Мониторинг загрязнения водной среды реки Херота с помощью методов биоиндикации

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Северо-Кавказский экологический колледж

К защите допущен:

Зав. отделением .

« » 2001 г.

Дипломная работа:

«Мониторинг загрязнения водной среды реки Херота с помощью методов биоиндикации.»

Дипломник

(подпись) (Ф.И.О.)

Руководитель

(подпись) (Ф.И.О.)

Сочи,2001

Содержание

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса о биоиндикации малых рек

Глава 2. Методика организации мониторинговых наблюдений.

Глава 3. Методика биоиндикации

Глава 4. Результаты мониторинговых наблюдений реки Херота.

Выводы

Список литературы

Приложение

Реферат

Дипломная работа содержит 52 страницы, 2 рисунка, 2 таблицы. При ее выполнении было использовано 8 литературных источников.

Ключевые слова: Херота, биоиндикация, биотестирование, церидодафния, динамика загрязнения, антропогенная нагрузка,

Река Херота - одна из малых рек Адлерского района. Загрязнение реки происходит за счет деятельности завода железобетонных изделий, автозаправочной станции, чайной фабрики, различных объектов пищевой промышленности (хлебозавода, виноводочного завода, пищекомбината, столовых и кафе).

Методика биоиндикациии дает возможность выявить закономерности изменений сообществ организмов, подверженных антропогенному воздействию, и позволит прогнозировать состояние экосистемы при изменении внешних факторов.

В результате написания дипломной работе были использованы библиотечные фонды, материалы из архива Кавказского Государственного Природного Биосферного Заповедника, данные Санэпиднадзора Адлерского района.

Введение

Темой дипломной работы «Мониторинг загрязнения водной среды реки Херота с помощью методов биоиндикации» выбрана не случайно. С развитием техногенного процесса экологическая ситуация как во всем мире, так и в нашей стране стала ухудшаться. Правительство России приняло ряд законов касающиеся охраны окружающей и природной среды, но в связи с плохой экономической ситуацией не ведется финансирование работ по охране природных ресурсов. Все проблемы и обязанности, связанные с экологией, перелагаются на плечи органов местного самоуправления. Это привело к тому, что экологические работы проводятся либо в очень маленьком объеме, либо вообще не проводятся. В результате чего появилась острая нехватка информации, касающейся водных объектов, несущих на себе хозяйственно-бытовые нужды региона в целом и района в частности. Одним из таких объектов является река Херота.

Протекая по всему микрорайону Чайсовхоз, река Херота несет свои загрязненные воды непосредственно в Черное море, загрязняя при этом прибрежную полосу, что недопустимо в условиях города-курорта Сочи. Наблюдается постепенный процесс деградации всей экосистемы реки Херота. Это и загрязнение реки, и повышение мутности, и изменение ландшафта в дельте реки, и ее зарегулирование. В последствии это приведет к полному уничтожению этого природного объекта. В настоящее время в результате малой информационной изученности самой реки и ее важности в хозяйственно бытовых целях проблемы реки стоят очень остро.

Ряд объектов, непосредственно загрязняющих воды реки, строились без учета экологических проблем. Завод ЖБИ, хлебокомбинат, АЗС, молкомбинат и инфраструктура города прямым или косвенным путем влияют на водную экосистему реки (прил.2).

Целью моей работы является выявление источников загрязнения и их оценка; анализ количественного состав загрязняющих веществ, поступающих в реку от различных источников; получение информации, связанной с проблемой загрязнения реки; проверка точности методики биоиндикации и сопоставление результатов двух различных по смыслу, но одинаковых по назначению методов контроля качества водной среды.

За помощь в написании дипломной работы выношу благодарность руководителю моей дипломной работы Рыбке Виктору Григорьевичу. Особая благодарность начальнику отдела экологического фонового мониторинга Кавказского Государственного Природного Биосферного Заповедника за предоставление информации о методике биоиндикации Власову Виктору Викторовичу, благодарность профессору доктору биологических наук начальнику лаборатории наблюдений за животными Кавказского Государственного Природного Биосферного Заповедника Кудактину Анатолию Николаевичу за информационную помощь в определении вида цериодафний. Особая благодарность представителю СИЦ ИПЭЭ РАН, с.н.с.к.т.н. Рудневу Валентину Петровичу за оказанную помощь в предоставлении отчета о загрязнении водной среды реки Херота.

Глава 1. Современное состояние вопроса о биоиндикации малых рек

В Большой советской энциклопедии (8) дана расшифровка термина «Херота» , которая гласит, что Херота - это небольшая река протекающая в Адлерском районе города Сочи, которая берет свое начало в озере Серебряное и впадает в Черное море(7).

В физико-географическом очерке К. В. Зверева (4) указано, что река Херота протекает по микрорайону Чайсовхоз, имеет длину 14,5метров, впадает вЧерное море.

Из архива краеведческого музея города Сочи взяты материалы Ю. Н. Воронова «О древностях Сочи и его окрестностях», где описано откуда пошло название реки и какие объекты расположены в ее бассейне(3).

В книгах Ю. В. Ефремова (5,6), дается краткое описание и место расположения озера Серебряного(прил.1), которое является истоком реки Херота. Источников информации о реке Херота катастрофически мало. Невозможным оказалось найти данных о гидрологическом режиме и химических составляющих реки.

Из архива Кавказского Государственного Природного Биосферного Заповедника были взяты материалы касающиеся методик проведения биоиндикации водных объектов.

