Характеристика биологических методов оценки загрязнения вод

Наименование	Преимущества	Недостатки
Сапробность воды по показателям перифитона	Устанавливается по видовому составу индикаторных организмов, живущих в воде	Приспособление организмов к существованию при различных условиях среды (эврибионтность)
Сапробность воды по отдельным крупным таксонам зообентоса	Повсеместное распространение таксонов: личинки хирономид (комары – звонцы) и олигохет (малощетинковые черви)	Является характеристикой водной среды за некоторый промежуток времени и не дает оценки на момент исследования. Для получения надежных данных, как правило, пробоотборник должен находиться в реке не менее четырех недель. При этом в каждой точке проводят не менее трех повторных отборов.
Биотический индекс Вудивисса	Учитывает частую последовательность исчезновения групп индикаторных организмов по мере увеличения загрязнения.	Не подходит для озер и прудов. Необходимо выяснить, какие индикаторные организмы имеются в исследуемом водотоке, в зависимости от чувствительности к загрязнению. Происходит изменение видовой структуры бентосных организмов по мере повышения уровня загрязненности воды, следовательно, наблюдается отмирание индикаторных таксонов. Пригодна в прибрежной зоне, где донная фауна разнообразна
Индекс Гуднайта-Уотлея	Используется для определения загрязнения водоема органическими веществами	Используются для анализа только материалы дночерпательных проб. Следует иметь в виду, что изменения в донных отложениях происходят медленнее, чем меняется качество воды в водной среде
Модифицированный олигохетный индекс (Э. А. Пареле)	Основаны на отношении отдельных семейств олигохет к общей численности всех олигохет.	Используется только для крупных рек в условиях Русской равнины. Индекс D1 применяется для малых рек с быстрым течением и разнообразной флорой. Индекс D2 для рек и водоемов с неблагоприятным кислородным режимом и бедным составом олигохет.
Индекс Шеннона	Придает большой вес редким видам. Подходит для целей сравнения в тех случаях, когда не интересуют компоненты разнообразия по отдельности.	Невозможно включить в выборку все виды реального сообщества.
Индекс Майера	Подходит для любых типов водоемов. Используются организмы-индикаторы, чувствительные к различным условиям водной среды (обитатели чистых вод, организмы средней чувствительности и обитатели загрязненных водоемов).	Точность метода невысока.

МЕТОДЫ БИОТЕСТИРОВАНИЯ.
Проведение биологических исследований имеет свои особенности в стоячих и текущих водоемах.

Для изучения рек и ручьев большое значение имеют перифитонные организмы, те, которые дают картину общего состояния воды за достаточно длительный промежуток времени, предшествующий исследованию. Быстрые колебания степени загрязнения воды плохо уловимы с помощью перифитона и для их наблюдения лучше подходят гидрохимические и бактериологические методы.

Также случайные загрязнения местного характера легче всего могут повлиять на характер населения дна (т.е. организмов бентоса) в таких водоемах.

Это обстоятельство заставляет при исследовании рек обращать внимание на быстрые места их течения - перекаты, плотины и т. д. Если мы хотим получить представление об общем состоянии реки, то станции необходимо выбирать именно здесь. Если же нас интересуют разовые или местные загрязнения необходимо исследовать обитателей дна в местах со слабым течением - в заводях, бочагах и т.п. После впадения в реку тех или иных загрязненных стоков последние сносятся течением вниз по реке и откладываются в более глубоких местах реки с замедленным течением.

Биологическое исследование стоячих водоемов, как правило, интерпретируется более легко. Здесь, прежде всего, необходимо проведение комплексных исследований с тем, чтобы иметь более полное представление о состоянии водоема. Чем крупнее исследуемый водоем, тем большее количество разнообразных станций надо выбирать по его периметру.

Почти любое использование воды влияет на ее качество. Использованная вода обычно возвращается в реки или отстойники для восстановления. Это может оказать нежелательное влияние на жизнь, если использованная вода будет сильно отличаться от естественной.

Сообщества зообентоса являются мониторными протекающей над ними воды, поскольку достаточно стабильно связаны с определенными биотопами в течение длительных отрезков времени, а загрязнения в наибольшей степени концентрируются в придонных слоях воды.

Общепринято, что оценка степени загрязнения водоемов по показательным организмам и их видовому разнообразию более объективна. Однако для оценки качества воды необходимо учитывать и региональную оценку.

Количество участков реки, выбираемых для обследования, определяется целями работы. При исследовании качества воды на всем протяжении водотока места отбора проб выбирают через равные интервалы от истока до устья.

При выборе участков отбора проб следует учитывать ряд условий. На них не должно быть мелководий с густой водной растительностью, а также затонов с застойной водой. И в том, и в другом случае донное население может значительно отличатся от такового на участках реки с нормальной скоростью течения воды.

