Зміни водних екосистем при антропогенному забрудненні. Сапробність і токсобність

2.2 Зміни водних екосистем при антропогенному забрудненні. Сапробність і токсобність

 

Поняття "Якість води" має на увазі комплексну оцінку, яка включає гидрохімічні і гідробіологічні характеристики. У наш час продовжує використовуватися традиційний підхід до оцінки якості води, заснований на визначенні тільки ряду хімічних показників. Це не дозволяє оцінити зміни у водній екосистемі, оцінити ступінь порушень, з'ясувати їх механізм і дати прогноз подальшої зміни в екосистемі. Такі завдання можна вирішити, використовуючи методи біоіндикації.

У водоймах з найбільш «чистою» водою, що містятться низькі концентрації біогенних і органічних речовин, кількість видів гідробіонтів звичайно нижча, ніж в тих водоймах, де органічні речовини, сполуки азоту і фосфору присутні в помірних концентраціях. Для багатьох водних організмів, що мешкають в мезо- і евтрофних водах, помірний рівень забруднення є нормальним станом місця існування. Частина таких видів цілком може служити індикаторами забруднення води органічними і біогенними речовинами.

Інша частина видів, що мешкають у вузьких межах умов навколишнього середовища не витримують навіть невеликого забруднення і зникають – такі види є хорошими індикаторами низьких рівнів забруднення.

У міру надходження органічних і біогенних речовин відбувається поступова зміна хімічного складу води, видового складу гідробіонтів, відбувається перебудова структури і функцій екосистеми в цілому. На початку процесу забруднення зміни в екосистемі незначні і зворотні. Надалі екосистема збільшує свою здатність до переробки речовин, що поступають, але до певної межі. Їх перевищення приводить до деградації і повного руйнування екосистеми.

2.3 Методи оцінки забруднення вод за допомогою тварин-індикаторів

 

Біоіндикація прісних вод - система оцінки стану і змін якості вод, заснована на вивченні якісного і кількісного складу чутливих і толерантних до забруднень гідробіонтів.

Біомоніторинг прісних вод - система повторних, цілеспрямованих спостережень, оцінки і прогнозу екологічного стану водних об'єктів з використанням методів біоіндикації. В процесі біомоніторинга накопичуються дані про стан водних об'єктів, аналізується стан водних об'єктів з'ясовуються причини і джерела змін екологічного стану об'єктів.

Методи біоіндикації застосовні тільки до водойм, що мають власну біоту. Вони враховують реакцію на забруднення цілих співтовариств водних організмів або ж окремих систематичних груп. При цьому дослідники безпосередньо на водоймі враховують факт присутності в німіндикаторних організмів, їх кількість, наявність у них патологічних змін.

Не дивлячись на те, що і природні умови водойм, і види забруднень дуже різноманітні, можна виділити декілька універсальних реакцій співтовариств водних організмів на погіршення якості води. Раніше всього це:

1. Зменшення видової різноманітності (у 2-4, а іноді і в десятки разів);

2. Зміна кількості водних організмів. Причому кількість може як знижуватися (при дуже високому рівні забруднення або за наявності токсичних забруднювачів), так і рости в порівнянні з нормальним станом співтовариства. Це зростання пояснюється тим, що в водоймах, особливо при їх забрудненні органічними речовинами, можуть залишатися небагато, але стійкі до забруднення види тварин. У таких умовах вони досягають дуже високої великої кількості.

Саме ці закономірності застосовуються в багатьох методиках біоіндикації. До їх числа відносяться індекси видової різноманітності і методи, що враховують співвідношення великої кількості різних груп водних організмів.

Окрім цього, часто враховується здатність певних груп організмів мешкати у водоймах з тим або іншим рівнем забрудненості.

Треба особливо відзначити те, що представники будь-якої надвидової систематичної групи (роду, сімейства, підряду) практично ніколи не мають однакових екологічних потребам. До складу таких груп можуть входити абсолютно різні з погляду відношення до забруднення види: стійкі до забруднювачів, нестійкі, види-універсали, здатні жити в дуже широкому спектрі зовнішніх умов і так далі. Однією з поширених помилок є використання надвидових таксонів як індикаторів якості води без критичного розгляду набору тих, що входять в цей таксон видів.

Наприклад: веснянки вважаються індикаторами дуже чистої води. Але деякі види веснянок, зокрема Nemoura cinerea, звичайні в мезотрофних, помірно забруднених водоймах. Говорити, що вода не забруднена на підставі того, що цей вид виявлений в пробі було б необачно.