Исследования фауны малых рек должны проводиться в рамках Государственной научно-технической программы России «Биологическое разнообразие» (разд. 2.3.29) в период с 1994 по 1996 г. Выполненные в 1985 г. рекогносцировочные исследования на отдельных реках выявили необходимость организации комплексных исследований, направленных на активизацию работ по оценке изменений, происходящих в экосистемах рек при антропогенном воздействии. Начиная с 1990 г., изучение структурно-функциональных характеристик малых равнинных рек было проведено по заказу Государственного комитета по экологии и природным ресурсам Краснодарского края. Исследования были выполнены в основном в лаборатории вторичных продуцентов Института экологии с привлечением сотрудников из лабораторий первичной продукции и деструкции, микологических исследований, абиотических факторов.

Оценка и прогноз состояния равнинных рек в настоящее время крайне затруднены в связи с недостатком информации об экологических процессах, происходящих в бассейнах рек в их естественном состоянии и при воздействии антропогенных факторов. Необходимость рационального использования и охраны внутренних водоемов и водотоков вызвала некоторую активизацию гидробиологических исследований. Однако изучению речных экосистем уделяется все еще недостаточное внимание, что неоднократно отмечалось в различных публикациях, а также нашло свое отражение в решении Государственного комитета по экологии и природным ресурсам Краснодарского края. Нельзя не согласиться с авторами в том, что недостаточная изученность рек может в скором времени привести к торможению развития гидробиологии в целом. Цель исследований - на основе проведения комплексных экспедиционных исследований, изучения таксономического биоразнообразия рек, оценки биоиндикационной значимости фауны, изменения структурно-функциональных гидробиологических характеристик рек при антропогенном воздействии и создания базы гидролого-гидрохимических и гидробиологических данных оценить современное экологическое состояние малых равнинных рек.

В число приоритетных задач входило:

оценить изменение видового состава планктонных и донных сообществ водотоков с учетом пространственного и временного аспектов исследований;

изучить изменения структурно-функциональных характеристик донных организмов в условиях загрязнения и эвтрофирования рек;

оценить степень загрязнения и самоочищения рек;

провести биоиндикационные исследования, выявить организмы-биоиндикаторы антропогенного воздействия;

разработать информационную систему специализированной базы данных, которая необходима для комплексного анализа структурных изменений под воздействием антропогенных факторов и оценки роли гидробионтов в самоочистительных процессах.(1)

Данные, полученные в Институте экологии РАН, говорят о том, что даже в пределах одного региона природный режим рек, сходных по геоморфологическим и гидрологическим параметрам, существенно различается. Масштабы биотических изменений определяются интенсивностью и продолжительностью изменений окружающей среды.

Краевым производственным управлением мелиорации и водного хозяйства паспортизировано 136 рек общей протяженностью 4442 км. Обладая малой инерцией в своем режиме, равнинные водотоки чрезвычайно чутко реагируют на любые изменения на их водосборе и на воздействия различных внешних факторов. За последние 40 лет в Краснодарском крае прекратили существование более 45 рек. Особенностью большинства рек является их зарегулирование почти на всем протяжении. В условиях подпора, гидробиологический режим их трансформируется. Оригинальная концепция речного континуума, где река рассматривается как целостная система, мало применима к равнинным и горным рекам Краснодарского края. Эти реки обладают особенностями функционирования сообществ речных гидробионтов, сочетающие в себе черты как лотических, так и лимнических систем. Зарегулирование речного стока привело к трансформации водного режима, что изменило типологию рек в условиях интенсивного антропогенного воздействия. Если к этому добавить, что половина речного стока представлена сточными водами (3,8 м³/сек., при среднем многолетнем расходе воды - 7,7 м³/сек.), то становится очевидным ухудшение качества воды, а вместе с тем и экологических условий обитания флоры и фауны как на водосборе, так и в самом водоеме.

Исследованные реки (21 река) по площади водосбора относятся к категории малых и средних водотоков. В зависимости от поставленных задач проводились гидролого-гидрохимические и ландшафтные исследования, что нашло свое отражение в отчетах и различных публикациях.

Необходимость биоиндикационных исследований привела к расширению работ и включению нетрадиционных объектов исследований для оценки состояния водотоков, таких, как водные микромицеты (В.А.Терехова, Т.А.Семенова), водяные клещи (П.В.Тузовский), основные группы мейофауны (А.А.Шошин, Е.А.Бычек), а также данные по отдельным индикаторным группам - хирономиды (Т.Д.Зинченко), моллюск полиморфа (П.И.Антонов). Данные по обработке всей накопленной информации, в сравнении с другими изученными реками, легли в основу созданной базы данных (В.К.Шитиков).

Сделаны выводы, свидетельствующие о том, что главной причиной эвтрофирования реки служит повышенная нагрузка на единицу поверхности или объема реки поступающих биогенных элементов, в первую очередь фосфора и азота.

Показано, что в составе сточных вод от промышленных предприятий содержатся высокотоксичные вещества, способствующие или препятствующие утилизации биогенов и эвтрофированию. Процессы, протекающие в реке зависят от гидрохимического состава водной биомассы, следовательно от поступления в реки биогенных элементов с очищенными и неочищенными бытовыми и промышленными сточными водами.

Выявлены участки рек с признаками снижения удельной активности бентоса в процессе утилизации органического вещества.

Микробиологические исследования позволили очертить участок реки с наиболее высоким уровнем токсического загрязнения.

Проведенные комплексные исследований представляют обобщенную характеристику антропогенных изменений водных экосистем и демонстрируют индикационные особенности различных компонент и параметров экосистем в условиях эвтрофирования и загрязнения водотоков.

Совокупность полученных данных по альгофлоре, содержанию хлорофилла «а» в планктоне и донных отложениях, развитию микробиальной микрофлоры дают сходные результаты оценки высокого и устойчивого на протяжении ряда лет уровня загрязнения реки.

Донные сообщества рассматриваются как наиболее надежные индикаторы оценки качества воды. Они отражают кумулятивные процессы в водотоках и позволяют наиболее надежно оценить количественно участие зообентоса в процессах самоочищения реки. При воздействии стойкого химического загрязнения уменьшается роль бентоса в процессе самоочищения реки в связи с подавлением его развития(1).

