Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

1.3. Биологические методы оценки загрязнения вод

Биологические методы оценки – это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема. Рассматриваются различные типы населения водоемов – перифитон, бентос, планктон, нектон, макрофиты и др.[3, 23, 24, 35, 40].

Специалисты многих стран при мониторинге рек используют бентосных макробеспозвоночных для оценки влияния на качество воды ряда антропогенных загрязнений.

Классификация с использованием бентосных макробеспозвоночных не дает полную экологическую картину всех искусственных и естественных загрязнений, которые встречаются в проточных водах. Не имеется также никакой единой классификации рек, которая пригодна для всех географических областей. Однако для рек, которые пересекают национальные границы, потребность в классификации имеется.

Сущность классификации рек Международной организации по стандартизации (ИСО) заключается в сравнении между поведением бентосных макробеспозвоночных в чистых условиях и в наблюдаемой среде. По ИСО рекомендуется пять классов качества вод по бентосным макробеспозвоночным, табл. 1.1 [59].

Таблица 1.1.

Биологическая классификация рек

Классификация качества по бентосным макробеспозвоночным

Характеристика

Высокое

Естественное поведение бентосных макробеспозвоночных

Хорошее

Не пострадавшее биологическое сообщество

Посредственное

Несколько пострадавшее биологическое сообщество

Бедное

Умеренно пострадавшее биологическое сообщество

Плохое

Сильно пострадавшее биологическое сообщество – экстремальная реакция на антропогенное загрязнение.

При этом типе классификации принимают во внимание естественную изменчивость биологических объединений [15].

Оценка сапробности воды по показателям перифитона. В гидробиологии под сапробностью понимают способность организмов жить при большом содержании органических веществ в среде. Сапробность является функцией потребностей организма в органическом питании и устойчивости возникающих при разложении органических соединений ядовитых веществ: H2S, CO2, NH3, H+, органических кислот.

Из гидробиологических показателей качества в России наибольшее применение нашел так называемый индекс сапробности водных объектов, который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне) [55].

Полисапробная зона – содержится много не стойких органических веществ и продуктов их анаэробного разложения. Фотосинтеза нет. Дефицит О2, полностью идет на окисление. В воде – сероводород и метан. На дне много детрита, идут восстановительные процессы; железо в форме FeS. Ил черный с запахом сероводорода. Много сапрофитной микрофлоры, гетеротрофных организмов: нитчатые и серные бактерии, бактериальные зооглеи; простейшие – инфузории, жгутиковые, олигохеты, водоросль Polutoma [1].

Альфа-мезосапробная – начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, СО2, мало О2, сероводорода, метана – нет. Железо в форме закиси и окиси. Идут окислительно-восстановительные процессы. Ил серого цвета. Преобладают бактериальные зооглеи, эвглена, хламидомонада, личинки хиромонид.

Бета-мезосапробная – произошла минерализация. Увеличивается число сапрофитов. Содержание О2 колеблется в зависимости от времени суток. Ил желтый, идут окислительные процессы. Много детрита, цветение воды (фитопланктон), диатомовые и зеленые водоросли, роголистник. Много корненожек, инфузорий, червей, моллюсков, личинок хиромонид. Есть ракообразные, рыбы, но численность их невелика.

Олигосапробная – чистые водоемы. Цветения не бывает, содержание 02 и С02 не колеблется. Детрита мало. Бентос малочисленен. Встречаются водоросли рода Melozira, коловратки, дафнии, личинки веснянок, поденок, моллюски, стерлядь и т.д.

Установлено, что фактически в ряду олигосапробы – мезосапробы – полисапробы возрастают не только специфическая стойкость к органическим загрязняющим веществам и к таким: их последствиям, как дефицит кислорода, но и их эврибионтность, т. е способность существовать при различных условиях среды.

Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа. Поэтому термин «сапробность» в последнее время употребляют, когда говорят о степени общего загрязнения вод. Для оценки общего загрязнения поверхностных вод в современных ситуациях, например в случае токсического загрязнения или антропогенного увеличения минерализации, использование только одного сапробиологического анализа оказывается уже недостаточным.

В системе Роскомгидромета для оценки сапробности воды по организмам перифитона рекомендуется применять метод индикаторных организмов Пантле и Букка в модификации Сладечека. Данный метод учитывает относительную частоту встречаемости (обилие) гидробионтов h и их индикаторную значимость s (сапробную валентность). Для статистической достоверности результатов исследования необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой частоты встречаемости (обилия) h равной 30.

Индекс сапробности указывают с точностью до 0,01. Для ксеносапробной зоны он находится в пределах 0–0,50 – очень чистые; олигосапробной – 0,51-1,50 – чистые; бета-мезосапробной – 1,51-2,50 – умеренно-загрязненные; альфа-мезосапробной – 2,51-3,50 – тяжело загрязненные; полисапробной – 3,51-4,00 – очень загрязненные [39].

