Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

Водная экосистема понимается нами как единство среды  и обитающей в ней биоты. Водная экосистема формируется под действием  и в результате процессов, протекающих  на бассейне водосбора и на протяжении всего русла реки. Химический анализ, поэлементно оценивая среду обитания, лишь косвенно может указывать факторы, оказывающие влияние на экосистему или являющиеся результатом ее жизнедеятельности. С другой стороны, биотестирование по водным организмам дает частную оценку среды, касающуюся лишь объекта тестирования.

Наиболее адекватно  состояние водной системы можно  оценить по составу сообществ  водных организмов . В ряде отечественных и зарубежных систем оценки используются показатели или индексы, связанные с развитием той или другой группы организмов от рыб до водорослей. Водоросли, являясь автотрофами, составляют основу трофической пирамиды, а, следовательно, первыми участвуют в утилизации трофического базиса экосистемы, потребляя для построения органического вещества биогенные соединения азота и фосфора. Интенсивность биогенной нагрузки отражается не только в обилии развивающихся на этой базе водорослей, но также и на их видовом составе. Именно эти характеристики – изменение численности и видового состава при изменении трофической базы – водорослей используются в биоиндикационных методах.

 

 

3.3 Общие принципы использования биоиндикаторов

 

 

Состояние биологической  системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

Биоиндикаторы (от «био» и лат. «indico»  указываю, определяю) – это организмы, присутствие, количество или особенности, развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы – условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

Использование живых организмов в качестве биологических  индикаторов на изменение среды  вызывает необходимость разработки ряда критериев, на основе которых можно  подбирать индикаторные виды.

Поскольку чувствительность разных организмов, используемых при биоиндикации, может существенно различаться по времени реакции на один и тот же фактор среды, выделяются следующие типы чувствительности биоиндикаторов (рисунок 12).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    

             Рисунок 12 – Типы чувствительности биоиндикаторов

 

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы: в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок; суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения; исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды; фиксируют скорость происходящих изменений; вскрывают тенденции развития природной среды; указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека; позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие.

Выделяют две  формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации, специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции. В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.

 В качестве  биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

– быть типичным для данных условий; иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

– обитать в данном месте в течение ряда лет, что дает возможность проследить динамику загрязнения; находиться в условиях, удобных для отбора проб;

– давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб; характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

– использоваться в естественных условиях его существования; иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

Ответная реакция  биоиндикатора на определенное физическое или химическое воздействие должна быть четко выражена, т.е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов. При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, широко распространенные на исследуемой территории и не занесенные в «Красную книгу». На уровне популяции биоиндикация проводится в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется ее половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и др.

При выборе биоиндикаторов, по мнению Ю. Одума, необходимо учитывать следующее:

1) Стенотопные виды (т.е. виды, приспособленные к существованию в строго определенных условиях), более редкие в сообществах, как правило, являются лучшими индикаторами, чем эвритопные (широко распространенные, обладающие широким диапазоном экологической выносливости).

        2) Более крупные виды являются обычно лучшими индикаторами, чем мелкие, так как скорость оборота последних в биоценозах выше, и они могут не попасть в пробу в момент исследования (при наблюдениях с длительной периодичностью).

        3) При выделении вида (или группы видов), используемого в качестве индикатора воздействия того или иного фактора, необходимо иметь полевые и экспериментальные сведения о лимитирующих значениях данного фактора, с учетом возможных компенсаторных реакций организма и толерантности вида (группы видов).

        4) Численное соотношение разных видов (популяций или сообществ) более показательно и является более надежным индикатором, чем численность одного вида.

Экосистемный  подход к оценке среды дает возможность раннейдиагностики ее изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких сдвигов являются, например, накопление органического вещества, заиление, зарастание водоемов, усиленное развитие микроорганизмов. В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы – бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсического агента неизвестного химического состава, как правило, используется набор объектов, представляющих различные группы сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

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 изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят 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.

