Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды
 Скачать 2.82 Mb.
|
|
3.2. Отбор проб для биоиндикации Выбор точек (мест) отбора проб в водоёме является главным моментом при проведении экологического мониторинга, так как от правильного выбора места отбора зависят полученные результаты. При проведении мониторинга выбирают участки субстрата, располагающиеся в местах с возможными более благоприятными условиями аэрации. В стоячих водоёмах такие условия создаются в литоральной (прибрежной) зоне, а в реках – в прибрежной зоне и на перекатах. 54 Количество участков реки, выбираемых для обследования, определяется целями работы. При исследовании качества воды на всём протяжении водотока места отбора проб выбирают через равные интервалы от истока до устья. Если исследуется влияние конкретного источника загрязнения, качество воды можно опре- делять на небольшом участке ниже и выше по течению от него. При выборе участков отбора проб следует учитывать ряд условий. На них не должно быть мелководий с густой водной растительностью, а также затонов с застойной водой. И в том и в другом случае донное население может значительно отличаться от такового на участках реки с нормальной скоростью течения воды. Очень важно, чтобы в пробах на каждом из обследованных участков были представлены донные организмы различных био- топов: илистых, песчаных и каменистых грунтов; скоплений рас- тительности, а также ее остатков; погруженных в воду стволов, веток и иных предметов и т.п. Чем разнообразнее участок по чис- лу местообитаний, тем число проб должно быть больше. Но и на участках с однообразным дном проб не должно быть менее трех. Пробы грунта с обитающими в нем донными организмами отбирают с помощью специальных ловушек: закидной драги и сачкового скребка (рис. 3.1). 1 2 Рис. 3.1. Пробоотборники: 1 – закидная драга (общий вид); 2 – скребок 55 Закидная драга представляет собой треугольную пирамиду, основанием которой служит треугольник из стальных полос, а ребрами – стальные прутья, жестко скрепленные друг с другом (в вершине пирамиды), а также с углами основания. Длина стороны основания 25 см, высота пирамиды 50 – 75 см. Боковые стороны пирамиды обшивают прочным сетчатым материалом (например мельничным газом № 17 – 19). Драга применяется для облова удаленных от берега участков дна. Для этого ее закидывают с бе- рега или лодки и волокут по дну с помощью веревки или тросика. Скребок представляет собой сачок, имеющий в нижней час- ти дугообразного обода заточенную металлическую пластинку длиной 25 см. Сачок, как и драгу, обшивают прочной сетчатой тканью. Во время отбора проб движение сачка и драги следует направлять против течения, чтобы отловленные организмы не вымывались из них водой. После каждого наполнения ловушек донным материалом пробы промывают непосредственно в этих же ловушках и поме- щают в эмалированные емкости с крышками. Отбор организмов из промытого грунта обычно ведут на месте отбора проб. При этом небольшую порцию грунта переносят в кювету с водой и с помощью пинцета перекладывают животных в баночки с 4%-ным раствором формалина. На баночки наклеивают этикетки с указа- нием названия реки, а также даты и места отбора пробы. Допус- кается разбор проб и в лаборатории. Промытые пробы можно хранить в холодильнике в течение 1 – 2 суток. 3.3. Определение класса качества речной воды по методу С. Г. Николаева Определение уровня загрязнения вод по методу С.