Методы оценки качества вод, основанные на применении отдельных крупных таксонов зообентоса: Метод крупных таксонов 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.

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

,                                                                                          (1.1)

где: ,   и  – 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 [3]. 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.

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.

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).

Согласно биотическому индексу Вудивисса, по мере повышения уровня загрязненности вод происходит изменение видовой структуры бентосных организмов. Вследствие, чего происходит отмирание индикаторных таксонов, достигших предела толерантности [7, 1, 3, 33].

Индекс Гуднайт-Уотлея. Эта простая, но надёжная методика биоиндикации используется только для определения загрязнения водоёма органическими веществами. Для определения значений олигохетного индекса годятся только материалы дночерпательных проб [8, 9].

Значение индекса а равно отношению количества обнаруженных в пробе олигохет (малощетинковых червей) к общему количеству организмов (включая и самих червей) в процентах по формуле

.                           1.2)

Степень загрязнения воды органикой дана в табл. 1.2.

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%. По показателю обобщенного индекса судят о степени эвтрофикации водоема.

Таблица 1.2.

Олигохетный индекс Гуднайт–Уотлея

Значение индекса %

Степень загрязнения воды

Kласс качества

Менее 30

Отсутствие загрязнения

1–2

30–60

Незначительное

2–3

60–70

Умеренное

3–4

70–80

Значительно

4–5

Более 80

Сильное

5–6

Э.А.Пареле применила [40] ОИ для малых рек Латвии, ранжировав его в соответствии с классификацией качества вод С. М. Драчева. На основании значений модифицированного ОИ, названного коэффициентом D, Пареле было выделено шесть групп в исследованных водотоках: очень чистая – 0,01-0,16 (или 1-16%); чистая – 0,17-0,33 (17-33%); умеренно загрязненная – 0,34-0,50 (34-50%); загрязненная – 0,51-0,67 (51-67%); грязная – 0,68-0,84 (68-84%); очень грязная – 0,85-1 (свыше 85%).

На Русской равнине для крупных рек хорошо зарекомендовал себя другой метод Пареле [23], основанный на отношении численности олигохет семейства тубифицид к суммарной численности всех олигохет:

,                         1.3)

где: t – численность тубифицид;

O – численность всех олигохет (малощетинковые черви).

По значениям D2 для рек Латвии были выделены: сильно загрязненные воды (0,8-1,0); загрязненные (0,55-0,79); слабо загрязненные (0,3-0,54); относительно чистые (меньше 0,3). В малых быстротекущих водотоках с разнообразной донной фауной предлагается использовать коэффициент D1 – соотношение численности тубифицид и всего бентоса в пробе. При Д1 =0,01-0,16 – очень чистая вода; 0,17-0,33 – чистая; 0,34-0,50 – слабозагрязнённая; 0,51-0,67 – загрязнённая; 0,68-0,84 – грязная; 0,85-1,0 – очень грязная.

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. Причины ошибок в оценке разнообразия с использованием этого индекса заключаются в том, что невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.

Индекс Шеннона находится по формуле (1.4):

,                     (1.4)

где: Ni – обилие i-го вида;

N – суммарное обилие всех W видов.

Индекс Шеннона пользуется неоправданно широкой популярностью, хотя он не имеет каких-либо преимуществ (в особенности при использовании для анализа данных экологического мониторинга) по сравнению с другими интегральными характеристиками сообществ [72].

Интегральный индекс экологического состояния. В основу экспертной классификации речных экосистем по показателям зообентоса может быть положен интегральный индекс экологического состо­яния по биологическим показателям, учитывающий такие гидробиологические параметры как численность и биомасса бентоса; число видов в сообществе; видовое разнообразие, оцениваемое по индексу Шеннона; биотический индекс Вудивисса и олигохетный индекс Пареле. Интегральный индекс (ЙБС) рассчитывается по формуле

,                                (1.5)

где: Biиспользуемые биологические показатели, выраженные в относительных единицах на 4-балльной шкале;

Nb – количество отобранных биологических показателей.

На основе ИБС и интегрального индекса экологического состояния по химическим показателям (ИХС) вычисляется обоб­щенный индекс экологического состояния водотока (ИИЭС), позволяющий выделить три типа экологического состояния: зону экологического бедствия, зону экологического кризиса, зону относительного экологического благополучия. На основе объединения нескольких биотических индикаторов путем оптимального распознавания образов возможно построение так называемого «обобщенного портрета» исследуемого сообщества организмов, т. е. уравнения оптимальной плоскости, переводящей пространство индикаторных признаков в бинарный вид и, соответственно, разделяющей это пространство на «нормальную» и «патологическую» [6].