Очень важно, чтобы в пробах на каждом из обследованных участков были представлены донные организмы различных биотопов: илистых, песчаных и каменистых грунтов. Чем разнообразнее участок по числу местообитаний, тем число проб должно быть больше. Но и на участках с однообразным дном число проб должно быть не менее трех.

Пробы грунта с обитающими в нем донными организмами отбирают с помощью специальных ловушек: закидной драги и сачкового скребка.
Оценка качества воды рек и озер по биотическому индексу.

О чистоте воды природного водоема можно судить по видовому разнообразию и обилию животного населения. Показателем качества воды может служить биотический индекс, который определяется по количеству ключевых и сопутствующих видов беспозвоночных животных, обитающих в исследуемом водоеме. Самый высокий биотический индекс определяется числом 10, он отражает качество воды экологически чистых водоемов, вода которых содержит количество биогенных элементов и кислорода, в ней отсутствуют вредные газы и химические соединения, способные ограничить обитание беспозвоночных животных.

Для определения биотического индекса необходимо взять пробу воды из водоема с помощью водного сачка. В исследуемой пробе определяют ключевые виды и группы сопутствующих видов. Под группой сопутствующих видов в одних случаях понимают род, или семейство, или класс беспозвоночных, в других - каждый вид.

Определив количество групп и число ключевых видов, находим в таблице вертикальный столбец и горизонтальную графу и на их пересечении определяем биотический индекс (табл.2.). Эта цифра и будет показателем биотического индекса данного водоема. Существенным дополнением к биотическому индексу может стать определение численности особей ключевых видов. Чем больше число особей ключевого вида, тем экологически чище водоем. Единичные особи ключевых видов свидетельствуют об ухудшении условий жизни. В оценку БПИ включены только виды и группы организмов, которые имеют значение для оценки качества воды.

Таблица 2.
Соответствие между типами водотоков, классами качества воды и биотическим индексом (БПИ).

Тип водотока, группа, подгруппа	Класс качества воды	Воды	БПИ
Чистые, 1.1	I	Очень чистые	10-9
Чистые - слабо загрязненные, 1.2-2.2.	II	Чистые	8-7
Умеренно-загрязненные,3	III	Умеренно загрязненные	6-5
Загрязненные,4	IY	Загрязненные	4
Грязные,5	Y	Грязные	3-2
Очень грязные,6	YI	Очень грязные	1-0

По полученным значениям БПИ определяют санитарно-экологический тип водотока и класс качества вод, принятый в системе Общегосударственной службы наблюдений и контроля (табл.3).
Таблица 3.
Перерасчет результатов количественного учета на значение частоты

Значение частоты, h	Зоопланктон	Макробентос
	Доля одного вида в общем количестве экземпляров:	Количество экземпляров на площади 0,1 м^2 грунта водоема
1	Не более 1	1-5
2	3	4-10
3	4-10	11-50
5	10-20	50-150
7	20-40	150-500
9	40-100	Свыше 500

Зона	Условное обозна-чение	Численное значение	Зона	Условное обозна-чение	Численное значение
Олиго-сапробная	o	1	Альфа-мезосапробная	a	3
Бета-мезосапробная	b	2	Полисапробная	r	4

Простота расчета БПИ за счет исключения из анализа некоторых групп, позволяет получить экспресс-информацию о качестве воды, как в лабораторных, так и в экспедиционных условиях.
Определение сапробности водоема по методу Пантле и Букка.

В 1955г. выходит работа Пантле и Букка (по Макрушину, 1978), в которой они характеризуют степень загрязнения индексом сапробности (S). Индикаторную значимость (s) они приняли у олигосапробов за 1, бета-мезосапробов за 2, бета-мезосапробов за 3 и полисапробов за 4. Относительное количество особей вида (h) оценивается следующим образом: случайные находки – 1, частая встречаемость 3 и массовое развитие – 5.

Данный метод позволяет сравнить состояние водоема в разных пунктах, например по продольному профилю реки, и представить результаты в цифровом и графическом виде. Зонам сапробности s придается цифровое значение от 1 до 4 в порядке возрастания загрязнения. Определяется также частота встречаемости h организмов в сообществе. Обе величины входят в формулу для вычисления индекса сапробности:

Ind s=S (sh) / (S h).

В полисапробной зоне он равен – 4,0-3,5, в бета-мезосапробной –3,5-2,5 в бета-мезосапробной зоне – 2,5-1,5 и в олигосапробной зоне 1,5-1,0.

Частоту встречаемости учитывают по девятибалльной шестиступенчатой шкале частот со следующими обозначениями: 1-очень редко, 2-редко, 3-нередко, 5-часто,7-очень часто, 9-масса. Кроме того, вводятся понятия «обнищание» и «мертвая» зона, что особенно характерно для промышленных стоков. Интервал точности для статистической надежности 95 %.