Высокие индикационные свойства характерны для хирономид, гидракарин, микромицетов и нематод. В местах выпуска высокотоксичных сточных вод организмы отсутствуют или зафиксированы локально виды с явно выраженными морфологическими уродствами. Достоверность полученных оценок подтверждается скоррелированностью ответа разных таксономических групп. Сходство результатов, полученных при изучении разных видов гидробионтов, подтверждает надежность сделанных выводов.

Результаты изучения видовой и трофической структуры хирономидофауны в условиях загрязнения различной степени позволяют выявить взаимосвязь между уровнем загрязнения, видовым составом, количеством личинок, а также степенью морфологических уродств.

Для комплексной оценки влияния факторов окружающей среды на видовой состав и популяционные характеристики зообентоса малых рек Краснодарского края был сформирован банк данных, включающий следующие основные информационные и программные компоненты:

базу гидрологических и гидрохимических данных;

сведения о видовом составе, численности и биомассе зообентоса;

пакет математических программ, реализующий статистический анализ изучаемых факторов.

Данные в базе представляют собой упорядоченный массив результатов инструментальных измерений, сопряженный по времени и месту отбора проб и содержащий следующие показатели:

ширина, глубина и скорость течения реки в точке замера;

тип грунтовых отложений, прозрачность и содержание хлорофилла в воде;

температура воды, насыщенность кислородом, pH, БПК и ХПК как в придонном, так и в поверхностном слое;

концентрации биогенных и техногенных химических соединений (различные формы азота и фосфора, фенолы, нефтепродукты и т.д.);

показатели биологической и химической окисляемости органических веществ(2).

Численность и биомасса бентоса вводилась в базу с использованием справочника, построенного по иерархическому принципу (класс, отряд, группа, вид) и содержащего дополнительные кинетические константы и другие характеристики жизнедеятельности организмов.

Обработка данных, находящиxся в базе, осуществлялась в несколько этапов:

первичная обработка, включающая расчет индексов доминирования видов, значений характеристик энергетического баланса (траты на обмен, продукция, рацион, ассимиляция органического вещества и др.), а также обобщенных показателей продукции, ассимиляции и биоразнообразия для донных биоценозов;

многофакторный дисперсионный анализ, имеющий целью оценить статистическую значимость влияния таких факторов, как сезонный и многолетний тренд, ландшафтно-географические особенности, распределение показателей по поперечному профилю реки, в зависимости от типа грунта и т.д.;

кластерный анализ, позволяющий проводить сравнение степени сходства между группами наблюдений и осуществлять территориальное районирование объектов (станций наблюдения и рек в целом);

многофакторный регрессионный анализ, осуществляющий структурную идентификацию связи между факторами среды и популяционными показателями зообентоса.

Базы данных реализованы в виде стандартных DBF-файлов и функционируют под управлением многофункциональной Clipper-программы. Математическая обработка данных реализована как средствами оригинальных программ авторов, так и в общепризнанных статистических пакетах. Конструкция базы данных позволяет существенно расширить ее содержимое за счет включения новой информации как по новым группам биологических объектов, так и по новым обследуемым регионам. Используя информацию базы данных, были проанализированы различные зависимости показателя таксономического разнообразия (индекс Шеннона), рассчитанные в пространстве и времени.

Анализ проведенных зависимостей позволил рекомендовать использование разнообразия дафний как основы при проведении биоиндикационных исследований на различных водотоках. Создание базы данных позволило оценить структуру и динамику донных сообществ водотоков, дать предложения по оценке качества воды равнинных рек, оценить видовое разнообразие, дать рекомендации методического характера. Так, например, при использовании дафний, как биоиндикаторов, должны осуществляться следующие правила:

биоиндикация должна проходить в относительно короткий промежуток времени;

объекты для биоиндикации должны быть многочисленными и обладать одинаковыми качествами.

Таким образом, как показал анализ состояния вопроса анализа состояния качества вод рек в настоящее время наиболее перспективным и распространенным является метод биоиндикации, основанный на использовании дафний. Этот метод дает возможность с достаточной достоверностью и сравнительно просто определить степень загрязнения вод реки.

Глава 2. Методика организации мониторинговых наблюдений

Основная цель всякой программы мониторинга -- информационная. Результатом ее должно быть получение информации, устранение той или иной неопределенности или, напротив, выявление недостатка информации. Поэтому естественным образом цель программы мониторинга может быть направлена на:

Получение информации, связанной с конкретной проблемой.

Представление информации для различных типов аудитории (заинтересованной общественности, администрации предприятия, государственных органов) и ее распространение.

Под задачами мы понимаем конкретные действия или этапы на пути достижения цели.

В любом случае, задачи подчинены целям. В рамках грамотно составленной программы не может быть задач, выходящих за пределы цели, не имеющих к ней отношения и т.п.

На основе поставленной цели следует определить приоритеты -- объекты мониторинга и определяемые параметры. Объекты понимаются здесь в самом широком смысле слова -- как антропогенные, так и природные. Например, если цель программы связана с состоянием реки, то выбор объекта может выглядеть как определение предприятия или конкретного стока, на котором будут сконцентрированы усилия по мониторингу. В некоторых случаях выбор объекта однозначно вытекает из поставленной проблемы, а иногда представляет собой содержательную и нетривиальную задачу. Как правило, сначала на основе поставленных целей и задач выбираются объекты мониторинга, а затем определяемые параметры. Однако возможен и обратный порядок, особенно если заранее известно, что проблема связана с определенным веществом.

Перед формированием долгосрочной программы мониторинга целесообразно провести рекогносцировочные (предварительные) исследования. На этом этапе важным является сбор всей уже имеющейся информации по проблеме (включая и ту, которую можно использовать в ее решении) и ее анализ. Любые уже имеющиеся сведения следует использовать эффективно, даже если в них и есть какие-то очевидные неточности или «белые пятна». Одним из эффективных приемов выбора приоритетов является картирование источников воздействия и составление их предварительных «портретов» по литературным сведениям. Список портретных характеристик послужит основой для интерпретации результатов измерений.

