Методы оценки экологического состояния водоемов

Изучение роста элодеи канадской в различных условиях

Введение……………………………………….……………………………...3

Глава 1. Обзор литературы…………………………………………………..4

Глава 2 Постановка и проведение эксперимента…….…………………….5

Глава 3. Обсуждение результатов…………………………………………….

Выводы…………………………………………………………………………

Список литературы…………………………………………………………….

Контроль качества окружающей среды с использованием биологических объектов в последние десятилетия оформился как актуальное научно-прикладное направление.

Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем.

В качестве организмов биоиндикаторов используют как растения, так и животные.

Например, что элодея канадская является индикатором антропогенного воздействия на водоём, указывают Садчиков А.П. и Кудряшов М.А. [8, стр.29].

Садчиков А.П., Кудряшов М.А. Экология прибрежно-водной растительности (учебное пособие для студентов вузов). – М.: Изд-во НИА-Природа, РЭФИА, 2004. – 220 с.: 15 ил.

Цель исследования п ровести биоиндикацию пруда по параметру биогенного загрязнения с помощью элодеи канадской используя критерий прироста растения.

Метод исследования Измерение длины стебля, наблюдение

дата	Элодея в банке	В воде	Температурный режим
27 августа	10 побегов по 5 см 50 см	10 побегов по 5 см 50 см
4.09	10 побегов 8.7+5+8.2+8.5+8+10+6.2+7.2+8.2+7.7 7.77	10 побегов 7.5+6.5+7+6.7+5+5.5+6+7.2+6+7.2 6.46
11.09	15+16+11+12.5+8.9+9+9.2+10+8.6+7.8 10.8 Поменяли элодеи	6.9+7.1+9.1+5.9+7+7.3+6.8+9.2+7.5 6.68
18.09	8.1+8+9.5+6.1+8+7.5+7+10+7.8 7.2	15.2+16.7+12.7+9.4+10.2+9.8+7.8+8.9+9.1+9.8 10.9

Когда мы поменяли элодеи местами они начали очень медленно расти

b -мезо-сапробная зона

Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток: днем избыток кислорода, дефицит углекислоты; ночью – наоборот.
Нет нестойких органических веществ, произошла полная минерализация.
Ил желтый, идут окислительные процессы, много детрита.

Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).

ШКАЛА ДРУДЕ — система балльных глазомерных оценок обилия вида: soc (socialis) — растения смыкаются надземной частью, сплошь; сор3 (от copiosa — обильно) — очень обильно; сор2 — обильно; сор1 — весьма обильно; sp. (sparsae) — рассеянно; sol (solitaries) — редко, мало; un (unicum) — встречается единично.

Фитоценотипы - группы видовых популяций, характеризующиеся сходной ролью и фитоценотической позицией в растительном сообществе.

Доминантыг - виды преобладающие в разных ярусах сообщества. Доминанты, слагающие основу сообщества и играющие главную роль в создании фитоценотической среды, называются эдификаторами: в лесу это деревья, на верховом болоте - сфагновые мхи и т. п..

Кроме того, выделяются второстепенные, редко встречающиеся, незначительные по биомассе виды.

Существуют довольно простые методы оценки обилия видов по шкале О. Друде (табл. 5.1), а также глазомерные методы оценки проективного покрытия. Однако наиболее перспективен количественный учет растений с последующей обработкой данных методами математической статистики.

Таблица 5.1. Шкала оценок обилия видов, по О. Друде

но применить к ним методы экологического анализа, т. е. установить, какими жизненными формами и экологическими типами растений образованы одни сообщества и чем они отличаются от других.

Эвтрофикация (др.-греч. εὐτροφία — хорошее питание) — насыщение водоёмов биогенными элементами, сопровождающееся ростом биологической продуктивности водных бассейнов.

1. Эвтрофикацией называется процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Эвтрофикация — нормальный природный процесс, связанный с постоянным смывом в водоемы биогенных элементов с территории водосборного бассейна. Однако в последнее время на территориях с высокой плотностью населения или с интенсивно ведущимся сельским хозяйством интенсивность этого процесса увеличилась многократно из-за сброса в водоемы коммунально-бытовых стоков, стоков с животноводческих ферм и предприятий пищевой промышленности, а также из-за смыва избыточно внесенных удобрений с полей.

Термин «сапробность» обозначает комплекс особенностей водоёма, в том числе состав и количество микроорганизмов в воде...

Сапробность — комплекс физиолого-биохимических свойств организма, обусловливающий его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, то есть с той или иной степенью загрязнения.

