Биологическая индикация качества воды

Индекс Гуднайта и Уитлея. Гуднайт и Уитлей о санитарном состоянии рек судят по соотношению олигохет и других обитателей дна: река в хорошем состоянии — олигохет менее 60% от общего числа всех донных организмов, в сомнительном состоянии — 60–80%, тяжелое загрязнение — более 80%.

Цанер (1964) качество вод оценивает по величинам абсолютной численности Tubifex tubifex и видов р. Limnodrilus:

Класс чистоты воды                  T. tubifex             L.  hoffmeisteri

                                                      (тыс. экз./м2)         (тыс. экз./м2)

                        1 — 2                          0,1–1,0                     0,1–0,2

                        2 — 3                          1,0–2,0                     2,0–10,0

                           3                             2,0–10,0                  10,0–50,0

                        3 — 4                          10,0–50,0                  50,0–100,0

                           4                            50,0–100,0               более 100,0

Э.А. Пареле, изучавшая загрязнения малых рек Латвии, предложила 4 олигохетных индекса, каждый из которых был более или менее эффективен для определенных рек и условий загрязнения:

        

где: Т — тубифициды, В — все организмы бентоса + олигохеты без некоторых тубифицид, О — все олигохеты + тубифициды, S — отдельный вид тубифицид (Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri).

В условиях Латвии хорошо зарекомендовал себя метод, основанный на оценке отношения численности тубифицид к численности олигохет:

 

Д2 = N Tubificidae/ N Oligochaeta,

где индекс 0,3 — относительно чистая река, 0,3–0,54 —— слабо загрязенная, 0,55—0,79 — загрязненная, 0,8–1,0 — сильно загрязненная река.

Для рек, где немалое значение имеют, и другие организмы бентоса имеет смысл применять и другой индекс, основанный на оценке доли олигохет в составе зообентоса:

Д1 = N Oligochaeta /N зообентоса.

На основании показателей Д1 участки исследованных водотоков подразделяются на 6 групп: 0,01–0,16 — очень чистая, 0,17–0,33 — чистая, 0,34–0,5 — умеренно (слабо) загрязненная, 0,51–0,67 — загрязненная, 0,68–0,84 — грязная, 0,85–1,0 — очень грязная.

С учетом экологического и зоогеографического облика малощетинковых червей для оценки состояния чистоты внутренних вод Европейского Севера был предложен индекс, характеризующий отношение массовых видов (обладающих разным потенциалом устойчивости к загрязнению) к общему составу фауны малощетинковых червей:

Is = Nt + Nh + Nf / No,

где Is — индекс сапробности по олигохетам, Nt — средняя численность Tubifex tubifex, Nh — средняя численность Limnodrilus hoffmeisteri, Nf — средняя численность Spirosperma ferox, No — средняя численность всех олигохет в биотопе.

По значениям показателя Is для разных условий водных экосистем Европейского Севера целесообразны четыре группы количественных показателей в пределах: Is = 0,9–1,0 — сильно загрязненные, Is = 0,5–0,89 — загрязненные, Is = 0,3–0,49 — слабо загрязненные, Is = < 0,3 — чистые и относительно чистые воды.

Райт (Wright, 1955), Карр и Хилтонен (Carr and Hiltonen, 1965) для оценки уровня загрязнения использовали данные по плотности олигохет-тубифицид:

                        слабое загрязнение —100–999 экз./м2,

                        среднее загрязнение — 1000–5000 экз./м2,

                        тяжелое загрязнение — более 5000 экз./м2.

Олигохеты — повсеместно встречающихся и часто доминирующих в бентосе и в зарослевой фауне группа животных большинства водоемов. Они наиболее часто привлекаются различными авторами для целей биоиндикации, так как в местах сильного органического загрязнения наблюдается массовое развитие некоторых из них.

