Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

– индифферентны, типично пресноводные, иногда встречающиеся в слегка солоноватых водах;

– галлофобы, типично пресноводные, избегающие даже небольших концентраций NaCl.

Как уже упоминалось, биоиндикационные методы на основе видового состава сообществ и обилия водорослей дают интегральную оценку результатов всех природных и антропогенных процессов, протекавших в водном объекте. Биоиндикация условий среды по водорослям является наиболее быстрым методом, поскольку смена сообщества водорослей может произойти всего за несколько часов при смене условий среды. Классическим тест-объектом на загрязнители является одноклеточная зеленая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). Одноклеточная водоросль размером около 10 микрон, что меньше диаметра человеческого волоса. Ее не различишь невооруженным глазом, в окуляр микроскопа можно увидеть зеленые шарики. Они в массе придают изумрудный цвет тихим заводям и лужам, местам, где обитает хлорелла в природе (рисунок 14).

 

                         

 

           Рисунок 14 – Водоросль хлорелла «Chlorella vulgaris Beijer»

 

 

 Ее преимущества  для экспресс-анализа загрязнения  агроценоза заключаются в коротком  жизненном цикле и возможности  проводить оценку по таким  показателям, как пигментное секторирование, нарушение споруляции клеток  и летальность. Метод, основанный на оценке численности живых особей и динамики ее фитомассы, дает в конечном счете представление о влиянии токсикантов на продолжительность жизни и плодовитость тест-системы. Существует альгологическая оценка фитотоксичности гербицидов (метод "бумажных дисков"). Оценивается интенсивность роста биоиндикатора Ch.vulgaris в зависимости от концентраций токсиканта. За альгицидные принимают концентрации вещества полностью подавляющие рост водорослей на дисках.

Другой метод  оценки химических веществ, основанный на эффекте замедленной флюоресценции (ЗФ). Этот эффект проявляется у растений при наличии сформированного фотосинтетического аппарата. Гербициды (ингибиторы фотосинтеза) способны изменять интенсивность ЗФ. Под действием очень низких концентраций гербицида резко ингибируется ЗФ, что регистрируется на специальной установке. Этим способом можно выявить наличие гербицидов ингибиторов реакций Хилла, однако в случае других пестицидов метод малоэффективен.

Многие методы биологического тестирования основаны на визуальных оценках. Весьма пригодны для этой цели зеленые и диатомовые водоросли. Под действием токсикантов первоначально зеленая масса водоросли меняет цвет – становится густо-коричневой или наоборот, обесцвечивается. Некоторые токсиканты не вызывают заметных изменений окраски, однако водоросли теряют тургор и легко повреждаются.

 

 

А) – « Charophyta»             б) – «Dunamilla»                 в) – «Elodea»

                         

                         Рисунок 14 – харовые водоросли

 

Существуют  достаточно надежные способы количественной регистрации воздействия загрязнителей, например, плазмолиз. Для определения количества погибших клеток пользуются методом витального окрашивания. Живые клетки сильно ограничивают проникновение в протоплазму органических веществ, и будучи помещенными в раствор ряда красителей, практически не окрашиваются. В мертвые клетки краска проникает свободно, благодаря чему наличие погибших клеток легко поддается учету. Система тестов, фиксирующих изменения каких-либо функций организма, основана на скорости движения протоплазмы, которая у многих клеток способна совершать круговые движения (циклозис). Реакция замедления или остановки протоплазмы лучше всего заметна на растениях с удлиненными клетками, такими как харовые водоросли «Charophyta», дюнамилла «Dunamilla» и элодея «Elodea» (Рисунок 14). Присутствие свинца в среде, например, влияет на скорость движения протоплазмы, начиная с концентрации 0,5мг/мл.

 

        

3.5 Биоиндикация с использованием зоопланктона

 

 

Состав водных организмов зависит от качества воды в водоеме. При ухудшении качества воды некоторые виды водных беспозвоночных исчезают, другие появляются, изменяется соотношение различных групп водных беспозвоночных, их численность и биомасса. Для оценки экологического состояния нужно использовать различные группы организмов, населяющих водоемы и водотоки. Каждая группа организмов в качестве биологического индикатора имеет свои преимущества и недостатки. Зоопланктон используется для оценки уровня загрязнения той части водотока, которая лежит выше пункта взятия пробы.

Зоопланктон – это часть планктона, представленная животными, которые не могут противостоять течениям и переносятся вместе с водными массами. К зоопланктону традиционно относят также достаточно крупных гетеротрофных протистов – одноклеточных и колониальных. В составе зоопланктона встречаются представители большинства типов животного царства. В большинстве водоемов самая многочисленная группа зоопланктона - мелкие ракообразные. В состав зоопланктона входят также личинки многих животных, пелагическая икра рыб. Организмы зоопланктона питаются фитопланктоном, бактериопланктоном, детритом или более мелкими представителями зоопланктона. Если организмы весь жизненный цикл проводят в форме планктона, их относят к голопланктону; если животные проводят в виде планктона лишь часть жизни (как правило, личиночную стадию), их относят к меропланктону.