Система сапробности – эта та часть гидроэкологии, которая претендует на быструю и емкую оценку типа водоема в зависимости от соотношения обилий отдельных видов индикаторных организмов. Изначально в используемую классификационную терминологию был заложен определенный понятийный дуализм. С одной стороны – это классификация организмов по их сопротивляемости загрязнению (органической нагрузке, недостатку кислорода, присутствию соединений сероводорода), поскольку:

сапробность (от греч. saprós — гнилой) – “это комплекс физиологических свойств данного организма, обуславливающий его способность развиваться в воде с тем или иным содержанием органических веществ, с той или иной степенью загрязнения” [БСЭ, URL].

С другой стороны, – классификация водоемов по сапробности прямого отношения к той или иной "физиологической способности отдельных видов организмов" не имеет – это типичное районирование водоемов по соотношению двух конкурирующих абиотических факторов: "концентрации органических веществ естественного (в основном, детритного) характера" и "концентрации растворенного кислорода". Поскольку у нас нет данных, что в основание этой классификации были положены какие-то количественные показатели (например, соотношение скоростей деструкции органического вещества, кМоль/час, по двум механизмам: аэробному и анаэробному), то эту классификацию следует считать феноменологической, т.е. основанной на некотором словесном описании. Основные признаки такой классификации по 4 классическим зонам сапробности, предложенным Р. Кольквитцем и М. Марссоном [Kolkwitz, Marsson, 1902; Долгов, Никитинский, 1927], приведены в табл. 4.3.

Основные феноменологические признаки зон сапробности

Зона	Баланс кислорода и органического вещества	Преобладающие виды гидробионтов
Олигосапробная зона	Практически чистые водоемы: цветения не бывает, содержание кислорода и углекислоты не колеблется. На дне мало детрита, автотрофных организмов и бентосных животных (червей, моллюсков, личинок хирономид).	Встречаются водоросли Melosira itallica, Draparnaldia glomerata и Draparnaldia plumosa, коловратка Notholka longispina, ветвистоусые рачки Daphnia longispina и Bythotrephes longimanus, личинки поденок, веснянок, рыбы стерлядь, гольян, форель.
b -мезо-сапробная зона	Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток: днем избыток кислорода, дефицит углекислоты; ночью – наоборот. Нет нестойких органических веществ, произошла полная минерализация. Ил желтый, идут окислительные процессы, много детрита.	Много организмов с автотрофным питанием, высокое биоразнообразие, но численность и биомасса невелика. Наблюдается цветение воды, так как сильно развит фитопланктон. Сапрофитов - тысячи клеток в 1 мл, и резко увеличивается их количество в период отмирания растений. Встречаются: диатомовые водоросли Melosira varians, Diatoma, Navicula; зеленые Cosmarium, Botrytis, Spirogira crassa, Cladophora; много протококковых водорослей. Впервые появляется роголистник Ceratophyllum demersum. Много корненожек, солнечников, червей, моллюсков, личинок хирономид, появляются мшанки. Встречаются ракообразные и рыбы.
a -мезо-сапробная зона	Протекают окислительно –восстановительные процессы, начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, углекислота; Кислорода мало, но сероводорода и метана нет. БПК₅ составляет десятки милиграмм в литре. Железо находится в окисной и закисной формах. Ил серого цвета и в нем содержатся организмы, приспособленные к недостатку кислорода и высокому содержанию углекислоты.	Преобладают растительные организмы с гетеротрофным и миксотрофным питанием. Количество сапрофитных бактерий определяется десятками и сотнями тысяч в 1 мл. Отдельные организмы развиваются в массе: бактериальные зооглеи, нитчатые бактерии, грибы, из водорослей – осциллатории, стигеоклониум, хламидомонас, эвглена. Встречаются в массе сидячие инфузории (Carchesium), коловратки (Brachionus), много окрашенных и бесцветных жгутиковых. В илах много тубифицид (олигохеты) и личинок хирономид.
Полисапробная зона	Дефицит кислорода: он поступает в поверхностный слой только за счет атмосферной аэрации и полностью расходуется на окисление. В воде содержится значительное количество нестойких органических веществ и продуктов их анаэробного распада, в основном, белкового происхождения, а также сероводород и метан. Процессы фотосинтеза угнетены. На дне кислорода нет, много детрита, идут восстановительные процессы, железо присутствует в форме FeS, ил черный с запахом H₂S.	Очень много сапрофитной микрофлоры. Хорошо развиты гетеротрофные организмы: нитчатые бактерии (Sphaerotilus), серные бактерии (Beggiatoa, Thiothris), бактериальные зооглеи (Zoogloea ramigera), простейшие - инфузории (Paramecium putrinum, Vorticella putrina), бесцветные жгутиковые, олигохеты Tubifex tubifex, водоросль Polytoma uvella.

