1) S – индекс сапробности

2) ОИ – олигохетный индекс Гуднайт-Уотлея

3) БИ – биотический индекс (Вудивисса)

4) Н – индекс Шеннона

В 1908 и 1909 гг. Кольквитцом  и Марссоном были опубликованы материалы по оценке 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, поступающих в водоем преимущественно с хозяйственно-бытовыми стоками. Кольквитц и Марссон изучая различные водоемы, установили 4 зоны сапробности:

          1) Полисапробная зона – в воде разлагающиеся белки, условия среды анаэробные, характер биохимических процессов восстановительный, в воде многосероводорода.

2) Мезосапробная зона – присутствуют амино- и амидо- кислоты, условиясреды полуанаэробные, характер биохимических процессов востановительноокислительный; присутствует сероводород.

3) Мезосапробная зона – соединения азота в форме солей аммония, нитритов и нитратов, кислорода обычно много, но возможны заморы у дна и ночью из-за прекращения фотосинтеза, сероводород иногда в небольшом количестве,характер биохимических процессов окислительный.

4) Олигосапробная зона – чистые воды, соединения азота в форме нитратов,вода насыщена кислородом; СО2 мало, сероводорода нет.

Индекс сапробности вычисляется по формуле (7):

 

                                 S = ∑S ∙ h/∑h                                                           (7)

 

Где: s – сапробность каждого индикаторного вида, найденного в пробе,    

     h – обилие этого вида, выраженное в баллах от 1 до 5 (случайные находки – 1, частая встречаемость 3, массовое развитие – 5).

Классический  вариант олигохетного индекса (ОИ) впервые  был предложен Гуднайтом и  Уотлеем в 1961 г. ОИ рассчитывается как  отношение численности олигохет к общей численности организмов в пробе. При этом состояние реки считается хорошим, если ОИ меньше 60%, сомнительным при ОИ в пределах 60-80%, река тяжело загрязнена, если ОИ превышает 80%. Классификация водоёмов по ОИ приведена в таблице приложения «В» По показателю обобщенного индекса судят о степени эвтрофикации водоема.

Эта простая, но надёжная методика биоиндикации используется только для определения загрязнения  водоёма органическими веществами. Для определения значений олигохетного индекса годятся только материалы дночерпательных проб. Значение индекса, а равно отношению количества обнаруженных в пробе олигохет (n) (малощетинковых червей) к общему количеству организмов (N) (включая и самих червей) в процентах, по формуле(8):

 

                                 ОИ = N\n ∙ 100%                                                  (8)

 

Биотический индекс Вудивисса. Этот метод оценки пригоден только для исследования рек умеренного пояса и не подходит для озер и  прудов. Оценка состояния рек проводится по 15-балльной шкале. В этом методе используется показатель, который называется биотический индекс Вудивисса. Его определяют по специальной таблице Б.1.

Чтобы оценить  состояние водоема по методу Вудивисса, нужно:

1)  выяснить, какие индикаторные (показательные) группы имеются в исследуемом водоеме.

2) затем необходимо оценить общее разнообразие бентосных организмов. Определить количество «групп» бентосных организмов в пробе. При использовании метода Вудивисса за «группу» принимается любой вид плоских червей, моллюсков, пиявок, ракообразных, водяных клещей, веснянок, сетчатокрылых, жуков, любой вид личинок других насекомых. Определив количество групп в пробе, находят соответствующий столбец в таблице.

3) на пересечении  строки и столбца по специальной таблице находят индекс Вудивисса. Его значение изменяется от 0 до 15 и измеряется в баллах. Состояние водоема определяется так: 0-2 балла – очень сильное загрязнение (5-7 класс качества), водное сообщество находится в сильно угнетенном состоянии; 3-5 баллов – значительное загрязнение (4-5 класс качества); 6-7 баллов – незначительное загрязнение водоема (3 класс качества); 8-10 баллов и выше – чистые реки (1-2 класс качества).

