Биологическая индикация качества воды

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа по санитарной гидробиологии

 

Тема: Биологическая индикация качества воды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Биологическая индикация качества воды…………………………………….3

1.1. Характеристика вод по степени загрязнеия………………………….6

1.2. Биологические методы качества воды……………………………….9

1.2.1. Био(цено)тические индексы…………………………………….....11

1.2.2. Индексы сапробности……………………………………………..17

1.2.3. Индексы сходства видового состава…………………………...…24

Список литературы……………………………………………………….29

 

1. Биологическая индикация качества вод

 

В.И. Вернадский (1926) считал озерную воду биокосным веществом (телом), потому что ее химический состав и свойства в значительной мере определяются и изменяются в результате жизнедеятельности организмов. Исходя из этого, можно считать, что состав, обилие и функционирование жизни в воде отражают ее природное (естественное) или нарушенное качество, т.е. могут или должны служить биологическими индикаторами качества воды. Качество воды водоемов определяет уровень развития жизни в них и является необходимым условием экологической характеристики любого водного объекта.

Историческая справка. В 1850 г. в Лондоне была опубликована монография Хессела. В ней автор давал оценку качества воды по организмам фитопланктона и зоопланктона. Но основоположником гидробиологических методов оценки качества вод принято считать Фердинанда Кона, применившего в 1875 г. микроскопический метод анализа воды. Им была обнаружена зависимость видового состава гидробионтов от химического состава вод и, прежде всего, от растворенных в воде органических веществ.

Гидробиологический метод был продолжен исследованиями Меца в 1898 г. Он предложившл списки гидробионтов-антагонистов, встречающихся только в исключительно чистых или в сильно загрязненных водах, а также списки «промежуточных» форм, характеризующих различные уровни загрязнения. К показателям абсолютно чистых вод Мец отнес типичных обитателей холодных вод горных ручьев и родников, не выносящих никакого загрязнения, а к их антагонистам — организмы, которые, по его мнению, в абсолютно чистых водах не встречаются вовсе, а в сточных водах могут достигать большой численности. Мец отмечал, что наличие некоторых из этих форм в небольшом количестве еще не указывает на то, что вода сточная, но нахождение даже их одиночных экземпляров не позволяет считать воду, безусловно, чистой.

В группу гидробионтов, выносящих слабое загрязнение, Мец внес 40 видов, к промежуточной, выносящих довольно сильное загрязнение — 37 видов.

Санитарно-экологическая характеристика многих гидробионтов, данная Мецем, вполне соответствует современной классификации гидробионтов-индикаторов сапробности. В дальнейшем шло накопление данных и систематизация сапробных комплексов гидробионтов. Расширение списков сапробных организмов позволяло дать сравнительную оценку влияния различных сточных вод на качество воды водоемов и водотоков.

Классическая система показательных организмов была создана физиологом Р. Кольквитцем и зоологом М. Марссоном. Название сапробионты (от греч. sapros — гнилой) было дано организмам, обитателям сточных вод, и катаробионты (от греч. katharos — чистый) — обитателям исключительно чистых вод. Под сапробностью авторы системы понимали способность организмов развиваться при большем или меньшем содержании в воде органических загрязнений. Позднее экспериментально было доказано, что сапробность организма обусловливается как его потребностью в органическом питании, так и резистентностью по отношению к вредным продуктам распада и дефициту кислорода в загрязненных водах.

Кольквитц и Марссон разделили сапробионтов на три группы:

1) организмы собственно сточных вод — полисапробионты (р-сапробы);

2) организмы сильно загрязненных вод — мезосапробионты (две подгруппы: α - мезосапробы и β - мезосапробы);

3) организмы слабо загрязненных вод — олигосапробионты (о-сапробы).

В 1908 г. Кольквитц и Марссон опубликовали обширный список растительных организмов, а в следующем году — обширный список видов–индикаторов животных организмов. Эти списки в дальнейшем пополнялись.

Г.И. Долгов (1926), Г.И. Долгов и Я.Я. Никитинский (1927), обобщив опыт отечественных и зарубежных исследователей, внесли некоторые изменения в списки Кольквитца-Марссона. Эти изменения были учтены В.И. Жадиным и А.Г. Родиной (1950). Над уточнением списков видов–индикаторов работали многие зарубежные исследователи. Наиболее существенные изменения внесли М. Зелинка и П. Марван (Zelinka und Marvan, 1961), М. Зелинка и В. Сладечек (1964, 1969, 1973), А.В. Макрушин (1974). Варианты списков видов–индикаторов даны в «Унифицированных методах исследования качества вод» (1966). Дополнения к ним по составу (43 вида) с изменениями в степенях сапробности (s), сапробных валентностях и индикаторного веса некоторых видов сделаны Макрушиным (1974).