Примечание: греч. oligos – немногий, mesos – средний, poly – многий. Крайне неудачна идея с введением буквенных префиксов; создается впечатление, что у основателей классификации было не слишком хорошее знание спектра греческих приставок.

Сам по себе (несколько пенитенциарный) термин “зона” возник из того обстоятельства, что в одном и том же водоеме могут быть участки (зоны) с разной сапробностью. Чаще всего это является естественным свойством водоема, не связанным с антропогенным воздействием. Например, в прибрежной зоне у топких берегов обычно располагается a -мезосапробная зона – здесь активно идут естественные процессы старения водоема, связанные с его зарастанием. Пробы воды, взятые с наиболее глубоких участков, дают нередко характерную полисапробную картину. Весь же водоем в целом с учетом характеристики разных жизненных форм, по субъективному мнению эксперта-гидробиолога, может быть охарактеризован, как переходный от b - к a -мезасапробному типу (впрочем, другой, не менее квалифицированный гидробиолог может сделать несовпадающую оценку). Таково свойство любых феноменологических классификаций: давать характеристики некоторому целому объекту, пользуясь только свойствами отдельных его частей (с этих позиций, например, окрас серой мыши совпадает со среднестатистическим окрасом черно-белой зебры).

Другим термином, связанным с системой сапробности, является “ступень”, выведенная из феномена процессов самоочищения, являющихся неотъемлемой частью материально-энергетического баланса. Органические вещества, попадающие в водоем, разлагаются (преимущественно бактериями) на воду, углекислоту и минеральные составные части, служащие, в конце концов, питательными веществами для организмов более высокого порядка.

Фазы процесса самоочищения следуют в проточной воде во времени и в пространстве друг за другом, характеризуясь различным составом биоценозов, через последовательные ступени от анаэробного гниения полисапробной зоны к первоначальной чистоте олигосапробной зоны. Между ними a –мезасапробность выражает нарастание аэробных механизмов деструкции, а b -мезосапробность – завершение этого процесса, свидетельствуя о минерализации.

Для каждой зоны сапробности можно выделить тесно связанное с ней подмножество видов гидробионтов, которые считаются ее индикаторами. Именно это обстоятельство породило иллюзию того, что в основании сапробиологической классификации водоемов лежат именно "биологические" факторы, а не механизмы деструкции органического вещества. Считается [Абакумов с соавт., 1981], что именно по соотношению индикаторных организмов достигается более быстрая, точная и дешевая классификация водоема, по сравнению, например, с методами химического анализа. На практике же, чаще всего, применяется обратный подход: зоны сапробности оцениваются на основании опыта исследователя или с использованием инструментальных методов контроля, а найденные индикаторные виды лишь иллюстративно подтверждают уже сделанный вывод.

Как отмечалось в разделе 3.6, О.П. Оксиюк и В.Н. Жукинский в своих классификационных таблицах (табл. 3.17) соотнесли две шкалы: сапробности и трофности. Если под сапробностью понимается интенсивность органического распада, то трофность означает интенсивность органического синтеза. В природе оба процесса – органический синтез и распад – существуют параллельно и состоят друг с другом в многократном взаимодействии, что позволяет говорить об аналогии ступеней сапробности и трофики: "олигосапробность – олиготрофия", "b -мезосапробность – мезотрофия", "a –мезасапробность – эвтрофия" и "полисапробность – гипертрофия". Эта аналогия привлекательна тем, что создает предпосылку к устранению одной из классификаций, как ненужного дублирующего звена. В худших конкурентных условиях находится система сапробности, как основанная на весьма "размытых" разделяющих факторах, когда как классификация по трофике жестко связана с концентрациями биогенных элементов. В то же время, ряд исследователей подчеркивает неполное совпадение форм трофики и сапробности, особенно в мезосапробных зонах и для непроточных водоемов.

Освоить метод фитоиндикации для исследования качества почвы.

