Мониторинг условий обитания в водоемах

Мониторинг загрязнения водоемов
по составу макрозообентоса
М.В. Чертопруд
Общие положения
Сущность биомониторинга. Анализ (мониторинг) местообитаний по
составу сообществ обитающих в них живых организмов – существенная
часть современной прикладной экологии. В его основе лежат следующие
положения. Каждый вид живых организмов приспособлен к своим условиям
обитания. Определенными (хотя и более размытыми, чем отдельные виды)
требованиями к условиям среды обладают также более крупные таксоны:
роды, семейства и даже отряды животных. Поэтому, зная состав сообщества
в данной точке, можно предсказать особенности условий обитания в ней, и
наоборот (по особенностям факторов среды можно предвидеть состав
населения). Сравнивая состав сообщества в водоеме в разные моменты
времени, можно следить за изменениями условий обитания в нем; а
сравнивая фауны разных водоемов, узнавать о различиях этих водоемов с
точки зрения живых организмов. Организмы, используемые в биологическом
мониторинге, называются индикаторными (видами-индикаторами). Эти
виды должны быть достаточно массовыми в своих “любимых”
местообитаниях, легко находимыми в природе и определяемыми, а их
экологические требования - хорошо известными.
Наибольшее значение имеет биологический мониторинг качества и
загрязнения воды природных водоемов. Другие факторы жизни в воде
(течение, тип грунта, глубина и т.п.) легко оценить непосредственно, а прямо
определить качество воды (содержание в ней органических веществ, ядов,
болезнетворных микроорганизмов и т.п.) довольно сложно. Более того,
биологический контроль качества вод имеет ряд преимуществ перед
химическими, физическими и бактериологическими методами контроля. Он
позволяет оценить последствия как постоянного, так и разового загрязнения,
усредняя загрязняющие эффекты во времени. Сообщества живых организмов
отражают все изменения протекающей над ними воды, одновременно
реагируют на многие факторы, определяющие качество воды, и суммируют
эффекты смешанных загрязнений. При биологическом анализе нам не нужно
узнавать, чем именно загрязнена вода, но можно сразу оценить меру ее
загрязнения.
Объект биомониторинга. Для текучих водоемов (рек и ручьев)
наиболее точные результаты дает изучение донных организмов (бентоса) и
обитателей укоренившихся на дне водных растений (перифитона), которые,
не перемещаясь вместе с потоком, лучше отражают общее качество
протекающей над ними воды. В стоячих водоемах наряду с бентосом
перспективно использование организмов – обитателей толщи воды
(планктона).
Наиболее удобным для неспециалиста объектом биомониторинга
является, видимо, макрозообентос – макроскопические (длиной более 2 мм)
беспозвоночные животные, обитающие на дне водоемов и в зарослях водных
растений. Это, главным образом, водные личинки и имаго насекомых,
моллюски, пиявки, малощетинковые черви и высшие ракообразные. Для их
сбора в природе нужен простейший бентосный сачок с ячеей 0.5-1 мм
(можно применять хозяйственное сито с капроновой сеткой) и пинцет;
определение в ряде случаев ведется невооруженным глазом, в остальных
случаях подразумевает применение бинокуляра типа МБС.
Загрязнение и его типы. Наиболее характерный тип загрязнения
природных водоемов – сброс в них больших масс разлагающихся
органических веществ, и биогенных элементов, также способствующих
возрастанию массы органики в водоеме. Такое загрязнение приводит, в
первую очередь, к заилению дна, увеличению кормовой базы детритоядных
животных и микроорганизмов, снижению количества растворенного в воде
кислорода. Именно эти факторы непосредственно изменяют состав
сообщества. Для количественной оценки органического загрязнения введена
шкала сапробности (ксено-, олиго-, b-мезо-, a-мезо- и полисапробные
водоемы). Параллельно с обычной органикой, но в меньших дозах,
человечество загрязняет водоемы ядохимикатами, нефтепродуктами, солями
металлов, теплом, шумом, радиацией и электромагнитным излучением.
Общая картина загрязения водоемов довольно сложна, но показано, что
виды, более устойчивые к органическому загрязнению, в целом более
устойчивы и к остальным типам загрязнений. Поэтому устойчивость живых
организмов к загрязнению измеряют, как правило, по единой шкале
сапробности.
Другие факторы среды. Неправильно считать, что на состав
населения водоема в первую очередь влияет загрязнение воды. Не менее
важны для биоценоза: тип дна, глубина, проточность и скорость течения,
сезон года и географическое положение водоема, и многие другие факторы.
