Мониторинг поверхностных вод

 

Под мониторингом понимают многоцелевую информационную систему, основные задачи которой – наблюдение, оценка и прогноз состояния водной среды под влиянием антропогенного воздействия с целью предупреждения о создающихся критических ситуациях, вредных или опасных для здоровья людей, благополучия других живых существ или сообществ [14].

Мониторинг является неотъемлемой и необходимой составляющей контроля за качеством среды. После принятия Европейским Союзом Рамочной водной директивы (WFD) в 2000 г. началась поэтапная разработка и внедрение ее положений. Это отразилось на системах биоиндикации водных объектов как одной из основ мониторинга поверхностных вод. Система биоиндикации в настоящее время является одним из главных инструментов для определения качества воды. Контроль за состоянием качества поверхностных вод в первую очередь важен для разработки эффективных мер по их использованию и для принятия управленческих решений относительно водных ресурсов. Эти решения должны основываться на научно обоснованной оценке текущего состояния и основных тенденций в изменении качества водных ресурсов.

Системы мониторинга в настоящее время претерпели существенные изменения. Основа этих изменений – переход от чисто химического контроля на биологический, который основан на системе биоиндикации. Биологический контроль – это оценка состояния водных объектов с использованием биологических свойств и других прямых измерений биоты. Там, где критерии для определения воздействий не существуют (например, воздействие источника загрязнения вне пункта наблюдения, деградация среды обитания), сообщества могут быть единственными практическими средствами оценки таких воздействий.

Основные принципы биоиндикации были разработаны, как уже отмечено, немецкими учеными Р. Кольквитцем и М. Марссоном в начале ХХ века. С тех пор биоиндикация является неотъемлемой частью мониторинга поверхностных вод и оценки качества воды. Результаты мониторинга требуют перевода научных данных в управленческие решения относительно водного ресурса. Подход, основанный на анализе биологических и других экологических данных, позволяет существенно облегчить их использование в системе управления.

Согласно Рамочной водной директиве Европейского Союза разработанные и используемые мониторинговые программы должны являться основой для управления водными ресурсами. При этом основная цель Директивы – достижение хорошего экологического статуса для всех водных систем. Для определения экологического статуса биологическая составляющая, основанная на данных о сообществах водных организмов, является решающей.

Европейская Рамочная водная директива дала существенный толчок развитию и совершенствованию систем биоиндикации. Это относится к созданию сети эталонных створов, процессам интеркалибровки, унификации методов отбора проб, их обработки и последующему анализу.

Экологические цели, установленные для поверхностных вод, направлены на то, чтобы достичь:

1) хорошего качества поверхностных вод;

2) хорошего экологического потенциала и химического состояния водных объектов;

3) полного соответствия всем нормам и требованиям, которым должны удовлетворять охраняемые зоны.

Биологические показатели, которые используются при оценке экологической ситуации в водных экосистемах, включают состав и численность водной флоры, состав и численность донной беспозвоночной фауны, состав, численность и возрастную структуру рыбной фауны.

В системе мониторинга поверхностных вод существует ряд принципов и понятий, которые позволяют в значительной мере унифицировать понятийный аппарат и являются необходимыми при разработке и реализации мониторинговых программ независимо от региона, страны или системы биоиндикации.

Существуют три типа оценки (индикации) экосистем: биомаркеры, биоиндикаторы и оценка экологических рисков.

Биомаркеры – это организмы и их характеристики, которые позволяют диагностировать текущее состояние окружающей среды. В качестве характеристик могут выступать физиологические, биохимические, иммунологические и другие свойства (процессы) организмов. В отличие от маркеров, биоиндикаторы не могут мгновенно реагировать на изменение экологических условий, так как их индикаторными свойствами являются популяционные процессы и процессы в сообществе в целом. Основным преимуществом биоиндикаторов по сравнению с биомаркерами является тот факт, что далеко не всегда кратковременное изменение условий, на которое реагируют биомаркеры, приводит к негативным изменениям в популяциях, сообществах и экосистемах.

Наиболее важными требованиями к биоиндикаторам являются следующие:

1) тесная связь с условиями;

2) высокая экологическая точность реакции на изменения факторов среды;

3) относительно высокая численность и минимум ее флуктуации (колебаний);

4) широкое распространение;

5) легкость в определении таксономической принадлежности;

6) наличие информации об их экологии;

7) функциональная важность в экосистеме.

Различного рода индикаторные показатели имеют разное экологическое значение, так как характеризуются своими интеграционными характеристиками с точки зрения экосистемы. В этом отношении индикаторные показатели могут быть выстроены в следующем порядке: генетические, биохимические, физиологические, иммунологические, репродуктивные, популяционные и характеристики сообществ. Характеристики сообществ являются ключевыми для оценки состояния экосистемы и дальнейшего расчета экологических рисков. Во всех системах мониторинга поверхностных вод присутствует понятие экологического статуса. Для определения экологического статуса необходимой является оценка степени нарушенности экосистемы.

