Гидробиологический мониторинг поверхностных вод в России

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Гидробиологический мониторинг поверхностных вод в России

качество вода биогеоценоз гидробиологический

Основные физико-химические и биологические факторы формирования качества воды. Понятие биогеоценоза и экосистемы.

Вода нужного объёма и необходимого качества является обязательным условием сохранения здоровья населения, биоразнообразия, эстетического и рекреационного потенциала природы, производства пищевой и технической продукции. Средний многолетний суммарный речной сток нашей страны - 4300 км3, что составляет около 10% речных вод земного шара (при занимаемой площади 11.5% и населении 2.6%). Суммарный объём вековых запасов пресной воды в озёрах России -26.5 тыс. км3 (в том числе: Байкал - 23 тыс. км3, Ладожское - 903 км3, Онежское - 295 км3). Средняя обеспеченность одного жителя РФ за счёт речных вод составляет около 30 тыс. м3 в год.

Россия использует меньше 2% своих водных ресурсов. Для сравнения, Германия - 48%, США - 19%, в среднем в мире - 8%. Суммарный забор из природных водных объектов составляет 79.5 км3; в 2006 г. было использовано 62.1 км3 свежей воды, в том числе 49.4 км3 - из поверхностных источников, 7.7 км3 -из подземных, 5 км3 - морской воды [1].

Воды суши в пределах России распределены неравномерно. Своеобразие её территории проявляется в том, что в южных регионах, где высокая плотность населения и наиболее развито сельское хозяйство, запасы вод ограниченны; основные речные бассейны густонаселённых районов замыкаются внутренними морями (Каспийским и Азовским), для гидрологического режима и экологических условий которых также требуется вода определённого количества и качества, а также с определённым режимом подачи. Таким образом, водные ресурсы становятся фактором, лимитирующим развитие хозяйства и влияющим на деградацию среды обитания человека.

Понятие "Качества вод"

При кажущейся простоте до настоящего времени не выработано единого понятия - какую воду мы можем считать чистой и какие критерии оценки могут быть приняты как объективные?

Согласно ГОСТу под качеством вод понимают "совокупность физических, химических и биологических свойств вод с учётом требований конкретных водопотребителей". Данное официально принятое определение некорректно, поскольку у вод не может быть биологических свойств, так как биологические системы являются более высоким уровнем организации по отношению к химическим структурам. Следует иметь в виду, что для различных целей требуется и разное качество вод, например, для обеспечения населения питьевой водой или рыбохозяйственного, фармацевтического, промышленного и других производств. Поэтому критерии чистой воды у водопотребителей различны. В самом определении качества заложена эпитетная характеристика вод, выражающаяся в экспертных оценках - чистая, загрязнённая, сильно загрязнённая; удовлетворительная или неудовлетворительная и т.д.

Поскольку вода - жизненно необходимый ресурс для всех живых организмов и среда обитания водных организмов, её качество может быть оценено только по отношению к живым системам.

Свойства природных вод формируются в результате ряда сложных процессов на водосборе и в водоёме:

-физико-химических - химическое выветривание элементов, их взаимодействие, фильтрация, миграция, адсорбция, десорбция, атмосферное выпадение;

-биологических - биохимических, микробиологических, биофильтрационных.

Формирование химического состава природных вод

Формирование химического состава природных вод определяют в основном две группы факторов:

- прямые факторы, непосредственно воздействующие на воду (т.е. действие веществ, которые могут обогащать воду растворенными соединениями или, наоборот, выделять их из воды): состав горных пород, живые организмы, хозяйственная деятельность человека;

- косвенные факторы, определяющие условия, в которых протекает взаимодействие веществ с водой: климат, рельеф, гидрологический режим, растительность, гидрогеологические и гидродинамические условия и пр.

По характеру своего воздействия факторы, определяющие формирование химического состава природных вод, целесообразно разделить на следующие группы:

- физико-географические (рельеф, климат, выветривание, почвенный покров);

- геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия);

- физико-химические (химические свойства элементов, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия, смешение вод и катионный обмен);

- биологические (деятельность растений и живых организмов);

- антропогенные (все факторы, связанные с деятельностью человека).

Возникает вопрос, почему водная среда, не смотря на постоянное поступление извне растворенных химических соединений, остается относительно стабильной, почему, допустим, хим. состав речных вод необратимо не изменяется в результате обильных дождей, или различных чрезвычайных экологических ситуаций на водном объекте?

Относительная природная стабильность свойств вод и сезонная их изменчивость в конкретных водоёмах поддерживается за счёт динамического равновесия и цикличности природных явлений. В процессе жизнедеятельности организмы, используя воду как ресурс и среду обитания, активно влияют на её свойства, в ряде случаев играя определяющую роль.



Таблица 1 Факторы формирования химического состава природных вод

Факторы формирования и результаты их воздействия	Виды природных вод
	Поверхностные воды суши (реки, ручьи, озера, болота)	Подземные воды
Прямые факторы формирования	атмосферные осадки, почвы, породы, растения, подземные воды, сточные воды (промышленные, сельскохозяйственные, хозяйственно-бытовые)	поверхностные воды, почвы, породы, физико-химические процессы (растворение-осаждение, сорбция-десорбция и др.)
Результаты воздействия прямых факторов на состав воды	поступление химических веществ в различных формах: взвешенные, коллоидные, растворенные (ионы, комплексные соединения, недиссоциированные соединения)	поступление химических веществ в растворенной форме, осаждение в результате физико-химических процессов
Косвенные факторы формирования	климат, рельеф, растительность, водный режим	климат, рельеф, геологические условия, глубина залегания, температура и давление
Результат воздействия косвенных факторов на состав воды	дифференциация поступления химических веществ в поверхностные воды в пространстве (географическая, климатическая зональность) и во времени (гидрохимический режим)	изменение химического состава воды по концентрации (минерализация) и соотношению компонентов (относительный состав)

С другой стороны, водные организмы более зависимы от свойств вод в силу высокого уровня метаболизма в водных экосистемах по сравнению с таковым в наземных. Для них вода - среда обитания, которая характеризуется определёнными условиями.

