Биологическая индикация качества воды

I. Синезеленые водоросли, коловратки — сем. Bdelloidae, плюс Cephalodella megalocephala и Proales decipiens.

II. Олигохеты, пиявки и легочные  моллюски.

III. Protozoa.

IV. Диатомовые, красные и большинство зеленых водорослей.

V. Все коловратки, кроме, включенных в группу I, двустворчатые моллюски, переднежаберные моллюски и планарии-трикладиды.

VI. Все насекомые и ракообразные

VII. Все рыбы.

VII, VI и IV показывают хорошее качество, V и III — сомнительное, II — грязное и I — очень грязное.

Биотический индекс основывается на характеристиках сообществ относительно степени загрязнения воды (табл. 2).

 

Таблица 2. Биотический индекс «Река»

Статус загрязнения	Биот. индекс	Тип сообщества макробеспозвоночных	Рыбный потенциал
Незагрязненная	6	Широкое представительство чувствительных, факультативных и толерантных хищных, травоядных, фильтраторов и детритофагов	Все характерные рыбы для естественных вод
Слабое до умеренного загрязнение	5-4	Чувствительные хищники и травоядные, редуцированные до обособленных популяций или отсутствуют совсем. Факультативные хищники, растительноядные и, возможно, фильтраторы и детритофаги характерные для чистых вод. Рост численности с более низким индексом.	Более чувствительные виды рыб убывают в численности
Умеренное загрязнение	3	Все чувствительные виды отсутствуют. Факультативные хищники (пиявки) отсутствуют или редки. Хищники сем. Pelopiinae и растительноядные тендипедиды присутствуют в больших количествах	Только «грубые» рыбы
От умеренного до сильного загрязнения	2	Факультативные и устойчивые виды сильно уменьшаются в численности, если загрязнения токсичные; если органики не много, то виды, устойчивые к недостатку кислорода, присутствуют в больших кол-вах.	Рыбы только с высокой устойчивостью к загрязнениям
Сильное загрязнение	1	Только очень устойчивые детритофаги (Tubificidae) присутствуют в большом количестве	Рыб очень мало, если они вообще есть
Определенное (отдельное) загрязнение, обычно токсичное.	0	Макробеспозвоночные отсутствуют.	Рыб нет

 

Биотический индекс в целом оценивает структуру сообщества, однако к его недостаткам можно отнести недостаточную корреляцию «группы» с численностью входящих в нее животных. При этом значение очень малочисленной «группы» может быть завышено. Указанные в таблице тубифициды — это, прежде всего, вид Tubifex tubifex и род Limnodrilus. Под красными хирономидами понимаются виды р. Chironomus; азеллюс — Asellus aquaticus (водяной ослик) — равноногий рачок.

По мнению большинства специалистов, организмы зообентоса наиболее четко отражают степень загрязнения водоемов. Они удовлетворяют многим требованиям к биоиндикаторам: повсеместная встречаемость, достаточно высокая численность, относительно крупные размеры, удобство сбора и обработки, сочетание приуроченности к определенному биотопу с их подвижностью, достаточно продолжительный срок жизни, чтобы аккумулировать загрязняющие вещества за длительный период.

В настоящее время в мировой практике используются свыше 60 методов мониторинга по зообентосу. Показатели зообентоса входят в качестве основных элементов в программу гидробиологических наблюдений Общегосударственной службы наблюдений и контроля над уровнем загрязнения водных объектов. Общей программой предусматривается определение общей численности организмов зообентоса (экз./м2), общей биомассы (г/м2), общего числа видов, количества групп по стандартной разборке, числа видов в группе, численность основных групп (экз./м2), биомасса основных групп (г/м2), массовых видов и видов-индикаторов сапробности (название, % общей численности, сапробность).

При загрязнении обычно уменьшается общее число видов в донном сообществе, причем это сокращение часто идет быстрее, чем уменьшение обилия организмов. В результате падает значение индекса удельного видового богатства, находимого, например, по формуле Маргалефа.

Распределение численности и биомассы организмов в водоемах характеризуется определенными статистическими законами. Для бентосных организмов наиболее характерно отрицательное биномиальное или лог-нормальное распределение, а при низком обилии — распределение Пуассона. При изменении условий обитания животных, например, вследствие загрязнения, параметры статистических распределений меняются. Обычно при ухудшении условий асимметрия увеличивается, при улучшении — уменьшается.