Личинки комарів-звонців (сімейство Chironomidae) в багатьох методиках використовуються як організми-індикатори сильного органічного забруднення. Реально ж серед хірономід є немало видів, що мешкають тільки у чистих, насичених киснем водоймах. Їх присутність в пробі ніяким чином не говорить про забрудненість водойми органікою.

У пропонованих нижче методиках ця помилка коректується необхідністю розгляду комплексу видів і надвидових таксонів, а не одного таксона.

Велику роль для результатів біоіндикації стану водойми грає вибір тих груп живих організмів, які враховуються дослідником.

Річ у тому, що водні співтовариства дуже різноманітні і включають декілька крупних екологічних угрупувань, реакції яких на забруднення можуть серйозно розрізнятися. Це екологічні групи тварин: зоопланктон, зообентос, перифітон, нектон; і рослин: фітопланктон фітобентос. Кожна група організмів як індикатор має свої переваги і свої недоліки.

Так, співтовариства планктонних організмів (тобто пасивно ширяючих в товщі води) дуже швидко реагують на будь-які зміни її якості. Вони є як би "моментальним знімком" стану водойми.

Але методи біоіндикації, засновані на реакціях планктонних співтовариств застосовні перш за все для озер, і лише з великою обережністю – для проточних водойм.

Крім того, організми фітопланктону (водорості і синьо-зелені бактерії) не володіють достатньою чутливістю до фекального забруднення і важкими металами. Зоопланктон, у свою чергу, слабо реагує на зміни у водоймі концентрації сполук азоту і фосфору.

Організми бентоса (тобто що мешкають на дні водойми, в товщі донних осадків або в придонному шарі води), менш динамічно реагують на швидкі зміни рівня забрудненості. Зате, завдяки тривалому життєвому циклу багатьох донних тварин, їх співтовариства надійно характеризують зміни водного середовища за тривалі періоди часу.

Необхідно пам'ятати, що в своєму природному стані різні природні водойми можуть сильно відрізнятися один від одного. На водну флору і фауну впливають такі показники як глибина водойми, наявність і швидкість течії, кислотність води, каламутність, температурний режим, кількість розчиненої органіки, сполук азоту і фосфору.

На всі ці параметри впливає як антропогенне навантаження, так і природні процеси, що відбуваються у водоймах. Значить, для водойм різних типів в нормі буде характерний різний видовий склад і велика кількість гідробіонтів. Більш того, у водоймах з найбільш чистою водою кількість видів тварин і рослин звичайно нижча, ніж в тих водоймах, де органічні речовини, сполуки азоту і фосфору присутні в помірних концентраціях. Для багатьох водних організмів помірний рівень забруднення є оптимальним станом місця існування. Існують також «види-універсали», що володіють високою екологічною пластичністю і здатні переносити значні коливання ступені забрудненості водойми. Зрозуміло, що такі види не представляють інтересу для біоіндикації.

З цього виходить, що:

- для оцінки стану води за допомогою біологічних об'єктів необхідно вибирати надійний, перевірений метод, відповідний для даного типу водойми і поставлених завдань;

- потрібно чітко дотримуватися методики відбору і обробки проб;

- всі біологічні закономірності є закономірностями статистичними. Тому об'єм використовуваного матеріалу має бути достатньо великий.

І самі живі організми, і співтовариства, які вони утворюють, – надзвичайно складні системи. Будь-яка особина і будь-який вид в природі відчуває на собі вплив величезної кількості чинників і, в свою чергу, сам впливає на них. Все різноманіття цих зв'язків врахувати практично неможливо. Також важко передбачити і реакцію конкретного організму на зовнішній вплив: адже двох однакових організмів в природі не існує.

Тому не можна робити виводи про рівень забрудненості води на основі реакцій однієї особини тест-організма або одної-двох проб, узятих в досліджуваній водоймі. Не виключено, що вам попадеться «нетипова» особина стійкість якої до забруднення буде значно вища або нижча, ніж середня для організмів цього виду. Точно також і єдина відібрана в водоймі проба може бути узята в «нетиповому» місці. І всі виводи зроблені на основі таких «спостережень», будуть невірними.