Условие, по Ю. Одуму, - это изменяющийся во времени и пространстве абиотический фактор среды, на который организм реагирует в зависимости от силы его действия.

Необходимые условия для существования и размножения организмов, населяющих различные водоёмы, могут существенно отличаться. Есть водоёмы с уникальными свойствами (геотермальные или солоноватые), где сложились своеобразные биоценозы. Н.С. Строганов считает, что "хорошим можно считать такое качество вод, при котором эффективность размножения водных организмов наиболее высокая", что согласуется с понятием условий среды.

Следует отметить, что патофизиологические нарушения в живых организмах появляются раньше, чем снижается их способность к воспроизводству.

Если абстрагироваться от субъективных требований отдельных водопотребителей к качеству, то более универсальным определением качества вод с экологической точки зрения, будет следующее:

- качество вод - это свойства вод, сформированные в процессе химических, физических и биологических процессов как в водоёме, так и на водосборе;

-качество вод в конкретном водоёме благоприятно в том случае, если отвечает требованиям сохранения здоровья человека и организмов, потребляющих воду, а также обитающих в нём наиболее чувствительных гидробионтов.

Исходя из предложенного понятия, методы оценки качества вод (в экспериментальных или натурных условиях) должны опираться:

- на фундаментальные разработки в области наук о Земле и жизни: закономерности миграции, трансформации, седиментации и поведения антропогенно привнесённых элементов, их взаимодействие с природными факторами;

-закономерности антропогенной изменчивости экосистем, устойчивость и пределы адаптации, "норма и патология" или пограничные состояния биологических систем и т.д.

Без глубокого изучения формирования свойств вод в современных условиях антропогенных нагрузок и ответных реакций живых систем на загрязнение невозможно обосновать систему критериев оценки качества вод и нормирования.

Критерии оценки качества вод

Как правило, загрязнение водного объекта оценивается на основе установления кратности превышения измеренных концентраций отдельных элементов и веществ к значениям их предельно допустимых концентраций (ПДК), полученных экспериментально.

ПДК достаточно условны и существенно различаются в разных странах, несмотря на унифицированные методы по их установлению.

Например, в России, по сравнению с другими странами (Канада, США, страны ЕС), неоправданно низкие значения для Си, V, Мп и др., тогда как нормативы для Cd, As, Pb и А1 завышены.

В последние годы внимание мировой научной общественности концентрируется на таких опасных элементах, как Hg, Pb и Cd, в связи с возрастающим глобальным повышением их содержания в окружающей среде. Если нормативы по Hg в нашей стране сопоставимы с западными государствами, то по РЬ и Cd они значительно более жёсткие в Европе и Америке, чем в России.

Токсичные свойства элементов зависят не только от их концентрации в воде, но и от форм нахождения, содержания кальция в воде, гумусовых кислот, рН, температуры, комбинаций с другими металлами.

Однако в России для всех типов вод используются одни и те же значения ПДК. Поэтому система ограничений загрязнения водоёмов, основывающаяся на ПДК, не даёт научной основы для объективной оценки качества вод и экологического состояния водоёма.

На данный момент не существует единого универсального критерия оценки всех антропогенных воздействий на водные объекты. Так,:

- для оценки эвтрофирования водоёмов наиболее ясную картину формирует изменение фитопланктонного сообщества;

-закисления вод - зообентосного;

-токсичного загрязнения - организм рыб.

Поэтому необходима разработка многовариантной системы критериев, позволяющая гибко применять её при изучении экологического состояния природных систем с учётом развития тех или иных процессов.

Например,

Критерии оценки состояния организма (по биохимическим, физиологическим, клиническим, па-толого-морфологическим симптомам заболеваемости) имеют значение для современной характеристики эффектов загрязнения вод на уровне популяций (изменение скорости роста, сроков созревания, продолжительности жизни, плодовитости и др.) и сообществ (смена продуктивности, биоразнообразия, трофической структуры и др.) и могут использоваться для интегральной оценки последствий пролонгированного влияния слабых доз загрязнения, неудовлетворительного качества вод.

Ответные реакции живых систем могут проявляться с участием обратных связей. Большое влияние оказывают вторичные эффекты загрязнения вод, а также последствия изменения всей трофической структуры экосистемы.

Методы измерения загрязнения вод

В гидробиологической и гидрохимической литературе для оценки качества воды водоемов и водотоков, подверженных антропогенному воздействию, разработано множество методов: химических, биологических, физических (органолептических), бактериологических и радиационных, рис. 1.

Качество воды природных источников определяют по наличию в ней веществ неорганического и органического происхождения, а также микроорганизмов и характеризуют различными физическими, химическими, бактериологическими и биологическими показателями.

Существует множество классификаций загрязняющих веществ, но основная с точки зрения идентификации загрязнений - по химическому, физическому, биологическому составу.

Классификацию вод по физическим загрязнениям проводят для следующих показателей - температура, запах, вкус, мутность, цветность, электропроводимость.

Химическими показателями качества воды являются общее количество растворенных веществ или сухой остаток, активная реакция или рН воды, окисляемость, щелочность, наличие азотсодержащих соединений, хлоридов, сульфатов, железа, марганца, кальция и др.

Биологические показатели определяют наличие или отсутствие водных индикаторных организмов, находящихся на поверхности (планктон) и в толще (нейстон) воды или располагающихся у дна водоема, берегов и на поверхности подводных предметов (бентос), чувствительных к специфическим загрязнениям.

При оценке качества природных вод требования могут быть самыми различными и зависят от целевого назначения вод.

