Исследование экологического класса качества воды

Биоиндикация

Вопрос сохранения чистоты воды сегодня волнует все человечество. Не случайно в Конституции РФ охране водных ресурсов посвящены отдельные статьи. Несмотря на это экологическое состояние наших водоёмов оставляет желать лучшего. В этом мы убедились в ходе проведения исследовательской работы «Экологическая экспертиза водных ресурсов нашей местности (деревни Богданово Сосновского района Нижегородской области)» в 2007г. Исследовав органолептические и химические параметры воды в 6 используемых жителями водоёмах, мы установили экологический класс качества каждого из них. Оказалось, что:

Экологическое состояние водных ресурсов нашей местности можно охарактеризовать как удовлетворительное. Большинству источников присвоен 1, 2, 3 класс качества и только сельский пруд отнесен к 4 классу качества.

Наметились тенденции ухудшения качества воды в колодце на ул. Овражная и в пруду в центре села, т. к. эти два водоема имеют общий источник и именно вокруг них располагаются большое количество «точечных» загрязнителей.

Но стоит отметить ряд недостатков проведённых нами исследований:

Качество воды оценивалось только на момент отбора пробы, что не давало полной информации о прошедшем состоянии водоёма.

Отсутствие специальных приборов и лаборатории ограничило возможность определения всех химических параметров воды, определяющих её качество.

Понятие «качество воды» подразумевает комплексную оценку, которая включает гидрохимические игидробиологические характеристики. С целью получения более точных данных об экологическом состоянии водоёмов мы решили провести биоиндикацию водоёмов местности.

Суть биоиндикации - исследовать водоём как среду для жизни, т. е. с помощью чувствительных обитателей пресных вод - гидробионтов. Данные окачестве воды, полученные при помощи биологических методов, можно соотнести софициально принятыми показателями: классами качества воды, уровнями сапробности. Это позволит нам сравнить данные, полученные в результате определения органолептических и химических параметров воды с результатами биоиндикации.

В связи с тем, что водоём представляет единую экосистему, мы определили цель и задачи биологического исследования:

Суть биоиндикации

История применения методов биоиндикации в исследованиях водоёмов доказала, что лучшими «приборами», оценивающими качество воды, являются сами водные обитатели. Конечно, эти «приборы» тоже неидеальны. Спомощью методов биоиндикации мыможем оценить только общий уровень загрязненности, нонеузнаем точных концентраций того или иного вещества. Но методы биоиндикации дают комплексную оценку качества воды, учитывают взаимодействие разных загрязняющих веществ имогут помочь нам втом случае, когда источник загрязнения имеет переменную мощность или непостоянный химический состав. Поэтому биоиндикация водоёмов с 1991 года была введена в Правила охраны поверхностных вод и стала обязательной составляющей процедурой оценки и контроля качества воды. 1

Методы биоиндикации применимы только к водоёмам, имеющим собственную биоту. Они учитывают реакцию на загрязнение целых сообществ водных организмов или же отдельных видов. Несмотря на то, что и естественные условия водоёмов, и виды загрязнений очень разнообразны, можно выделить несколько универсальных реакций сообществ водных организмов на ухудшение качества воды:

Уменьшение видового разнообразия.

Изменение обилия водных организмов.

Именно эти закономерности применяются во многих методиках

1Колбовский Е. Ю. Изучаем малые реки. - Ярославль: Академия развития, 2004 стр. 135 биоиндикации. К их числу относятся индексы видового разнообразия и методы, учитывающие соотношение обилия разных групп водных организмов. Кроме этого, часто учитывается степень эвтрофикации и сапробность определённых групп организмов обитать в водоёмах с тем или иным уровнем загрязнённости.

Одним изважнейших показателей является продуктивность (трофность) водной экосистемы, т. е. количество нового органического вещества, создаваемого экосистемой заединицу времени. Продуктивность зависит впервую очередь отфотосинтетической деятельности автотрофных организмов иразлична вразных водоемах.

Трофический уровень водной экосистемы сильно связан ссодержанием вводе биогенов— растворенных минеральных веществ, являющихся удобрением для водных растений. Кним относятся прежде всего соединения фосфора иазота. Уровень трофности водоема может изменяться при действии как природных, так иантропогенных (возникающих врезультате воздействия человека) факторов. Трофический уровень конкретного водоема можно определить повидовому составу иобилию тех гидробионтов, которые вэтом водоеме обитают. Сихпомощью можно определить качество воды иизменение трофического уровня водоема всвязи сувеличением концентрации биогенов при загрязнении.

