Биоиндикация в рамках полевой практики.

Общие сведения.

Биоиндикация — это метод, который позволяет получить информацию о состоянии окружающей среды по факту присутствия, отсутствия и особенностям развития организмов — биоиндикаторов.

Цель биоиндикации пресноводных водоемов – получить адекватную информацию о состоянии/качестве исследуемых экосистем и уровне антропогенных воздействий на них, используя характеристики популяций и сообществ водных организмов. Причем, для окончательного установления экологического статуса водоема эта информация является главенствующей. Успешность достижения цели биоиндикации в значительной степени зависит от правильности выбора соответствующих биоиндикационных подходов, объектов-биоиндикаторов и методов оценки.

Биоиндикация водных объектов основана на том, что состав сообществ водных организмов и их относительная численность прямо зависят от свойств воды и грунта в водоеме. Другими словами сообществ гидробионтов отражают сложившиеся в водоеме условия среды.

В основе применения биоиндикации лежат следующие положения.

1) Каждый вид живых организмов приспособлен к своим условиям обитания. Характерными (хотя не такими определенными, как отдельные виды) требованиями к условиям среды обладают также и более крупные таксоны: роды, семейства и даже отряды животных. Поэтому, зная состав сообщества в данном местообитании, можно получить информацию об условиях обитания в нем, и наоборот (по показателям факторов среды можно предвидеть состав сообщества организмов). Сравнивая состав населения в водоеме в разные временные интервалы, можно следить за изменениями условий обитания в нем; а сравнивая сообщества гидробионтов в разных водоемах, выявлять различия этих водоемов по экологическим факторам, влияющих на формирование биоты в них.

2) Организмы, используемые в биологическом мониторинге, называющиеся индикаторными (видами-индикаторами) должны быть достаточно массовыми в своих “предпочитаемых” местообитаниях, легко находимыми в природе и определяемыми, а их экологические требования – хорошо известными.

3) Наибольшее значение имеет биологический анализ для определения экологического состояния, качества воды и загрязнения водоемов. Другие факторы жизни в воде (течение, тип грунта, глубина и т.п.) могут быть оценены непосредственно, определить же качество воды прямо (содержание в ней органических веществ, ядов, болезнетворных микроорганизмов и т.п.) довольно сложно. Кроме того, биоиндикация качества вод имеет ряд преимуществ перед химическими, физическими и бактериологическими методами контроля. Она позволяет оценить последствия как постоянного, так и разового загрязнения, накапливая и усредняя загрязняющие эффекты во времени. Сообщества живых организмов одновременно реагируют на многие факторы, определяющие качество воды, и суммируют эффекты смешанных загрязнений и неблагоприятных воздействий факторов среды.

4) При биологическом анализе не нужно узнавать, чем именно загрязнена вода, но можно сразу оценить интегральную меру ее загрязнения.

Существуют различные виды биоиндикации. Если одна и та же реакция вызывается различными факторами, то говорят о неспецифической биоиндикации. Если же те или иные происходящие изменения можно связать только с одним фактором, то речь идет о специфической биоиндикации.

Методы биоиндикации подразделяются на два вида: регистрирующаябиоиндикация и биоиндикация по аккумуляции.

Регистрирующая биоиндикация позволяет судить о воздействии факторов среды по состоянию особей вида или популяции, а биоиндикация по аккумуляции использует свойство растений и животных накапливать те или иные химические вещества (например, содержание свинца в печени рыб, находящихся на конце пищевой цепочки, может достигать 100-300 ПДК).

В соответствии с этими методами различают регистрирующие и накапливающие индикаторы.

Регистрирующие индикаторы реагируют на изменения состояния окружающей среды изменением численности (вплоть до полного исчезновения), фенооблика, повреждением тканей, соматическими проявлениями (в том числе уродливостью), изменением скорости роста и другими хорошо заметными признаками. В качестве примера регистрирующих биоиндикаторов не всегда возможно установить причины изменений, то есть факторы, определявшие численность, распространение, или фенооблик биоиндикатора. Это один из основных недостатков биоиндикации, поскольку наблюдаемый эффект может вызываться разными причинами или их комплексом.