Г. Ни- колаева производят с помощью шкалы (табл. 3.1), которая содер- жит шесть классов качества вод – от очень чистых (1-й класс) до 56 очень грязных (6-й класс). Для каждого класса качества в ходе многолетних наблюдений были найдены свои индикаторные так- соны, которые в водах других классов встречаются лишь изредка. Так, личинки веснянок, характерные для вод 1-го класса, в более загрязненных водах 2-го класса встречаются редко, а в водах 3-го класса – очень редко. Признаком же принадлежности вод к 6-му классу служит полное отсутствие крупных беспозвоночных (табл. 3.1). Таблица 3.1 Шкала качества вод Индикаторный таксон Условная значимость каждого таксона в классе, ед. Класс качества вод 1 2 3 Личинки веснянок Личинки ручейника рода риакофила 50,0 1-й, очень чистые Губки Плоские личинки поденок Личинки ручейника рода нейреклепсис. Личинки вилохвосток 25 2-й, чистые Роющие личинки поденок Личинки ручейников при отсутствии риа- кофил и нейреклепсисов Личинки стрекоз красотки и плосконожки Личинки мошек Водяной клоп Крупные двустворчатые моллюски Моллюски-затворки 14,2 3-й, удовле- творительно чистые Личинки стрекоз при отсутствии красотки и плосконожки. Личинки вислокрылок Водяной ослик Плоские пиявки Мелкие двустворчатые моллюски 20 4-й, загрязнённые Мотыль (в массе) Крыски (личинки мух-пчеловидок) Трубочник (в массе). Червеобразные пи- явки при отсутствии плоских 25 5-й, грязные Макробеспозвоночных нет – 6-й, очень грязные 57 Для определения класса качества вод обследованного участ- ка реки среди пойманных организмов отбирают представителей индикаторных таксонов и их названия записывают в рабочую таблицу (табл. 3.2), в строгом соответствии с их положением в классах шкалы качества вод. Организмы, не относящиеся к инди- каторным таксонам, не учитывают. Таблица 3.2 Рабочая таблица определения качества вод реки _______________________________________ на участке ________________________________ Класс качества вод Обнаружен- ные индика- торные орга- низмы Условная зна- чимость таксо- нов в пределах класса, ед Количество обнару- женных таксонов Суммарная значимость обнаруженных таксонов, ед. 1 2 3 4 5 1-й 2-й 3-й 4-й 5-й После внесения в табл. 3.2 всех обнаруженных в пробах ин- дикаторных таксонов в каждом разделе (классе) графы 2 подсчи- тывают чисто таксонов и умножают на величину условной зна- чимости данной группы таксонов (графа 2 табл. 3.1). Найденную суммарную значимость таксонов заносят в графу 5 табл. 3.2 в раздел соответствующего класса. Класс качества вод на обследованном участке определяют по максимальной классовой значимости одной из групп таксонов. Несколько возможных вариантов определения класса качества вод приведено в табл. 3.3. 58 В табл. 3.3 кроме списка таксонов, соответствующих опре- деленному классу качества вод, приведена условная значимость каждого из них. Эта величина нужна для последующей количест- венной оценки уровня загрязнения. Таблица 3.3 Определение классов качества вод Вариант 1 2 3 4 5 6 Класс качества вод Условная зна чим ос ть каждого таксона в классе , ед а б а б а б а б а б а б 1-й 50 1 50 2 100 ― ― ― ― ― ― 1 50 2-й 25 2 50 ― ― ― ― 2 50 ― ― 4 100 3-й 14,2 7 99,4 1 14,2 ― ― 2 28,4 ― ― 5 71 4-й 20 3 60 2 40 ― ― 3 60 ― ― 3 60 5-й 25 ― ― ― ― 4 100 1 25 ― ― ― ― 6-й ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― ― Примечание. а – число обнаруженных таксонов; б – суммарная клас- совая значимость. В первом варианте в пробах были обнаружены таксоны, ха- рактерные для первых четырех классов качества вод. Однако наибольшая суммарная классовая значимость приходится на так- соны 3-го класса. Следовательно, воды этого участка реки следу- ет относить к 3-му классу качества с некоторым смещением к 4-му классу. Во втором варианте речную воду участка следует одно- значно относить к 1-му классу, а в третьем – к 5-му. В четвертом варианте получаются неоднозначные результаты: суммарные значимости таксонов 2-го и 4-го классов различаются незначи- тельно. Значит, этот участок нуждается в повторном обследовании. 