Каждый из показателей качества воды в отдельности, хотя и несет информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды, так как не позволяет судить о значениях других показателей, хотя иногда косвенно бывает связан с некоторыми из них. Например, увеличенное, по сравнению с нормой, значение БПК5 косвенно свидетельствует о повышенном содержании в воде легкоокисляющихся органических веществ; увеличенное значение электропроводности - о повышенном солесодержании и др.



.

Рис. 1. Методы анализа качества вод

Вместе с тем, результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).

Биологические методы измерения загрязнения вод осуществляются в рамках направлений, которые получили название биоиндикация и биотестирование.

Биондикация - это оценка естественного состояния среды с помощью присутствующих живых организмов.

Биотестирование - методический прием лабораторной оценки качества речной воды по реакциям подопытных организмов с известными и поддающимися учету характеристиками.

Биологический объект (тест-организм) в биотестировании фактически используется в качестве аналитического прибора.

Биоиндикация может осуществляться на всех уровнях организации живого: биологических макромолекул, клеток, тканей и органов, организмов, популяций и сообществ [1, 15].

Критерии выбора биоиндикаторов: быстрый ответ, надежность (ошибка менее 20%), простота и постоянно присутствующий в природе живой объект.

Биотестирование основано на регистрации суммарного токсического действия на тест-организм сразу всех компонентов загрязнения и, таким образом, позволяет быстро оценить, является ли анализируемая проба загрязненной или нет.

Антропогенное воздействие на водные объекты

Антропогенное воздействие привело к резкому ухудшению качества вод большинства регионов, а в Поволжье, на Урале и в южных районах Сибири ситуация близка к катастрофической. Вода наряду с почвой стала носителем и аккумулятором всех загрязнений. И если учесть образное выражение В.И. Вернадского, что все природные воды, где бы они ни находились, тесно связаны между собой, то становится ясно, к каким необратимым последствиям может привести загрязнение водной среды. Какие бы совершенные технологии ни внедрялись, прямо или косвенно человек своей деятельностью будет влиять на воды суши.

Как ни парадоксально, в нашей стране зачастую одни и те же водные системы используются и как приёмники сточных вод, и как источники питьевого водоснабжения. Сегодня каждый второй житель РФ вынужден для питьевых целей использовать воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по ряду показателей; треть населения страдает от недостатка воды. Возросшее в последние десятилетия загрязнение вод токсичными веществами и элементами обусловило существенное повышение уровня заболеваемости, включая онкологические, генетические и аллергические, а также дефекты умственного и физического развития детей.

Причины деградации качества вод и недостатки методов оценки

Антропогенный фактор в формировании химического состава вод по значимости находится в одном ряду с природными геохимическими и биологическими процессами. Преобразование водосборов, трансграничные потоки, атмосферные выпадения, индустриальные и хозяйственно-бытовые прямые сбросы, неорганизованные стоки приводят к изменению геохимических циклов элементов в системе "водосбор-водоём", появлению токсичных компонентов в водной среде, эвтрофированию, закислению, что в итоге ухудшает качество вод. Сейчас редко можно встретить водные объекты, не подверженные прямым или косвенным антропогенным изменениям. Снижение промышленного и сельскохозяйственного производства в 90-е годы и, как следствие, уменьшение сбросов сточных вод не привели к существенному повсеместному улучшению их качества на территории РФ.

Основными причинами сложившейся ситуации являются:

-возрастание роли неконтролируемых диффузионных источников загрязнения водных объектов (смыв с городских территорий и промышленных площадок, атмосферные осадки, сток с полигонов для складирования хозяйственно-бытовых и промышленных отходов, сельхозугодий, торфоразработок, отходы судоходства и рекреации);

-увеличение вклада глобального загрязнения окружающей среды; аэротехногенное загрязнение водосборной территории;

-вторичные эффекты выщелачивания элементов и вымывания веществ с токсичными свойствами; неудовлетворительная работа очистных сооружений;

-вторичное загрязнение вод донными отложениями, где накопились загрязняющие вещества за предыдущие периоды;

-деградация и долгопериодные изменения в структуре экосистем, нарушившие природные биофильтры и процессы самоочищения;

- обмеление, заиление, зарастание, заболачивание и "цветение" водных объектов.

Наиболее отчётливо перечисленные явления наблюдаются в бассейне Волги, где проживает более 40% населения и сосредоточено 3/4 промышленного производства страны. Ежегодно в реку поступает более 16 км3 сточных вод, что составляет более трети всего объёма сбрасываемых вод в России. Только в бассейне Иваньковского водохранилища (источник питьевого водоснабжения Москвы) существует 145 выпусков сточных вод, причём 27 из них расположены непосредственно в водоохранной зоне. Средний годовой объём контролируемых сельскохозяйственных стоков в водохранилище составляет 9.3 млн. м3, в том числе взвешенных веществ - 33 т, азота общего - 51.2 т, фосфора - 7.8 т. Сельхозугодья являются одним из главных источников неконтролируемого поступления органических веществ и биогенных элементов.

Основными негативными процессами для Волги и её водохранилищ стало токсичное загрязнение и эвтрофирование.

Многолетними исследованиями было доказано загрязнение вод и накопление в донных отложениях тяжёлых металлов, нефтепродуктов, полициклических ароматических углеводородов, полихлорированных бифенилов, диоксинов и других химических соединений, особенно в местах сброса промышленных сточных вод. За последние 15-20 лет загрязнённость вод практически не меняется.

Однако данные по загрязнению водной системы порой противоречивы по ряду причин:

-различные временные периоды исследований,

-несовпадение мест отбора проб и т.д.

