Биоиндикация и биотестирование качества водной среды

В качестве биоиндикаторов и биомониторов используются в основном пресноводные виды. Биоиндикаторы - организмы, которые дают информацию о состоянии среды на основании своего присутствия или отсутствия, истории жизненного статуса или динамики численности. Организмы-биомониторы используются для изучения географических и временных изменений накопления загрязняющих веществ, посредством измерения концентраций хемикалий во всем теле или в специфических тканях.

Довольно часто в водных экосистемах в качестве биоиндикаторов и биомониторов используются ракообразные. Одной из причин этого является то, что они являются успешной группой организмов, распространенной в различных средах, включая морские, наземные и пресноводные экосистемы. Таким образом, ракообразные - интересные кандидаты для сравнительных исследований. Некоторые из характеристик ракообразных, особенно касающиеся стратегии воспроизводства, могут быть очень важны для интерпретации данных биоиндикаторных исследований, в которых используются эти организмы.

Состояние водной системы можно оценить по составу сообществ водных организмов от рыб до водорослей. Водоросли, являясь автотрофами, составляют основу трофической пирамиды, и, 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, а основным преимуществом автотрофов является то, что водоросли первыми в трофической цепи реагируют на загрязнители, не успевая их накапливать. Причем смена сообщества водорослей может произойти за несколько часов при смене условий среды.

Водные растения, относящиеся к семейству рясковых, также используются в качестве биоиндикаторных организмов, так как они широко распространены и обладают довольно высокой чувствительностью к загрязнению водной среды.

Для исследования состояния водных экосистем могут использоваться биотические индексы. Наиболее широко применяют методы определения биотических индексов Вудивисса и Майера. Биотический индекс Вудивисса рассчитывается только при исследованиях рек (т.е. проточных водоемов) умеренного пояса и дает оценку их состояния по 15-балльной шкале. Он непригоден для оценки состояния озер и прудов. Метод Майера использует приуроченность различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности и применим для водоемов любых типов.

Большой интерес при оценке качества воды представляют также методы биотестирования, которые позволяют непосредственно определить реакцию водной биоты на загрязнение. Для биотестирования используются различные гидробионты – водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Наиболее популярные объекты - ювенальные формы (juvenile forms) планктонных ракообразных-фильтраторов Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis.

Мониторинг растительности

Использование растительных объектов для целей биомониторинга объясняется спецификой самих растений, а также биосферной ролью растительного покрова. Неподвижные растения более доступны для наблюдения, чем животные. Растения являются связующим звеном между неживыми компонентами экосистем и остальными живыми организмами, они первыми реагируют на загрязнения всех природных сред - атмосферы, почвы, воды, чем и объясняется их лучшая пригодность для раннего выявления антропогенного загрязнения.

Растительность, как первичное звено пищевых цепей большинства наземных сообществ организмов, играет решающую роль в структурно-функциональной организации экосистем; фитоценозы вносят также основной вклад в функционирование всей биосферы. Поэтому разрушение растительного покрова на больших площадях опасно серьезной дестабилизацией окружающей среды и разрушением условий жизни других организмов. Отмеченные обстоятельства определяют высокую индикаторную и буферную роль растительного покрова при разных формах антропогенной трансформации экосистем.

При выборе показателей фитоценоза для целей экологического мониторинга учитывается их универсальность, информативность и, по возможности, адекватность реакций характеру антропогенного воздействия. К числу информативных параметров наземного фитоценоза по реакции на антропогенное воздействие относят следующие:

1. Видовой (флористический) состав. Обоснованием обязательности учета этого признака является то, что каждый вид вносит определенный вклад в создание особой среды фитоценоза – местообитания. Основную средообразующую роль выполняют виды-доминанты; их состояние определяет состояние фитоценоза в целом. Параметр реагирует практически на все формы антропогенных влияний (физические, химические, биологические) как в случае прямого, так и косвенного воздействия.

2. Проективное покрытие доминирующих видов. Параметр реагирует на механические нарушения фитоценоза, химические воздействия (через изменение жизненного состояния видовых популяций), биологические факторы.

