Экологическая оценка степени загрязнённости водоёмов

Основана главным образом на учёте количества присутствующего в воде органического вещества в разных формах. Биологическое состояние водоёма, определяемое концентрацией органических веществ и интенсив­ностью процессов их разложения, получило название сапробности.

Сапробность (от греческого sapros – гнилой) – физиолого-биохимические свойства организма (сапробионта), обусловливающего его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, поступающих в водоем преимущественно с хозяйственно-бытовыми стоками (Макрушин, 1974).

По мере возрастания антропогенной загрязненности водоемов увеличивались и усилия по исследованию этого явления. Появилась потребность в более или менее универсальном показателе загрязнения – причем таком, который поддавался бы относительно простой оценке и при этом имел бы прогностическую ценность – то есть отражал реальное качество воды и пригодность ее для различных хозяйственных целей. Ни один химический показатель не годится для этой цели, поскольку загрязнители воды весьма многообразны, и химические реакции на них в водоемах также нелинейны. Наиболее корректный химический показатель – содержание в воде растворенного кислорода. Большинство загрязнителей воды имеют органическую природу, в водоемах они подвергаются разложению микроорганизмами, при этом быстро расходуется кислород (вплоть до его полного исчерпания в воде). Однако, на практике измерять содержание кислорода очень неудобно, главным образом в силу высокой изменчивости этого показателя (он зависит от времени суток, погоды, расстояния до поверхности воды и многих других динамичных факторов).

Наиболее практичный критерий предложили биологи, показавшие, что водные организмы, как правило, реагируют на уровень загрязнения в целом, независимо от конкретных источников загрязнения. Уже в 1908-1909 гг. Кольквитц и Марссон разделили ряд изученных ими гидробионтов по степени чувствительности к загрязнению, а сами водоемы – на классы загрязненности, соответствующие определенным группам обитателей. Сама мера загрязнения (и мера чувствительности гидробионта к нему) получила название сапробности.

Биологический смысл понятия сапробности заключается примерно в следующем. При нарастании органического загрязнения водоема в толще воды и особенно на дне параллельно возрастает содержание мертвого органического вещества (как правило, легко разлагаемого) и понижается содержание кислорода (именно из-за гниения органики); то есть сдвигается органико-кислородный баланс. Сапробность и есть мера этого баланса. Повышение сапробности угнетает одни организмы (из-за недостатка кислорода), но благоприятно для других (требовательных к большому количеству пищи), то есть вызывает смену состава водных сообществ. Дело в том, что и в природе (без всяких антропогенных загрязнений) разные водоемы имеют разный естественный фон сапробности, и их обитатели также приспособлены к разным условиям. Одни водоемы (горные и северные озера, горные реки и ручьи) несут очень мало органических веществ и всегда насыщены кислородом – олигосапробны. Другие (большинство равнинных рек и озер) имеют умеренный фон органического питания (мезосапробны). Наконец, многие мелкие стоячие водоемы (пруды и болота), особенно в теплых и засушливых районах, перенасыщены разлагающейся органикой и почти лишены растворенного кислорода (полисапробны). Соответственно, коренные обитатели этих зон называются олиго-, мезо- и полисапробами. Было замечено также, что полисапробные организмы обычно лучше переносят и химические загрязнения (например, ядохимикатами или тяжелыми металлами), а также повышенную температуру и минерализацию воды. Это дает возможность применять сапробность и для оценки промышленных загрязнений водоемов.

Водоёмы или их зоны в зависимости от степени загрязнения органическими веществами подразделяются на 4 группы - катаробные, лимносапробные, эусапробные и транссапробные, имеющие следующие основные отличия:

1. Катаробная группа. Включает источники, содержащие чистейшую воду. К ним относятся подземные родниковые воды, талые воды горных ледников, минеральные воды, вода, искусственно подготовленная для пи­тья. Индекс сапробности - 0. Психрофилъных бактерий в 1 мл воды менее 500, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л. менее 10.

2. Лимносапробная группа включает ксено-, олиго-, в- и а-мезо- и полисапробную зоны:

а) ксеносапробная зона, практически чистые воды, содержащие крайне незначительные количества растворённых органических веществ, индекс сапробности - менее 1,0;

б) олигосапробная зона, Н₂S отсутствует, СО₂ мало, O₂ близко к нор­ме, растворённых органических веществ почти нет, численность обитате­лей воды невысокая, видовое разнообразие значительное, наиболее характерны диатомовые водоросли рода мелозира, зелёные - драпарналъдия, коловратка, ветвистоусые рачки (дафния длинноспинная, битхотрифес долгорукий), личинки подёнок, веснянок, моллюск (дрейссена полиморфная), форель, стерлядь (Константинов, 1967). Индекс сапробности 1,0;

в) мезосапробная зона подразделяется на в -и а-мезосапробные подзоны;

в-мезосапробная подзона характеризуется присутствием аммиака, азотистой и азотной кислот, аминокислот нет, Н₂S очень мало, О₂ много, происходит полное окисление органического вещества; видовое разнообразие гидробионтов высокое, но их численность и биомасса ниже, чем в следующей подзоне, наиболее характерны диатомовые водоросли (мелозира пёстрая или изменчивая, диатома, навикула), зелёные (космариум, ботритис, спирогира толстая или известковая, кладофора), многие хлорококковые, из цветковых появляется роголистник, среди животных многочисленны корненожки, инфузории, ракообразные, моллюски, рыбы, начинают встречаться губки, мшанки.