Изучить прямые и косвенные индикаторы метода

Ознакомиться с понятием достоверности и значимости в биоиндикации

Все "элодеи" похожи между собой. Кроме того, они обладают довольно высокой пластичностью, т.е. при изменении условий выращивания их внешность (толщина стебля, цвет и густота листьев) может изменяться, внося путаницу в опознание. Но именно благодаря пластичности они и интересны для наших целей т.к. при ухудшении условий не погибнут быстро, а просигнализируют о происходящем и позволят исправить положение.

По внешнему виду растения этой группы представляют собой длинностебельники с мелкими сидячими листочками в мутовках. Цвет стебля и листьев зелёный. При ярком освещении и подкормке микроэлементами у некоторых видов появляется красноватый "загар". При умеренном и слабом освещении ветвятся мало. При сильном освещении и хорошем минеральном питании ветвятся активно. Могут цвести. Цветки маленькие, распускаются на тонкой цветоножке над поверхностью воды.

Семейство Водокрасовые (Hydrocharitaceae) Элодея канадская (Elodea canadénsis)

Какие же условия считаются для этого растения идеальными? Да практически любые. Главное - это умеренная температура воды от 16 до 24 градусов (в тропическом аквариуме оно перестает расти) и освещение, которое просто должно быть. Все остальные физико-химические показатели могут быть в очень широком диапазоне и решающего значения для роста не имеют. Элодея с удовольствием будет пользоваться подаваемыми для других растений углекислым газом и подкормками, но специально для себя таких условий не требует. Правда, при перемене места жительства может покапризничать: легко погибает при переселении из очень мягкой в очень жесткую воду.

Элодея очень боится примеси к воде поваренной соли и окиси железа и в такой воде быстро гибнет.

Ранг таксона. Elodea canadensis Michx. – многолетнее, погруженное, водное растение семейства Водокрасовых (Hydrocharitaceae), отдела Цветковых, или покрытосеменных растений (Magnoliophyta, или Angiospermae).

Экологическая характеристика. Элодея канадская населяет неглубокие, прогреваемые водоемы с илистым, илисто-песчаным или песчаным дном. Наиболее благоприятные для ее роста условия складываются на защищенных от волнового воздействия участках мелководья, с температурой в пределах 10–25ºС. Требовательна к содержанию питательных веществ и солей кальция в воде. В Евразии размножение вегетативное: начало весеннего роста молодых побегов происходит либо от укорененных перезимовавших побегов, либо от зимующих почек (турионов). Быстрые темпы вегетативного размножения послужили основанием для ее народного названия «водяная чума». В Байкале и озерах Забайкалья фитомасса элодеи варьирует от 20 до 760 г ВСВ/м2 (грамм воздушно-сухого веса на 1 м2).

Содержание. Содержать элодею канадскую совсем нетрудно. Она прекрасно растет и развивается в аквариуме с умеренно теплой или холодной водой. Не переносит тропические аквариумы, в которых быстро гибнет. Оптимальной температурой для нормального развития элодеи является 16-24 ºC. Даже длительная 12-градусная температура не принесет никакого вреда растению. Большого значения не имеет жесткость воды, а также ее активная реакция, так как элодея канадская прекрасно себя чувствует как в мягкой, так и в жесткой воде. Но, при этом, необходимо с осторожностью подходить к переселению растения с аквариума в аквариум. Если переселить его в более мягкую воду, то это никак не скажется на состоянии растения, а вот переселение в более жесткую воду оно может не перенести и мгновенно погибнуть (стебли элодеи растворятся за несколько минут).

Это аквариумное растение собирает на своих листьях муть, растворенную в воде, очищая при этом воду до кристальной чистоты, поэтому элопея считается сильнейшим природным фильтром. И к тому же она поглощает огромное количество находящихся в воде питательных веществ, после чего происходит выделение бактерицидного вещества. Данное свойство элопеи канадской помогает борьбе с размножением сине-зеленых водорослей, ведь на самом деле эти водоросли являются бактериями.

Элодея показатель органического загрязнения и загрязнения тяжелыми металлами

Освещение: 0,3-0,7, продолжительность светового дня от 8ч

Особенности содержания: легкое, гибнет при переносе из мягкой воды в жесткою

Питание: питательные вещества получает со свежей водой и кормом для рыб

Размножение: черенкованием, обрезку растений производить в отдельной емкости, т.к. сок ядовит и тормозит рост более нежных растений

Размер: хорошо переносит стрижку и дает множество боковых побегов

увеличилась в 2.3-2.9 раз относительно их начальной длины (рис. 1 а). Появления боковых побегов не наблюдалось. Прирост длины побегов на пробе ДО-4 был достоверно меньше (р<0.05), а на пробе ДО-1 – больше (p<0.05), чем на других пробах. Биомасса побегов элодеи возросла в 1.4- 1.7 раз по сравнению с их начальной массой (Рис.

