В своем естественном состоянии различные природные водоемы могут сильно отличаться друг от друга. На водную флору и фауну действуют такие показатели как глубина водоема, скорость течения, кислотно-щелочные свойства воды, мутность, кислородный и температурный режим, количество растворенной органики, соединений азота и фосфора и многие другие. На все эти параметры влияет как антропогенная нагрузка, так и естественные процессы, происходящие в водоемах. Для водоемов разных типов в норме будет характерен разный видовой состав и обилие водных организмов (гидробионтов). Стоит заметить, что самые чистые водоемы не будут обладать самой богатой фауной.

Температура воды и динамика ее изменений - важнейший экологический фактор для всех обитателей водоемов. Ведь температура не только непосредственно воздействует на гидробионтов, регулирует скорость жизненных процессов, но и определяет важнейшие физико-химические свойства воды.

Водные организмы приспособились к различным температурным условиям обитания: одни из них живут в горячих источниках при температуре 45-50°С и выше, другие активны при температуре воды - 2°С и могут выдерживать промерзание до - 12°С. Важно другое: из-за своей высокой теплоемкости вода является гораздо более термостабильной средой, чем воздух, то есть ее температура изменяется медленно, а это благоприятно для существования живых организмов.

В водоемах суши температура обычно колеблется значительно существеннее, чем в морях и океанах. Особенно это характерно для водоемов умеренного пояса, где сезоны сильно отличаются друг от друга, и температура воды в течение года может изменяться на 10-20 градусов. Организмы, способные жить в воде разной температуры и переносить значительные ее колебания, называются эвритермными. У них вырабатываются различные приспособления, позволяющие компенсировать воздействия меняющейся температуры: изменяется активность ферментов, общая интенсивность процессов обмена веществ. Сами организмы производят миграции в места с более стабильной или благоприятной температурой. Так многие пресноводные рыбы зимой скапливаются в наиболее глубоких участках водоема. Иногда снижение скорости обмена веществ при низкой температуре может быть выгодно для организма: например, рыб это предохраняет от истощения организма зимой, в период с неблагоприятными кормовыми условиями.

Организмы, способные существовать только в узком диапазоне температур, называются стенотермными. Для них изменение температурного режима водоема может оказаться гибельным. Существуют стенотермные виды, приспособленные к жизни только в холодной воде (ручьевая форель) - это олиготермные виды. Напротив, есть виды, живущие только в теплой, хорошо прогреваемой воде. К таким политермным видам из привычных нам организмов относятся многие аквариумные рыбки.

Человек может ощутимо влиять на температурный режим водоемов. Сброс воды из системы охлаждения тепловых и атомных электростанций повышает температуру значительных участков реки или озера на 5-10 градусов, что приводит к коренным изменениям в сообществе организмов, населяющих эту зону.

В воде природных водоемов растворены различные газы. Концентрации этих газов зависят от их природы, их содержания в атмосфере, а также от температуры и солености воды (при повышении этих двух показателей растворимость газов падает). То количество газа, которое может раствориться в воде при данных условиях, называется "нормальным".

Огромное значение для водных организмов имеет концентрация растворенного в воде кислорода. Этот газ попадает в водоем из атмосферы, а также выделяется водными растениями в процессе фотосинтеза. Относительное значение каждого из этих путей может меняться в зависимости от характеристик водоема: в быстрой, порожистой речке со слабо развитой растительностью более значима диффузия кислорода из атмосферы. А в озере, имеющем мощные заросли водной растительности, большая часть кислорода может поступать в воду в результате их фотосинтетической активности. При 0°С и нормальном атмосферном давлении в одном литре пресной воды может раствориться 10,3 мл кислорода. Чем теплее вода, тем меньше кислорода может быть в ней растворено.