В альфа-мезосапробных водах имеются аммиак, аминокислоты, О₂ в заметных количествах, Н₂S и СО₂ немного, неразложившихся белков нет; минерализация органического вещества идёт в основном за счёт его аэробного окисления; среди живых организмов наиболее характерны гриб мукор, сине-зелёные водоросли (осциллатория, хорми- диум крючковатый), зелёные (хламидомонос хмельной), эвгленовые (эвглена зелёная), простейшие (стентор тёмный), коловратки, моллюски (шаровка роговая), водяной ослик, личинки двукрылых (комаров дергуна и бабочницы). Индекс сапробности бета-мезосапробных вод - 1,1-2,0, а а- мезосапробных - 2,1-3,0;

г) полисапробная зона характеризуется наличием в воде неразло- жившихся белков, следов Н₂S, низким содержанием кислорода, значительным количествам СО₂, восстановительным типом биохимических процессов. Самоочищение в этих водах идёт в основном за счёт деятельности бактерий (многококка серого, живущего колониями и дочернего шарообразного), зелёных водорослей (политомы яйцевидной), жгутиковых (ойкомонаса изменчивого), инфузорий (парамециума зловонного или гнилого), олигохет (трубача трубачёвого), личинок мух-журчалок. Число ви­дов живых организмов в полисапробных водоёмах невелико, но они встречаются здесь, как правило, в массовых количествах. Индекс сапробности - 3,1-4,5.

Психрофильных бактерий в 1 мл ксеносапробных вод 0,5-1,0, олигоса- пробных - 1-10, Р-мезосапробных - 10-50, а-мезосапробных - 50-250, по- лисапробных - 250-2000 тысяч, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л соответственно 0,01-10, 10-50, 50-100, 100-1000, 1000-20000 тысяч. Ксено- и олигосапробные воды после обработки пригодны для питья, мезо - и по- лисапробные воды используются главным образом для бытовых и техни­ческих нужд.

3. Эусапробная группа. Относится к категории сточных вод, содержа­щих большое количество органических веществ, разложение которых про­текает почти в анаэробных или же в аэробных условиях с помощью мик­роорганизмов и биохимическим путем. Включает изо- , мета-, гипер- и улътрасапробные зоны:

а) изосапробная зона характеризуется почти анаэробными условия­ми, присутствием следов О₂ и небольшого количества Н₂S, обильной фау­ной инфузорий (парамециум монетовидный, кольпидия поздняя, гиаукома мерцающая, фортицелла лекарственная), бесцветных жгутиконосцев, бактерий;

б) метасапробная зона отличается большим количеством Н₂S, от­сутствием 0₂, массовым развитием жгутиконосцев, зелёных, пурпурных и других бактерий; инфузории редки;

в) гиперсапробная зона, условия анаэробные, H₂S нет или мало, из живых организмов встречаются бактерии и реже низшие грибы;

г) улътрасапробная зона не содержит живых организмов, происхо­дит постепенный биохимический распад органических веществ, О₂ и H₂S нет.

Индекс сапробности эусапробных вод - 4,6-8,0. Количество психро- фильных бактерий в 1 мл изосапробных вод 2-10, метасапробных - 10-20, гиперсапробных - 20-50 млн, ультрасапробных - менее 10, а бактерий группы кишечной палочки в 1 л воды - соответственно от 20 млн до 3 млрд, 3-10 млрд, менее 1 млрд и 0.

4. Транссапробная группа характеризуется большим количеством токсичных и минеральных веществ, радиоактивных стоков и т.п.; биохимический распад органических веществ не происходит; включает антисапробную, радиосапробную и криптосапробную зоны. Антисапробные воды со­держат большие концентрации токсических, радиосапробные - радаоактивных веществ, криптосапробные воды испытывают значительное влияние физических факторов (высоких или низких температур, минеральных суспензий и т.д.). Эти воды полностью непригодны для какого-либо использования.