Так, по данным мониторинга, осуществляемого Гидрометом, для ряда участков реки и водохранилищ отмечено снижение уровня загрязнения по некоторым компонентам, а результаты исследований институтов РАН установили более высокий уровень загрязнения вод и значительно больший спектр токсичных элементов, включая высокоопасные для человека стойкие хлорорганические соединения, фталаты, тяжёлые металлы. Для многих участков водохранилищ Волжского бассейна наблюдается прогрессирующее эвтрофирование, негативными последствиями которого являются "цветение", истощение кислорода у дна, зарастание берегов.

О системе ограничений антропогенного воздействия на водные объекты

В настоящее время назрело развитие системы ограничений антропогенных воздействий.

В системе управления антропогенным воздействием (нормирование потоков веществ в водоёмы), будь то определение критических нагрузок или риска, основополагающее значение имеет выявление неблагоприятных изменений в биологических системах (эффекты действия на экосистемы или человека) и тех численных значений интегрального показателя качества вод (дозы воздействия), которому они соответствуют.

Экологическая политика должна базироваться на приоритете чистой воды как основы сохранения здоровья населения и жизнеобеспечивающих условий:

-устойчивого функционирования экосистем,

-эффективности производства и качества сельскохозяйственной продукции,

- воспроизводства рыбных ресурсов,

-рекреационного и эстетического потенциала водных объектов.

В вододефицитных районах необходимы:

-упорядочение и рационализация тенденций в размещении производительных сил (в особенности водоёмкого промышленного и сельскохозяйственного производств);

- учёт водного фактора и демографических особенностей территорий при проведении социально-экономической политики.

При выработке понятия допустимой экологической нагрузки необходимо чётко определить условия сохранения среды, то есть до какой степени человечество должно ограничивать своё воздействие на водные объекты. Возможны три позиции по отношению к природным экосистемам:

-продолжение разрушающего воздействия в современных масштабах;

-полное прекращение воздействий и восстановление до природного состояния;

-восстановление основных показателей и поддержание устойчивого функционирования экосистем.

Очевидно, что первая позиция неприемлема, вторая - финансово ёмка и может рассматриваться для отдельных особо охраняемых водных экосистем, например озера Байкал. Последняя позиция может быть принята для большинства водных объектов в регионах антропогенной деятельности.

Давайте сформулируем и запишем основные принципы системы ограничений антропогенных воздействий, направленной на предотвращение качественного истощения водных ресурсов, которые логически исходят из понимания сути формирования водных ресурсов в процессе естественного круговорота воды.

1. Отказ от представления о безграничной самоочищающей способности вод и неиссякаемости водных ресурсов; разработка системы экономического стимулирования производств к сокращению выбросов и стоков без ущерба для развития социальных программ.

2. Охрана водных ресурсов в процессе их использования: снижение водоёмкости производств вплоть до перехода на маловодную или сухую технологию; локальная очистка промышленных стоков, то есть замкнутое оборотное водоснабжение, основой которого является раздельная очистка сточных вод технологических линий, цехов и т.д., содержащих одно или группу однородных загрязнений; изменение технологий, позволяющее получать сточные воды, легко поддающиеся очистке или регенерации; рекуперация отходов и др.

3. Устранение причин, вызывающих загрязнение, взамен преобладающей ныне борьбы с последствиями загрязнения (принцип профилактики вместо борьбы с последствиями; исключение сброса токсичных веществ в составе промышленных стоков).

4. Изоляция хозяйственного звена круговорота воды от естественного - речного, озёрного и подземного; разделение двух групп водоотведения -коммунально-бытового и промышленного.

5. Предупреждение аварийных ситуаций системой совершенной организации добычи и транспортировки полезных ископаемых, захоронения отходов, исключающей массовые разливы нефти, выбросы радиоактивных отходов, мощные площадные смывы загрязнений из мест разработки полезных ископаемых и хранения отходов.

6. Предвидение и предупреждение нарушений естественного круговорота элементов в природе под влиянием деятельности на водосборе, глобального загрязнения воздуха и потепления климата (нарушения ионного равновесия и закисле-ния вод; изменения режима биогенных веществ и эвтрофирования, высвобождения ионных токсичных форм металлов и др.).

7. Дифференциальный подход к защите вод в зависимости от природных условий водоёма и региона, а также специфики и характера действия загрязняющих компонентов, комбинации сопутствующих факторов в конкретных условиях, установление региональных экологически допустимых норм нагрузок.

8. Совершенствование технологий восстановления нарушенных водных объектов на основе знаний естественных сукцессии экосистем: от развивающейся к стабильной стадии, имеющей структуру и функции, близкие к естественному природному состоянию.

Биогеоценоз и экосистема

1. Понятие о биогеоценозе и биогеоценологии

Природные комплексы, в которых полностью сформировалась растительность, и которые могут существовать сами по себе, без вмешательства человека, а если человек или что-то другое, нарушит их, то они будут восстанавливаться, причем по определенным законам. Такие природные комплексы и есть биогеоценозы.

Термин «биогеоценоз» был предложен академиком В.Н. Сукачевым в конце 30-х гг. 20 в. применительно к лесным экосистемам. Но Данное определение правомерно по отношению к любой природной экосистеме в любом географическом районе Земли

Определение биогеоценоза по В.Н.Сукачеву (1964) считается классическим - «... это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществ и энергией: между собой и с другими явлениями природы и представляющая собой внутреннее противоречивое единство, находящееся в постоянном движении и развитии …".

В этом определении отражаются все сути биогеоценоза, черты и особенности, присущие только ему:

· биогеоценоз должен быть однородным по всем параметрам: живого и неживого вещества: растительности, животному миру, почвенному населению, рельефу, почвообразующей породе, свойствам почвы, глубине и режимам грунтовых вод;

· каждому биогеоценозу присуще наличие особого, только ему присущего типа обмена веществ и энергии,

· всем компонентам биогеоценоза свойственно единство жизни и ее среды, т.е. особенности и закономерности жизнедеятельности биогеоценоза определяются средой его обитания, таким образом, биогеоценоз представляет собой географическое понятие.