Насыщение воды атмосферным кислородом идет через поверхность. Фотосинтез максимально интенсивен тоже в верхнем, наиболее освещенном слое воды. Поэтому кислородные условия у поверхности обычно лучше, чем на глубине. Особенно сильно это может быть выражено в тех водоемах, где перемешивание воды почти не происходит, а на дне имеется значительно количество органических остатков: ведь при гниении органика поглощает кислород из воды. Из-за таких процессов содержание кислорода в воде может падать ниже необходимого для нормальной жизни водных организмов уровня. Содержание кислорода в водоеме меняется также в зависимости от сезона и времени суток. Минимальные его концентрации в воде обнаруживаются обычно ранним утром: ведь ночью растения не фотосинтезируют, а только поглощают кислород в процессе своего дыхания. Из сезонов наименее благоприятна с точки зрения кислородного режима зима: лед не позволяет проникать в воду кислороду атмосферы, условия для фотосинтеза под слоем льда тоже неблагоприятны. Поэтому именно зимой наиболее часто происходят заморы - массовая гибель гидробионтов из-за нехватки кислорода.

Некоторые водные обитатели сравнительно легко переносят низкие концентрации кислорода в воде (карась, моллюск живородка, малощетинковый червь трубочник), т.к. они приспособились к жизни в водоемах, где дефицит кислорода обычное явление. Другие организмы наоборот, чрезвычайно требовательны к содержанию кислорода.

Соленость воды это сумма концентраций всех растворенных в воде минеральных веществ. Пресной считается вода, имеющая соленость ниже 0,5 г/кг. Вода океана обычно имеет соленость от 30 до 35 промилле. Кроме пресных водоемов и соленых морей существуют водные объекты с промежуточным уровнем солености. Например, Финский залив Балтийского моря по международной классификации является солоноватоводным олигогалинным (от 0,5 до 5 промилле) или (в западной части) меюгалинным (5-18 промилле) водоемом.

Сумма концентраций в воде ионов магния и кальция называется жесткостью. Особенно важен этот показатель для организмов, имеющих известковые скелеты и раковины.

Пресная и соленая вода очень по-разному воздействуют на организм водных животных. Особенно сильно различаются у морских и пресноводных обитателей системы осморегуляции. Поэтому соленые водоемы имеют свою характерную фауну, а пресные водоемы - свою. Наименее благоприятны для жизни водоемы с промежуточным уровнем солености. Как правило, они имеют очень бедную фауну водных беспозвоночных.

Прозрачность воды - характеристика, показывающая, насколько уменьшилась интенсивность света при его прохождении через слой воды определенной толщины. Океаны и моря обычно более прозрачны, чем континентальные водоемы: в них слабый свет проникает до глубины 150 и более метров (глубже всех проникают синие и зеленые лучи). И на таких глубинах растут виды красных водорослей, способные вести фотосинтез при этом скудном освещении.

В континентальных водоемах прозрачность и условия освещенности меняются очень сильно. В горных реках и озерах свет может проникать до дна: дно этих водоемов сложено малорастворимыми породами, в них мало планктона. В равнинных водоемах прозрачность зависит от сезона. В паводок она минимальна. На значительные глубины свет проникает только в озерах с низкими концентрациями органических веществ - в них прозрачность может достигать 40 м. В большинстве же рек и озер прозрачность не превышает 2-3 м. Особенно низкую прозрачность имеют дистрофные озера с сильно гумифицированной коричневой водой и эвтрофные озера, в которых много планктона.

Для водоемов суши наиболее характерны постоянные течения, вызванные наклоном русла (в реках), а также периодические или временные течения, происходящие из-за трения воздушных масс о водную поверхность или из-за разности в температуре и плотности воды в разных частях водоема.

На порожистых участках рек скорость течения может достигать нескольких метров в секунду. Условия обитания на таких участках очень своеобразны: из-за интенсивного перемешивания вода насыщена кислородом, существует постоянная опасность быть оторванным от грунта и снесенным течением. Пищевые частицы с большой скоростью проносятся мимо. Организмы, приспособленные к обитанию в таких условиях, называются реакофилами. Впрочем, большинство равнинных рек имеет более спокойное течение, его скорость обычно не превышает нескольких десятков сантиметров в секунду.