Таким образом, в мониторинге поверхностных вод биологическая составляющая является необходимой частью контроля за качеством среды. При проведении мониторинга важно использовать интегрированный подход к водным объектам.

 

Биоиндикация

 

Гидроэкологические показатели являются важнейшим элементом системы контроля за состоянием водной среды. Гидроэкологические показатели позволяют:

1) оценить качество воды как среды обитания организмов, населяющих водоемы и водотоки;

2) оценить совокупный эффект комбинированного воздействия загрязняющих веществ;

3) определить трофические свойства воды, а в некоторых случаях –специфический химизм и его происхождение;

4) установить возникновение вторичного загрязнения воды.

Контроль окружающей природной среды по гидроэкологическим показателям является высоко приоритетным также с точки зрения обеспечения возможности прямой оценки состояния водных экологических систем, испытывающих вредное влияние антропогенных факторов.

В настоящее время разработано множество показателей для оценки состояния экологических систем и его изменения под воздействием антропогенных факторов. Среди них есть такие, которые являются перспективными с точки зрения прямого определения нарушений биотической компоненты. К ним относятся системы структурных и функциональных оценок, включая количественные характеристики структуры популяций, продукционно-деструкционные показатели, микробиологические характеристики, системы индикаторных групп гидробионтов и т.п.

При осуществлении контроля (при мониторинге) важным является проведение комплексных работ, что вызвано наличием тесных связей между всеми компонентами растительного, животного и микробного населения водоемов.

Особенности водных экосистем отражают качество вод и могут служить для его индикации, они также определяют условия формирования чистой воды, скорость и эффективность самоочищения. Выяснение этих условий создает необходимую основу для управления ими и прогнозов состояния водных экосистем, подверженных антропогенному влиянию. При контроле за состоянием гидроэкосистем химические и физические методы обнаруживают наличие загрязнений, оценка последствий загрязнения по степени нарушенности водных экосистем возможна при использовании биологических методов.

В настоящее время во многих странах определенно направленные изменения водных экосистем происходят во много раз быстрей, чем раньше. Теперь они обусловлены не столько естественно-историческими факторами, действующими в масштабе геологического времени, сколько антропогенными воздействиями, под влиянием которых водные экосистемы изменяются на наших глазах. В этих условиях гидроэкологическая (гидробиологическая) служба должна быть нацелена на оперативную оценку состояния экосистем природных вод в данный момент времени и на накопление материалов длительного хранения, которые послужат объективной основой для выяснения темпа, направления и механизма изменений водных экосистем во времени.

Определенные факторы среды создают возможность существования того или иного вида. Поэтому по организмам можно судить об условиях их обитания. Виды, которые позволяют выявлять специфические особенности среды, называются индикаторами. Живые организмы способны воспринимать более низкие концентрации веществ, чем аналитический датчик, в связи с чем биота может быть подвержена токсическим воздействиям, не регистрируемым техническими средствами. В связи с отмеченным в гидроэкологии сформировалось самостоятельное направление – биоиндикация. Она предусматривает выявление состоявшегося или происходящего загрязнения водоемов и водотоков по экологическим характеристикам сообществ и функциональным характеристикам его обитателей.

О состоянии водных сообществ можно судить по таким показателям как индекс видового разнообразия, количество доминирующих видов.

Индексом видового разнообразия называется количественное соотношение видов в биоценозе. Он характеризует структуру сообщества, так как является функцией не только числа видов, но и их численности. Высокие значения индекса видового разнообразия характерны для более устойчивых экосистем, уменьшение его свидетельствует о снижении уровня устойчивости.

В любом биоценозе можно выделить один или несколько видов, которые определяют его облик, занимают ведущее положение в биоценозе. Эти виды называются доминирующими. Виды-доминанты, благодаря их относительному обилию, превосходящей экологической пластичности, преобладают количественно. Сокращение числа структурообразующих видов и повышение степени доминирования 1-2 видов наблюдается при евтрофировании и загрязнении вод.

Экологические и биологические показатели используются в практических целях (как для определения степени загрязнения природных вод, установления качества воды, степени нарушенности водных экосистем).

В результате антропогенных воздействий происходит, как уже было отмечено, загрязнение и евтрофирование водоемов. Методы биологической индикации качества воды и эколого-функциональные методы применяются для оценки изменений водных экосистем, подвергающихся антропогенному влиянию.