Кроме того, каждый конкретный биогеоценоз должен:

- быть однородным по своей истории;

- быть достаточно долговременным сложившимся образованием;

- ясно отличаться по растительности от соседних биогеоценозов и эти отличия должны быть закономерными и экологически объяснимыми.

Примеры биогеоценозов:

- дубняк разнотравный на подножье делювиального склона южной экспозиции на горной буро-лесной среднесуглинистой почве;

- луг злаковый в лощине на суглинистых оторфованных почвах,

- луг разнотравный на высокой пойме реки на пойменной дерново-глееватой среднесуглинистой почве,

- лиственничник лишайниковый на Al-Fe-гумусово-подзолистых почвах,

- лес смешанный широколиственный с лиановой растительностью на северном склоне на бурых лесных почвах и др.

Более простое определение:

"Биогеоценоз - это вся совокупность видов и вся совокупность компонентов неживой природы, определяющих существование данной экосистемы с учетом неизбежного антропогенного воздействия".

Последнее добавление с учетом неизбежного антропогенного воздействия - дань современности. Во времена В.Н. Сукачева не было необходимости относить антропогенный фактор к основным средообразующим, каковым он является сейчас.

2. Компонентный состав биогеоценозов

Компоненты биогеоценоза не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют между собой. Главными и обязательными компонентами являются биоценоз и экотоп.



Рис. 2

Биоценоз, или биологическое сообщество - совокупность совместно обитающих трех компонентов: растительности (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробоценоз).

Каждый из компонентов представлен множеством особей разных видов. Роль всех компонентов: растений, животных и микроорганизмов, в биоценозе различна.

Так, растения образуют относительно постоянную структуру биоценоза благодаря своей неподвижности, в то время как животные не могут служить структурной основой сообщества. Микроорганизмы, хотя в большинстве и не прикреплены к субстрату, передвигаются с небольшой скоростью; вода и воздух переносят их пассивно на значительные расстояния.

Животные зависят от растений, поскольку не могут строить органическое вещество из неорганического. Некоторые микроорганизмы (как все зеленые, так и ряд не зеленых) в этом отношении автономны, так как способны к построению органического вещества из неорганического за счет энергии солнечных лучей или энергии, выделяемой при химических реакциях окисления.

Микроорганизмы (микробы, бактерии, простейшие) играют большую роль в разложении мертвых органических веществ до минеральных, т. е. в процессе, без которого нормальное существование биоценозов было бы невозможным. В структуре наземных биоценозов значительную роль могут играть почвенные микроорганизмы.

Различия (биоморофологические, экологические, функциональные и др.) в особенностях организмов, составляющих эти три группы, настолько велики, что и методы их исследования заметно различаются. Поэтому существование трех отраслей знания - фитоценологии, зооценологии и микробоценологии, изучающих соответственно фитоценозы, зооценозы и микробоценозы, вполне правомерно.

Экотоп - место жизни или среда обитания биоценоза, некое "географическое" пространство.

Его образуют с одной стороны почва с характерной подпочвой, с лесной подстилкой, а также с тем или иным количеством перегноя (гумуса); с другой - атмосфера с определенной величиной солнечной радиации, с тем или иным количеством свободной влаги, с характерным содержанием в воздухе углекислоты, различных примесей, аэрозолей и т.п., в водных биогеоценозах вместо атмосферы - вода.

Роль среды в эволюции и существовании организмов не вызывают сомнений. Составляющие ее отдельные части (воздух, вода и др.) и факторы (температура, солнечное излучение, высотные градиенты, и др.) называют абиотическими, или неживыми, компонентами, в отличие от биотических компонентов, представленных живым веществом. В.Н. Сукачев физические факторы не относил к компонентам, а другие авторы относят.

Биотоп - это экотоп, преобразованный биоценозом для «себя». Биоценоз и биотоп функционируют в непрерывном единстве. Размеры биоценоза всегда совпадают с границами биотопа, следовательно, с границами биогеоценоза в целом.

Из всех компонентов биотопа ближе всего к биогенной составляющей части биогеоценоза стоит почва, поскольку ее происхождение напрямую связано с живым веществом. Органическое вещество в почве является продуктом жизнедеятельности биоценоза на разных стадиях трансформации.

Сообщество организмов ограничено биотопом (в случае с устрицами - границами отмели) с самого начала существования.

3. Свойства биоценозов: саморегуляция и самовоспроизведимость. Принцип Ле-Шателье

Главными свойствами биоценозов, отличающих их от неживых компонентов, является способность продуцировать живое вещество, обладать саморегуляцией и самовоспроизводимостью. В биоценозе отдельные виды, популяции и группы видов могут заменяться соответственно другими без особого ущерба для содружества, а сама система существует за счет уравновешивания сил антагонизма (конкуренции) между видами. Для приобретения этих свойств биосистеме требуется время.

Очень важным свойством биоценозов, как всяких биологических материальных систем, является саморегуляция - способность выдерживать высокие отрицательные нагрузки, способность возвращаться в близкое к исходному состояние после существенных нарушений компонентов, структуры, взаимосвязей.

Саморегуляция отражает принцип Ле-Шателье.

Согласно принципу Ле-Шателье, биогеоценоз способен поддерживать свое состояние при резких, неблагоприятных для него, воздействиях внешних факторов или возмущениях. При этом он изменяется таким образом, что снижает эффект возмущения и, таким образом, сохраняет свой status quo.

Пример. Восстановление прежнего типа сообщества после пожара, рубки леса, ветровала, вытаптывания и др. Отмечается высокая активность роста и высокая скорость обменных процессов растений, произрастающих в экстремальных условиях.

Поскольку компоненты ценоза находятся друг с другом в постоянном взаимодействии - связаны друг с другом потоками вещества и энергии, то, говоря о равновесии биогеоценоза, следует иметь в виду не статическое, а динамическое равновесие, в первую очередь равновесие потоков вещества и энергии.

