Биоиндикация чистоты воды водоёмов

N=n*k(A/a)*v*(100/V)

где N - количество организмов в 1 л воды исследуемого водоема (культуральной жидкости); k - коэффициент, показывающий во сколько раз объем счетной камеры меньше 1 см3; n - количество организмов, обнаруженных на просмотренных дорожках (квадратах); А - количество дорожек (квадратов) на счетной пластинке (в камере); а - количество дорожек (квадратов). на которых производился подсчет водорослей; V - первоначальный объем отобранной пробы (см3); V - объем сгущенной пробы (см3).

Расчет численности  бентоса и перифитона.

При изучении количественных проб фитобентоса, в которых обычно преобладают сравнительно крупные  организмы, пользуются преимущественно штемпель-пипеткой объемом 0,1 см3. Расчет численности водорослей в пробах бентоса и перифитона ведут на 10 см2 поверхности субстрата по формуле:

N=n*10*v/S*10

где N - количество организмов на 10 см2 поверхности субстрата; n - число организмов в просчитанной капле воды объемом 0,1 см3; V - объем пробы (см3);  S - площадь сечения трубки в микробентометре (для бентосных проб) или площадь поверхности субстрата, с которого смыты водоросли (для проб обрастании) (см²) (Экологический мониторинг, 1995 г.)

Количественное содержание водорослей в пробах наиболее полно отражают показатели их биомассы, которые определяют с помощью счетно-объемного, весового, объемного, разнообразных химических (радиоуглеродного, хлорофиллового и др.) методов.

Для определения биомассы водорослей счетно-объемным методом необходимо располагать данными об их численности в каждой конкретной пробе для каждого вида отдельно и их средних объемах (для каждого вида из каждой конкретной пробы). Существуют разные методы определения объема тела водорослей. Наиболее точным считается стереометрический метод, при использовании которого тело водоросли приравнивается к какому-нибудь геометрическому телу или комбинации таких тел, после чего объемы их вычисляют по известным в геометрии формулам на основании линейных размеров конкретных организмов. Иногда пользуются готовыми, вычисленными ранее средними объемами тела для разных видов водорослей, которые приводятся в работах многих авторов. Относительную плотность по воде пресноводных водорослей принимают обычно за 1,0-1,05. Биомассу рассчитывают для каждого вида отдельно, а затем суммируют. Счетно-объемный метод определения биомассы широко используют в практике гидробиологических исследований при изучении количественных соотношений различных компонентов биоценозов, закономерностей распределения водорослей в различных биотопах одного и того же водоема или в разных водоемах, сезонной и многолетней динамики развития водорослей и др.

При интенсивном развитии водорослей можно пользоваться весовым  методом. При этом исследуемую пробу фильтруют через предварительно высушенный и взвешенный бумажный фильтр (параллельно через контрольные фильтры фильтруют дистиллированную воду). Затем фильтры взвешивают и сушат в сушильном шкафу при 100°С до постоянной массы. На основании полученных данных вычисляют сухую и сырую массу осадка. В дальнейшем путем сжигания фильтров в муфельной печи можно определить содержание в осадке органических веществ.

Недостатки этого метода заключаются в том, что он дает представление лишь о суммарной массе всех взвешенных в пробе органических и неорганических веществ, живых организмов и неживых примесей, животного и растительного происхождения. Вклад представителей отдельных таксонов в эту суммарную массу можно лишь приблизительно выразить в массовых долях после подсчета под микроскопом их соотношения в нескольких полях зрения.

Наиболее полное представление  о биомассе водорослей можно получить, сочетая несколько разных методов исследования.[4]

6. Применение методов биоиндикации для оценки качества поверхностных вод

Наиболее адекватно  состояние водной системы можно  оценить по составу сообществ  водных организмов (Баринова, 1998a; Рысин, 1995). В ряде отечественных и зарубежных систем оценки используются показатели или индексы, связанные с развитием  той или другой группы организмов от рыб до водорослей (Унифицированные ..., 1977). Водоросли, являясь автотрофами, составляют основу трофической пирамиды, а, следовательно, первыми участвуют в утилизации трофического базиса экосистемы, потребляя для построения органического вещества биогенные соединения азота и фосфора. Интенсивность биогенной нагрузки отражается не только в обилии развивающихся на этой базе водорослей, но также и на их видовом составе. Именно эти характеристики - изменение численности и видового состава при изменении трофической базы - водорослей используются в биоиндикационных методах.

Биоиндикационные  методы на основе видового состава  сообществ и обилия водорослей дают интегральную оценку результатов всех природных и антропогенных процессов, протекавших в водном объекте. Кроме того, биоиндикация по сообществам водорослей - дешевый экспресс-метод, в то время как химические анализы дорогостоящи. Преимуществом автотрофов является то, что они первыми в трофической цепи реагируют на загрязнители, не успевая их значительно накапливать. Реакцией на изменение условий среды является изменение состава и обилия водных организмов, причем смена сообщества водорослей может произойти за несколько часов при смене условий среды. Экосистемный биоиндикационный подход к оценке качества среды обитания, по существу, аналогичен антропоцентрическому (приоритетному в большинстве западных стран), так как человек реагирует на среду в целом, а не на отдельные ее факторы.

Самым существенным звеном в методах биоиндикации является видовой состав сообществ водорослей. Система биоиндикации развивалась таким образом, что сначала было замечено появление или исчезновение определенных видов в конкретных условиях среды. То есть, в качестве индикатора условий использовалась система "вид-индикатор: есть - нет". Система развивалась по направлению расширения списка видов-индикаторов, которые позднее стали группироваться по наиболее ярко выраженным характеристикам условий. Количественные характеристики обилия видов включились в систему позднее сначала в балльной, а затем в долевой форме. Методы биоиндикации разрабатываются с начала 20 века и включают к настоящему моменту данные почти о 7000 видов-индикаторов по нескольким направлениям - местообитанию, температуре, подвижности водных масс и насыщенности их кислородом, солености, закислению, присутствию сероводорода, кальция, органическому загрязнению (Бариноваи др., 2000).