Для попередньої діагностики якості води не можуть використовуватися будь-які тварини. Види-індикатори повинні відповідати необхідним вимогам, досліджень, що пред'являються специфікою. Біоіндикаторами можуть бути види, що мають широке розповсюдження в природі з великим ареалом і високою чисельністю популяцій. Види мають бути легко доступні для вилову і дослідження.

Існує багато методів визначення забрудненості водотоків по водним безхребетним, краще всього використовувати відразу декілька, які б грунтувалися на якісних показниках - що оцінюють таксономічне багатство, різноманітність організмів, і кількісно - оцінюючих чисельність організмів в пробі.

Відомо і застосовується досить багато (декілька десятків) методик оцінки якості води по складу макрозообентосу. Більшість з них мають два крупні недоліки: вимагають збору і обробки кількісних проб (дуже трудомістких і вимагаючих спеціального устаткування) і припускають визначення тварин до виду (зазвичай доступне лише для фахівців-систематиків).

Індекс сапробності. Як приклад приведемо індекс сапробності в модифікації Сладечека, один з найбільш популярних в гідробіології і прийнятий на озброєння в Гідрометслужбі України:

,

де h - велика кількість кожного виду за 9-бальною шкалою, К - сапробність цього виду за 4-бальною шкалою (приведена в спеціальних довідниках). Як індикаторні види можуть використовуватися організми як бентоса, так і планктону.

Індекс Гуднайта-Уітлея. Цей показник обчислюється дуже просто, якщо є кількісні дані по макробентосу. Він дорівнює відношенню, в %, чисельності малощетинковых черв'яків (олігохет) до чисельності всього макробентоса. Вважається, що частка олігохет тим більша, чим сильніше забруднена вода і дно (більше органічних речовин). Індекс задовільно працює лише на м'яких грунтах (мулах і пісках), де взагалі можуть жити олігохети, і взагалі дуже чутливий до типу грунту.

Метод і індекс Вудівісса

Для біологічного аналізу забруднених вод по складу донних тварин найбільш простим і достатньо зручним представляється метод Вудівісса (1977), розроблений для р. Трент (Англія). Він заснований на зменшенні різноманітності фауни в умовах забруднення і на характерній послідовності зникнення з водойми різних груп тварин у міру збільшення забруднення. Цей метод припускає збір тільки якісних проб, без урахування великої кількості тварин, і допускає визначення тварин до рівня підрядів і родин.

Таблиця 1 Обчислення індексу Вудівісса

Знайдені групи	Всього знайдено груп
	0-1	2-5	6-10	11-15	>15
веснянки > 1 вида	–	7	8	9	10
1 вид	–	6	7	8	9
поденки > 1 вида	–	6	7	8	9
1 вид	–	5	6	7	8
ручайники > 1 вида	–	5	6	7	8
1 вид	4	4	5	6	7
бокоплав	3	4	5	6	7
водяний віслючок	2	3	4	5	6
трубочник або мотиль	1	2	3	4	–
види с повітряним диханням	0	1	2	–	–

Список груп Вудівісса: планарії Tricladida (кожен вид), малощетинкові черв'яки Oligochaeta, п'явки Hirudinea, молюски Mollusca, вищі ракоподібні Malacostraca, веснянки Plecoptera, поденки Ephemeroptera, ручейники Trichoptera (кожне сімейство), вислокрилка Sialis, личинки хірономід Chironomidae, личинки мошок Simuliidae, інші личинки двокрилих Diptera, водні жуки Coleoptera, водні клопи Heteroptera, водні кліщі Hydracarina. Крім того, за окремі групи Вудвісс запропонував вважати олігохету Nais, поденку Baetis rhodani і хірономіду Chironomus thummi; проте, визначити ці таксони для неспеціаліста важко.

Значення індексу Вудвісса змінюється від 0 (найбільш забруднена вода) до 10 (вода вищої якості). Для обчислення індексу потрібно знайти відповідний рядок в таблиці 1 (рухаючись по ній зверху вниз – тобто саму верхню з відповідних рядків). Потім підрахувати загальне число знайдених груп із списку, що додається, і по правій частині таблиці знайти значення індексу.

Наприклад, в пробі не зустрінуто личинок веснянок, але зустрінуто 1 вид личинок поденок. Значить, нас цікавить 4-й зверху рядок в таблиці. Допустимо, крім того в пробі знайдені п'явки, равлики, водяний ослик, 2 сімейства ручейників і хірономіди – всього (рахуючи поденку) 7 груп. Відповідно, індекс Вудівісса дорівнює 6.