достоверно отличалась от прироста массы на про-

ненной в ДО части побегов элодеи, составило от

Биоиндикация (bioindication) — обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений. В настоящее время можно считать общепринятым, что основным индикатором устойчивого развития в конечном итоге является качество среды обитания.

Биотестирование (bioassay) — процедура установления токсичности среды с помощью тест - объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест - объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ. Живой организм может тестироваться также в специальных камерах или на стендах, где создаются условия изучаемого загрязнения (что очень важно для выявления реакций организма на то или иное доминирующее загрязнение или целый комплекс известных загрязняющих веществ на данной территории обитания).

Биоиндикатор (indicator — указатель) — организм, вид или сообщество, по наличию, состоянию и поведению которого можно с большой достоверностью судить о свойствах среды, в том числе о присутствии и концентрации загрязнителей.[...]

Биоиндикатор — группа особей (или сообщество) растений и животных, по наличию и состоянию которых, а также поведению судят об изменениях в окружающей среде.[...]

Биоиндикаторы — живые организмы, по наличию, состоянию и поведению которых можно судить о степени изменений окружающей среды, в том числе о присутствии загрязняющих веществ. Живые индикаторы имеют существенные преимущества, устраняя порой применение дорогостоящих и трудоемких физико-химических методов для определения степени загрязнения внешней среды. Они суммируют все без исключения биологически важные данные о загрязнителях, указывают скорость происходящих изменений, пути и места скоплений в экосистемах различного рода токсикантов, а также позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека.[...]

Биоиндикатор - организм, состояние которого служит показателем особенностей среды или какого-либо биоценоза.[...]

Организмами-биоиндикаторами могут служить как представители фауны, формирующие зоопланктон, так и рыбы. При этом наблюдения за рыбами позволяют оценивать хронические воздействия малых концентраций загрязняющих веществ, влияющих на состояние и функции внутренних органов и соотношения симметричных частей тела.[...]

Тайсаев Т.Т. Хариус - биоиндикатор техногенного загрязнения горных рек Сибири // География и природные ресурсы. 1992. № 2.[...]

Очень информативными биоиндикаторами состояния воздушной среды и ее изменения являются низшие растения: мхи и лишайники, которые накапливают в своем слоевище (талломе) многие загрязнители (серу, фтор, радиоактивные вещества, тяжелые металлы). Лишайники очень нетребовательны к факторам внешней среды, они поселяются на голых скалах, бедной почве, стволах деревьев, мертвой древесине, однако для своего нормального функционирования они нуждаются в чистом воздухе. Особенно они чувствительны к сернистому газу. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство растений, вызывает массовую гибель чувствительных видов лишайников. Они исчезают,.как только концентрация сернистого газа достигнет 35 млрд1, а среднее его содержание в атмосфере крупных городов свыше 100 млрд 1 (Рамад, 1981). Не удивительно поэтому, что большинство лишайников уже исчезло из центральных зон городов.[...]

Куперман Б. И. Паразиты рыб как биоиндикаторы загрязнения водоемов II Паразитология. 1992. Т. 26, № 6. С. 479-481.[...]

В качестве организмов-индикаторов (биоиндикаторов) используют бактерии, водоросли, беспозвоночные (инфузории, ракообразные, моллюски). По дикорастущим растениям (табл. 3.3) можно судить о характере и состоянии почвы, ибо среда обитания растений определяется такими свойствами почв, как вла-гоемкость, структура, плотность, температура, содержание кислорода, питательных веществ, тяжелых металлов и солей.[...]

Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круглогодично. В лесоведении давно разработана оценка состояния окружающей среды по комплексу признаков у хвойных, при которой используются не только морфологические показатели, которые весьма изменчивы, но и ряд биохимических изменений.[...]

Интересно, что обычная крапива является биоиндикатором высокой концентрации в почве кальция; многие растения — галофи-лы (солелюбы) указывают на высокую степень засоления почвы. Некоторые водные организмы свидетельствуют о степени загрязнения воды (например, личинки некоторых двукрылых насекомых). В Германии разработана и.широко применяется методика использования светящихся бактерий с целью индикации загрязняющих веществ в промышленных сточных водах. О чистоте воды часто судят по нормальному развитию высших ракообразных и некоторых водорослей.[...]