Если экосистему вывести из состояния динамического равновесия, то она стремится вернуться к нему, используя при этом часть своей внутренней энергии и упорядоченности (упорядоченность - структурная негэнтропия). Если резерва внутренней энергии и негэнтропии хватает, то система возвращается в состояние близкое к исходному. Если ресурсов вещества и энергии недостаточно, то система (биогеоценоз) либо безвозвратно разрушается, либо переходит в новое состояние динамического равновесия, но на значительно более низком энергетическом уровне. При этом говорят, что экосистема деградировала.

ПРИМЕРОМ деградации является распашка и уничтожение естественной растительности на значительных пространствах в зоне сухой степи. Это воздействие резко снижает запасы влаги в почве, способствует ветровой эрозии почв и экосистема переходит в новое состояние с очень низкой биологической продуктивностью. Степные экосистемы сменяются при этом экосистемами пустынь. Некоторые ученые экологи считают, что именно так на месте саванны в Северной Африке примерно 10 тыс. лет назад образовалась пустыня Сахара.

Еще один из самых характерных примеров невосстановимого разрушения биогеоценозов - горные полигоны, на которых добыча полезных ископаемых ведется открытым способом. Лесные пойменные биогеоценозы, самые продуктивные и разнообразные по видовому составу, превращаются в лунные ландшафты. Уничтожение теплоизоляционного слоя - растительного покрова - на почвах с многолетней мерзлотой тоже приводит к нарушению динамического равновесия и явлению термокарста.

4. Для всякого биогеоценоза существуют пределы толерантности (устойчивости). Одни более толерантны, или устойчивы, к воздействию внешних возмущающих факторов, другие менее. Но пока мало известно о пределах толерантности естественных экосистем, и среди ученых имеются разногласия. Например, одни говорят, что экосистемы тундры очень неустойчивы и легко уязвимы. Другие, напротив, считают, что самые неустойчивые - экосистемы влажных тропических лесов, а экосистемы тундры не менее устойчивы, чем экосистемы тайги и степи. Проблема эта очень сложна тем, что разные экосистемы оказываются в разной степени устойчивыми по отношению к разрушающим факторам.

НАПРИМЕР, колея от трактора на склоне в зоне тайги через 50 лет зарастет и исчезнет, а вот такая же колея в зоне тундры через 50 лет превратится в овраг глубиной до 20-30 м и шириной до 10-20 м.

Биогеоценоз и экосистема: различия между этими понятиями

Несколько раньше, чем Сукачев разработал представление о биогеоценозе, в 1935 г., английским ботаником А. Тенсли был введен термин «экосистема».

Экосистема, по А. Тенсли, - «совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов его окружения, т. е. факторов местообитания в широком смысле». Для экосистем характерен разного рода обмен не только между организмами, но и между организмами и средой их обитания, иначе называемый круговоротом веществ. Эти же качества присущи и биогеоценозу.

Наиболее заметные изменения в состоянии биосферы, нарушения экологического равновесия происходят на уровне биогеоценоза. Поэтому большинство ученых в частности Ю. Одум (1975, 1986) и не считают отличия между понятиями "биогеоценоз" и "экосистема" существенными, ставят знак равенства между приведенными понятиями, подразумевая под экосистемой биоценоз, образующий вкупе с биотопом (экотопом) биогеоценоз. Это оправданно еще и тем, что термин «экосистема» широко применяется в смежных науках, особенно природоохранного содержания.

Однако ряд российских ученых не разделяют этого мнения, видя определенные отличия биогеоценоза от экосистемы.

Выделяют по размерам следующие типы экосистем:

· микроэкосистемы (подушка лишайника и т. п.);

· мезоэкосистемы (пруд, озеро, степь и др.);

· макроэкосистемы (континент, океан) и, наконец,

· глобальная экосистема, или экосфера - совокупность всех экосистем мира (биосфера Земли).

Биогеоценозу из перечисленного соответствует среднее положение между микро- и мезоэкосистемой. Он представляет элементарную единицу биосферы; это наименьшая единица, в которой осуществляются в биосфере вещественно-энергетический круговорот. Ни одна из частей биогеоценоза не в состоянии полностью осуществить этот круговорот.

Различия между экосистемой и биогеоценозом можно свести к следующим положениям:

1) биогеоценоз - понятие территориальное, относится к конкретным участкам суши и имеет определенные границы, совпадающие с границами фитоценоза. Характерная особенность биогеоценоза, на которую указывают Н.В. Тимофеев-Ресовский, А.Н. Тюрюканов (1966) - через территорию биогеоценоза не проходит ни одна существенная биоценотическая, почвенно-геохимическая, геоморфологическая и микроклиматическая граница.

- понятие экосистемы шире, чем понятие биогеоценоза; оно применимо к биологическим системам разной сложности и размеров; экосистемы часто не имеют определенного объема и строгих границ;

2) в биогеоценозе органическое вещество всегда продуцируют растения, поэтому основной компонент биогеоценоза - фитоценоз;

- в экосистемах органическое вещество не всегда создается живыми организмами, нередко поступает извне.

(приносится течением - озеро, море; вносится человеком - сельскохозяйственные угодья, переносится ветром или осадками - растительные остатки на эродированных склонах гор).

3) биогеоценоз потенциально бессмертен;

- существование экосистемы может закончиться с прекращением прихода в нее вещества или энергии.

4) экосистема может быть и наземным и водным образованием;

- биогеоценоз всегда наземная или мелководная экосистема.

5) - в биогеоценозе всегда должен быть единый эдификатор (эдификаторная группировка или синузия), определяющий всю жизнь и строй системы.

- В экосистеме их может быть несколько.

Не каждая экосистема является биогеоценозом, но каждый биогеоценоз - экосистема, полностью соответствующая определению Тенсли.

