Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

Из животных в него входят простейшие, губки, круглые  черви, малощетинковые черви, пиявки, моллюски, ракообразные и личинки мн. водных насекомых. Фитобентос представлен главным образом водорослями (особенно синезелёными и харовыми) и различными цветковыми растениями (рдесты, кувшинки, рогоз, тростник и др.). Бентоса служит пищей для мн. рыб, а в морях также для некоторых ластоногих. Многие виды мелководного морского бентоса – объект промысла и аквакультуры.

 

              

 

                     Рисунок 17 – Бентосная среда обитания

 

 

Известны примеры  использования для биоиндикации самых разных характеристик бентоса: на суборганизменном уровне, на уровне организма, популяции и сообщества. Возможности и эффективность применения этих характеристик существенно различаются. Так, методы биоиндикации, связанные с исследованиями на суборганизменном уровне, могут быть весьма чувствительными к действию некоторых факторов среды, но плохо отражают качество среды в целом. Это относится к показателям, определяемым и на субклеточном, и на клеточном, и на тканевом уровнях. Количество морфологических аномалий, уродств отдельных органов у бентонтов увеличивается под действием антропогенных факторов также избирательно: некоторые негативные воздействия на этот показатель не влияют. Кроме того, выяснить этиологию наблюдаемых уродств бентонтов часто не удается. Все это резко ограничивает экодиагностические возможности учета аномалий на суборганизменном уровне.

В экологии успешно  применяется анализ накопления некоторых токсикантов (тяжелых металлов, хлорорганических пестицидов, и др.), в тканях и органах бентонтов – двустворчатых моллюсков, поденок, речных раков, олигохет и др. Это позволяет получить полезные сведения о динамике концентраций этих поллютантов в водной среде за период, сопоставимый со сроком жизни изучаемых бентонтов. Но состояние экосистемы в целом, общая тенденция изменения качества водной среды при этом также остаются неизвестными. Таким образом, на суборганизменном уровне обычно не удается ни обобщенно оценивать качество среды, ни сопоставлять роль различных антропогенных факторов в их совместном воздействии на экосистему. В связи с этим, биоиндикация на суборганизменном уровне может иметь лишь второстепенное, вспомогательное значение. Для общей оценки качества среды и состояния экосистем намного более значима реакция бентоса на организменном, популяционном и, особенно, ценотическом уровнях.

Если экология какого-либо вида изучена достаточно подробно, хорошо известна его реакция на основные антропогенные факторы, то эколого-физиологические и популяционные характеристики такого вида могут успешно использоваться при биоиндикации. К числу таких хорошо изученных видов-индикаторов относится, например, широкопалый рак «Astacus astacus L.» (рисунок18) Он весьма чувствителен к качеству среды и реагирует на ее ухудшение изменением показателей роста, обмена, плодовитости, популяционной плотности, размерно-возрастной структуры популяции, и др.

 

                          

 

                  Рисунок 18 – Широкопалый рак «Astacus astacus»

 

Эти реакции  детально исследованы, причем некоторые  из них описаны количественно, что  позволяет уверенно оценивать качество среды и ее антропогенные изменения  по состоянию популяции широкопалого рака. Однако видов, изученных настолько подробно, слишком мало. Сведений по экологии большинства видов гидробионтов не хватает для того, чтобы осуществлять биоиндикацию только по их эколого-физиологическим и популяционным характеристикам, но эта дополнительная информация часто оказывается полезной при применении ценотических методов биоиндикации.

 

 

3.7 Биоиндикация с использованием высших водных растений

 

 

Высшие водные растения являются неотъемлемым средообразующим  компонентом водных экосистем, поскольку относятся к автотрофным организмам, создающим первичную пищевую продукцию в результате своей фотосинтетической деятельностью. Именно поэтому водные растения играют ведущую ( энергетическую) роль в функционировании гидроэкосистем и во многом обусловливают структуру биотического сообщества водоема. Наибольшее распространение водные растения получают в водоемах с замедленным водообменом - озерах и водохранилищах, где, по сравнению с реками, их видовое разнообразие и продукционные показатели выше. Гидрофиты, занимающие значительные площади в озерах, создают огромное количество биомассы, которая при распаде играет ведущую роль в образовании сапропеля и других донных отложений. Некоторые озера, отличающиеся интенсивным накоплением органического вещества, являются месторождением ценных лечебных грязей и сапропелей. Многие растения при разложении, происходящем после их отмирания, дают водной среде важнейшие элементы минерального питания.