В озерах и прудах течения имеют еще меньшие скорости, но их значение для жизни водных организмов очень велико. Дважды в год, весной и осенью, во всех водоемах умеренного пояса, имеющих достаточную глубину, происходит масштабное перемешивание водных масс. Вода у поверхности нагревается (весной) или охлаждается (осенью) до температуры +4°С. Известно, что при такой температуре вода имеет максимальную плотность, поэтому верхние слои воды опускаются вниз, а придонные вытесняются наверх, к поверхности. При этом перемешивании глубины водоема обогащаются кислородом, а к поверхности поднимаются из глубины биогены и минеральные соли.

Природные водоемы различаются по химическому составу воды, донных отложений и потока веществ, поступающих в них с водосборной площади, а так же рядом физических, гидрологических и географических параметров. В связи с этим в каждом водоеме формируется свой собственный набор видов микроорганизмов, растений и животных, взаимно влияющих друг на друга и на окружающую среду. Каждая водная экосистема имеет свои определенные характеристики: видовое разнообразие водных организмов, их численность, биомассу и др. Одним из важнейших показателей является продуктивность (трофность) водной экосистемы, т.е. количество нового органического вещества, создаваемого экосистемой за единицу времени. Продуктивность зависит в первую очередь от фотосинтетической деятельности автотрофных организмов и различна в разных водоемах. По уровню продуктивности природные водоемы могут классифицироваться как:

дистрофные (непродуктивные),

олиготрофные (малопродуктивные),

мезотрофные (среднепроду ктивн ые),

эвтрофные (высокопродуктивные).

Классификация водоемов по их трофности применима для всех природных водоемов. Трофический уровень водной экосистемы сильно связан с содержанием в воде биогенов растворенных минеральных веществ, являющихся удобрением для водных растений. К ним относятся прежде всего соединения фосфора и азота. Уровень трофности водоема может изменяться при действии как природных, так и антропогенных (возникающих в результате воздействия человека) факторов. В некоторых случаях определить причину изменения трофности очень сложно. Когда нет сомнений в том, что причина имеет антропогенный характер, встает задача оценки качества воды в сравнении с прежним "природным" состоянием и прогноза дальнейших изменений.

Трофический уровень конкретного водоема можно определить не только по продукции фотосинтезирующих организмов, но и по видовому составу и обилию тех гидробионтов, которые в этом водоеме обитают. С их помощью можно определить качество воды и изменение трофического уровня водоема в связи с увеличением концентрации биогенов при загрязнении.

Понятие "качество воды" подразумевает комплексную оценку, которая включает гидрохимические и гидробиологические характеристики. В настоящее время продолжает использоваться традиционный подход к оценке качества воды, основанный на определении только ряда химических показателей. Это не позволяет оценить изменения в водной экосистеме, оценить степень ее нарушенности, выяснить механизм нарушения и дать прогноз дальнейшего изменения в экосистеме. Такие задачи можно решить, используя методы биоиндикации.

В водоемах с наиболее "чистой" водой, содержащей низкие концентрации биогенных и органических веществ, количество видов гидробионтов и их обилие обычно ниже, чем в тех водоемах, где органические вещества, соединения азота и фосфора присутствуют в умеренных концентрациях. Для многих водных организмов, обитающих в мезо - и эвтрофных водах, умеренный уровень загрязнения является нормальным состоянием среды обитания. Часть таких видов вполне может служить индикаторами загрязнения воды органическими и биогенными веществами. Другая часть видов, обитающих в узких пределах условий окружающей среды, не выдерживают даже небольшого загрязнения и исчезают - такие виды являются хорошими индикаторами низких уровней загрязнения. По мере поступления органических и биогенных веществ происходит постепенное изменение химического состава воды, видового состава гидробионтов, происходит перестройка структуры и функций экосистемы в целом. В начале процесса загрязнения изменения в экосистеме незначительны и обратимы. В дальнейшем экосистема увеличивает свою способность к переработке поступающих веществ, но до определенного предела. Его превышение приводит к деградации и полному разрушению экосистемы. Важнейшей комплексной характеристикой состояния водоема является уровень его сапробности.