Основные отличия водных ГБЦ от наземных

Сообщества водных организмов по своим условиям обитания и структурно-функциональным характеристикам имеют ряд ключевых особенностей по сравнению с наземными биогеоценозами [Мордухай-Болтовской, 1974; Методика изучения.., 1975], которые в основном заключаются в следующем:

1.Гидробионты, окруженные водой, подвергаются значительно меньшим колебаниям температуры (обычно в пределах от 2 до 40°), чем обитатели биогеоценозов. Однако для них имеет большое значение содержания кислорода, который часто бывает в дефиците, а временами может вовсе исчезать. В связи с этим, существующие классификации экосистем учитывают, в первую очередь, содержание кислорода в водоеме.

2. Водные организмы находятся в условиях более слабой освещенности, чем наземные, а расположенные на глубинах водоемов (и в подземных водах) совершенно лишены света и их живые компоненты могут существовать только за счет поступления органических веществ извне. Поэтому в системе гидробиоценозов гораздо сильнее выражена вертикальная дифференциация (стратификация). В связи с вертикальной расчлененностью водной среды типы водных сообществ выделяются по совершенно иному принципу, чем типы биогеоценозов. Последние в большинстве случаев, как указывает В.Н. Сукачев [1966], совпадают с границами растительных ассоциаций на поверхности земли, в то время как типы гидробиоценозов различаются главным образом по их положению в пространстве. Например, различают следующие "жизненные формы" [Дуплаков, 1933; Зернов, 1949; Зенкевич, 1951; Константинов, 1979]:

планктон (planktos - парящий) и нектон (nektos - плавающий) - население пелагиали, проводящее жизнь во взвешенном состоянии и активно передвигающееся в толще воды;

бентос (bentos - глубина) - организмы, живущие на дне водоемов или в грунте;

перифитон (peri - вокруг, phyton - растение) - гидробионты, поселяющиеся на плотных субстратах и приспособленные к обитанию на границе раздела между субстратом и водой.

3.Организмы в водоемах биохимически и осмотически более тесно связаны с окружающей их средой и зависят от содержания в ней растворимых веществ. Благодаря значительно большей, чем у воздуха, плотности воды, многие водные организмы пребывают в свободно плавающем или парящем состоянии, поскольку вода содержит пространственно-распределенный источник пищи в виде взвешенной массы органических веществ и микробов. Вода одновременно создает возможность биохимических связей между сообществами гидробионтов за счет выделения многими организмами в воду кислорода, углекислоты и различных продуктов метаболизма. Эти вещества, токсичные, либо, наоборот, стимулирующие другие организмы, образуют как бы сеть, по которой организмы сообщаются косвенно, не вступая друг с другом в прямой контакт.

4. Население гидросферы значительно разнообразнее, чем наземное, хотя во внутренних водоемах состав флоры и фауны сильно обеднен по сравнению с морями из-за выпадения многих групп. Основную массу первичных продуцентов составляют взвешенные в воде микроскопические водоросли, в то время как на суше - это почти исключительно крупные растения, с корнями в почве. Несмотря на чрезвычайно мелкие размеры планктонных водорослей, они обладают весьма высоким темпом размножения и могут давать очень высокую первичную продукцию, за счет которой развивается местами богатейшее животное население.

5. В горизонтальном направлении водные сообщества, как и биогеоценозы, также неоднородны. Биотопы определяются преимущественно физическими свойствами среды и группируются по экологическим зонам, на которые делятся водоемы: например, в озерах бенталь подразделяется на литораль (прибрежная зона), сублитораль (до нижней границы распространения высших растений), профундаль. Внутри каждой зоны может быть выделено по несколько биотопов и соответствующих им биоценозов (например, на разных грунтах).

6. Гидробиоценозы, как и наземные экосистемы (в первую очередь, фитоценозы), обладают хорошо выраженной изменчивостью во времени. Сезонная (годовая, суточная или иная циклическая) динамика, вызванная изменениями температуры, наблюдается как в ценозах высшей водной растительности, отмирающей с наступлением осени, так и в планктонных сообществах, состоящих из видов с кратким жизненным циклом. В меньшей мере выражены сезонные изменения в бентосе, остающемся в крупных водоемах на зиму в почти полном составе и количестве, хотя в некоторые периоды его гетеротопные группы (насекомые) покидают водоем.

7.Межгодовые (или многолетние) изменения в водоемах выражены не менее, если не более ярко, чем в биогеоценозах, и, в основном, происходят в результате тех же причин: изменения климатических условий и деятельности человека.

В гидробиоценозах постоянно происходят также изменения в соотношении видов и их обилии, причины которых часто не удается установить. Эти ненаправленные изменения колебательного типа называют флуктуациями, противопоставляя их сукцессиям - изменениям в течение ряда лет, направленным в одну сторону. Сукцессии часто наблюдаются в гидробиоценозах и представляют собой обычно продолжающийся в течение ряда лет процесс постепенного приспособления сообществ гидробионтов к сильно изменившимся абиотическим условиям. Мы наблюдаем их при различных естественных изменениях режима водоемов, а в еще большем масштабе - при возникновении новых водоемов или водохранилищ (на затапливаемой, например, вследствие сооружения плотины, долине реки).

2. Организация и функционирование гидробиологического мониторинга поверхностных вод в России

Мониторинг является неотъемлемой частью системы управления качеством окружающей природной среды, значимость и необходимость которого возрастает в условиях продолжающегося усиления антропогенного воздействия на окружающую среду, в том числе и поверхностные воды суши.

Все возрастающее загрязнение природной среды явилось главной причиной организации в 1972 г. Государственной службы мониторинга окружающей природной среды (ГСН).

Функции службы наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши в рамках ГСН осуществляет Гидрометслужба.