Гидрофиты, занимающие значительные площади в озерах, создают  огромное количество биомассы, которая при распаде играет ведущую роль в образовании сапропеля и других донных отложений. Некоторые озера, отличающиеся интенсивным накоплением органического вещества, являются месторождением ценных лечебных грязей и сапропелей. Многие растения при разложении, происходящем после их отмирания, дают водной среде важнейшие элементы минерального питания. Сообщества гидрофитов играют существенную роль в жизни зоопланктона, зообентоса и других водных организмов: в их плотных зарослях формируются благоприятные температурные условия и газовый режим, способствующие размножению, интенсивному росту животных; они служат им надежным убежищем и защитой от хищников. Водная и прибрежно-водная растительность, образующая зеленые пояса вдоль берегов, служит своеобразным барьером на пути поступающих с водосбора и из донных отложений эвтрофирующих и загрязняющих веществ. Именно по этой причине водные экосистемы с широко развитым поясом ратсительности являются наиболее устойчивыми к антропогенному эвтрофированию и загрязнению, а отдельные виды гидрофитов служат своеобразными индикаторами процесса эвтрофирования водоема. Видовой состав и распределение гидрофитов в водоеме зависят от его генезиса и ряда экологических условий, среди которых наиболее важны такие, как прозрачность воды, морфология котловины, характер донных отложений, химический состав водной массы, ее кислотность, трофность и минерализация. Причем количество основных питательных веществ (азота и фосфора), может выступать одновременно и в качестве лимитирующего, и в качестве стимулирующего фактора развития тех или иных растительных сообществ в водоеме. Чувствительность к уровням обеспеченности питательными веществами дает возможность рассматривать многие гидрофиты в качестве показателя естественного и антропогенного эвтрофирования водоемов, в которых они выполняют роль продуцентов органического вещества и биофильтров. Видовой состав водных растительных сообществ позволяет довольно точно охарактеризовать экологическое состояние экосистемы. Наиболее полно разработана методика индикации трофической характеристики водных объектов - сапробности, для определения которой составлены специальные шкалы, используемые в практике гидробиологических исследований.

В гидроэкосистемах водные растения выполняют ряд жизненно важных, тесно связанных между собой экологических средообразующих и средозащитных функций: фильтрационную, окислительную, минерализационную, детоксикационную, биоцидную, аккумуляционную        (накопление радиоактивных и прочих элементов, тяжелых металлов) и ряд других, которые не только формируют и определяют качество вод в водоемах, но и определяют накопление и круговорот химических элементов в биоте и донных отложениях (метаболическая функция). Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, зафиксированные в окружающей среде, обусловила их использование в системе мониторинга и контроля состояния окружающей среды. Гидрофиты чутко реагируют на изменения среды обитания, в первую очередь гидрофизических и гидрохимических показателей - температуры, прозрачности, кислотности, солевого и другого химического состава воды, химического состава и типа донных отложений, обеспеченности водоема биогенными веществами и др.