59 В пятом и шестом вариантах результаты несомненны: каче- ство вод на этих участках характеризуется 6-м и 2-м классами со- ответственно. Помимо рассмотренной выше существуют и другие методи- ки оценки степени загрязнения водоема (биоиндикации) по со- ставу водных беспозвоночных. В журнале «Вестник АсЭкО» (1995 г.) на с. 24 – 26 описана методика биологического анализа качества воды в водоеме по трем группам таксонов крупных бес- позвоночных (табл. 3.4). Таблица 3.4 Группы таксонов крупных организмов по отношению к чистоте воды Таксоны группы 1-й 2-й 3-й Личинки поденок Личинки (нимфы) веснянок Личинки вислокрылок Личинки ручейников Двустворчатые моллюски Личинки комара-долгоножки Личинки стрекоз Речные раки Бокоплавы Моллюски (катушки и лужанки) Личинки комара- звонца (мотыль) Прудовики Пиявки Водяные ослики Личинки мошки Олигохеты В первую группу (рис. 3.2)входят таксоны, предпочи- тающие чистую воду и наиболее чувствительные к загрязнению. К третьей группе относятся наиболее устойчивые к загрязнению воды таксоны. По количеству индикаторных таксонов и числен- ности особей каждого из них в пробах можно определить, отно- сится ли вода обследованного участка к загрязненной, малоза- грязненной или чистой. 60 Личинки вислокрылок Двустворчатые моллюски Личинки ручейников Нимфы веснянок Личинки поденок Моллюски катушки и лужанки Речные раки Личинки стрекоз Олигохеты Рис. 3.2. Таксономические группы беспозвоночных для определения степени загрязнения воды: а – 1-я; б – 2-я; в – 3-я Группа 1. Эти организмы погибают в грязной воде. Преоб- ладание их – признак очень чистой воды. Группа 2. Эти организмы могут существовать в воде раз- личной степени загрязнённости. Группа 3. Эти организмы выживают даже в очень грязной воде. Преобладание их – признак загрязнённой воды. Пробы для трехуровневой индикации отбирают так же, как и при использовании метода С.Г. Николаева. Однако теперь по- Личинки комара- звонца Моллюски- прудовики Водяные ослики а) б) в) Пиявки 61 мимо распределения организмов по индикаторным таксонам надо будет подсчитать число особей, относящихся к каждому из них. Оценку качества воды делают следующим образом. Загрязненная вода – 90 % организмов и более относятся к 3-й группе индикаторов. Малозагрязненная вода (удовлетворительного качества) – от 11 до 30 % организмов в пробе относятся к индикаторным таксо- нам групп 1-й и 2-й. Чистая вода – 30 % и более организмов в пробе относятся к индикаторным таксонам 1-й группы. Результаты биологического анализа по вышеуказанным трем группам таксонов можно затем индексировать по значимо- сти таксонов, подобно тому, как это делается в методе С.Г. Нико- лаева. Подобный прием позволяет оценивать качество воды уже по четырем уровням загрязнения. Таксонам групп 1, 2 и 3-й присваивается значимость 3, 2 и 1 соответственно. По числу индикаторных таксонов в группе опре- деляют индекс для каждой из групп. Индекс 1равен числу индикаторных таксонов в группе 1-й, умноженному на 3. Индекс 2равен числу индикаторных таксонов в группе 2-й, умноженному на 2. Индекс 3равен числу индикаторных таксонов в группе 3-й, умноженному на 1. Суммарный индекс для обследованного участка водоема определяют как сумму всех трех индексов. Качество воды оцени- вают с помощью шкалы (табл. 3.5). Следует отметить, что рассмотренные методики, разрабо- танные для областей Центральной России, могут оказаться мало- пригодными при их переносе в другие климатические зоны или Зауралье. Дело в том, что видовой состав беспозвоночных жи- 62 вотных от региона