Оценка качества или степени загрязнения вод по биологическим пока­зателям проводится путём сравнения населения обитателей водоёмов на загрязнённых и незагрязнённых участках или по индикаторным организ­мам (Макрушин, 1974). Организмы-индикаторы активно участвуют в про­цессах биологического самоочищения воды и позволяют определить сте­пень загрязнения зоны водоема, в котором они обитают. В Европейских странах наибольшее распространение получила основанная на экологиче­ском принципе система индикаторных организмов Колквица-Маресона (Kolkwitz, Marson, 1909), в модификации Пантле и Букка (Pantle, Buck, I955), Зелинки и Марвана (Zelinka, Marvan, I966), Сладечка (Sladecek, I973) и др. Один из последних обобщённых списков организмов-индикаторов загрязнения воды включает около 660 видов, в том числе бактерий - 21, грибов - 4, синезелёных водорослей - 43, золотистых - 17, диатомовых - 88, пирофитовых - 4, эвгленовых - 11, зелёных - 67, красных водорослей - 5, мхов - 4, однодольных цветковых - 7, двудольных - 5, жгутиковых - 32, корненожек - 8, инфузорий - 106, губок - 4, мшанок - 3, кишечнополост­ных - 1, плоских червей - 4, коловраток - 28, кольчатых червей - 9, моллю­сков - 22, ракообразных - 30, паукообразных - 5, подёнок - 69, ручейников - 37, двукрылых - 10, рыб - 18 видов (Унифицированные методы исследо­вания качества вод, 1966, 1974). В этом списке для каждого вида цифрами от 1 до 10 приводятся сапробные валентности вида, показывающие, в ка­кой мере вид характерен для той или иной зоны лиминосапробных вод (ксено-, олиго-, Я-мезо-, а-мезо, полисапробные воды). В отдельной графе для многих видов в баллах от 1 до 5 указывается индикаторное значение видов.

Предложенная концепция сапробности стала основой для биоиндикации – оценки качеств (и загрязнения) воды и водоемов (главным образом пресных) в целом по составу обитающих там организмов. В 1955 г. Пантле и Букк предложили так называемый индекс сапробности для оценки уровня загрязненности вод.

Индекс сапробности Пантле-Букка вычисляется по формуле:

,

где s – сапробность каждого индикаторного вида, найденного в пробе, h – обилие этого вида, выраженное в баллах от 1 до 5 (случайные находки – 1, частая встречаемость 3, массовое развитие – 5). Таким образом, сам индекс – это среднее значение сапробности всех найденных видов, с учетом их обилия. Была принята следующая числовая шкала для сапробности (как организмов, так и водоемов): олигосапробы – 1, β-мезосапробы – 2, α-мезосапробы – 3, и полисапробы – 4.

Дальнейшие модификации индекса сапробности Пантле-Букка сводились главным образом к изменению списка индикаторных таксонов. Эти списки стали разрабатываться раздельно для разных экологических групп гидробионтов (фитопланктона, зоопланктона, зообентоса, макрофитов и рыб). Наибольшую известность получила модификация Сладечека, разработанная для оценки загрязнения водотоков Западной Европы (Sladecek, 1973). В ряде модификаций вместо индикаторных видов используются роды или даже семейства гидробионтов. Эти таксоны гораздо легче в определении и имеют более широкие ареалы (что очень удобно), но нередко включают виды с несколько различной сапробностью (что снижает точность оценки).

На самом деле даже многие индикаторные виды встречаются в водах нескольких смежных зон сапробности, что дает погрешность при установлении сапробности водоема в целом. В этой связи Зелинка и Марван в 1961 году предложили понятие сапробной валентности – распределения встречаемости каждого вида по зонам сапробности. Для учета сапробной валентности при вычислении индекса сапробности авторы ввели так называемый индикаторный вес (J) в баллах от 1 до 5, показывающий специфичность вида к определенно сапробной зоне. Виды с индикаторным весом 5 наиболее строго приурочены к какой-то сапробной зоне, а с весом 1 – часто встречаются в нескольких зонах.

Изложенные выше положения стали базовыми для целой области знаний, в которой разработано множество (не менее нескольких десятков) разных способов оценки качества воды и их модификаций (обзор см. Макрушин, 1974; Семенченко, 2004). Они требуют различного уровня определения (и подготовки специалистов), несколько разных методов сбора проб, рассчитаны на применение в разных регионах или для определенных типов водоемов, но практически все прямо или косвенно связаны с концепцией сапробности.

К важнейшим индикаторным группам при оценке качества воды отно­сятся свободноживущие инфузории, представители макрозообентоса, предлагаемые для использования в целях биоиндикации многими иссле­дователями.