Для водных объектов удобно устанавливать так называемые маркерные характеристики, позволяющие составить представление об общем характере загрязнения, не осуществляя полной программы измерений.

Как видно, многие характеристики, в том числе и маркерные, повторяются в различных графах таблицы. Эта неопределенность может быть устранена с помощью картирования, к которому полезно прибегать в любой ситуации. Однако, например, то утверждение, что избыточное содержание ионов аммония служит маркерным показателем бытового и сельскохозяйственного загрязнения, справедливо в подавляющем большинстве случаев. Проверкой может стать определение содержания общего фосфора и других типичных для хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных источников воздействия факторов(11).

Заметное повышение минерализации поверхностных вод является сигналом притока чуждого раствора (например, это может быть и сброс более минерализованных, но не требующих очистки подземных вод, использованных в системе охлаждения).

Важной характеристикой водных экосистем являются также донные отложения. Аккумулируя тяжелые металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой -- представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоемов. Донные отложения -- перспективный объект анализа, отражающий многолетнюю картину загрязнения (особенно -- в малопроточных водоемах).

Когда выбраны контролируемые параметры, необходимо определить число и расположение мест пробоотбора (наблюдения) и временной режим отбора проб (проведения наблюдений). При этом необходимо избегать поспешных выводов, которые могут оказаться ошибочными. Например, если вы хотите проверить, насколько сточные воды предприятия загрязняют реку, необходимо выбрать точки отбора проб ниже и выше по течению места их сброса: может оказаться, что вода в реке уже сильно загрязнена интересующим вас веществом, а вклад предприятия весьма незначителен.

Следует особо подчеркнуть, что при планировании мониторинга выбросов или сбросов из известных или потенциальных источников не только количество выбросов, но и их флуктуации во времени имеют большое значение. Необходимо удостовериться, что система наблюдения зафиксирует эти флуктуации (это особенно важно при мониторинге загрязнения, поскольку концентрации загрязняющих веществ в среде меняются очень быстро).

После определения мест пробоотбора наблюдений наступает стадия проведения измерений и наблюдений, включающая полевые операции (измерения, проводимые на месте, пробоотбор, обработка и консервирование проб, идентификация и доставка в лабораторию) и лабораторные измерения/наблюдения (измерение концентраций загрязняющих веществ, использование биотестов в лабораторных условиях и т.п.).

Лабораторные анализы и полевые измерения должны проводиться со ссылкой на используемые методики и рекомендации. Контроль качества данных может осуществляться с применением статистических методов, выполнением анализа шифрованных проб и т.д.

Выбор методов и средств измерений параметров источников воздействия и факторов окружающей среды зависит не только от того, за каким компонентом или параметром вы намерены вести наблюдения, но и от задач вашей программы в целом. Например, не всегда необходимо привлечение инструментальных методов определения загрязняющих веществ -- существуют достаточно простые и информативные приемы, не требующие сложного оборудования и высокой профессиональной подготовки (визуальные методы, некоторые способы биоиндикации и т.п.).

Стадия пробоотбора представляет собой весьма важный этап организации экологического мониторинга. Прежде всего, необходимо обеспечить такие условия, при которых проба отражала бы реальное содержание определяемых компонентов в окружающей среде. При этом большое значение имеет сам объект исследования. При изучении водных систем часто имеет смысл уделить первоочередное внимание донным отложениям, накапливающим многие загрязняющие вещества и отражающим долговременную картину загрязнения. Наконец, нужно помнить о том, что для уменьшения случайных погрешностей целесообразно проводить несколько параллельных определений, что ведет к увеличению минимального объема пробы(11).

Во избежание загрязнений уже на стадии отбора пробы следует принимать специальные меры предосторожности. Такие меры обычно подробно описаны либо в самих методиках, либо в специальных руководствах по анализу. Неаккуратное обращение и неправильное хранение могут привести к изменению состава пробы вследствие фотолитического или термического разложения, химических реакций, микробиологических превращений и т.д.

Во многих случаях практикам приходится прибегать к консервированию пробы -- операции, позволяющей проводить аналитические работы не непосредственно в полевых условиях, а через некоторое время.

Стадия пробоподготовки является первой ступенью собственно аналитической фазы. Помехи от неизвестных факторов должны быть полностью исключены. Цель подготовки пробы -- перевод определяемого компонента (и пробы) в форму, пригодную для анализа с помощью выбранного метода, удаление мешающих веществ или их маскирование, а в некоторых случаях -- строго известное изменение концентрации (разбавление или концентрирование) так, чтобы предполагаемое содержание определяемого компонента было близко к середине рабочего диапазона используемого метода анализа.

Документирование результатов -- важная составляющая экологического мониторинга. Документировать необходимо все стадии работы, начиная с отбора проб. Отбор проб обычно оформляется протоколом, который подписывают все его участники. Форму протокола можно разработать самому или заимствована у государственных служб.

Протокол отбора проб должен составляться непосредственно в момент пробоотбора. В конфликтных случаях (особенно при обращении в суд) протокол, составленный «задним числом», может стать достаточным основанием для признания результатов недействительными.

Результаты лабораторных исследований должны быть записаны в лабораторный журнал. Все первичные результаты (протоколы, рабочие журналы и прочая документация) должны сохраняться в течение всего времени, пока вы оперируете полученными результатами.

Если полученный цифровой материал достоверен и надежен, отражает реальное состояние исследуемого объекта в момент проведения наблюдений, то необходимо его представлять в виде таблицы.