Сапробность - характеристика водоема, показывающая уровень его загрязненности органическими веществами и продуктами их распада. По нарастанию количества органических веществ различают водоемы олигосапробные (практически незагрязненные), бета-мезосапробные (слабо или умеренно загрязненные), альфа-мезосапробные (загрязненные) и полисапробные сильно загрязненные органикой. Как правило, высокие концентрации органических веществ в водоемах вызываются сбросом в них сточных вод бытового и сельскохозяйственного происхождения. Под сапробностыо какого-либо вида животных или растений понимают его способность обитать в воде с соответствующим уровнем органического загрязнения. От олигосапробной к полисапробной зоне ухудшаются многие важные для водных обитателей показатели: уменьшается содержание растворенного в воде кислорода, необходимого для дыхания гидробионтов, нитраты превращаются в более токсичные нитриты и аммонийные соединения. Сульфаты переходят в сульфиты и далее в сульфиды вплоть до образования сероводорода. При этом уменьшается количество видов живых существ, требовательных к содержанию кислорода, вплоть до полного их исчезновения. В то же время виды, способные выдержать изменение химического состава воды и недостаток кислорода, могут даже увеличить свою численность за счет притока питательных веществ и исчезновения конкурентов.

По мере дальнейшего загрязнения ситуация ухудшается: исчезает все больше видов, нарушаются пищевые связи, нарушаются круговороты веществ и использование энергии в системе. Снижается устойчивость экосистемы, ее способность к переработке веществ и "самоочищению", экосистема деградирует. По разнообразию отмеченных в водоеме видов-индикаторов и их обилию определяют уровень сапробности водоема.

Попадание в водоем токсичных веществ вызывает, как правило, процессы деградации экосистемы, выраженность которых зависит от свойств токсиканта, его концентрации, степени разбавления, скорости разложения токсичного вещества, времени воздействия и ряда других причин. К токсичным веществам относятся соединения тяжелых металлов, хлорорганические, фосфороорганические и другие пестициды, нефть и продукты ее переработки, синтетические поверхностно-активные вещества, кислоты, фенолы и другие соединения. Комплексная характеристика качества воды, характеризующая ее загрязненность токсичными веществами - токсобнось. В качестве быстрого метода интегрального определения токсичности воды используются методики биотестирования, то есть использования биологических объектов для выявления степени токсичности тех или иных веществ или их суммарного воздействия.

Конечно же, для определения химического состава воды, а значит и для выявления находящихся в ней загрязняющих веществ можно использовать специальные приборы. Они позволяют получить точные значения концентраций загрязнителей. Но приборные методы имеют свои недостатки:

с их помощью нельзя точно оценить, насколько полученные концентрации опасны для водных организмов и для нас с вами;

они не учитывают возможного взаимодействия различных загрязняющих веществ (а это взаимодействие, как правило, происходит);

они оценивают качество воды на момент отбора пробы и ничего не скажут нам про аварийный сброс загрязнителя, произошедший на реке неделю назад;

они достаточно сложны и дороги.

Лучшими "приборами", оценивающими качество воды, являются сами водные обитатели. Конечно, эти "приборы" тоже не идеальны: например, у них нет стрелок и шкал. Поэтому с помощью методов биоиндикации мы можем оценить только общий уровень загрязненности, но не узнаем точных концентраций того или иного вещества. Зато эти методы относительно дешевы и не требуют специального оборудования. Многие из них довольно просты и могут быть использованы в работе юными исследователями, А главное, биологические методы дают комплексную оценку качества воды, учитывают взаимодействие разных загрязняющих веществ и могут помочь нам в том случае, когда источник загрязнения имеет переменную мощность или непостоянный химический состав.

Данные о качестве воды, полученные при помощи биологических методов, можно соотнести с официально принятыми показателями: классами качества воды (ККВ), уровнями сапробности. Это позволяет сравнивать данные, полученные при помощи приборных и биологических методов.

1.3 Идеология биологических методов