S=s±t_0,05s_S=2,51±2,02*0,1;

S=2,51±0,2.

Обычно индекс сапробности вычисляется с точностью до 0,1.

Однако многие виды-индикаторы встречаются в водах 2, 3 или 4-х зон сапробности, что является причиной неточности при установлении средней сапробности биоценоза.

По мнению Насибулиной Б.М. (Астраханский государственный университет): «метод Пантле-Букка дает более надежную информацию в районах, испытывающих влияния загрязнений органического характера, поэтому для объективной оценки загрязненности его целесообразно применять совместно с другими методами».
Индекс Вудивисса.

Этот метод является наиболее удачным для биологического анализа качества воды по составу донных ценозов. Он рекомендуется для использования в Общегосударственной системе биомониторинга.Этот метод базируется на анализе макрозообентоса и перифитона главным образом в зоне макрофитов. Индекс определяют по таблице. Значение индекса зависит от видового разнообразия и состава организмов. В таблице указана последовательность исчезновения из биоценозов организмов по мере увеличения загрязнения.

Индекс изменяется от 10 в чистых водоемах до 1 в загрязненных (табл.4).

Таблица 4.

Классификация биологических проб по Вудивиссу.

Присутствующие организмы	Количество присутствующих видов	Общее число присутствующих «групп»
0-1	2-5	6-10	11-16	16 и более
Биотический индекс
Личинки веснянок	Больше одного вида Только один вид	- -	7 6	8 7	9 8	10 9
Личинки поденок	Больше одного вида Только один вид	- -	6 5	7 6	8 7	9 8
Личинки ручейников	Больше одного вида Только один вид	- 4	5 4	6 5	7 6	8 7
Гаммарус	Все вышеназванные виды отсутствуют	3	4	5	6	7
Азеллюс	Все вышеназванные виды отсутствуют	2	3	4	5	6
Тубифициды и/или (красные) личинки хирономид	Все вышеназванные группы отсутствуют	1	2	3	4	-
Могут присутствовать некоторые виды, нетребовательные к кислороду, например Eristalistenax	Все вышеназванные виды отсутствуют	0	1	2	-	-

В нашей стране использование метода Вудивисса встретилось с рядом проблем регионального характера. Так, например, поденки из рода Baёtis в ряде регионов могут быть эврисапробными и встречаться в самых разных водоемах, за исключением сильно загрязненных. Случайное попадание этих организмов в пробу может привести к существенному завышению индекса. Метод Вудивисса приемлем для грязных и сильно загрязненных вод; для более чистых вод биотические индексы занижены, так как отсутствовали личинки поденок, ручейников, веснянок и преобладали группы, которые в системе Вудивисса почти не отражены или же объединены в очень крупные таксоны.

Однако в целом применение биотического индекса Вудивисса дает положительные результаты. Наблюдается небольшие расхождения с гидрохимическими данными. Полная корреляция гидробиологических и гидрохимических показателей наблюдается в сильно загрязненных водоемах (по Насибулиной Б.М.). Кроме того метод не требует значительных временных затрат для получения и обработки данных.

Для быстрого и точного определения степени загрязнения воды в системе биомониторинга и прогнозирования может быть рекомендовано применение индекса Вудивисса в сочетании с уточненным индексом Пантле-Букка.
Индекс видового разнообразия Маргалефа.

В загрязненных водоемах обычно уменьшается разнообразие видов. Поскольку количество видов пропорционально логарифму изученной площади, а общее количество особей пропорционально площади, предложена в качестве меры формула

= (s-1) / ln N,

где S – количество видов; ln N-натуральный логарифм количества особей;`d - принимает максимальное значение, если все особи принадлежат к разным видам (S=N) и равен нулю, когда все особи принадлежат к одному виду (S=1).

По мере загрязнения индекс будет уменьшаться.
Индекс биоразнообразия Симпсона.

В качестве количественной оценки экологического состояния поверхностных вод по видовому разнообразию молюсков-биоиндикаторов можно использовать индекс биоразнообразия Симпсона D:

D=1/ (ΣP_i²),

где P²_i- видовое разнообразие в сумме видов сообщества, принятого за единицу. Также можно применять показатель жизненности биоиндикаторов G предложенной Ю.С, Бадтиевым (табл.5):

G=WS,

где W- относительное разнообразие биоиндикаторов в сумме, принятой за единицу; S- плотность биоиндикаторов на единице площади.

Экологическое состояние поверхностных вод водоемов оценивается по состоянию биоиндикаторов относительно состояния биоиндикаторов в нормальных условиях.

Таблица 5.

Дата добавления: 2015-05-31