3. Спектр жизненных форм растений фитоценоза характеризует экологические условия и их изменение. Параметр реагирует на факторы, вызывающие изменение растительного сообщества в конкретном месте обитания под воздействием различных факторов (выпас, рубки, сенокошение, режим заповедности, рекреация, техногенные воздействия, подтопление или осушение, химические воздействия).

4. Аспективность - изменение внешнего облика растительного сообщества. Данное свойство относится к числу ритмологических характеристик, т.е. изменяющихся в течение года в соответствии с чередованием фаз развития фитоценоза. Параметр реагирует на все антропогенные воздействия.

5. Возрастной спектр ценопопуляций доминирующих видов растений отражает представительство конкретного вида в фитоценозе; является элементарной структурной единицей фитоценоза. Параметр реагирует на разные антропогенные факторы (выпас, рубки, техногенные влияния), как в случае прямого, так и в случае опосредованного – через изменение экологического состояния всего участка распространения в результате антропогенного воздействия.

Мониторинг животного мира

В настоящее время нет возможности проводить оценку состояния природной среды по всем видам животных; предпочтение отдается группам индикаторных видов. Для индикации уровня антропогенных воздействий на экосистемы предлагается использовать систему реакций групп животных на различные нарушения природной среды. Наиболее информативным является экосистемный уровень показателей. Для биоиндикационных исследований рекомендуются три наиболее изученных и простых в применении показателя состояния зоокомпонентов биогеоценоза – видовое разнообразие, трофическая структура (или пищевые цепочки), плотность популяций.

Видовое разнообразие – широко используемый в фаунистических исследованиях параметр, обладающий высокой чувствительностью к основным антропогенным воздействиям. Пороговым значением антропогенной нагрузки следует считать снижение этого показателя на 5%, а критическим – на 10% .

Трофическая структура в ненарушенной экосистеме более или менее постоянна; при антропогенных трансформациях экосистем это соотношение нарушается; всегда снижается относительное обилие зоофагов (хищных видов) и сапрофагов (видов, питающихся низшими организмами и гниющими остатками) и возрастает относительное обилие фитофагов (растительноядных). Предложено считать пороговым значением воздействия антропогенного фактора нагрузку, вызывающую изменение удельной массы одной из трех указанных групп на 20%, а критическим – на 50%.

Плотность популяций видов-индикаторов – важнейший показатель состояния экосистемы, высокочувствительный к основным антропогенным факторам. В результате антропогенного воздействия плотность популяций отрицательных видов-индикаторов будет снижаться (например, жужелиц в зонах химического загрязнения), а положительных видов-индикаторов – возрастать (например, тлей в тех же зонах). Достаточная изученность отдельных популяций позволяет подобрать специфические виды-индикаторы практически на все типы антропогенных воздействий. Пороговым значением антропогенной нагрузки следует считать снижение (или повышение) плотности популяции вида-индикатора на 20%, а критическим значением – на 50%.

Кроме отмеченных выше показателей, можно использовать также ряд других информативных признаков.

Структура сообщества или относительная численность видов-индикаторов (и др. таксономических групп) может быть использована для оценки степени антропогенной нагрузки на экосистемы.

Внутрипопуляционное разнообразие, самым распространенным проявлением которого при антропогенных нагрузках является промышленный меланизм, проявляющийся в избыточном накоплении в организмах красящего вещества, вызывающего разрастание клеток в виде опухолей.

Соотношение полов в нарушенных при антропогенных нагрузках популяциях отличается от нормального (1:1). Как правило, у чувствительных видов уменьшается количество самок.

Дифференциальная смертность в онтогенезе. Основывается на существовании наиболее уязвимых (у насекомых - личинки младших возрастов) и наименее уязвимых (яйцо и куколка – у насекомых) стадий в развитии того или иного вида. Данный параметр определяет плотность популяции вида, которая может рассматриваться как интегральный показатель.

Животные, используемые в качестве биоиндикаторов химического загрязнения, должны иметь высокую чувствительность к изучаемому фактору, большую продолжительность жизни или интенсивное размножение, высокую численность, интенсивный обмен веществ, а также оседлость, малый индивидуальный участок обитания, постоянный контакт с изучаемым антропогенным фактором.