Накапливающие индикаторы концентрируют загрязняющие вещества в своих тканях, определенных органах и частях тела, которые в последующем используются для выяснения степени загрязнения окружающей среды при помощи химического анализа. Примером подобных индикаторов могут служить раковины моллюсков и хитиновые покровы ракообразных и личинок насекомых, обитающих в воде.

Наиболее конструктивно использовать биоиндикаторы одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемым при локальном мониторинге источников или объектов загрязнения.

Для оценки качества воды применение находят многочисленные биоиндикационные системы и индексы, разработанные в различных странах [Семенченко, 2004]. Большинство этих методов может быть отнесено к трем основным группам: 1) индексы, основанные на видовой структуре сообщества и видовом богатстве; 2) основанные на системе сапробности и 3) биотические индексы.

Сообщества макробентоса являются хорошим индикатором экологических условий в лотических (текучих) и лентических (стоячих) пресноводных экосистемах. Анализ сообщества донных макробеспозвоночных позволяет наиболее полно и надежно провести биоиндикацию состояния водного объекта, так как донные животные интегрируют информацию об условиях в водоеме за значительные временные периоды. В связи с этим макрозообентос широко используется для оценки экологических условий в водоемах чаще, чем какое-либо другое сообщество водных организмов.

На рисунке 4 показано типичноененарушенное бентосное сообщество, состав которого характерен практически для всех водотоков (малых ручьев и больших рек).

В чистых (ненарушенных) водоемах обычно (в соответствующие периоды времени) можно встретить личинок веснянок, поденок, вислокрылок и ручейников. Они не выносят загрязнения и быстро исчезают из водоема, как только в него попадают сточные воды или развивается процесс эвтрофирования.

При загрязнении и эвтрофировании водоемов увеличивается количество растворенной и взвешенной органики, усиливается заиление дна. Особенно значимым является уменьшение концентрации растворенного кислорода (в основном за счет бактериального разложения органического вещества). В литоральной зоне могут начать интенсивно развиваться определенные виды макрофитов.

В таких условиях исчезают, в первую очередь, оксифильные организмы (особенно в стоячих водоемах, где может формироваться наиболее неблагоприятный кислородный режим). В то же время, виды, способные существовать в условиях с низкой концентрацией кислорода, начинают интенсивно развиваться. Это, в первую очередь: некоторые виды личинок хирономид (в основном рода Chironomus, олигохеты сем. Tubificidae, водяной ослик Asellus aquaticus, личинка мухи-пчеловидки Eristalis (сем. Syrphidae), личинки мухи-бабочницы Psychoda (Psychodidae), легочные моллюски (особенно мелкие прудовики и катушки), жуки-плавунцы и водолюбы.

В текучих водоемах или прибойной литоральной зоне озер, где кислород сохраняется всегда, при умеренном загрязнении органикой преобладают пиявки (Piscicola, Erpobdella, Glossiphonia), моллюски шаровки (Sphaerium) и горошинки (Pisidium), улитки (Lymnaea, Bithynia, Valvata), различные виды хирономид и олигохет, а также другие представители бентоса. Иногда в таких местообитаниях могут встречаться некоторые виды ручейников, веснянок и поденок. В целом, донная фауна в этих местообитаниях достаточно разнообразна. Численность и биомасса отдельных видов может достигать очень высоких величин. При этом, видовое разнообразие сообществ бентоса умеренно загрязненных водотоков, как правило, все же ниже, чем в природно чистых подобных местообитаниях. При очень сильном загрязнении могут образовываться участки, лишенные всяких представителей бентоса, или могут обнаруживаться всего несколько (1-3) наиболее устойчивых к загрязнению видов животных.

Чтобы различать водоемы по содержанию в них органики используют классификацию природных вод по ее количеству. По содержанию органического вещества выделенные классы отличаются друг от друга в несколько раз. Так, выделяют классы: ксеносапробных вод (органического вещества крайне мало), олигосапробных (органики мало), b-мезосапробных (среднее количество), a-мезосапробных (повышенное количество), полисапробных (очень много органического вещества, способного гнить).