Государственный мониторинг поверхностных вод суши является составной частью мониторинга окружающей среды. Важной его частью является мониторинг качества поверхностных вод, который в первую очередь предусматривает:

- наблюдения за происходящими в водной среде изменениями гидрологических и химико-биологических параметров и внутриводных процессов под воздействием природных и антропогенных факторов;

- оценку уровней загрязненности водных объектов;

- оценку последствий антропогенного воздействия на абиотическую и биотическую компоненту экологического состояния водоемов и водотоков;

- обеспечение заинтересованных организаций и населения режимной и оперативной информацией об изменениях в окружающей среде и в состоянии водных объектов, а также предупреждении о возможной опасности.

К главным достоинствам режимной информации ГСН относятся:

- систематичность и достаточная продолжительность режимных наблюдений, что позволяет выявлять многолетние тенденции изменчивости состояния объекта;

- комплексность наблюдений (гидрологические, гидрохимические и гидробиологические параметры);

- получение информационных материалов, обобщенных и систематизированных по территории субъекта федерации, УГМС и по бассейнам крупных рек.

Несмотря на то, что ГСН в принципе не настроена на решение задач регионального мониторинга, поскольку выполняет функции национального мониторинга состояния поверхностных вод России и на ряд других недостатков, это единственная в настоящее время система способная представить многолетние информационные материалы о временной изменчивости состояния вод суши и их загрязненности.

Многолетние режимные наблюдения проводятся на стационарных пунктах наблюдений, как правило, находящихся:

- в районах расположения городов и крупных рабочих поселков, сточные воды которых сбрасываются в водоток;

- на участках сброса сточных вод отдельно стоящими крупными промышленными предприятиями, ТПК и организованного сброса с сельхозугодий;

- на замыкающих створы больших и средних рек, впадающих в моря, имеющие большое народнохозяйственное значение;

- на створах рек, вытекающих из пределов укрупненных экономических районов;

- на замыкающих гидростворах речных бассейнов, по которым составляются водохозяйственные балансы;

- в устьевых зонах загрязненных притоков главной реки внутри крупных речных систем;

- в местах нереста и зимовья ценных и особо ценных видов промысловых организмов.

В каждом пункте, расположенном на реке, организовано несколько створов наблюдений: один - выше источника загрязнений на расстоянии примерно 1 км (фоновый для данного пункта) и один или несколько - на расстоянии 500 м от места сброса сточных вод или ниже источника загрязнения в месте достаточно полного (не менее 80%) гарантированного перемешивания сточных вод с речными.

Для всех пунктов обязательным является определение физических, химических, гидрологических показателей.

Сроки проведения режимных наблюдений по гидрохимическим показателям приурочены к основным фазам гидрологического режима: февраль (зимняя межень), апрель-май (подъем половодья), май-июнь (пик половодья), июнь-июль (спад половодья), июль-август (летняя межень) и ноябрь (перед ледоставом).

Внутригодовая периодичность наблюдений по гидробиологическим показателям увязана с региональными особенностями вегетационного периода.

Требования по размещению стационарных пунктов наблюдений, отбору и обработке представительных проб, выполнению измерений и выдаче информации регламентируется соответствующими руководящими документами, утвержденными Росгидрометом.

Систематичность и достаточная продолжительность режимных наблюдений ГСН позволяет к настоящему времени получать многолетнюю гидролого-гидрохимическую и гидробиологическую информацию по стационарным пунктам контроля, использование которой будет способствовать решению ряда научных, научно-практических и прикладных природоохранных задач.

В настоящее время в Государственной системе мониторинга Росгидромета и других системах контроля единственным нормативно-правовым критерием оценки качества воды являются предельно-допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ.

Система ПДК в то время, когда она была внедрена в режимные мониторинговые наблюдения в нашей стране, сыграла определенную положительную роль в оценке уровня загрязненности водных объектов, послужив базой при сравнении между собой отдельных экосистем и степени загрязнения различных регионов страны.

Однако в последние годы, с ростом знаний о механизмах функционирования водных экосистем, с усилением антропогенного давления на водоемы и водотоки стало формироваться мнение о том, что действующая система нормативов уже не удовлетворяет ни гидрохимиков и экологов, ни специалистов-практиков.

Есть несколько очевидных недостатков системы оценки загрязненности водных объектов на основе ПДК, которые сводятся к следующему.

1. Идеология ПДК основывается на оценках действия загрязняющих веществ на организменном уровне, после чего они (оценки) переносятся на популяционный уровень, что методически неверно.

Нормативы ПДК определяются в лабораторных условиях в краткосрочных (дни) и хронических (недели) экспериментах на изолированных популяциях организмов, принадлежащих к небольшому числу тестовых видов, по ограниченному набору физиологических и поведенческих реакций для отдельных факторов без какого-либо учета их возможного взаимодействия. При этом популяционные тест-организмы не всегда являются представительными особями для всего гидробиологического сообщества водных экосистем, что делает неправомерной экстраполяцию полученных таким образом оценок (нормативов ПДК) на реальные природные объекты.

2. Перечень ПДК насчитывает более тысячи санитарно-гигиенических и более 1200 рыбохозяйственных нормативов на отдельные компоненты и химические соединения, находящиеся в воде.

В то же время реальное число загрязняющих веществ антропогенного происхождения превысило миллионы наименований. Кроме того, ежегодно синтезируется около четверти миллиона новых химических веществ. В результате происходящих химических реакций и превращений химических элементов, поступающих в реки со сбросами и выбросами различных предприятий, в водной среде образуются новые соединения, которые могут быть токсичнее исходных ингредиентов. Несмотря на постоянное увеличение числа нормируемых показателей, система ПДК не является всеобъемлющей и не успевает обосновывать нормативы на вновь создаваемые вещества и соединения. В связи с этим контроль качества воды с выявлением и оценкой роли всех присутствующих в воде загрязняющих веществ является практически нереальным как с технической, так и с экономической точки зрения.