Загальне число груп Вудівісса потенційно досить велике (за рахунок необмеженого числа видів планарій і великого числа сімейств ручейників. На практиці, проте, число цих груп в пробі рідко перевищує 15. При неможливості визначення сімейств ручейників і видів планарій можна рахувати окремо кожну їх нову форму (зокрема, планарій різних кольорів і ручейників з різними типами хаток). Метод досить чутливий до об'єму проби (у загальному випадку рекомендується виловити не менше 50 тварин, інакше значення індексу може бути занижене).

Метод і індекс Вудівісса призначений для річок, проте застосовується для оцінки сапробності самих різних водойм, для яких не розроблено адекватніших показників. Слід враховувати: у стоячих водоймах значення індексу нижче, ніж в протічних, а на м'яких грунтах (мулі, піску) в тому ж водоймі набагато нижчий, ніж на каменях, корчах і макрофітах. Індекс порівняно непогано відображає рівень сильних і дуже сильних забруднень, але малочутливий до слабких і середніх забруднень, особливо на жорстких грунтах. Так, для швидкої річки з кам'янистим дном в індекс Вудівісса коливається від 7 до 9 навіть при значних органічних забрудненнях. Це зв'язано, насамперед, з наявністю стійких до забруднення видів навіть серед личинок веснянок (Nemoura cinerea, Nemurella pictetii) і поденок (Baetis vernus, Heptagenia sulphurea).

Метод Ніколаєва

Для малих і середніх річок відома шкала і метод оцінки якості вод Ніколаєва (1992). Він є, по суті, спрощеним варіантом оцінки сапробності по Пантле-Букку. Цей метод припускає збір якісних даних зі всіх донних субстратів річки, і визначення безхребетних до родів або сімейств. По Ніколаєву, річкові води діляться на 6 класів за якістю (приблизно відповідні градаціям сапробності):

1 – дуже чисті (ксеносапробні)

2 – чисті (олігосапробні)

3 – помірно забруднені (b-мезосапробні)

4 – забруднені (а-мезосапробні)

5 –брудні (b-полісапробні)

6 – дуже брудні (а-полісапробні).

Таблиця 2 Визначення класів якості вод по Ніколаєву

	Класи якості вод
Таксони	1	2	3	4	5
Ручайник Rhyacophila	*	*
Веснянки, кроме Nemoura	*	*
Личинка мухи Atherix	*	*
Бокоплави Gammarus	*	*	*
Губки		*	*
Беззубки (Anodonta, Pseudoanodonta)		*	*
Зяброві равлики (Viviparus, Bithynia, Valvata)		*	*
Річкові раки (Astacus, Pontastacus)		*	*
Ручайники: Neureclipsis, Molanna, Brachycentrus		*	*
Бабки: Calopteryx, Plathycnemis		*	*
Одноденки: Ephemera, Polymitarcys		*	*
П’явки: Glossiphoniidae		*	*	*
Перловиці (Unio, Crassiana)		*	*	*
Водяні клопи		*	*	*
Одноденки: Heptageniidae		*	*	*
Вислокрилка Sialis		*	*	*
Мошки Simuliidae		*	*	*
Ручайники: Hydropsyche, Anabolia			*	*
Бабки: Gomphidae			*	*
П’явки: Erpobdella, Haemopis, Piscicola			*	*
Горошинки та шарівки (Pisidiidae)			*	*
Водяний ослик Asellus aquaticus			*	*	*
Трубочник (Tubificidae), в массі				*	*
Мотиль (Chironomus), в массі				*	*
Личинка мухи Eristalis (криска)				*	*
Значимість кожного таксону	25	6	5	7	20

При оцінці по методу Ніколаєва потрібно для кожного класу якості вод в таблиці 2 підрахувати число знайдених таксонів; помножити його на значущість таксона (останній рядок таблиці 2); вибрати клас якості вод, що набрав найбільше число балів. Осібно стоїть 6-й клас якості вод, в якому макробентос не повинен зустрічатися взагалі (що і є критерієм приналежності до цього класу).

Метод Ніколаєва задовільно працює для річок шириною 7-10 і більше метрів (тобто окрім найменших), для середніх і сильних забруднень. До слабких забруднень він малочутливий. Не рекомендується застосовувати його і для стоячих водойм, в яких більшість використаних таксонів-індикаторів не зустрічаються взагалі.