Достаточно правильно отражают разную степень загрязненности водоемов методы, использующие списки индикаторных организмов по фитопланктону, ракообразным и коловраткам зоопланктона. Однако имеются некоторые ограничения в их использовании. Перспективным для биологического анализа загрязненных вод по составу донных животных является метод, предложенный Вудивиссом. Этот метод объединяет принципы индикаторного значения отдельных таксонов с принципом уменьшения разнообразия в условиях загрязнения, то есть с наиболее часто наблюдаемой последовательностью исчезновения из биоценозов отдельных групп животных и упрощения трофических связей по мере увеличения степени загрязнения. При использовании системы Вудивисса выделяют группы часто встречающихся и легко определяемых видов плоских червей, пиявок, поденок, двукрылых, жуков, др. По данным группам определяют биотический индекс, который зависит от видового разнообразия и состава населения, он снижается по мере загрязнения.

Методы оценки степени загрязнения по индикаторным организмам позволяют констатировать качественные изменения состава флоры и фауны под влиянием антропогенных воздействий. Однако они не учитывают изменений структурных и функциональных особенностей экосистем или составляющих их сообществ организмов и дают возможность отразить только статическое состояние системы в данный или в ряд последовательных моментов времени. Состояние экосистемы в каждый момент времени определяется самыми разнообразными процессами, составляющими биотический круговорот вещества и потока энергии. В этом случае необходимы количественные данные об участии отдельных структурных подразделений экосистем (биоценозов, популяций) для расшифровки их динамического состояния. Такой подход открывает возможности прогнозирования направленности изменения систем под влиянием внешних (в том числе и антропогенных) воздействий.

Основные положения такого подхода разработаны Г.Г. Винбергом и они находят практическое применение. Реализация изложенных положений показала следующее. Загрязнение водоемов и водотоков аллохтонными органическими веществами вызывает перестройку зоопланктонных комплексов. По мере нарастания загрязнения увеличивается роль инфузорий и коловраток в планктоне, одновременно из состава планктона выпадает большинство видов ракообразных. Например, для олиготрофных озер как Ладожское и Онежское необычно высокая численность этих животных наблюдалась вблизи спуска сточных вод в них. Одно из преимуществ инфузорий и коловраток (по сравнению с ракообразными), позволяющее этим животным заселять загрязненные биотопы, заключается в коротком времени их развития. Это свойство дает возможность биоценозу как системе реагировать на количественные изменения поступающего органического вещества. При загрязнении вод в планктоне происходит сокращение числа трофических связей (в первую очередь за счет исчезновения рачков-фильтраторов), уменьшается их видовое разнообразие. Так, на одной из рек, имеющей загрязнение, индекс видового разнообразия был равен на наименее загрязненном створе 2,46, а на наиболее загрязненном створе его величина не превышала 0,86. Перестройка видовой структуры биоценоза влечет за собой ряд глубоких изменений в его функционировании. Составляющие основную массу зоопланктона инфузории и коловратки в силу присущих им размеров тела обладают значительно более высокими скоростями обмена и роста. Следовательно, значительно увеличиваются значения интенсивности обмена, коэффициента оборачиваемости биомассы и интенсивности потока энергии в целом для всего биоценоза. Это, в свою очередь, означает, что для поддержания нормальной жизнедеятельности биоценоза в загрязняемых водах на единицу биомассы требуется большее количество энергии, чем в чистых. Очевидно, при резком уменьшении поступления в биоценоз энергии со стороны такая «дорогостоящая» система существовать не сможет. Исследования на реке после поступления в нее загрязнений показали, что из состава донных биоценозов исчезло ряд животных - губки, остракоды, личинки поденок, резко сократилось число видов хирономид и моллюсков. По мере очищения воды увеличивалось (по сравнению с наиболее загрязненным участком) число видов хирономид и моллюсков. Наибольшие численность и биомасса отмечены для биоценозов наиболее загрязненных участков, видовое разнообразие, наоборот, выше в биоценозах наиболее чистых участков. По мере загрязнения реки уменьшалась роль хищных животных, а также животных с фильтрационным питанием и увеличивалось количество детритофагов.

Таким образом, по мере загрязнения реки в донных сообществах (как и в планктоне) происходят качественные и количественные изменения в биоценозах, упрощается их структура, укорачиваются трофические связи при одновременном нарастании численности и биомассы животных сообщества. Что касается стабильности сообществ в функциональном аспекте, то наиболее стабильными оказываются сообщества чистых, а наименее стабильными – загрязненных участков.

В целом, в разных водных биоценозах под влиянием загрязнения происходят сходные структурные и функциональные изменения. Сообщества животных, представляющие собой систему популяций разных видов, находящихся в трофических взаимоотношениях, реагируют на изменение внешних условий под влиянием загрязнений одинаковым образом. Они переходят в нестабильное состояние, которое может поддерживаться лишь при условии постоянного поступления в систему извне определенного количества энергии, запасенной в аллохтонных органических веществах. Значит, индикаторное значение водных животных может быть оценено с позиций количественного выражения их роли в общих процессах круговорота вещества и потока энергии в водных экосистемах.