к региону может заметно меняться, а индика- торные качества одного и того же вида в разных частях его ареа- ла заметно различаться. Поэтому для других регионов может по- надобиться корректировка как состава индикаторных таксонов, так и их значимости. На методику отбора проб, а также последо- вательность операций и приемов их обработки географическое положение района исследования не влияет. Таблица 3.5 Четырехуровневая оценка качества воды Качество воды Суммарный индекс Очень чистая Более 22 Чистая От 17 до 22 Малозагрязненная От 11 до 16 Загрязненная Менее 11 3.4. Оценка качества природных вод по индексу Шеннона Индекс Шеннона основывается на определении относитель- ного обилия видов, т.е. позволяет найти некоторую числовую ве- личину, учитывающую не только количество видов в биоценозе (водоеме), но и соотношение численности их. Этот индекс выве- ден на основе теории информации. Он предполагает, что разно- образие (информацию) в естественной экосистеме можно изме- рить так же, как информацию, содержащуюся в коде или сообще- нии. Индекс рассчитывают по формуле H s = - 1 S i = ∑ p i ln p i , где Н S – численное значение индекса Шеннона; p i – доля в биоценозе особей i-го вида. 63 p i рассчитывают по формуле p i = n i / N , где n i – число организмов i-го вида вбиоценозе (водоеме); N – общее число особей всех видов в биоценозе (водоеме). Формула для индекса Шеннона начинается со знака "ми- нус", чтобы отрицательные величины, полученные при логориф- мировании, превратить в положительные. Величина индекса из- меряется в битах – единицах информации. Эта величина зависит не только от числа видов, встречающихся в данном сообществе, но и от распределения численности по отдельным видам (обилия видов). Величина индекса уменьшается в биоценозах с повышен- ной биомассой и в случае резкого преобладания какого-либо од- ного или немногих видов в этом биоценозе. Это наиболее ха- рактерно для неустойчивых сообществ, испытывающих большую антропогенную нагрузку. Так, в зоне загрязнения малых рек сточными водами, содержащими большое количество органиче- ских веществ, происходит значительный рост численности тру- бочников и мотыля, а другие виды практически не встречаются. Величины индекса разнообразия Шеннона обычно уклады- ваются в интервал от 1,5 до 3,5 и очень редко превышают 4,5. Соответственно, чем выше числовое значение индекса, тем выше биоразнообразие в исследуемом водоеме (створе). Пример обработки данных дляиндекса разнообразия Шен- нона по четыремстворам (водоемам) озера по данным определе- ния видов макроозообентоса приведен в табл. 3.6. Чем выше значение индекса Шеннона, тем выше биоразно- образие водоема, тем устойчивее экосистема. Наличие в пробах личинок поденок и веснянок в двух первых створах свидетельст- вует об относительном благополучии водоема, так как эти виды встречаются только в чистой воде. Индекс Шеннона можно рассчитать и по видовому составу макрофитов. 64 Таблица 3.6 Результаты определения макрозообентоса Количество экземпляров в пробе № п/п Обнаруженная группа организ- мов Фоновое озеро Створ I Створ II Створ III Створ IV 1 Личинки поденок 18 6 1 0 0 2 Личинки веснянок 16 2 1 0 0 3 Личинки стрекоз 13 1 1 3 1 4 Водяные ослики 14 2 15 10 8 5 Мотыль 4 5 10 15 10 6 Двустворчатые моллюски 12 1 2 2 1 7 Ручейники ― 10 10 8 0 8 Клоп-водомерка ― 10 10 20 10 9 Личинки мошки 2 1 10 4 5 10 Клещ географический 0 10 10 20 18 11 Волосатик 0 1 ― 5 15 12 Жук-вертячка 0 1 0 0 2 13 Пиявки 0 0 ― 3 3 Общее количество экземпляров в пробе 79 50 70 90 73 3.5. Мониторинг загрязнения природных вод биогенными элементами Среди экологических проблем последнего десятилетия XX в. важное место