Многие виды олигохет могут служить индикаторами качества вод, однако, только немногие виды характеризуют степень загрязнения воды. Это виды: Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri и L. udekemianus. Практически только эти виды следует использовать в формулах индексов сапробности, где указываются олигохеты, причем, Tubifex tubifex наиболее определенно характеризует органические, легкоокисляемые загрязнения, например, хозфекальные, молочные или бродильного производства, в то время как Limnodrilus hoffmeisteri и L. udekemianus — в массе развиваются в зоне промышленных загрязнений, особенно стоками ЦБК. Есть два вида наидид (нематоды) — Nais elinguis и Aulophorus furcatus, которые наряду с предыдущими могут использоваться как индикаторы альфа-мезо и полисапробных вод, но ввиду их редкой встречаемости и малочисленности в пробах они малопригодны в расчетах. В связи с этим, важно заметить, что если в формуле указываются олигохеты (О или Т — тубифициды), то надо оговаривать, какие виды имеются ввиду.

Известно так же, что олигохеты не могут служить индикатором разового или прерывистого загрязнения (за исключением случаев катастрофической гибели при чрезмерной нагрузке), так как продолжительность их жизненного цикла достаточно велика. Они дают информацию о состоянии водоема за довольно длительный период, предшествующий времени наблюдения, что иногда бывает очень важно.

Е.В.Балушкина (1976, 1987) предложила хирономидный индекс

где: α = N+10 — вспомогательная величина: N — относительная численность особей всех видов подсемейств (t — Tanypodinae, ch — Chironominae, o — Orthocladiinae и Diamesinae); слагаемое 10 подобрано эмпирически.

При К = 0,136–1,08 — чистая вода; 1,08–6,5 — умеренно загрязненная; 6,5–9,0 — загрязненная; 9,0–11,5 — грязная вода.

Представители п/сем Chironominae и Tanypodinae встречаются в массе в загрязненных водах. Род Chironomus — полиморфный и эврибионтный, виды которого трудно и часто неправильно идентифицируются, поэтому один и тот же вид разными авторами указывается в качестве индикатора для разной степени загрязнения вод. Chironomus plumosus может быть в массе в сильно эвтрофированных водоемах и отсутствовать в водоемах, в которые поступают стоки с полей фильтрации и скотного двора. Здесь встречаются Ch. annularius и Glyptotendipes barbipes. При сильном загрязнении легко окисляемой органикой Ch. plumosus может быть в массе. При промышленном загрязнении (стоки ЦБК) в массе развивается Ch. tummi, менее требователен к кислороду.

П/сем. Tanypodinae: Prodiamesa olivacea — ρ- α- мезосапроб; Procladius choreus и P. ferrugineus — эврисапробы. Род Psectrotanypus — в слабо загрязненной зоне. Macropelopia nebulosa — эврисапроб (β- мезо — олигосапроб). Ablabesmija monilis — α- мезосапроб.

П/сем. Orthockladiinae — в большинстве стеноксибионты, оксифильны.

Оценку загрязненности проводят по показателям развития бактериопланктона. Содержание споровых микроорганизмов указывает на характер органического вещества: при наличии трудноразлагаемых соединений число таких микроорганизмов может превышать 1000 клеток/мл.

Появление в пробах воды сульфатредуцирующих бактерий (в количестве нескольких десятков в 1 мл) свидетельствует об опасности сероводородного заражения.

Наличие фенол-и углеводородокисляющих бактерий в количествах, превышающих 102–103 клеток/мл, указывает на ту или иную степень загрязнения этими веществами.

 

1.2.3. Индексы сходства видового состава

 

Показатели сходства биоценозов представляют интерес для сравнения между собой целых водоемов, их участков, определенных экологических зон и особенно в оценке степени деградации биоценозов в одном водоеме (реке) на пути переноса и трансформации (разбавления) сточных вод, иначе говоря, индексы биоценологического сходства позволяют оценить интенсивность процессов самоочищения в реке. В озере индексы сходства позволяют оценить продолжительность, характер и степень загрязняющих отложений на дне по многолетним сборам зообентоса.