 

 

3.4  Биоиндикация с использованием водорослей

 

 

Водная экосистема это природный объект, который  является единством взаимозависимых  среды и обитающей в ней  биоты. Поэтому, для того, чтобы охарактеризовать состояние водной экосистемы, необходимо знать показатели воды как среды обитания и показатели биотической (организменной) части экосистемы. Способность экосистем поверхностных водных объектов к самоочищению эксплуатируется при антропогенной деятельности как механизм утилизации сточных вод. Поэтому возникает необходимость адекватно ее оценивать, что невозможно сделать без экосистемного подхода к водному объекту.

Биоиндикационные  методы на основе видового состава  сообществ и обилия водорослей дают интегральную оценку результатов всех природных и антропогенных процессов, протекавших в водном объекте. Кроме того, биоиндикация по сообществам водорослей - дешевый экспресс-метод, в то время как химические анализы дорогостоящи. Преимуществом автотрофов является то, что они первыми в трофической цепи реагируют на загрязнители, не успевая их значительно накапливать. Реакцией на изменение условий среды является изменение состава и обилия водных организмов, причем смена сообщества водорослей может произойти за несколько часов при смене условий среды. Экосистемный биоиндикационный подход к оценке качества среды обитания, по существу, аналогичен антропоцентрическому, так как человек реагирует на среду в целом, а не на отдельные ее факторы. Методы биоиндикации по высшему трофическому звену наземных экосистем бассейна водосбора еще не достаточно разработаны, но биоиндикационные оценки по низшим трофическим уровням используются довольно широко.

Самым существенным звеном в методах биоиндикации является видовой состав сообществ водорослей. Система биоиндикации развивалась таким образом, что сначала было замечено появление или исчезновение определенных видов в конкретных условиях среды. То есть, в качестве индикатора условий использовалась система "вид-индикатор: есть – «нет».

 Система развивалась по направлению расширения списка видов-индикаторов, которые позднее стали группироваться по наиболее ярко выраженным характеристикам условий. Количественные характеристики обилия видов включились в систему позднее сначала в балльной, а затем в долевой форме. Методы биоиндикации разрабатываются с начала 20 века и включают к настоящему моменту данные о почти 7000 видов-индикаторов по нескольким направлениям – местообитанию, температуре, подвижности водных масс и насыщенности их кислородом, солености, закислению, присутствию сероводорода, кальция, органическому загрязнению в дополнение списка видов, собранного нами ранее.

 

                        

 

Рисунок 13 – Эмпирическая модель водной экосистемы по Сладечеку.

 

 

В основе биоиндикационного  анализа лежит представление об иерархической организации биотического сообщества, которая выражена в виде модели трофической пирамиды (рисунок 13). На рисунке схематично показана миграция энергии (трансформация снизу вверх и перенос сверху вниз) по трофическим уровням, однако, взаимоотношения между уровнями в реальной экосистеме значительно сложнее: Р - продуценты, С - консументы, Д - деструкторы; зоны сапробности: Х - ксено-, o- олиго-,  ϐ- бетамезо-, α- альфамезо-, p - полисапробная. Разнообразие организмов, составляющих трофическую пирамиду, весьма сильно варьирует в зависимости от уровня трофической нагрузки, что нашло отражение в эмпирической метафизической модели.

Именно распределение  сначала групп организмов, а затем  видов, по интервалам значений показателей  среды стало основой биоиндикаторного анализа. Приведем несколько наиболее важных, устоявшихся и применяемых систем индикации показателей среды на основе видового состава и обилия видов водорослей.

Система индикаторов  солености вод построена на основе классификации Р. Кольбе и усовершенствована Ф. Хустедтом. Она широко распространена в индикации состояния водных объектов, поскольку охватывает широкий интервал концентраций, свойственный природным водам. Виды-индикаторы в этой системе разделены на 4 группы:

1) Полигалобы, обитающие в гиперсоленых водах от 40‰ до 300‰

2) Эугалобы, обитатели морских вод с соленостью 20‰-40‰

3) Мезогалобы, живущие в солоноватых прибрежных водах морей и эстуариях, также как и в континентальных водах с соленостью от 5‰ до 20‰

4) Олигогалобы, обитающие в пресных или слегка солоноватых водах от 0 до 5‰, включающие, в свою очередь, 3 группы:

– галлофилы, преимущественно пресноводные, но распространенные также в водах с невысоким уровнем концентрации NaCl;