занимает интенсивное антропогенное загряз- нение внутренних водоёмов и прибрежных зон морских вод био- генными элементами. Загрязнение водоёмов биогенными элементами стимулирует развитие тех или иных групп гидробионтов, в результате этого 65 нарушается экологическое равновесие и происходит вторичное загрязнение продуктами жизнедеятельности этих организмов и их остатками. Такое загрязнение называется эвтрофицирующим. Эвтрофикация приводит к быстрому снижению качества воды в водоёмах и его самоочищающей способности. Под самоочищением поверхностных водоёмов следует по- нимать совокупность природных процессов и факторов, опреде- ляющих восстановление первоначальных свойств и состава воды. К числу факторов самоочищения относятся: солнечная радиация, деятельность гидробионтов и высшей водной растительности. Самоочищающая способность водоёма в большой мере за- висит от равновесия сложившегося биоценоза животных, микро- организмов и растений. В число основных гидробиологических показателей при контроле состояния водных объектов входят следующие эколо- гические группы водных организмов: фитопланктон, зоопланк- тон, зообентос, перифитон (совокупность организмов, поселяю- щихся на различных подводных объектах) и макрофиты. Оценка качества воды по группам и видам гидробионтов по- зволяет установить степень загрязнения водоёма, зоны загрязне- ния, экологические последствия, а также прогнозировать при- ближение загрязнённых зон по расположению зон сапробности на водоёме. 3.6. Оценка степени загрязнения водоёма по видовому составу макрофитов Некоторые виды высших водных растений (макрофитов) широко используются для биоиндикации степени загрязнения водоёмов. По способности развиваться в загрязнённых водоёмах они делятся на олигосапробные, мезосапробные и полисапроб- ные. 66 Сапробность – это комплекс физиологических свойств орга- низмов, обусловливающий способность развиваться в воде с тем или иным содержанием загрязнений. По индикаторным видам устанавливаются и зоны сапробно- сти на водоёмах. Полисапробная зона характеризуется наиболь- шей загрязнённостью биогенными элементами; олигосапробные зоны – зоны чистой воды; мезосапробные зоны – умеренно за- грязнённые. Для численной оценки загрязнения водоёмов используют индекс сапробности растений-биоиндикаторов (табл. 3.7). Таблица 3.7 Индекс сапробности некоторых растений-индикаторов загрязнения водоёмов Вид растения Индекс сапробности N 0 Зона сапробности Стрелолист обыкновенный 1,4 Кувшинка белая 1,4 Рдест блестящий 1,4 Водокрас обыкновенный 1,5 Рдест злаковый 1,7 Кубышка жёлтая 1,7 Олигосапробная Рдест пронзённолистный 1,7 Рдест курчавый 1,8 Уруть колосистая 1,8 Ряска трёхдольная 1,8 Мезосапробная Пузырчатка обыкновенная 1,8 Горец земноводный 1,8 Элодея канадская 1,9 Роголистник тёмно-зелёный 1,9 Многокоренник обыкновенный 2,0 Ряска горбатая 2,0 Ряска малая 2,0 Полисапробная 67 Из данных табл. 3.7 следует, что самым низкосапробным растением является стрелолист обыкновенный, а высокосапроб- ным – ряска малая. Исходя из того, какие растения преобладают в водоёме, определяют общий индекс сапробности. Например, если в водоёме примерно 60 % макрофитов представлено ряской ма- лой и около 40 % – элодеей канадской, то общий индекс сапроб- ности N общ рассчитывается как сумма индексов сапробности этих видов (N oбщ = 2,3 + 1,9 = 4,2). Указанный водоём (участок водо- ёма) относят к полисапробным. Если численность нескольких растений-биоиндикаторов приблизительно одинакова, например, по 30 % разных видов: рдест курчавый (N С = l,8), элодея канадская (N С = l,9), ряска малая (N С = 2,3), то указывают на широкий диапазон сапробности N общ = 1,8 – 2,3. |