Наиболее удобно проводить попарное сравнение биоценозов по Жаккару (Jaccard, 1908, 1912):

; ;

где: с — число видов, общих для двух участков (биотопов, биоценозов), a и b — число видов соответственно на обоих участках.

Сёренсен (Sörensen, 1948) использует индекс Жаккара в несколько измененном  виде:

здесь j, a и b — то же, что и в формуле Жаккара.

По данным k для сравниваемых участков составляется матрица:

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	0
2		0
3			0
4				0
5					0
6						0
7							0
8								0
9									0
10										0

Коэффициент k имеет значения от 0 до 100%. Нулевое значение показывает полное несовпадение списков в сравниваемых пробах; 100% значает полное совпадение списков, чего практически не бывает. Полученные данные (проценты) матрицы делятся на группы сходства, соответствующие степени загрязнения, например, 65–80% — высокое сходство может быть между участками, близкими по условиям: чистые или одинаково загрязненые, 50–64% — показывают слабое загрязнение относительно чистых участков, 30–49% — умеренное загрязнение, 15–29% — низкое сходство, например, между чистыми участками и сильно загрязненными (разные загрязнения). 

Б.А. Вайнштейн (1967) для оценки сходства биоценозов по обилию и видовому составу применил коэффициент биоценологического сходства (Кб):

Кб — коэффициент сходства видового состава:

Ко — коэффициент общности удельного обилия, предложенный А.А. Шорыгиным (1939, 1952) для сравнения спектров питания рыб и использованный Б.А. Вайнштейном (1949) для оценки сходства сообществ вычисляется следующим образом. Сначала определяется удельное обилие каждого вида в каждом биоценозе, т. е. процент числа особей данного вида от общего их числа в биоценозе.

Затем в двух сравниваемых биоценозах удельные обилия общих им видов сравниваются, отбираются меньшие величины для каждого вида и суммируются:

Ко = S Омин.

В качестве индикатора степени используется зообентос.

Индекс Шеннона. В основу группы индексов видового разнообразия положено правило уменьшения числа видов с увеличением загрязнения. Чаще всего используется модификация индекса разнообразия Шеннона, предложенная Вильмом и Доррисом (Wilhm, Dorris, 1968) в качестве показателя степени загрязнения вод.

d = - S (ni / n) log 2 ( n i / n),

где ni — число особей i-го вида, n — число особей в пробе, s — число видов. Считается, что d > 3 соответствует чистым, d от 1 до 3 загрязненным, d < 1 — грязным водам.

Индекс Шеннона позволяет анализировать сообщества по их популяционной структуре в естественных и нарушенных условиях. Этот же индекс может быть использован с данными по биомассе видов в пробах.

Индекс Коте. При хорошем знании фауны реки достаточно иформативным может быть индекс «видового дефицита» Коте (Kothe, 1962):

 

где Ai — число видов выше сброса сточных вод или загрязнения, Ax — число видов ниже сброса сточных вод или загрязнения.

При всем многообразии индексов оценки качества вод или степени загрязнения их, следует подходить к ним дифференцированно и выбирать их (индексы) в соответствии с уровнем и задачами исследования.

Для специальных исследований, выполняемых по научным программам, следует использовать расчетные индексы, например, Пантле-Букк, Шеннона, олигохетные индексы Пареле, хирономидный индекс Балушкиной. Для экспресс-анализов, например, при прохождении полевой практики студентов по гидробиологии, при выполнении курсовых работ или при проведении экскурсий со школьниками на водоемы, когда нет специальных плавсредств и приборов для отбора проб, следует использовать более простые в расчетах индексы видового сходства (разнообразия), например, индексы Коте, Жаккара, Сёренсена или биоценотические индексы Бека, Вудивисса. Кстати сказать, сам Вудивисс, по рассказу очевидцев, пользовался своим методом просто и оригинально: он заходил в воду реки в высоких резиновых сапогах, зачерпывал ведром грунт, размывал его по частям с помощью сита и выбирал организмы. Сортировка по группам организмов без детальных определений видов позволяла на месте судить о степени чистоты воды в данном месте.