Именно они определяют разнообразие пресноводных сообществ.
Эффективность сравнения качества воды (сапробности) разных водоемов
или биотопов зависит от того, перекрывает ли какой-нибудь из этих
факторов действие сапробности или нет. Строго говоря, нельзя везде
использовать одну и ту же систему индикаторных организмов, а следует
создавать отдельные системы сапробности для водоемов и биотопов разных
типов.
Воздействие
субстрата,
течения
и
других
характеристик
местообитания их на состав сообщества изучено еще довольно слабо и во
многих работах по оценке качества воды незаслуженно игнорируется.
Между тем, эти факторы имеют прямое отношение к результатам оценок
загрязненности водоемов.
В частности, ускорение течения, стимулируя обогащение воды
кислородом и устраняя заиление дна, вызывает сдвиг состава сообщества в
сторону олигосапробной зоны, замедление течения - в сторону
полисапробной. С другой стороны, в сообщества сильно загрязненных рек
часто встраиваются прудово-озерные виды, а прибойная зона
олигосапробных озер бывает населена речными представителями бентоса.
Фауна плотных субстратов (камней, коряг, листового опада), а также
фауна водных растений в том же водоеме населена более олигосапробными
видами, чем фауна мягких субстратов (ила, детрита и песка). Среди
гидробиологов ведется дискуссия о том, какие субстраты предпочтительно
исследовать для оценки загрязнения воды; но бесспорно, что учитывать
влияние субстрата необходимо.
Сапробность незагрязненных водоемов. Не стоит считать, что в
отсутствие антропогенных загрязнений концентрация органических веществ
в водоеме (сапробность) обязательно близка к нулю. Каждому водоему
присущ свой естественный “фон” сапробности. Он тем выше, чем богаче
продукцией и беднее водой окружающий ландшафт, чем меньше поступает в
водоем кислорода и теплее вода. Кроме того, стоячие водоемы богаче
органическим веществом, чем текучие, а непроточные - богаче, чем
проточные.
Так, в горах и на высоких широтах, в тундре, незагрязненные водоемы
почти не имеют свободной органики – ксеносапробны. Жизнь в них
качественно довольно разнообразна, а количественно очень бедна.
Хозяйственное загрязнение легко увеличивает концентрацию органики в
десятки раз, вызывая резкую перестройку сообщества (часто - с полной
сменой видов). В лесной зоне реки и ручьи несут немного свободной
органики (олиго- и b-мезосапробны), озера и пруды с грунтовым питанием
довольно богаты ей (часто а-мезосапробны). Сельскохозяйственные стоки
обычно повышают сапробность тех и других на 1-2 ступени, вызывая лишь
частичную перестройку сообщества, с сохранением основных жизненных
форм и видового разнообразия. Только при очень сильном антропогенном
прессе (до полисапробной стадии) изменение сообщества носит
катастрофический характер. В загрязненные реки, кстати, часто вселяются
прудово-озерные виды, для которых улучшение условий питания
компенсирует отрицательное воздействие течения. В южных, жарких и
засушливых районах естественное содержание органики в водоемах
соответствует a-мезосапробному и полисапробному уровню; антропогенные
стоки еще увеличивают органический фон, но кардинально картины не
меняют.
Идентификация организмов при биомониторинге. Применение
любой
методики
биомониторинга
предполагает
определение
таксономической принадлежности найденных организмов. Большинство
методов основаны на применении видов-индикаторов качества воды и
требуют определения до вида. Нужно отметить, что систематика
беспозвоночных (даже макроформ) весьма сложна, и достоверное
определение их до вида неспециалистами, как правило, невозможно. Отчасти
поэтому разработано несколько методик анализа качества воды,
применяющих индикаторные свойства крупных таксонов зообентоса: родов,
семейств и даже отрядов. Они более грубы, но в ряде случаев
предпочтительны в силу большей устойчивости к влиянию прочих факторов
внешней среды.
Методики оценки качества воды и загрязнения
Известно и применяется довольно много (несколько десятков) методик
оценки качества воды по составу макрозообентоса. Большинство из них
имеют два крупных недостатка: требуют сбора и обработки количественных
проб (очень трудоемких и требующих специального оборудования) и
предполагают определение животных до вида (обычно доступное лишь для
специалистов-систематиков).
Индекс сапробности. В качестве примера приведем индекс
сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека, один из наиболее
популярных в гидробиологии и принятый на вооружение в Гидрометслужбе
СССР и России:
S
 h * k  ,
h
где h - обилие каждого вида по 9-балльной шкале, k - сапробность
этого вида по 4-балльной шкале (приведена в специальных справочниках). В
качестве индикаторных видов могут использоваться организмы как бентоса,
так и планктона.