Зоопланктон – основа пищевых цепочек в биоценозах водоёмов, особенно морских. Это звено пищевых цепей, связывающее фитопланктон, который образовывает первичную продукцию, с более крупными нектонными и бентосными животными. Очень многие компоненты зоопланктона, несмотря на малые размеры и относительно слабые органы передвижения, совершают значительные вертикальные перемещения в течение суток. Кроме того, многие формы планктона на разных стадиях развития обитают на различной глубине. У большинства видов, предпочитающих во взрослом состоянии глубинные слои, яйца и ранние личиночные стадии держатся в поверхностных слоях. В связи с этим в период размножения в поверхностные слои воды поднимаются виды, обычно живущие на глубине нескольких сот метров. Поэтому в поверхностной зоне главную массу зоопланктона составляют яйца и различные личинки как планктонных, так и донных животных. Но иногда бывает и наоборот: у сифонофоры парусницы «Velella spirans» (Рисунок 15), обитающей во взрослом состоянии в самом поверхностном слое воды, молодые стадии развития живут на большей глубине. Иногда на разных глубинах обитают разные полы одного и того же животного. Зоопланктонное сообщество, как и другое сообщество водной экосистемы, характеризуется относительным постоянством видового состава, динамической устойчивостью, определенной присущей ему организацией. Изменение условий существования организмов отражается на видовом составе, количественных показателях, соотношении отдельных таксономических групп. Таким образом, заапланктон может служить хорошим показателем условий среды и качества воды водоемов.

 

                              

 

           Рисунок 15 – сифонофора парусница «Velella spirans»

 

 

Все разнообразие методов сбора зоопланктона сводится к двум вариантам:

– методы, представляющие комбинацию водозачерпывания и одновременного отделения планктона от воды в самом водоеме, что осуществляется с помощью планктонных сетей и планктоночерпателей;

– методы, представляющие комбинацию раздельного водозачерпывания и последующего отделения планктона от воды, что осуществляется или с помощью фильтрации, доставленной на поверхность воды через сетку, или посредством отстаивания.

При камеральной  обработке собранного материала  следует пользоваться счетно-весовым  методом. При этом в камере Богорова просчитываются все особи каждого  вида. Мелкие организмы просчитываются в части пробы, отбираемой особыми  штемпель-пипетками (объемом 0,1-5мл). Для этого пробу необходимо довести до определенного объема в зависимости от обилия планктона. Объем просчитываемой части пробы зависит от ее плотности. Достоверные результаты получают, если в каждой просчитываемой порции число особей одного вида насчитывает не менее 50. Минимальное количество порций должно быть не меньше трех. Количество животных в пробе определяют как среднеарифметическое из всех просчетов. Для учета крупных или малочисленных организмов вся проба просчитывается под бинокуляром. От определения числа организмов в пробе переходят к определению численности. Данные по численности должны бать представлены как количество организмов в единице объема или в столбе воды, сечение которого соответствует выбранной единице площади. Как правило, при сравнении численности зоопланктона в различных водоемах используются данные по числу экземпляров в единице объема, при сопоставлении результатов определения численности зоопланктона и фитопланктона, количество рыбы и так далее применяются величины средней численности под квадратным метром поверхности. Биомасса зоопланктона определяется умножением числа организмов каждого вида на их индивидуальную массу.

Возможность использования  структурно-функциональных характеристик  зоопланктона для индикации эвтрофирования озерных экосистем была показана И.Н.Андронниковой. Наиболее надежными и информативными показателями процесса эвтрофирования, являются:

– уменьшение числа доминирующих видов и снижение индекса видового разнообразия;

– изменение процентного соотношения таксономических групп в сторону увеличения доли коловраток и кладоцер и уменьшения доли копепод;

–  изменение размерной структуры сообщества в сторону преобладания мелких форм и, как следствие, уменьшение среднего веса особи;

–  увеличение внутригодовой амплитуды колебаний биомассы;

–  снижение доли хищников в общей биомассе зоопланктона;

– увеличение доли трат на обмен от биомассы зоопланктона, уменьшение соотношения биомасс зоопланктона и фитопланктона за вегетационный период. Классификации трофического состояния водоемов по зоопланктону приведены в таблице Б.3.