Целесообразно включать в таблицы данных все полученные результаты, а считанные средние величины и отклонения от них, а также дополнительную информацию, необходимую для корректной интерпретации результатов. Это, например, информация о действующих стандартах, фоновом или реперном значении определяемого параметра, характерный интервал значений параметра по результатам прошлых измерений, необходимые примечания. В тех случаях, когда определение исследуемой величины проводят независимо различными методами, следует внести в таблицу информацию об альтернативных методиках(10).

Корректно оформленные таблицы результатов не менее важны, чем протоколы пробоотбора и описание источников воздействия, выступающих в качестве причин загрязнения окружающей среды.

Приведенные таблицы содержат как собственно полученный цифровой материал, так и сведения, которые могут (и должны) быть использованы для интерпретации результатов.

Интерпретация и представление полученных результатов в значительной мере определяют возможности использования данных для принятия экологически значимых решений.

Процесс интерпретации полученных результатов можно коротко описать как анализ данных, целью которого является получение как можно большего объема информации о процессах, к которым данные имеют (или предположительно могут иметь) отношение. Интерпретация результата, как количественного, так и качественного, подразумевает ответы на следующие вопросы:

Каковы причины полученных результатов (т. е., почему получены именно эти результаты)? При этом имеются в виду не только причины методического характера (им следует уделять внимание на более ранних этапах программы -- при планировании измерений, отборе проб, собственно измерениях). Если полученные данные достоверны, следует задать вопросы о причинах, обусловивших наблюдаемые явления. Каков источник зафиксированного загрязнения (предприятие, дачный поселок, естественный процесс)? Что можно сказать о применяемом производственном процессе на основании анализа сточных вод предприятия?

Соответствуют ли полученные результаты тому, что вы ожидали? Если да (нет), то почему? Невнимание к этому вопросу способно привести к обнародованию «сенсационных» данных, которые не подтвердятся впоследствии. Каковы следствия наблюдаемых явлений? Речь здесь, главным образом, идет не о прогнозе (особенно в случае общественных организаций). Должен быть поставлен вопрос о том, что практически означает полученный результат -- с точки зрения здоровья населения, состояния экосистемы и т.п. При этом следует принимать во внимание ответы на первые два вопроса. Это, например, означает, что следует ставить вопрос не только о том, каково воздействие на окружающую среду обнаруженного вещества, но и о том, каково воздействие производственного процесса, признаком которого является это вещество.

Лишь получив ответы на все три вопроса, можно быть уверенным в том, что отнесся к интерпретации результатов должным образом.

Глава 3. Методика биоиндикации

Контроль состояния наземных и водных экосистем осуществляется преимущественно по физико-химическим характеристикам. В мониторинге же кроме этого необходимо применять и биологические показатели: особенности структуры сообществ, соотношение отдельных групп видов фауны и флоры, по количественному их развитию и т.д. В целях биоиндикации биологические показатели следует рассматривать как структурные характеристики.

В последнее время все более широкое развитие имеет количественный подход к оценке состояния экосистемы и функционального значения в ней организмов. Системный подход при биологическом контроле, включающий сочетание качественных и количественных методов оценки, позволяет более-менее объективно охарактеризовать функциональное состояние экосистемы, вскрыть причины нарушения процессов круговорота вещества и энергии. Такой путь исследований дает возможность выявить закономерности изменений сообществ организмов, подверженных антропогенному воздействию, и позволит прогнозировать состояние экосистемы при изменении внешних факторов.

Биоиндикация качества наземных экосистем возможна по различным видам и сообществам растений и животных. В исследованиях удовлетворительные результаты получены при изучении высших растений, лишайников, жужелиц и пауков.

Для гидробиологического анализа качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоемы: планктонные и бентосные беспозвоночные с особой ролью простейших, водоросли, макрофиты, бактерии и грибы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации.

При решении задач биоиндикации и связанных с ними задач экологического прогнозирования необходимо уделять внимание трем основным аспектам:

выделению системообразующих факторов и целям прогнозирования;

разработке соответствующих методов и моделей;

проблеме оценки достоверности получаемых результатов.

Актуальность этих исследований косвенно подтверждается тем, что число количественных методов биоиндикации на сегодняшний день все еще мало, что позволяет вспомнить слова 25-летней давности В.И.Василевича «Как ни странно, но задачи фитоиндикации, вероятностные по своей природе, до сих пор решаются в основном без использования каких-либо статистических методов». Все это заставило первоначально рассмотреть ряд основных теоретических подходов, используемых при фитоиндикационных исследованиях(12). Среди рассмотренных методов биоиндикации (оценка среды по отдельным видам-индикаторам и по ассоциациям-индикаторам, оценка среды по соотношению индикаторных групп видов, оценка достоверности и значимости индикаторов, использование экологических шкал, оценка индикаторной информативности видов, прямой градиентный корреляционный и регрессионный анализы, индикация методом распознавания образов) наиболее эффективным оказался прямой градиентный анализ.

Среди животных на клеточном уровне организации наиболее важное индикаторное значение имеют дафнии. Преимущество перед другими группами простейших (саркодовые и жгутиконосцы) они имеют потому, что видовой состав и численность их наиболее четко соответствуют каждому уровню сапробности среды, они отличаются высокой чувствительностью к изменениям внешней среды и отчетливо выраженной реакцией на эти изменения, имеют относительно крупные размеры и быстро размножаются. Используя эти особенности дафний, можно с известной степенью точности установить уровень сапробности водной среды, не привлекая для этой цели другие индикторные организмы(12).

Методическое руководство по биотестированию воды разработано с целью обеспечения сотрудников лабораторий системы Госкомприроды СССР, республиканских и местных комитетов по охране природы, других министерств и ведомств пособием для проведения токсикологического контроля сточных и природных вод методами биотестирования.

В соответствии с п. 5.7 и Приложением № 1 Правил охраны поверхностных вод (1991 г.), биотестирование является обязательным элементом системы оценки и контроля качества воды(13).