Индекс Гуднайта-Уитлея. Этот показатель вычисляется очень просто,
если имеются количественные данные по макробентосу. Он равен
отношению, в %, численности малощетинковых червей (олигохет) к
численности всего макробентоса. Считается, что доля олигохет тем больше,
чем сильнее загрязнена вода и дно (больше органических веществ). Индекс
удовлетворительно работает лишь на мягких грунтах (илах и песках), где
вообще могут жить олигохеты, и вообще очень чувствителен к типу грунта.
Метод и индекс Вудивисса.
Для биологического анализа загрязненных вод по составу донных
животных наиболее простым и достаточно удобным представляется метод
Вудивисса (1977), разработанный для р.Трент (Англия). Он основан на
уменьшении разнообразия фауны в условиях загрязнения и на характерной
последовательности исчезновения из водоема разных групп животных по
мере увеличения загрязнения. Этот метод предполагает сбор только
качественных проб, без учета обилия животных, и допускает определение
животных до уровня отрядов и семейств.
Таблица 1. Вычисление индекса Вудивисса.
Найденные группы
веснянки > 1 вида
1 вид
поденки > 1 вида
1 вид
ручейники > 1 вида
1 вид
бокоплав
водяной ослик
трубочник или
мотыль
виды с воздушным
дыханием
0-1
–
–
–
–
–
4
3
2
1
0
Всего найдено групп
2-5 6-10 11-15 >15
7
8
9
10
6
7
8
9
6
7
8
9
5
6
7
8
5
6
7
8
4
5
6
7
4
5
6
7
3
4
5
6
2
3
4
–
1
2
–
–
Список групп Вудивисса: планарии Tricladida (каждый вид),
малощетинковые черви Oligochaeta, пиявки Hirudinea, моллюски Mollusca,
высшие ракообразные Malacostraca, веснянки Plecoptera, поденки
Ephemeroptera, ручейники Trichoptera (каждое семейство), вислокрылка
Sialis, личинки хирономид Chironomidae, личинки мошек Simuliidae, прочие
личинки двукрылых Diptera, водные жуки Coleoptera, водные клопы
Heteroptera, водные клещи Hydracarina. Кроме того, отдельными группами
Вудивисс предложил считать олигохету Nais, поденку Baetis rhodani и
хирономиду Chironomus thummi; однако, определить эти таксоны для
неспециалиста затруднительно.
Значение индекса Вудивисса изменяется от 0 (наиболее загрязненная
вода) до 10 (вода высшего качества). Для вычисления индекса нужно в найти
подходящую строку в таблице 1 (двигаясь по ней сверху вниз – то есть
самую верхнюю из подходящих строк). Затем подсчитать общее число
найденных групп из прилагаемого списка и по правой части таблицы найти
значение индекса.
Например, в пробе не встречено личинок веснянок, но встречен 1 вид
личинок поденок. Значит, нас интересует 4-я сверху строка в таблице.
Допустим, кроме того в пробе найдены пиявки, улитки, водяной ослик, 2
семейства ручейников и хирономиды – всего (считая поденку) 7 групп.
Соответственно, индекс Вудивисса равен 6.
Общее число групп Вудивисса потенциально довольно велико (за счет
неограниченного числа видов планарий и большого числа семейств
ручейников. На практике, однако, число этих групп в пробе редко превышает
15. При невозможности определения семейств ручейников и видов планарий
можно считать отдельно каждую их новую форму (в частности, планарий
разных цветов и ручейников с разными типами домиков). Метод довольно
чувствителен к объему пробы (в общем случае рекомендуется выловить не
менее 50 животных, в противном случае значение индекса может быть
занижено).
Метод и индекс Вудивисса предназначен для рек, однако применяется
для оценки сапробности самых разных водоемов, для которых не
разработано более адекватных показателей. Следует учитывать: в стоячих
водоемах значение индекса ниже, чем в текучих, а на мягких грунтах (иле,
песке) в том же водоеме намного ниже, чем на камнях, корягах и
макрофитах. Индекс сравнительно неплохо отражает уровень сильных и
очень сильных загрязнений, но малочувствителен к слабым и средним
загрязениям, особенно на жестких грунтах. Так, для быстрой речки с
каменистым дном в Подмосковье индекс Вудивисса колеблется от 7 до 9
даже при значительных органических загрязнениях. Это связано, в первую
очередь, с наличием устойчивых к загрязнению видов даже среди личинок
веснянок (Nemoura cinerea, Nemurella pictetii) и поденок (Baetis vernus,
Heptagenia sulphurea).