Сапробностью можно назвать способность организмов жить при большой концентрации органических веществ в среде. Тогда сапробионты – это растительные и животные организмы, способные обитать в водоемах с высокой концентрацией (часто это загрязненные водоемы) органических веществ. Сапробность водоема – это удобная характеристика уровня содержания органики в нем, в том числе степени его загрязнения органическими веществами.

В соответствии с разделением всех вод на зоны сапробности среди всего населения водоемов выделяют индикаторные или показательные виды, характеризующие те или иные зоны сапробности:

1. организмы сильно загрязненных вод - полисапробы или полисапробионты;

2. организмы умеренно загрязненных вод - мезосапробионты или мезосапробы;

3. организмы слабо загрязненных вод - олигосапробы или олигосапробионты;

4. организмы совершенно чистых природных вод - ксеносапробы или ксеносапробионты.

Рис. 4. Характерные представители сообщества бентоса рек: 1, 2 - личинки поденок (Ephemeroptera); 3-7 - личинки ручейников (Trichoptera), 8 - ходы личинок; двукрылые (Diptera): 9a - куколки и 9b - личинки мошек (Simuliidae), 10 - личинка слепня Tabanus sp., 11 - личинки комаров-звонцов (Cironomidae) в домиках из детрита; 12, 13 - личинки веснянок (Plecoptera).; жесткокрылые (Coleoptera): 14 - прицепыш Limnius sp., 15 - вертячка Gyrinus sp., 16 - плавунец Gaurodites sp.; клопы (Heteroptera): 17 - водомерка Velia sp.; ракообразные (Crustacea): 18 - бокоплав Gammarus lacustris; турбеллярии (Turbellaria): 19 - планария Dugezia sp. (рис. Д. Б. Старцева, с изменениями)

В системе сапробиологического анализа существуют специально разработанные списки индикаторных организмов с указанием их принадлежности к той или иной зоне сапробности.

Необходимо учитывать тот факт, что естественная концентрация органических веществ в водоеме находится в определенной связи с климатом и ландшафтом. В высоких широтах, в тундре, в горной местности в незагрязненных водоемах почти отсутствует мертвая и легкоразлагаемая органика. Это ксеносапробные и олигосапробные водоемы. Жизнь в них в качественном отношении может быть достаточно разнообразна, но количественные показатели (численность и биомасса) очень низки. Антропогенное воздействие (загрязнение и эвтрофирование) может легко увеличить концентрацию органического вещества в таких водоемах во много раз, что приводит к кардинальной перестройке сообществ гидробионтов (иногда с полной сменой видов).

В лесной зоне реки и ручьи несут небольшое количество органического вещества (олиго- и b-мезосапробны), озера и пруды с грунтовым питанием довольно богаты им (часто a-мезосапробны). Сельскохозяйственные и бытовые стоки повышают сапробность тех и других на 1-2 ступени, вызывая лишь частичную, хотя и довольно существенную, перестройку сообществ. Как правило, в пределах каждой жизненной формы происходит смена довольно близких видов; и происходит наступление детрито-илистых биоценозов на каменисто-песчаные. Только при очень сильном антропогенном прессе (до полисапробной стадии) сменяется не только видовой состав, но и структура сообщества. Загрязненные реки часто заселяются прудово-озерными видами, для которых улучшение условий питания компенсирует отрицательное воздействие течения.

Отдельно следует рассматривать загрязнение водоемов веществами-ксенобиотиками, которых в природных водоемах почти нет или они отсутствуют, поскольку, в основном, синтезированы человеком. Как правило, такие вещества разлагаются чрезвычайно медленно под воздействием природных бактериальных сообществ. К приоритетным загрязнителям относятся: нефтепродукты, соли тяжелых металлов, пестициды, низкомолекулярные галогенированные углеводороды, полициклические ароматические углеводороды, полихлорированные бифенилы, диоксины и другие вещества. Они никак не стимулируют развитие жизни, и часто вызывают токсические эффекты. В целом полисапробные организмы, детритоядные и устойчивые к малым количествам кислорода, более выносливы и в отношении такого загрязнения; а оксифильные ксено- и олигосапробы исчезают первыми. Кроме того, хищники страдают обычно сильнее, чем детрито- и растительноядные организмы, за счет накопления определенных токсикантов в их теле.