Методическое руководство включает методики биотестирования с использованием в качестве тест-объектов ракообразных, водорослей и рыб.

Биотестирование проводят для определения токсичности сточной воды на сбросе в водный объект, воды в контрольном и других створах водопользования с целью проверки соответствия качества воды нормативным требованиям: сточная вода на сбросе не должна оказывать острого токсического действия, а вода в контрольном и других створах водопользования -- хронического токсического действия на тест-объекты.

Результаты биотестирования учитывают при установлении величин предельно допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ.

Наличие острого токсического действия сточной воды на сбросе в водный объект определяют при кратковременном биотестировании на ракообразных (дафниях или цериодафниях)(10).

Наличие хронического токсического действия сточной природной воды в контрольном и других створах водного объекта определяют при длительном биотестировании на ракообразных (дафниях или цериодафниях).

Для более детальной токсикологической оценки сточной и природной воды биотестирование должно вестись минимум на двух объектах параллельно. Один объект должен относиться к фитопланктону (хлорелла или сцередесмус), другой -- к зоопланктону (дафния магна или цериодафния). Предпочтительнее тестировать на хлорелле и цериодафнии, как на более чувствительных объектах.

Пробы сточной воды для биотестирования отбирают, руководствуясь инструкцией по отбору проб для анализа сточных вод НВН 33-5.3.01-85(14); отраслевыми стандартами или другими нормативными документами. Пробы природной воды отбирают, руководствуясь ГОСТ 17.1.5.05-85(15).

Биотестирование проб воды проводят не позднее 6 ч после их отбора. Если указанный срок не может быть соблюден, пробы хранят до двух недель с открытой крышкой внизу холодильника (при +4°С). Не допускается консервирование проб с помощью химических консервантов. Перед биотестированием пробы фильтруют через фильтровальную бумагу с размером пор 3,5--10 мкм.

При определении наличия острого и хронического токсического действия воду тестируют без разбавлении. Для учета результатов биотестирования при установлении величин ПДС и определения степени токсичности сточной и природной воды готовят серию разбавлении.

Для контроля (вода без токсических веществ) и разбавлении используют водопроводную воду, которую дехлорируют путем отстаивания и аэрирования с помощью микрокомпрессоров в течение семи суток. В тех случаях, когда результаты биотестирования учитывают при установлении величин ПДС, в качестве контрольной и разбавляющей служит природная вода, отобранная вне зоны влияния источника загрязнения и отфильтрованная через фильтровальную бумагу.

Если отсутствует возможность отбора проб из контрольного створа, тестируют сточную воду на сбросе в водный объект в разбавлении, соответствующем таковому в контрольном створе.

Методика основана на определении изменений выживаемости и плодовитости дафний при воздействии токсических веществ, содержащихся в тестируемой воде по сравнению с контролем.

Кратковременное биотестирование -- до 96 ч -- позволяет определить острое токсическое действие воды на дафний по их выживаемости. Показателем выживаемости служит среднее количество тест-объектов, выживших в тестируемой воде или в контроле за определенное время. Критерием токсичности является гибель 50 и более процентов дафний за период времени до 96 ч в тестируемой воде по сравнению с контролем.

Длительное биотестирование--20 и более суток -- позволяет определить хроническое токсическое действие воды на дафний по снижению их выживаемости и плодовитости. Показателем выживаемости служит среднее количество исходных самок дафний, выживших в течение биотестирования, показателем плодовитости --среднее количество молоди, выметанной в течение биотестирования, в пересчете на одну выжившую исходную самку. Критерием токсичности является достоверное отличие от контроля показателя выживаемости или плодовитости дафний.

В качестве тест-объекта используют Daphnia magna Straus.

Дафнии обитают в стоячих и слабопроточных водоемах. На территории России дафнии широко распространены. Являются типичными мезосапробами, переносят осолонение до 6‰.

Рост дафний в течение всей жизни неравномерный, с возрастом замедляется и связан с периодическими линьками; первые три -- ювенильные -- следуют через 20, 24, 36 ч, четвертая -- созревание яиц в яичнике -- и пятая--откладывание яиц в выводковую камеру -- следуют с интервалом 24--36 ч. Начиная с шестой, каждая линька сопровождается откладыванием яиц. Растет дафния наиболее интенсивно в первые дни после рождения. При хорошем питании размеры молодых дафний после каждой линьки удваиваются. Выметанная молодь имеет 0,7--0,9 мм в длину, к моменту половозрелости самки достигают 2,2--2,4 мм, самцы 2,0--2,1мм.

В природе в летнее время, а в лаборатории при благоприятных условиях круглый год дафнии размножаются без оплодотворения -- партеногенетически, причем рождаются в большинстве самки. При резком изменении условий существования (недостаток пищи, перенаселенность, понижение температуры и т. д.) в популяции дафний появляются самцы и дафнии переходят к половому размножению, откладывая после оплодотворения «зимние яйца» (1--2 шт.), которые падают на дно водоема, где проходят стадию покоя. Весной из яиц появляются самки, которые в дальнейшем дают партеногенетические поколения дафний. Период созревания рачков при оптимальной температуре (20±2°С) и хорошем питании 5--8 сут. Наступление половозрелости отмечают по моменту выхода яйцеклеток в выводковую камеру. Длительность эмбрионального развития обычно 3--4 сут., а при повышении температуры до 25°С -- 46 ч вывод молоди идет через каждые 3--4 сут. Число яиц в кладке увеличивается от 10--15 (в первых пометах) до 30--40 и более (у самок среднего возраста), а затем снижается (по мере старения) до 3--8. В лабораторных условиях продолжительность жизни дафний 3--4 мес. и больше.

Исходный материал для лабораторной культуры дафний можно получить в ЦСИАК Краснодарского краевого комитета по экологии и природопользованию.