Индекс Вудивисса. Один из самых широко применяемых методик оценки загрязнения пресных вод — метод биотических индексов. Наиболее известен из них индекс Вудивисса. Изучая влияние загрязнения на бентос реки Трент (Англия), Вудивисс обратил внимание на то, что по мере увеличения интенсивности загрязнения вначале из состава донной фауны выпадают наиболее чувствительные группы животных — веснянки, затем поденки, ручейники и т.д. В конце концов, остаются только олигохеты и личинки красного мотыля, исчезающие только при очень сильном загрязнении. На этом основании он разбил возможные степени загрязнения на 10 классов и построил таблицу для определения этих классов по наличию и отсутствию отдельных групп гидробионтов с учетом общего количества таких групп на изучаемом участке. Большая ценность метода заключается в сравнительной легкости идентификации указанных групп, что может делать и не специалист-систематик.

Применяемый индекс Вудивисса вполне пригоден для биоиндикации состояния малых рек европейской части, загрязняемых большей частью бытовыми стоками. Пробы бентоса  можно взять прямо с берега реки сачком, малой драгой или даже ведром. Этим индексом успешно пользуются школьники при квалифицированной помощи учителя или специалиста-гидробиолога и студенты под руководством преподавателя, знакомого с фауной пресных вод региона. Однако надо иметь ввиду, что даже грязные речки могут иметь у берега заросли высшей водной растительности. Пробы, взятые в их пределах, могут дать сообщества вполне «чистых» видов (личинки поденок и ручейников, жуки и рачки-хидориды), что может исказить общую картину состояния загрязненности реки. Этот индекс плохо работает на быстрых речках с каменистым или песчаным дном.

Оценка качества исследуемых водоемов, проводимая по личинкам насекомых, неизменно дает положительные результаты. Многие личинки ручейников, веснянок и поденок обитают лишь в чистых участках водоемов, на слабо заиленных субстратах, в то время, как личинки хирономид - более выносливых к загрязнению - обитают среди иловых отложений.

Хорошими индикаторами загрязнения водоемов являются губки и мшанки, которые обитают только в чистых, богатом кислородом биотопах, и не выносят малейшего загрязнения воды. Живут они чаще всего в обрастаниях различных субстратов, находящихся в толще воды.

Моллюски не всегда могут быть использованы как четкие показатели степени сапробности водоема, так как вследствие толщины створок раковины (двустворчатые) или плотно закрывающихся крышечек (живородки, затворники, битинии) они оказываются относительно более защищенными и менее чувствительными к загрязнению, чем прочие донные животные. Однако легочные моллюски, особенно катушки и речные чашечки, относятся к достоверным индикаторам качества вод, что неоднократно отмечалось в литературе.

Наиболее выносливы к загрязнению пелофильные олигохеты. Как уже было сказано, они вместе с нематодами последними погибают при сильном загрязнении водоемов. Так, ряд исследователей, работающих на озере Мичиган, пришли к выводу, что плотность олигохет до 1 тыс. экз./м2 указывает на слабое загрязнение, от 1 до 5 тыс. экз./м2 — среднее, свыше 5 тыс. экз./м2 — сильное. В дальнейшем было уточнено, что сильное загрязнение характеризуется плотностью олигохет свыше 10 тыс. экз./м2. В нашей стране этот подход использован на различных типов водоемов, но на участках водохранилищ с высокой степенью проточности обилие реофильных видов олигохет приводит к заниженной оценке степени загрязнения.

Индекс Гуднайта-Уитли. Достаточно широко применяется в мировой практике также индекс Гуднайта-Уитли, показывающийся отношение численности олигохет к численности всего зообентоса. Если доля олигохет ниже 60%, состояние участка водоема считается хорошим, от 60% до 80% — сомнительным, свыше 80% — тяжелым. По величине этого индекса выделяют 6 классов чистоты воды.

 

 

1.2.2. Индексы сапробности

 

Для характеристики загрязнения водоемов по бентосу используются также индексы сапробности. Сапробиотические характеристики берутся обычно из различных публикаций, среди которых видное место занимает основополагающие работы Сладечека. Применение данного метода затрудняется тем, что для многих бентосных организмов величина индикаторной значимости и сапробной валентности неизвестна. Кроме того, иногда один и тот же вид животных разными авторами характеризуется в диапазоне от олиго- до полисапробного.