Системы видов-индикаторов сапробности вод положены в основу гидробиологических методов оценки качества вод в среднеевропейских странах. Они хорошо известны и в той или иной мере наряду с другими методами применяются и в других странах.

Особенно выдающуюся роль в дополнении и совершенствовании системы индикаторов сапробности вод сыграл чешский гидробиолог В. Сладечек. В 1973 он опубликовал самый полный список — около 2000 видов–индикаторов сапробности.

В России системы индикаторов сапробности широко использовались и совершенствовались многими исследователями.

Существующая ныне система индикаторных организмов не универсальна для всех материков и наиболее применима в европейской части Палеарктики.

 

 

1.1. Характеристика вод по степени загрязнеия

 

1. Полисапробная (ρ-сапробная). Зона сильного загрязнения органическим веществом с очень низким содержанием или отсутствием кислорода. Организмы с высокой требовательностью к кислороду отсутствуют. Немногие виды живут на гниющей органике.

2. Альфа-мезосапробная (α) зона, где имеется некоторое количество кислорода, с большим числом видов животных. Таковыми являются малощетинковые и круглые черви и личинки насекомых из отряда двукрылые (семейство комаров-звонцов).

3. Бета-мезосапробная зона (β) зона, где гниение приближается к минерализации. Животные во множестве, с большим числом видов.

4. Олигосапробная зона (о) характерна для чистых вод. Содержание О2 высокое. Широкий систематический состав растений и животных. Олигосапробные водоемы мало отличаются от очень чистых (катаробных и ксеносапробных) водоемов по своим химическим показателям, но в них имеются следы деятельности человека, что отражается на увеличении количества сапрофитных организмов, содержащихся в воде. Чистая вода этих водоемов пригодна для всех видов использования, она служит и для питья, для чего достаточно ее хлорировать или озонировать.

Из данных характеристик следует, что по мере ухудшения качества воды состав гидробионтов становится ýже, а представительность низших таксонов увеличивается и в альфа-полисапробной зоне может быть огромной численность, например, таких видов, как Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri, виды р. Chironomus.

В обобщенном виде система сапробности может быть представлена в следующей схеме (табл. 1).

Система сапробности Кольквитца и Марссона с момента ее опубликования стала классической, но постоянно корректируется и дополняется данными по химическому и биологическому качеству сапробных вод (зон) и по спискам групп гидробионтов с учетом физиологических характеристик экологических популяций в разных регионах.

Таблица 1. Показатели сапробности

Показатели	Зоны сапробности
	ρ-сапробная	a - мезосапробная	b - мезосапробная		олигосапробная
Концентрация бактерий в 1 мл	Сотни тысяч, миллионы	Сотни тысяч	десятки тысяч		десятки, сотни
Пожиратели бактерий	Масса	Много	Немного		Очень мало
Продуценты органи-ческого вещества	Нет	Мало	Немного		Много
Водные цветковые растения	Нет	Нет или мало	Немного		Много
Источник кислорода	Диффузия	Слабое*	Сильное*		Энергичное*
Потребность в кислороде	Ничтожная	Слабая	Значительная		Очень большая
Кислородные условия	Анаэробные	Полуанаэроб-ные	А э р о б н ы е
Характер окислительных процессов	Восстанови-тельные	Восстанови-тельно-окислитель-ные	О к и с л и т е л ь н ы е
Степень минерализации органического вещества	Белковые вещества, полипептиды, углеводы	Аммиак, ами-нокислоты, амиды, амидо-кислоты	Аммиак, нитриты, нитраты	Нитраты
Угольная кислота	Очень много	Порядочно	Немного	Очень мало
Сероводород	Много	Порядочно	Очень мало	Нет
Форма соединений железа	FeS	FeS+Fe2O3	Fe2O3	Fe2O3

* Выделение свободного кислорода при фотосинтезе.

 

Биологические критерии оценки качества воды дают более обобщенные данные о состоянии водоема, чем химические показатели. Они характеризуют изменения состояния водоема, происходящие за большой отрезок времени воздействия на водоем. Биологический анализ используют для характеристики процессов антропогенного эвтрофирования и для оценки степени загрязнения. Преимущество биологической индикации в том, что:

1) биологические процессы интегрируют влияние среды и изменение в структуре сообщества;

2) биологические процессы вскрывают скорость и направление изменения отдельных параметров среды;

3) морская (так же и пресноводная) биота, аккумулируя и трансформируя химические соединения, указывает на пути миграции и места накопления загрязняющих веществ в экологической системе.