Заранее подготовленные стеклянные сосуды емкостью 3--5 л заполняют на 1/3 объема отфильтрованной природной водой и в них переносят дафний с помощью стеклянной трубки (внутренний диаметр 0,5--0,7 см) с оплавленным или опиленным надфилем концом, чтобы не травмировать рачков. Такую трубку используют и в дальнейшем при пересадке дафний. Начальная плотность посадки 6 -- 10 особей на 1 л воды.

Культуру дафний выращивают в климатостате, люминостате, боксе или помещении, не содержащем токсических паров или газов. Оптимальная температура для культивирования дафний и биотестирования составляет 20±2°С, освещенность 400--600 лк при продолжительности светового дня 12--14 ч. Не допускают освещения дафний прямыми солнечными лучами. Стеклянную посуду для содержания дафний моют питьевой водой, хромовой смесью или соляной кислотой. Нельзя использовать для мытья синтетические моющие средства и органические растворители. В помещении, где находятся дафнии, не проводят обработку инсектицидами, не хранят летучие вещества и не работают с ними. Для культивирования дафний используют водопроводную воду, которую отстаивают и насыщают кислородом с помощью микрокомпрессоров не менее 7 сут. Используют также природную или аквариумную воду, отфильтрованную через бумажный фильтр. Вода для культивирования должна удовлетворять следующим требованиям: рН 7,0--8,2; жесткость общая 3--4 мг-экв/л, концентрация растворенного кислорода не менее 6,0 мг/л, солевой состав до 6 ‰.

Оптимальная плотность культуры -- 25 половозрелых самок в 1 л воды. Раз в 7--10 сут. половину объема воды в сосуде с культурой дафний заменяют на свежую, удаляют сифоном скопившийся на дне осадок и при большой плотности культуры ее прореживают. Не рекомендуется аэрировать воду в сосудах с дафниями.

Кормом для дафний служат зеленые водоросли (хлорелла или сценедесмус) и хлебопекарные дрожжи. Культуру зеленых водорослей выращивают на одной из искусственных питательных средах, которые готовят на дистиллированной воде. Навеску каждого вещества растворяют в небольшом количестве воды, а затем растворы сливают вместе в порядке расположения реактивов (чтобы избежать осадка) и доливают воду до соответствующего объема. Готовят два раствора микроэлементов отдельно (А₃ и В₂) и вносят их по 1 мл на 1 л среды. Среду Тамия перед посевом водорослей разбавляют дистиллированной водой в 3--5 раз.

Посев водорослей производят альгологически чистой культурой, которую выращивают в стерильных условиях. Культуру водорослей вносят в питательную среду в количестве, дающем светло-зеленое окрашивание. Исходная концентрация около 2 тыс. кл/мл.

Культивируют водоросли в стеклянных кюветах, батарейных стаканах или плоскодонных колбах при круглосуточном освещении лампами дневного света 3000 лк и постоянном продувании культуры воздухом с помощью микрокомпрессоров. Через 7--10 суток, когда окраска культуры водорослей становится интенсивно зеленой, их отделяют от питательной среды путем центрифугирования или отстаивания в холодильнике в течение 2--3 сут. Осадок разбавляют в два раза дистиллированной водой. Суспензию хранят в холодильнике не более 14 сут. Водоросли вносят в культуру дафний из расчета 1 мл суспензии (600--1000 млн. кл/мл) на л воды.

1 -- 2 раза в неделю дафний кормят хлебопекарными дрожжами. Для приготовления дрожжевого корма 1 г свежих или 0,3 г воздушно-сухих дрожжей заливают 100 мл дистиллированной воды. После набухания дрожжи тщательно перемешивают. Образовавшуюся суспензию отстаивают в течение 30 мин. Недостающую жидкость добавляют в сосуды с дафниями в количестве 3 мл на 1 л воды.

Раствор дрожжей хранится в холодильнике до двух суток. Можно кормить дафний сырым рисом. Рис предварительно размачивают в теплой воде (3--4 ч.) и вносят в культуру из расчета 1 -- 2 зерна на 1 л воды. Рис держат в культуре до 10 дней при постоянной продувке мелкодисперсными пузырьками воздуха. При хроническом опыте дафний кормят только хлореллой -- по 5 капель на 100 мл(13).

При необходимости биотестирования воды с общим содержанием солей свыше 3 г/л выращивают культуру, адаптированную к повышенной минерализации среды. Для этого в воду, в которой культивируют дафний и минерализация которой известна, постепенно порциями добавляют хлористый натрий. Вначале его вносят из расчета 500 мг/л. Через неделю минерализацию воды повышают еще на 250 мг/л. Эту операцию повторяют каждую неделю до тех пор, пока содержание солей в среде не достигнет нужного уровня (но не выше 6 г/л с учетом начальной минерализации). В дальнейшем достигнутый уровень минерализации среды поддерживают постоянно. Эта же среда служит контролем при биотестировании и в качестве разбавляющей. Адаптированных к повышенному содержанию солей дафний нельзя использовать для тестирования вод с более низким содержанием солей.

Чтобы получить исходный материал для биотестировання, 30--40 самок дафний с выводковыми камерами полными яиц или зародышей, за 1 -- 2 сут. До биотестирования пересаживают в 0,5 -- 1 л емкости (стаканы, кристаллизаторы) с водой для культивирования, в которую перед посадкой дафний вносят корм. После появления молоди (каждая самка может выметать от 10 до 40 молодых дафний) взрослых особей удаляют.

При кратковременном биотестировании используют только односуточных дафний, а двухсуточных самок -- при длительном биотестировании.