Процесс повышения трофности водоёма называется эвтрофикацией.

Водоёмы, загрязнение органическими стоками, как и организмы, способные жить в них, называют сапробными (от греч. сапроб – гнилой). Сапробность— характеристика водоема, показывающая уровень его загрязненности органическими веществами ипродуктами ихраспада.

Как правило, высокие концентрации органических веществ вводоемах вызываются сбросом вних сточных вод бытового исельскохозяйственного происхождения. Под сапробностью какого-либо вида животных или растений понимают его способность обитать вводе ссоответствующим уровнем органического загрязнения (таблица 1).

Таблица 1

Степень сапробности Состояние водоема Класс качества воды

Олигосапробная зона Чистое 1-2

Бета-мезосапробная зона Умеренно загрязненное 3

Альфа-мезосапробная зона Загрязненное 4

Полисапробная зона Грязное, очень грязное 5-6

Таким образом, биологическое исследование отвечает на вопросы:

Какова степень загрязнения водоёма?

Каков характер загрязнения водоёма?

Как протекает процесс естественного самоочищения в водоёме?

Надо особо отметить то, что представители любой надвидовой систематической группы (рода, семейства, отряда) практически никогда не обладают одинаковыми экологическими потребностями. В состав таких групп могут входить совершенно разные с точки зрения отношения к загрязнению виды: устойчивые к загрязнителям, неустойчивые, виды-универсалы, способные жить в очень широком спектре внешних условий, и т. д.

Поэтому всякое заключение по результатам биологического исследования должно строиться лишь на основании совокупности всех имеющихся данных, а не на основании единичных находок тех или иных организмов.

Биоиндикаторы

Большую роль для результатов биоиндикации состояния водоёма играет выбор тех групп живых организмов, которые учитываются в исследовании. Дело в том, что водные сообщества очень разнообразны и включают в себя несколько крупных экологических группировок, реакции которых на загрязнения могут серьёзно различаться. Это экологические группы животных: зоопланктон, зообентос, перифитон, нектон; и растений: фитопланктон, фитобентос. Каждая группа организмов в качестве индикатора имеет свои преимущества и свои недостатки.

Так, сообщества планктонных организмов очень быстро реагируют на любые изменения её качества. Они представляют собой как бы «моментальный снимок» состояния водоёма. Но методы биоиндикации, основанные на реакциях планктонных сообществ, применимы прежде всего для озер, и только с большой осторожностью — для текущих водоёмов.

Кроме того, организмы фитопланктона (водоросли и сине-зелёные бактерии) не обладают достаточной чувствительностью к фекальному загрязнению и тяжёлым металлам. Зоопланктон, в свою очередь, слабо реагирует на изменения в водоёме концентрации соединений азота и фосфора.

Организмы бентоса менее динамично реагируют на быстрые изменения уровня загрязнённости. Зато, благодаря продолжительному жизненному циклу многих донных животных, их сообщества надёжно характеризуют изменения водной среды за длительные периоды времени.

Необходимо помнить, что в своём естественном состоянии различные природные водоёмы могут сильно отличаться друг от друга. На водную флору и фауну действуют такие показатели, как глубина водоёма, наличие и скорость течения, кислотность воды, мутность, температурный режим, количество растворенной органики, соединений азота и фосфора.

На все эти параметры влияет как антропогенная нагрузка, так и естественные процессы, происходящие в водоёмах. Значит, для водоёмов разных типов в норме будет характерен разный видовой состав и обилие гидробионтов. Более того, в водоёмах с наиболее чистой водой количество видов животных и растений и их обилие обычно ниже, чем в тех водоёмах, где органические вещества, соединения азота и фосфора присутствуют в умеренных концентрациях. Для многих водных организмов умеренный уровень загрязнения является оптимальным состоянием среды обитания. Существуют также «виды-универсалы», обладающие высокой экологической пластичностью и способные переносить значительные колебания степени загрязнённости водоёма. Понятно, что такие виды не представляют интереса для биоиндикации. Из этого следует, что:

для оценки состояния воды при помощи биологических объектов необходимо выбирать надёжный, проверенный метод, подходящий для данного типа водоёма и поставленных задач;

нужно чётко придерживаться методики отбора и обработки проб;

все биологические закономерности являются статистическими. Поэтому объём используемого материала должен быть достаточно велик.