Индекс Майера. Наиболее простая методика биоиндикации. Эта методика подходит для любых типов водоемов. Она более простая и имеет большое преимущество – в ней не надо определять беспозвоночных с точностью до вида. Метод основан на том, что различные группы водных беспозвоночных приурочены к водоемам с определенной степенью загрязненности. При этом организмы – индикаторы относят к одному из трех разделов, представленных в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Индекс Майера

Обитатели чистых вод, X

Организмы средней чувствительности, Y

Обитатели загрязненных водоемов, Z

Личинки веснянок

Личинки поденок

Личинки ручейников

Личинки вислокрылок

Двустворчатые моллюски

Бокоплав

Речной рак

Личинки стрекоз

Личинки комаров – долгоножек

Моллюски-катушки, моллюски-живородки

Личинки комаров-звонцов

Пиявки

Водяной ослик

Прудовики

Личинки мошки

Малощетинковые черви

Нужно отметить, какие из приведенных в таблице групп обнаружены в пробах. Количество найденных групп из первого раздела необходимо умножить на 3, количество групп из второго раздела – на 2, а из третьего раздела – на 1.

Получившиеся цифры складывают:

.                                                                                       (1.6)

По значению суммы S (в баллах) оценивают степень загрязненности водоема: более 22 баллов – водоем чистый и имеет 1 класс качества; 17-21 баллов – 2 класс качества; 11-16 баллов – умеренная загрязненность, 3 класс качества; менее 11 – водоем грязный, 4-7 класс качества.

Простота и универсальность метода Майера дают возможность быстро оценить состояние исследуемого водоема. Точность метода невысока. Но если проводить исследования качества воды регулярно в течение какого-то времени и сравнивать полученные результаты, можно уловить, в какую сторону изменяется состояние водоема [1].

Достоинства и недостатки биологических методов оценки загрязнения вод. В результате анализа методов биоиндикации, по оценке загрязнения поверхностных вод можно выделить основные достоинства и недостатки, табл. 1.4.

Все перечисленные методы биоиндикации широко используются для оценки антропогенного воздействия биоценозы наземных и водных экосистем. При любых неблагоприятных условиях разнообразие видов в биоценозе уменьшается, а численность устойчивых видов возрастает.

Кроме этого методы биоиндикации имеют общие недостатки:

– численность большинства организмов имеет четко-выраженную сезонность, и зависят от погодных условий;

– для большинства методов требуются квалифицированные специалисты в определении видов живых организмов. Наряду с методами биоиндикации необходимо применение и метода биотестирования, для выявления и оценки действия факторов (в т. ч. и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов.

В настоящее время методики биоиндикации и биотестирования не имеют общепризнанной системы биологического анализа и нет требований, которым должна отвечать эта система [36].

Таблица 1.4.

Характеристика биологических методов оценки загрязнения вод

Наименование

Преимущества

Недостатки

Сапробность воды по показателям перифитона

Устанавливается по видовому составу индикаторных организмов, живущих в воде

Приспособление организмов к существованию при различных условиях среды (эврибионтность)

Сапробность воды по отдельным крупным таксонам зообентоса

Повсеместное распространение таксонов: личинки хирономид (комары – звонцы) и олигохет (малощетинковые черви)

Является характеристикой водной среды за некоторый промежуток времени и не дает оценки на момент исследования. Для получения надежных данных, как правило, пробоотборник должен находиться в реке не менее четырех недель. При этом в каждой точке проводят не менее трех повторных отборов.

Биотический индекс Вудивисса

Учитывает частую последовательность исчезновения групп индикаторных организмов по мере увеличения загрязнения.

Не подходит для озер и прудов. Необходимо выяснить, какие индикаторные организмы имеются в исследуемом водотоке, в зависимости от чувствительности к загрязнению. Происходит изменение видовой структуры бентосных организмов по мере повышения уровня загрязненности воды, следовательно, наблюдается отмирание индикаторных таксонов.

Пригодна в прибрежной зоне, где донная фауна разнообразна

Индекс Гуднайта-Уотлея

Используется для определения загрязнения водоема органическими веществами

Используются для анализа только материалы дночерпательных проб. Следует иметь в виду, что изменения в донных отложениях происходят медленнее, чем меняется качество воды в водной среде

Модифицированный олигохетный индекс (Э. А. Пареле)

Основаны на отношении отдельных семейств олигохет к общей численности всех олигохет.

Используется только для крупных рек в условиях Русской равнины. Индекс D1 применяется для малых рек с быстрым течением и разнообразной флорой. Индекс D2 для рек и водоемов с неблагоприятным кислородным режимом и бедным составом олигохет.

Индекс Шеннона

Придает большой вес редким видам. Подходит для целей сравнения в тех случаях, когда не интересуют компоненты разнообразия по отдельности.

Невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.

Индекс Майера

Подходит для любых типов водоемов. Используются организмы-индикаторы, чувствительные к различным условиям водной среды (обитатели чистых вод, организмы средней чувствительности и обитатели загрязненных водоемов).

Точность метода невысока.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074