Инфузории как индикаторы сапробного состояния воды В Европе инфузории наиболее детально изучены в бассейне Вол­ги, где они представлены 210 видами, из которых 102 вида являются инди­каторами различных сапробных зон водной среды (Жариков, 1994}. Из 102 индикаторных видов - 27 входят в состав бентоса, 22 - планктона, 15 - перифитона, 38 отмечены в нескольких биотопах. По типу питания 62 вида относятся к бактериодетритофагам, 17 - хищникам, 12 - потребителям водорослей (альгофагам), 8 - всеядным, 2 - фотосинтетикам, 1 - к гистофагам, питающимися мёртвыми тканями растений и животных. Для каждого ин­дикаторного вида установлены средние индексы сапробности заселяемых ими вод. Для оценки качества воды общепринятыми методами проводят фаунистические и количественные учёты инфузорий, затем, используя приведённые в специальной таблице индексы сапробности, определяют средневзвешенный показатель сапробности воды с учётом состава выяв­ленных индикаторных видов, их обилия, численности или биомассы.

Оценка степени загрязнения вод по показателям макрозообентоса

Наиболее простым и используемым в системе гидрометеорологической службы методом оценки качества воды и состояния водоёма с помощью представителей макрозообентоса является разработанный в Англии метод Вудивиса (Woodiwiss , 1964), При этом качество воды оценивается не по показателю сапробности, а по биотическому индексу, обозначаемому цифрами от 0 до 10, и классификатору чистоты воды, включающему 6 классов (табл. ).

Таблица 10. Рабочая шкала для определения биологического индекса по Вудивису­   Показательные организмы Видовое раз­нообразие Биотический индекс по наличию общего числа присутствующих «групп» 0-1 2-5 6-10 11-15 16 и более Личинки веснянок Больше 1 вида - Только 1 вид - Личинки подёнок Больше 1 вида - Только 1 вид - Личинки ручейников Больше 1 вида - Только 1 вид - Гаммарусы Все выше названные виды отсутствуют Водяной ослик То же Тубифициды и личинки хирономид То же Все выше названные группы отсутствуют Могут присутствовать некоторые виды, не­требовательные к ки­слороду

Таблица 11. Классификация качества вод суши по показателям зообентоса (Руководство по методам.... 1983) Класс вод Воды Относительная численность олигохет общего кол-ва зообентоса, % Биотический индекс Очень чистые 1-20 10-8 Чистые 21-35 7-5 Умеренно загрязнённые 36-50 4-3 Загрязненные 51-65 2-1 Грязные 66-85 1-0 Очень грязные 86-100 или макробентос от­сутствует

Биотический индекс по системе Вудивиса определяется по рабо­чей шкале, построенной по принципу использования наиболее часто встречаемой последовательности исчезновения гидрофауны по мере увеличения степени загрязнения вод (Финогенова, Алимов, 1976; Попченко, 1994). Для учёта разнообразия организмов предложено ус­ловное понятие «группа» животных; для легко определяемых система­тических групп фауны - это виды, для трудноопределяемых - более крупные таксоны (отряды, семейства, роды и т.д.). По общему коли­честву и качественному составу выявленных при учётах макрозообентоса групп животных по таблице Вудивиса определяют биотический индекс, соответствующий определённому классу чистоты воды (табл.). Для этого в графе "Биотический индекс" находят столбец с со­ответствующим числом выявленных в пробах донного грунта групп животных. Затем в первой графе "Показательные организмы..." при движении сверху вниз находят первую встреченную в пробах индика­торную группу животных. На пересечении выбранных горизонтальной и вертикальной строчек находят значение биотического индекса.

Качество воды определяют также по выраженной в % доли олигохет в составе макрозообентоса, абсолютной численности кольчатых малоще- тинковых червей (тубифекс и озёрник простой) (табл. 12).

Таблица 12. Классификация вод суши по численности олигохет родов тубифекс и озёрник простой (Zahner, I965)__________________________________________ Класс чистоты воды Численность (тыс. экз./м Тубифекс Озерник простой 1-2 0,1-1,0 0,1-2,0 2-3 1,0-2,0 2,0-10,0 2,0-10,0 10,0-50,0 3-4 10,0-50,0 50,0-100,0 50,0-100,0 и более Более 100,0

Другой массовой группой организмов в донной фауне являются ли­чинки двукрылых семейства хиронимид. Е.В. Глушкиной (1976) установле­но, что в результате загрязнения водоёмов происходит закономерное изме­нение соотношения численности хирономид подсемейств хирономина (сИ), ортокладина (ог), таниподина (1). Ортокладины обычно доминируют в чистых водах, а таниподины - в загрязнённых. Для биоиндикации качества воды высчитывают коэффициент К, отражающий соотношение представи­телей этих трёх подсемейств хирономид: К=(аt + 0,5 ach)/aor , где аt , ach , aor - индикаторные значения представителей каждого из подсемейств, величина а = N + 10, К - относительная численность личинок указанных подсе­мейств хирономид от их общего числа, выраженная в долях от единицы.