Индекс Шеннона, представляет собой формализацию, которая используется при оценке сложности и содержания информации любых типов систем, он лучше всего подходит для целей сравнения в тех случаях, когда не интересуют компоненты разнообразия по отдельности. К тому же он не зависит от величины пробы, а также важно то, что численность видов всегда характеризуется нормальным распределением. Немаловажно, что индекс Шеннона придает больший вес редким видам. Он обычно меняется в пределах от 1,5 до 3,5.

Индекс Шеннона  представляет собой параметр оценки основного видового разнообразия систем и находится по формуле (9):

 

                               Н = -∑ n_i\N log n_i \N                                               (9)

 

Где: ni – это число особей i-того вида в пробах;

        N – это общая численность особей всех видов в пробах.

Таким образом, можно определить соответствие БПК5 и трофического статуса водного объекта с помощью индекса Шеннона. Связь индекса Шеннона и БПК5 по (Алимову А.Ф) можно проследить из рисунка 5.

 

     

 

                      Рисунок  5 - Связь индекса Шеннона и БПК₅

 

 

Оценка трофического статуса водного объекта  по индексу Шеннона позволяет нам выделить 5 уровней водоёмов по трофности, приложение «Г»

Выделяются:

– ультраолиготрофные водоёмы;

– олиготрофные водоёмы;

– мезотрофные водоёмы;

– эвтрофные водоёмы;

– гиперэвтрофные водоёмы.

Ультраолиготрофные водоемы довольно своеобразны по своей природе. По классификации Тинеманна—Науманна к ним относятся водоемы с кислой реакцией воды (рН < 5,5). Они могут иметь как бесцветную, так и окрашенную в бурый цвет воду. В первом случае имеет место комбинация ацидотрофии с олиготрофией, во втором — ацидотрофии с дистрофией. Густые заросли тростника и камыша, процветающие в щелочных водах, в более кислых уменьшаются, встречаются более ограниченно, а в очень кислых водах исчезают совсем, на их месте начинают развиваться осока, хвои и манник.

Ультраолиготрофные водоемы можно установить по наличию показателей олиготрофии — лобелии Дортмана «Lobelia dortmanna», урути очередноцветковой «Myriophyllum alterniflorum», по слабому развитию растительного покрова, значительной разреженности зарослей и угнетенному состоянию растений с низким значением фитомассы.

Олиготрофные водоемы можно выделить по преобладанию водно-болотных растений — видов рода «Сагех», вахты трехлистной «Menyanthes trifoliata», кизляка кистецветного «Naum-burgia thysiflora» (рисунок 6), сабельника болотного « С. palustre». Зарегистрированы в них также водная сосенка «Hippuris vulgaris», пузырчатка обыкновенная «Utricularia vulgaris». Ограниченно представлены уруть очередноцветковая и лобелия Дортмана. Степень покрытия этих водоемов макрофитами невелика, заросли в значительной мере разрежены, растения угнетены, величины фитомассы низки. Кислая реакция среды и низкая прозрачность воды отрицательно влияют на произрастание растений.

 

                               

 

Рисунок 6 - Кизляк кистецветный «Naum-burgia thysiflora»

 

Гиперэвтрофные водоемы расположены в основном в заболоченной местности, берега их низкие, болотистые, с редкой растительностью, часто сложены из сфагнума. Реакция среды кислая, вода сильно окрашена, прозрачность ее очень низкая. Значительно разлеживаются прибрежные заросли тростника и хвоща. Для гиперэвтрофные водоемов характерны вдоль уреза воды различные виды осок и водно-болотной растительности, на дне — сфагновый мох. Часто встречаются тростник обыкновенный (Phragmitesaustralis) (рисунок 7), хвощ топяной «Equisetum fluviatile», кубышка желтая «Nuphar lutea», ежеголовник родственный «Sparganium qffine».