Метод Николаева.
Для малых и средних рек Европейской России известна шкала и метод
оценки качества вод Николаева (1992). Он является, по сути, упрощенным
вариантом оценки сапробности по Пантле-Букку. Этод метод предполагает
сбор качественных данных со всех донных субстратов реки, и определение
беспозвоночных до родов или семейств. По Николаеву, речные воды делятся
на 6 классов по качеству (приблизительно соответствующие градациям
сапробности):
1 – очень чистые (ксеносапробные),
2 – чистые (олигосапробные),
3 – умеренно загрязненные (b-мезосапробные),
4 – загрязненные (a-мезосапробные),
5 –грязные (b-полисапробные),
6 – очень грязные (а-полисапробные).
Таблица 2. Определение классов качества вод по Николаеву.
Таксоны
Ручейник Rhyacophila
Веснянки, кроме Nemoura
Личинка мухи Atherix
Бокоплавы Gammarus
Губки
Беззубки (Anodonta, Pseudoanodonta)
Жаберные улитки
(Viviparus, Bithynia, Valvata)
Речные раки (Astacus, Pontastacus)
Ручейники: Neureclipsis, Molanna,
Brachycentrus
Стрекозы: Calopteryx, Plathycnemis
Поденки: Ephemera, Polymitarcys
Пиявки: Glossiphoniidae
Перловицы (Unio, Crassiana)
Водные клопы
Поденки: Heptageniidae
Вислокрылка Sialis
Мошки Simuliidae
Ручейники: Hydropsyche, Anabolia
Cтрекозы: Gomphidae
Пиявки: Erpobdella, Haemopis, Piscicola
Горошинки и шаровки (Pisidiidae)
Водяной ослик Asellus aquaticus
Трубочник (Tubificidae), в массе
Мотыль (Chironomus), в массе
Личинка мухи Eristalis (крыска)
Значимость каждого таксона
Классы качества вод
1
2
3
4
5
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
25
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
6
5
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
7
*
*
*
*
20
При оценке по методу Николаева нужно для каждого класса качества
вод в таблице 2 подсчитать число найденных таксонов; умножить его на
значимость таксона (последняя строка таблицы 2); выбрать класс качества
вод, набравший наибольшее число очков. Особняком стоит 6-й класс
качества вод, в котором макробентос не должен встречаться вообще (что и
является критерием принадлежности к этому классу).
Метод Николаева удовлетворительно работает для рек шириной 7-10 и
более метров (то есть кроме самых малых), для средних и сильных
загрязнений. К слабым загрязнениям он малочувствителен. Не
рекомендуется применять его и для стоячих водоемов, в которых
большинство использованных таксонов-индикаторов не встречаются
вообще.
Метод оценки загрязнения по литореофилам.
Специально для оценки низких уровней загрязнения ручьев и малых
рек с быстрым течением (шириной от 1 до 10 метров) средней полосы
Европейской России предлагается метод и индекс, впервые публикуемый в
настоящей работе. Он также предполагает сбор качественных данных по
макробентосу, причем с плотных субстратов (предпочтительно камней, в
худшем случае коряг и листового опада). Эти субстраты населяют
литореофилы – виды, наиболее требовательные к содержанию кислорода в
воде и чувствительные к заилению. Определение нужно вести до семейств
или родов. В качестве индикаторных таксонов используются личинки
насекомых (веснянок, поденок и ручейников) и некоторые пиявки.
Индикаторные таксоны разбиты на две группы (таблица 3): А
(чувствительные к загрязнению и недостатку кислорода) и В (устойчивые к
недостатку кислорода и увеличивающие обилие при органическом
загрязнении и заилении).
Таблица 3. Литореофилы - индикаторы загрязнения.
Чувствительные таксоны
Устойчивые таксоны
(группа А)
(группа B)
Веснянки: сем. Perlodidae
Веснянки: Nemoura (Nemuridae)
сем. Capniidae
Поденки: сем. Baetidae
сем. Leuctridae
cем. Caenidae
Heptagenia (Heptageniidae)
Поденки: Ecdyonurus (Heptageniidae)
Habrophlebia (Leptophlebidae)
Ручейники: cем. Leptoceridae
Hydropsyche (Hydropsychidae)
Ручейники: сем. Rhyacophilidae
сем. Goeridae
Neureclipsis (Polycentropodidae)
сем. Glossosomatidae
Limnephilus (Limnephilidae)
Polycentropus (Polycentropodidae) Пиявки: Erpobdella (Erpobdellidae)
Potamophylax (Limnephilidae)
сем. Glossiphoniidae
Для определения индекса нужно подсчитать в пробе число
чувствительных к загрязнению таксонов (А) и устойчивых (В).