Антропогенное воздействие сказывается на функциональных, в том числе продукционных показателях донных гидробионтов. Для оценки этого влияния могут использоваться такие индексы, как Р/В, P/R, R/B, где Р — продукция, R — траты на обмен, В — биомасса. Так, в реке Ижора, величина P/R изменяется от 0,151 (на чистом участке) до 0,532 (на самом загрязненном). В Красноярском водохранилище этот показатель меняется от 0,11 до 0,46.

Продукционные характеристики, в конечном счете, самые важные для оценки сообщества водных организмов, их колебания отражают интегральное влияние всех факторов среды, поэтому использование их чрезвычайно привлекательно. Но следует отметить, что продукция, как правило, расчетная характеристика, точность оценки которой может быть невелика, получение, же соответствующих эмпирических данных весьма трудоемко и требует специальных продукционных исследований.

В отличие от биоценотических индексов, индексы сапробности характеризуют качество воды или ее сапробиологическую оценку по набору и количественным показателям популяций видов-индикаторов в пробах планктона и бентоса. Индексы сапробности могут характеризовать как точечные или локальные состояния воды водоема, так и позволяют дать оценку процессов самоочищения, например, в реке при отборе проб по заданной сетке станций относительно места сброса сточных вод. Пробы обычно отбираются до (выше) сброса, в районе  сброса (на небольшом удалении) и далее по факелу распространения сточных вод.

Метод Пантле–Букк. Индекс сапробности Пантле и Букк (Pantle und Buck, 1955).

, где

S — индекс сапробности, s — индикаторная значимость вида (s: = 1 — олигосапробы, = 2 — альфа-мезосапробы, = 3 — бета-мезосапробы, = 4 — полисапробы); h — относительное количество особей вида (h: = 1 — cлучайные находки, = 3 — частая встречаемость, = 5 — массовое развитие). При S = 4.0–3.5 — полисапробная зона, = 3.5–2.5 —  мезосапробная зона, = 2.5–1.5 — мезосапробная зона, = 1.5–1.0 — олигосапробная зона, = 0.5–0 — ксеносапробные воды. Метод Пантле–Букк широко применяется гидробиологами в оценке загрязнения природных вод (оценке сапробности) по фито- и зоопланктону и зообентосу.

Н.А. Дзюбан и С.П. Кузнецова (1981) предложили модификацию индекса Пантле–Букк:

, где

где n — фактическая численность индикаторного вида в пробе, S — средний индекс сапробности, s — сапробность отдельных видов.

Определение сапробности по этому модифицированному индексу Пантле-Букк проводится по следующим значениям:

Шкала сапробности	Значения сапробности S
Ксеносапробная	<1
Олигосапробная	³1<2
b - мезосапробная	³>2<3
a - мезосапробная	³3<4
Полисапробная	³4

Рассчитанные значения по этой формуле некоторые исследователи считают более объективными, и они позволяют регистрировать даже небольшие изменения качества воды.

В.Ю. Захаров в «Методическом руководстве» (1997) приводит расчет сапробности по модифицированной формуле Пантле-Букк для нескольких рядов наблюдений (например, индексов сапробности для нескольких групп организмов из одного места сбора материала):

где Sm — средний индекс сапробности для анализируемых групп организмов; S1, S2, .... Sk — индексы сапробности для групп организмов 1, 2, k (например, для фитопланктона, зоопланктона и зообентоса); Sn1 + Sn2 +.....+  Snk — суммы численностей видов в анализируемых группах организмов. Наиболее достоверные результаты получаются при наличии в расчетах более 7 видов.

Сейчас широко используются методы, основанные на характеристиках структуры зообентоса. Они позволяют оценить среднее состояние экосистемы за более длительный период времени. Сообщества донных животных, аккумулируя информацию об окружающих их условиях обитания (химических характеристиках воды и дна), реагируют на изменения ее качества соответствующими перестройками структуры и изменениями количественного развития.

В настоящее время разработано много методов оценки качества воды по составу донной фауны, среди которой чаще всего используются ее доминирующие виды. Некоторые исследователи создали индексы загрязнения воды на основе видового состава и численности малощетинковых червей и считающих наиболее универсальным индекс Гуднайта и Уитлея.