Важно подчеркнуть, что значение имеет не столько  величина этих показателей, сколько  направленность их изменений в многолетнем  ряду. Для выявления направленности многолетних изменений трофического статуса водоемов необходимы многолетние ряды наблюдений. Сравнивать показатели за отдельные годы можно только для лет со сходными гидрометеорологическими условиями (температура, инсоляция, водность, режим уровня), поскольку в годы с разными условиями возможны флуктуации, маскирующие тренд.

Методы оценки качества вод, основанные на применении отдельных крупных таксонов зообентоса широко применяется в практике гидробиологического  мониторинга благодаря простоте вычислений, отсутствию трудоемких таксономических определений. Теоретическим обоснованием и условием универсальности метода является повсеместное распространение используемых таксонов в водоемах разных типов с разным уровнем загрязнения. Такими группами являются олигохеты и личинки хирономид (Рисунок16).

 

                          

 

                                   Рисунок 16 – хирономида

 

В своих исследованиях  Е. В. Балушкина предложила оценивать  загрязненность воды по соотношению  численности представителей отдельных  подсемейств хирономид с помощью индекса, формула 10:

 

К= а_т+0,5а_ch / а₀                                                                                    (10)

 

Где: а_т, а_ch и а₀ – вспомогательные величины для подсемейств «Tanypodinae», «Chironomae», «Orthocladiinae».

Вспомогательные величины рассчитываются по сумме численности N представителей каждого из подсемейств, выраженной в процентах от общей численности хирономид и слагаемого 10, иначе говоря, α=N+10. Подобранное эмпирически число 10 ограничивает пределы возможных значений, определяя оптимальное соотношение градаций индекса и степени его чувствительности.

Влияние относительной  численности особей подсемейства «Chironominae» снижено вдвое на том основании, что в наиболее чистых водах относительная численность «Orthocladiinae» + «Diamesinae» приближалась к 100% (без учета зарослевых форм), в наиболее грязных относительная численность Tanypodinae также составляла 100%. Тенденция же увеличения относительного количества «Chironominae» по мере загрязнения выражена в меньшей степени и их индикаторное значение в целом ниже, что и нашло отражение в уменьшении. Значения индекса K от 0,136 до 1,08 характеризуют чистые воды; 1,08-6,5 – умеренно загрязненные; 6,5-9,0 – загрязненные; 9,0-11- грязные.

 

 

 

    3.6 Биоиндикация с использованием бентоса

 

 

 Бентос (от греч. «benthos» – глубина) – это совокупность организмов, обитающих на грунте и в грунте морских и континентальных водоёмов. бентосе делят на растительный (фитобентос) и животный (зообентос). Бентосная среда обитания имеет широкое распространение (рисунок 17).

 В зообентосе  различают животных, обитающих в толще грунта – инфауна (главным образом многие многощетинковые черви и двустворчатые моллюски, эхиуриды, сипункулиды, некоторые иглокожие и др.). Передвигающихся по поверхности грунта – инфауна (многощетинковые черви и моллюски, большинство иглокожих, различные ракообразные), прикрепляющихся к субстрату – эпифауна (губки, гидроиды, актинии и кораллы, мшанки, морские жёлуди, некоторые двустворчатые моллюски и др.), а также плавающих вблизи дна и лишь периодически опускающихся на дно – нектобентос (креветки, мизиды, некоторые голотурии, придонные рыбы и др.). По размерам среди организмов бентосных различают макробентос – от 5-10 мм и крупнее (подавляющее большинство донных животных), мейобентос – от 0,5 до 5-10 мм (население самого верх, слоя грунта) и микробентос – менее 0,5 мм (бактерии и др. одноклеточные организмы). Основу мелководного фитобентоса в морях составляют макрофиты (водоросли и мор. травы); значит, роль могут также играть скопления донных диатомовых водорослей.

В глубинах кроме  животных обитают только бактерии и низшие грибы. Биомасса  бентоса в морях убывает с глубиной: на литорали и в верх, сублиторали – до 5-10 кг/м² и более, глубже, в сублиторали, – сотни и десятки г/м², в батиали – граммы, в абиссали – обычно не более 1 г/м², а в бедных жизнью центр, р-нах океанов – 0,01 г/м² и менее. На долю расположенных вблизи материков мелководий (до 200 м), занимающих менее 8% площади дна океана, приходится около. 60% биомассы всего океанический бентос, а на долю абиссали (глубже 3000 м), занимающей 3/« площади дна, – лишь менее 10%. Суммарная биомасса в океане оценивается в 10—12 млрд. т. В некоторых районах восточной части Тихого океана на глубине 2,5—3 км обнаружили оазисы жизни вблизи выходов горячих подземных вод. В этих участках биомасса бентос достигает несколько кг/м²; их фауна включает многие ранее неизвестные виды животных: гигантских двустворчатых моллюсков и представителей погонофор. В пресных водоёмах Б. качественно и количественно беднее, чем в морских.