Для индикации  биогенной нагрузки в первую очередь предлагается использовать плавающие на поверхности воды, а также погруженные в воду гидрофиты: ряску малую, трехдольницу трехбороздчатую, водокрас обыкновенный, кубышку желтую, штукению гребенчатую и нитевидную, рдесты: курчавый, элодею канадскую, роголистник темно-зеленый, шелковники. Оценка степени загрязнения водных экосистем тяжелыми и другими металлами проводится на основе определения их содержания в воздушно-сухой массе водных растений методом спектрального анализа. Сравнительный анализ собственных результатов натурного и экспериментального изучения накопительной способности гидрофитов, определения содержания металлов в различных видах растений разнотипных водоемов республики, величин фонового содержания тяжелых металлов в гидрофитах, показал, что высшим водным растениям свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, а также солей тяжелых металлов. Для гидроэкосистем, испытывающих антропогенное эвтрофирование, особое значение имеет способность высших водных растений поглощать биогенные вещества. Натурные и экспериментальные исследования показали, что гидрофиты аккумулируют в среднем 50 г азота, 3 г фосфора, 45 г калия из расчета на 1 кг сухого вещества. Биогенные элементы определяют рост растений и более других накапливаются в листьях и генеративных органах. К концу вегетации содержание биогенов и других элементов минерального питания в зеленых органах высших водных растений снижается, значительная часть элементов остается в отмерших остатках растений.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определение морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов. Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под воздействием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижение продуктивности.

Получить точные количественные данные о динамике и  величине стрессовых воздействий на основе морфологических изменений  невозможно, но можно довольно точно  определить величину потерь продукции  и, имея график зависимости «доза - эффект», рассчитать величину стрессового воздействия. Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические и фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшихся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам – особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалий развития и новообразования, к фитоценотическим признакам – особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

Очень часто  в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения – отклонение от общих  закономерностей. Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки. В целях биоиндикации представляют интерес различные деформации растений (рисунок 19). Выделяются следующие виды деформации  растений:

1) Фасциация – лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и

цветоносов;

2) Махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;

3) Пролификация – прорастание цветков и соцветий;

4) Асцидия – воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;

5)  Редукция – обратное развитие органов растений, вырождение;

6)  Нитевидность – нитчатая форма листовой пластинки;

7) Филлодий тычинок – превращение их в плоское листовидное образование.

 

 

Рисунок 19 – виды деформации  растений

 

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями – изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опадением листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направление роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Лучший индикатор  опасных загрязнений – прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой, с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий – теотриксов.

 

                                            

 

Рисунок 20 – Представитель подсемейства рясковые, ряска малая

«Lemna minor L.»

 

Рясковые –  самые мелкие цветковые растения при благоприятных условиях размножаются круглогодично. Вегетативное тело рясковых называется листецом. Листецы одиночные или собранны в небольшие группы с помощью гиалиновой нити – тонкого выроста мембраны. Листецы состоят из паренхимных клеток хлоренхимы, разделенных большими межклеточными полостями, заполненными воздухом. Ряску называют «экологической дрозофилой». Особенности морфологического строения, высокая скорость размножения, чувствительность к среде обитания – все это сделало ряску удобным объектом для биоиндикации. Ряска малая «Lemna minor L.» (Рисунок 20) и ряска тройчатая «Lemna trisulcs L.» (Рисунок 21), чувствительны к загрязнению воды при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ba, Cu, Mg, Fe, Zn, Co и другие элементы.

 

                     

 

 

Рисунок 21 –  Представитель подсемейства рясковые, ряска тройчатая «Lemna trisulcs L.»

 

Методы биоиндикации применимы только к водоёмам, имеющим  собственную биоту. Они учитывают  факт присутствия в нём индикаторных организмов, их обилие, наличие у  них патологических изменений, реакцию  на загрязнение целых сообществ водных организмов или же отдельных систематическихгрупп. 

        ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

Таким образом, из выше сказанного можно сделать вывод, что методы биоиндикации являются важными в  проведение экологического мониторинга  водных экосистем, что они, в последнее  время получили широкое признание и распространённость. Какой бы современной ни была аппаратура для контроля загрязнения и определения вредных примесей в окружающей среде, она не может сравниться со сложно устроенным «живым прибором», реагирующим на различные изменения, отражающим воздействие всего комплекса факторов, включая сложные соединения различных ингредиентов. Оценка качества воды водоемов может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов, а также метод, использующий биологические и физико-химические методы. Физико-химические измерения основаны на индивидуальных и комплексных показателях, они позволяют оценить качество воды только на данный момент.