Метод оцінки забруднення по літореофілам

Спеціально для оцінки низьких рівнів забруднення струмків і малих річок (шириною від 1 до 10 метрів) пропонується наступний метод і індекс. Він також припускає збір якісних даних по макробентосу, причому з щільних субстратів (переважно каменів, у гіршому разі корчів і листового опаду). Ці субстрати населяють лутореофіли – види, найбільш вимогливі до вмісту кисню у воді і чутливі до замулювання. Визначення потрібно вести до сімейств або родів. Як індикаторні таксони використовуються личинки комах (веснянок, поденок і ручейників) і деякі п'явки. Індикаторні таксони розбиті на дві групи (таблиця 3): А (чутливі до забруднення і нестачі кисню) і В (стійкі до нестачі кисню і збільшуючі велику кількість при органічному забрудненні і замулюванні).

 

Таблиця 3 Літореофіли - індикатори забруднення

Чутливі таксони (група А)	Стійкі таксони (група B)
Веснянки: сім. Perlodidae	Веснянки: Nemoura (Nemuridae)
сім. Capniidae	Одноденки: сім. Baetidae
сім. Leuctridae	cім. Caenidae
Одноденки: Ecdyonurus (Heptageniidae)	Heptagenia (Heptageniidae)
Habrophlebia (Leptophlebidae)	Ручайники: cім. Leptoceridae
Ручайники: сім. Rhyacophilidae	Hydropsyche (Hydropsychidae)
сім. Goeridae	Neureclipsis (Polycentropodidae)
сім. Glossosomatidae	Limnephilus (Limnephilidae)
Polycentropus (Polycentropodidae)	П’явки: Erpobdella (Erpobdellidae)
Potamophylax (Limnephilidae)	сім. Glossiphoniidae

Для визначення індексу потрібно підрахувати в пробі число чутливих до забруднення таксонів (А) і стійких (В).

Якщо А+В =5 або більше, оцінюємо А/В.

А/В дорівнює 5 і більше: водойма дуже бідна органічною речовиною сама по собі, і без слідів забруднення людиною. У середній смузі такі зустрічаються украй рідко.

3-5: водойма незабруднена, така, що несе природний “фон” органічної речовини. Такі більшість швидких річок і струмків середньої смуги в лісових масивах без населених пунктів.

2-3: водойма несе слабке, зазвичай непряме антропогенне забруднення, або природний “фон” органіки підвищений (вирубки в оточуючому лісі, часткове заболочування долини, боброві запруди і тому подібне).

1-2: у наявності помітне, але не сильне антропогенне забруднення.

0.5-1: забруднення середньої сили.

0-0.5: сильне забруднення, з великою вірогідністю має промисловий характер; починаючи з цього рівня рекомендується використовувати інші методи.

Відповідність різних показників.

Оскільки всі приведені вище індекси і методи покликані вимірювати одне і те ж, їх величини повинні відповідати один одній, що і показане в таблиці 4. На практиці, через складність природи і недосконалості будь-якої з описаних методик, ця відповідність спостерігається далеко не завжди. Порівнювати оцінки, отримані за допомогою різних методів, потрібно з великою обережністю.

Таблиця 4 Відповідність різних індексів якості води

Клас вод по Ніколаєву	Характеристика сапробності	індекс Пантле- Букка	Індекс Гуднайта -Уітлея, %	індекс Вудівісса*	індекс літорео-філів
1 – дуже чисті	Ксеносапробні	< 1.0	0-20	8-10	> 3
2 – чисті	Олігосапробні	1-1.5	21-35	5-7	2-3
3 – помірно забруднені	b-мезосапробні	1.5-2.5	36-50	3-4	1-2
4 –забруднені	а-мезосапробні	2.5-3.5	51-65	1-2	0-1
5 – брудні	b-полісапробні	3.5-4.0	66-85	0-1	–
6 – дуже брудні	А-полісапробні	> 4.0**	86-100**	0**	–

* - для м'яких грунтів (для твердих істотно вище).

** - макробентос може бути відсутнім взагалі.

 

РОЗДІЛ ІІІ. ДОСЛІДЖЕННЯ ФАУНИ БЕЗХРЕБЕТНИХ ТВАРИН РІЧКИ УШИЦЯ В СМТ. ВІНЬКІВЦІ ХМЕЛЬНИЦЬКОЇ ОБЛАСТІ