Особенности водных биоценозов отражают качество вод и могут служить для его индикации. Если в биоценозе наблюдается увеличение численности организмов, устойчивых к некоторому типу загрязнения, по сравнению с численностью других организмов, то это может указывать на появление данного типа загрязнения. Сдвиг в доминировании по численности от тубифицид, личинок комаров-звонцов и стрекоз к поденкам, веснянкам и некоторым видам ручейников явно указывает на улучшение качества вод, на уменьшение в воде биогенных элементов.

Хозяйственно-фекальное загрязнение вод лучше оценивается по микробиологическим показателям. Бактериологический и микологический анализ воды может показать начальное или кратковременное органическое загрязнение. Массовое развитие бактерий или специфическое бактериальное загрязнение вызывают вспышку численности и разнообразия простейших, которых эффективно можно использовать в качестве индикаторов загрязнения. Состав и численность бактерий и простейших являются хорошим показателем качества активного ила в аэротенках и эффективности биологической очистки сточных вод по населению прудов-отстойников в отсутствие токсических загрязнений. Другие беспозвоночные —черви, моллюски, ракообразные, личинки насекомых, используются в сравнении зон, степени и качества комплексных загрязнений водоемов и водотоков.

Биологические эффекты (последствия) загрязнения проявляются в изменении физиологических, биохимических и генетических свойств организма и связанных с ними проявлений морфологического, этологического, популяционно-биоценотического и экосистемного характера.

 

1.2. Биологические методы качества воды

 

Методы биологической оценки качества воды подразделяются:

1. Био(цено)тические индексы, характеризующие  качество воды по составу и структуре сообществ.

2. Индексы сапробности (расчетные  индексы степени загрязнения  воды).

3. Индексы сходства видового  состава сообществ, находящихся  в разных условиях относительно  загрязнения.

 

Химическое качество воды может быть установлено гидрофизическими и гидрохимическими методами, но оно никогда не будет полным без использования биологического метода. Первые два позволяют судить преимущественно об интенсивности антропогенной нагрузки, в то время как биологический метод дает возможность судить о последствиях этих воздействий, о степени нарушения «нормального» состояния экосистемы.

Биологическое качество водных экосистем в целом и их участков можно оценивать через структуру сообществ. Структура сообществ разного уровня загрязнений вод характеризуется видовым составом и показателями обилия организмов-индикаторов. Каждый организм осваивает среду обитания в пределах своих морфофизиологических характеристик (адаптаций) или толерантности.

Концепция организма-индикатора лежит в основе биотического индекса. Каждый биотический индекс может быть специфичным для одного, возможно двух-трех типов загрязнения, но не может быть чувствительным ко всем видам загрязнения.

Биотические индексы должны отражать специфику загрязнений с учетом географии распространения видов растений и животных. Наличие или отсутствие вида в сообществе должно соотноситься с ареалом вида. Расширение ареала может быть показателем загрязнения, например, теплового в северных широтах. В отличие от индексов разнообразия биотические индексы базируются на специфических (биологических, экологических, физиологических) особенностях организмов-индикаторов.

 

 

1.2.1. Био(цено)тические индексы

 

Био(цено)тические индексы или оценка степени загрязнения воды по сообществу показательных организмов. Оценка загрязнения воды по индикаторным организмам кажется наиболее простой: наличие или отсутствие организмов известной степени сапробности в анализируемой пробе планктона или бентоса сразу ориентирует исследователя относительно качества воды (загрязнения). Однако, здесь не все так однозначно. Например, речка может быть сильно загрязнена, в нее сбрасываются бытовые сточные воды или стоки бродильного, или молочного производства. Налицо все признаки загрязнения: заиление дна, развитие нитчаток и грибов, «цветение» воды и пр. Если взять пробу грунта там, где создаются условия для накопления ила (слабое течение, замедленный водообмен), то найденные там организмы, например, Tubifex tubifex (трубочник) или Chironomus plumosus (мотыль) покажут сильное загрязнение (альфа-мезо- или и полисапрбную зону). Там, где течение посильнее, грунт уже будет представлен, более или менее, заиленным песком и в нем мы обнаружим уже больший состав донных организмов, пусть того же уровня сапробности. Там же, где течение быстрое (стрежень), грунт будет представлен песком, возможно, с галькой. Взятые здесь пробы могут дать состав организмов, характерных для участков реки не подвергающихся загрязнению, типиных бэта-мезосапробов. В связи с этим, к оценке загрязнения водоема надо подходить дифференцированно и правильнее будет выделять отдельные зоны по сапробности относительно места или источника загрязнения. Наконец, при оценке загрязнения по индикаторным организмам, необходимо давать оценку не по отдельным видам, а по биоценозам. На этом принципе основаны приведенные ниже индексы (степень) качества или загрязнения воды.