Перед началом биотестирования в пробе воды определяют концентрацию растворенного кислорода, которая должна быть не менее 6,0 мг/л (оптимально 6,0 --7,0). Если она ниже 6,0 мг/л, то перед биотестированием воду аэрируют с помощью микрокомпрессора. В процессе биотестирования аэрировать воду не рекомендуется. Биотестирование проводят при тех же условиях, что и культивировании. Результаты биотестирования считают правильными, если гибель дафний в контроле не превышает 10% в остром опыте и 25% в хроническом и концентрация растворенного в тестируемой воде кислорода в конце биотестирования составляет не менее 2 мг/л.

Для определения наличия острого токсического действия сточной воды на сбросе в водный объект воду тестируют без разбавления. Если требуется сравнить степень токсичности сточной воды, отобранной из разных мест или в разное время, готовят серию разбавлении (не менее трех).

Объем пробы воды для биотестирования без разбавления -- 500 мл, с учетом разбавлении -- 1 л.

Посадку дафний в сосуды для биотестирования проводят следующим способом: стеклянной трубкой диаметром 0,5 -- 0,7 см отлавливают дафний из культуры, помещают в сачок из планктонного газа, погрузив его в тестируемую воду, переводят в нее дафний, посадку ведут от разбавлении тестируемой воды с большей кратностью к меньшей.

В сосуды наливают по 300 мл контрольной и тестируемой воды или ее разбавлении. Повторность трехкратная. В каждый сосуд помещают по 10 односуточных дафний и экспонируют при оптимальных условиях в течение времени до 96 ч. При кратковременном биотестировании дафний не кормят.

Учет выживших дафний проводят через 1, 6, 24, 48, 72, 96 ч. Особей считают выжившими, если они свободно передвигаются в толще воды или всплывают со дна сосуда не позднее 15 с после его легкого покачивания. Если в любой считываемый период времени в сточной воде гибнет 50 и более процентов дафний, биотестирование прекращают.

Для определения наличия хронического токсического действия воды в контрольном и других створах водного объекта воду тестируют без разбавления. Если требуется сравнить степень токсичности разных проб воды или использовать результаты биотестирования при установлении величин ПДС, готовят серию разбавлении. Определяют минимальную кратность разбавления, при которой хроническое токсическое действие не проявляется.

Объем пробы воды для биотестирования без разбавления -- 1 л, с учетом разбавлении -- 3 -- 5 л.

В сосуды наливают по 300 мл контрольной и тестируемой воды или ее разбавлении. Повторность трехкратная. В каждый сосуд вносят одинаковое количество корма, помещают по 10 двухсуточных самок дафний и экспонируют при оптимальных условиях. Дафний кормят ежесуточно. Три раза в неделю в сосудах с дафниями производят смену контрольной и тестируемой воды на свежеотобранную. При смене воды дафний кормят за 3 ч до смены. Допускается использовать воду, хранящуюся в холодильнике.

С момента появления молоди, в те сутки, когда меняют воду, производят учет выживших исходных самок и выметанной молоди. Для этого самок с помощью стеклянной трубки пересаживают в заранее подготовленные сосуды с контрольной и тестируемой водой (соответственно) и подсчитывают их количество в каждом сосуде. Оставшуюся воду процеживают через сито из планктонного газа. При этом на сите остается выметанная молодь, которую подсчитывают и удаляют.

После того, как в контроле все исходные самки дадут по четыре помета, биотестирование заканчивают. Время биотестирования сокращается, если при промежуточном подсчете устанавливают достоверное отличие от контроля показателя выживаемости или плодовитости дафний.

При биотестировании сточной воды на сбросе в водный объект рассчитывают процент погибших дафний в тестируемой воде по сравнению с контролем

А = (N₂/N₁) * 100% (3.1)

N₁ - среднее арифметическое количество дафний, выживших в контроле;

N₂ - среднее арифметическое количество дафний, выживших в тестируемой воде.

Если А>50%, тестируемая вода оказывает острое токсическое действие, если А<50%, тестируемая вода не оказывает острого токсического действия на дафний.

Для определения степени острого токсического действия тестируемой воды рассчитывают графическим методом:

ЛКр₅₀-96 ч -- кратность разбавления тестируемой воды, при которой гибнет 50% дафний за 96 ч;

ЛКр₀-96 ч -- минимальную кратность разбавления, при которой дафнии не гибнут за 96 ч.

На оси абсцисс откладывают логарифмы величин кратности разбавлении тестируемой воды, а на оси ординат -- средние арифметические величины выживаемости дафний в процентах к контролю. Полученные точки соединяют прямой. От точек на оси ординат, соответствующих 50 и 100% выживаемости, проводят линии, параллельные оси абсцисс. Из точек пересечения этих линий с экспериментальной прямой опускают перпендикуляры на ось абсцисс и находят логарифмы величин кратности разбавлении, которые будут соответствовать исковым величинам ЛК_р50 и ЛК_ро. Чем больше величины ЛК_р50 и ЛК_ро, тем токсичнее тестируемая вода.

Степень токсичности можно также установить, рассчитав ЛК_р50 -- среднее время гибели 50% дафний в тестируемой воде. Для этого строят график (на оси абсцисс откладывают время наблюдения, на оси ординат -- выживаемость в процентах к контролю). Чем меньше ЛК_р50, тем токсичнее тестируемая вода.

При биотестировании воды из контрольного или других створов водного объекта вывод о наличии хронического токсического действия делают на основании установления достоверности различия между показателем выживаемости или плодовитости дафний в контроле и в тестируемой воде. Для этого рассчитывают среднее арифметическое показателей выживаемости и плодовитости в контрольной и тестируемой воде

Результаты биотестирования разбавлении тестируемой воды с целью их использования при установлении величин ПДС или определения степени хронического токсического действия тестируемой воды обрабатывают с помощью вышеописанных приемов. Определяют минимальную кратность разбавления тестируемой воды, при которой различия между величинами показателей выживаемости и плодовитости дафний в контроле и соответствующем разбавлении будут недостоверными.