Если A+В < 5, то проба либо собрана некачественно, либо не на
плотных субстратах, либо в речке с болотным питанием, либо загрязнение
очень велико (для работ с такими водоемами рекомендуется индекс
Вудивисса).
Если А+В =5 или больше, оцениваем А/В.
А/В равно 5 и более: водоем очень бедный органическим веществом
сам по себе, и без следов загрязнения человеком. В средней полосе такие
встречаются крайне редко.
3-5: водоем незагрязненный, несущий естественный “фон”
органического вещества. Таковы большинство быстрых речек и ручьев
средней полосы Европейской России в лесных массивах без населенных
пунктов.
2-3: водоем несет слабое, обычно косвенное антропогенное
загрязнение, или естественный “фон” органики повышен (вырубки в
окружающем лесу, частичное заболачивание долины, бобровые запруды и
т.п.).
1-2: налицо заметное, но не сильное антропогенное загрязнение.
0.5-1: загрязнение средней силы.
0-0.5: сильное загрязнение, с большой вероятностью имеет
промышленный характер; начиная с этого уровня рекомендуется
использовать другие меры загрязненности.
Соответствие различных показателей.
Поскольку все приведенные выше индексы и методы призваны
измерять одно и то же, их величины должны соответствовать друг другу, что
и показано в таблице 4. На практике, в силу сложности природы и
несовершенства любой из описанных методик, это соответствие наблюдается
далеко не всегда. Сравнивать оценки, полученные с помощью разных
методов, нужно с большой осторожностью.
Таблица 4. Соответствие различных индексов качества воды.
Класс вод по
Николаеву
Характеристика Индекс Индекс
Индекс
Индекс
сапробности
Пантле Гуднайта - Вудивисса* литорео- Букка Уитлея, %
филов
Ксеносапробные < 1.0
0-20
8-10
>3
1 – очень
чистые
2 – чистые
Олигосапробные 1-1.5
21-35
5-7
3 – умеренно b-мезосапробные 1.5-2.5
36-50
3-4
загрязненные
4–
а-мезосапробные 2.5-3.5
51-65
1-2
загрязненные
5 – грязные b-полисапробные 3.5-4.0
66-85
0-1
6 – очень
А> 4.0** 86-100**
0**
грязные
полисапробные
* - для мягких грунтов (для твердых существенно выше).
2-3
1-2
0-1
–
–
** - макробентос может отсутствовать вообще.
Методическая литература
Ганьшина Л.А., Горидченко Т.П. Методика оценки экологического
сосотояния водоемов по организмам макробентоса. М.: ЦСЮН, 1994.
Глаголев С.М., Харитонов Н.П., Чертопруд М.В., Ямпольский Л.Ю.
Летние школьные практики по пресноводной гидробиологии. Методическое
пособие. М.: Добросвет. 1999.
Макрушин А.В. Библиографический указатель по теме “Биологический
анализ качества вод” с приложением списка организмов-индикаторов
загрязнения. Л.: АН СССР. 1974.
Научные основы контроля качества поверхностных вод по
гидробиологическим показателям. Труды советско-английского семинара.
Л., Гидрометеоиздат. 1977.
Николаев С.Г., Соколова Н.Ю., Смирнова Л.А., Извекова Э.И., Елисеев
Д.А. Метод биологического анализа уровня загрязнения малых рек Тверской
области. М. 1992.
Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных
экосистем. Под ред. В.А. Абакумова. С.-Пб., Гидрометеоиздат. 1992.
Унифицированные методы исследования качества вод. Индикаторы
сапробности. М.: Секретариат СЭВ. 1977.
Определители беспозвоночных до родов и видов
Жизнь пресных вод СССР. Под ред. Е.Н. Павловского и В.И. Жадина.
Л.: АН СССР. Том 1 (1940), том 2 (1949).
Липин А.Н. Пресные воды и их жизнь. М.: Учпедгиз. 1950.
Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части
СССР. Л.: Гидрометеоиздат. 1977.
Определитель пресноводных беспозвоночных России. С.-Пб.: Зоол.
институт РАН. Том. 1 (1994), том 2 (1995), том 3 (1997), том 4 (1999), тома 5,
6 (готовятся к печати).