Приведем несколько  наиболее важных, устоявшихся и применяемых  систем индикации показателей среды  на основе видового состава и обилия видов водорослей.

Система индикаторов  солености вод построена на основе классификации Р. Кольбе (Kolbe, 1927) и  усовершенствована Ф. Хустедтом (Hustedt, 1957). Она широко распространена в  индикации состояния водных объектов (Stoermer, Smol, 1999), поскольку охватывает широкий интервал концентраций, свойственный природным водам. Виды-индикаторы в этой системе разделены на 4 группы: (1) полигалобы, обитающие в гиперсоленых водах от 40‰ до 300‰, (2) эугалобы, обитатели морских вод с соленостью 20‰-40‰, (3) мезогалобы, живущие в солоноватых прибрежных водах морей и эстуариях, также как и в континентальных водах с соленостью от 5‰ до 20‰, (4) олигогалобы, обитающие в пресных или слегка солоноватых водах от 0 до 5‰, включающие, в свою очередь, 3 группы: а) галофилы, преимущественно пресноводные, но распространенные также в водах с невысоким уровнем концентрации NaCl; б) индифференты, типично пресноводные, иногда встречающиеся в слегка солоноватых водах; в) галофобы, типично пресноводные, избегающие даже небольших концентраций NaCl.

Среди индикаторов  галобности (около 2600 таксонов) представлены, в основном, диатомовые водоросли. Общее представление об индикационном уровне разнообразия ограничивается рангом вида, однако, именно на соленость диатомовые водоросли реагируют на хлориды целыми родовыми группами (Ярыгин, Анисимова, 2004; Анисимова, Ярыгин, 2005.) Следует отметить, что реакция видов идет именно на хлориды, а не на общий ионный состав, в то время как в природных водах хлориды занимают определенное место, но присутствуют обычно и другие ионы (Meybeck, Helmer, 1989). Поскольку в полевых условиях легче измерять кондуктивность (электропроводность) для любых вод и/или минерализацию (TDS) для слабо минерализованных вод, то возникает необходимость в сопоставлении этих показателей с концентрациями хлоридов (табл. 2).

Таблица 2. Классификация  электропроводности и солености (Kolbe, 1927; Ehrlich, 1995)

Виды, чувствительные к рН воды, объединены в систему  классификации, разработанную Ф. Хустедтом (Hustedt, 1938-1939). Классификационная система включает 11 групп видов-индикаторов рН от алкалибионтов, обитающих в водах с рН = 8 и более, до ацидобионтов, живущих в кислых водах с рН = 5 и менее. Списки видов-индикаторов рН (Merilainen, 1967) в настоящее время составляют до 1800 видов.

Виды, требующие  определенной концентрации кислорода  в воде (около 1500 таксонов), разделены  на 4 класса (Cholnoky, 1968), а исследования, базирующиеся на работах Hustedt (1938-1939, 1957), Cholnoky (1968) и Van Dam (1975) относят виды к 5 экологическим группам по этому показателю (100%, 75%, 50%, 30%, 10% насыщения).

Индикаторы  метаболизма потребления азота  разделены на 4 группы (от автотрофных  видов, выживающих при очень низких концентрациях органически связанного азота, до гетеротрофных видов, нуждающихся в постоянно повышенных концентрациях органически связанного азота) согласно Cholnoky (1968) и Van Dam (1975).

Для оценки степени  органического загрязнения водоемов и водотоков (около 3900 индикаторных таксонов) в России и странах ближнего зарубежья наиболее широко применяется метод Пантле-Бука (Pantle, Buck, 1955) в модификации Сладечека (1967) по результатам ряда исследований, где проводился сравнительный анализ чувствительности разных индексов (Lafont, 1988; Leynaud, 1975). Используя графу Si можно рассчитать индекс органического загрязнения по сообществу водорослей с использованием формулы:

где S - степень  сапробности сообщества водорослей; s - сапробное занчение организма-сапробионта; h - частота встречаемости сапробионта  в пробе.

Частоту встречаемости в баллах можно соотнести также с количественными характеристиками планктона или перифитона, имея которые легко воспользоваться переводом данных в баллы частоты встречаемости (табл. 3) и наоборот.

Таблица 3. Баллы  частоты встречаемости и обилие видов (Кузьмин, 1976) в комплексах водорослей по пятибалльной (Whitton et al., 1991) и шестибалльной (Корде, 1956) шкалам:

Наиболее широко охватывающий возможные варианты состава  сообществ индекс Сладечека S не только подходит для разнообразных сообществ, но и имеет большой список видов-индикаторов, среди которых не только водоросли, но и другие водные организмы, в том числе бесцветные жгутиковые, другие гетеротрофы, а также сосудистые растения и мхи, что весьма расширяет возможности его применения. Кроме того, в классификационной системе Сладечека имеется около сотни параметров воды, которые связаны с интервалами изменения индекса S. [5]

Заключение

Состояние биологической  системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

Биоиндикаторы (от био и лат. indico — указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы — условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

Многолетний опыт ученых разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

• в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;
• суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения;
• исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;
• фиксируют скорость происходящих изменений;
• вскрывают тенденции развития природной среды;
• указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;
• позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для него самого, причем дают возможность контролировать их действие.