Растения - биоиндикаторы водоёмов

Состояние растительных сообществ, их видовой состав служат точными показателями степени загрязнения речных вод. Богатство видового состава биоты водоемов изменяется от 15-25 видов для условно чистых вод, 7-14 для умеренно загрязненных и до 2-6 видов для сильно загрязненных участков рек. Единственным устойчивым к очень сильному загрязнению видом является рдест гребенчатый, сообщества которого встречаются в водоемах даже в пределах городской черты. Более или менее терпимы к загрязнению ежеголовники, рдест курчавый, камыш озерный.

Есть виды, растущие только в чистых или почти чистых водоемах,- такова кувшинка чисто-белая. Ее близкая родствиница, кувшинка желтая, может встречатся в заметно загрязненных, например животноводческими стоками, водоемах. Наличие в водоёме элодеи канадской часто свидетельствует о средней степени эвтрофикации. Хорошим биоиндикатором является водоросль Ностак сливовидный. Наличие этого вида говорит о чистой воде.

Бурное развитие других сине-зелёных водорослей, например, осциллятории – хороший индикатор загрязнения воды органическими соединениями. Растительные сообщества могут выступать как в роли индикаторов различных воздействий, так и в качестве своеобразного инструмента, правильное использование которого позволяет коренным образом изменить всю экологическую ситуацию в водоеме.

Прибрежное обрастание - естественная самозащита водоёма.

Во-первых, при токе вод через заросли полуводных и полностью погруженных растений происходит процесс фильтрации потока от минеральных и органических взвесей, волокон, суспензий, эмульсий.

Во-вторых, растения в процессе фотосинтеза обогащают толщу речной воды кислородом.

В-третьих, крупные водные растения, затеняя поверхность воды и поглощая биогенные вещества и другие минеральные соли, явдяются мощными антагонистом сине-зеленых водорослей, подавляют их развитие и этим устраняют или замедляют цветение воды.

В-четвертых, водные растения выделяют во внешнюю среду вещества типа фитонцидов и антибиотиков, таким образом, в зарослях высших водных растений наблюдается обеззараживание, то есть частичная или полная стерилизация воды.

В-пятых, группировки водных растений способы до известной степени укреплять берега от боковой эрозии. 1

Лучший индикатор опасных загрязнений – прибрежное обрастание, располагающиеся на поверхности предметом у кромки воды. В чистых

1Колбовский Е. Ю. Изучаем малые реки. - Ярославль: Академия развития, 2004 стр. 173 водоёмах эти обрастания ярко-зелёного цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязнения водоёмов характеры белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зелёный цвет, так как состоят в основном из сине-зелёных водорослей.

Животные – биоиндикаторы водоёмов

Одним из самых надёжных индикаторов состояния водоёма в целом и, прежде всего, качества воды является макрозообентос. Население бентоса достаточно избирательно в отношении условий обитания. Про водных беспозвоночных говорят, что они стенобионтны, то есть могут существовать в довольно узком диапазоне условий. Именно низкая выносливость к действию факторов окружающей среды делает их надежными индикаторами этих самых факторов. Животные бентоса относительно малоподвижны и привязаны к определенным местообитаниям и субстратам в водоёме, поэтому при возрастании степени загрязнения воды те или иные виды исчезают из водоёма.

Чем большее число особей индикаторных видов обнаружено в пробах, тем чище водоём; единичные особи индикаторных видов свидетельствуют об ухудшении условий жизни. Экологически чистые водоёмы заселяют многочисленные личинки веснянок и подёнок. В их питании преобладают черви, мелкие насекомые и ракообразные. Вместе с веснянками и подёнками в таких водоёмов обитает большое количество беспозвоночных – личинки стрекоз, жуков-плавунцов, комаров-звонцов, водомерки, водяные пауки и скорпионы. При нарастающем загрязнении исчезают сначала веснянки, за ними подёнки и ручейники, затем сокращаются по численности группировки других организмов. Самые грязные водоёмы населяют лишь кольчатые черви, личинки ильных мух и тендипедид. Мотыль и трубочник образует огромное скопление в иле сильно загрязнённых рек, последний в незначительных количествах встречаются также на песчаных и каменных грунтах чистых рек.

Биоиндикация качества воды в речке Кишма и прудах деревни Богданово Сосновского района

В 2007 году нами была проведена экологическая экспертиза водных ресурсов нашей местности. В 6 водоемах были исследованы органолептические и химические параметры воды, на основании чего им был присвоен экологический класс качества. Т. к. качество воды оценивалось только не момент отбора пробы, то мы решили провести дополнительное исследование воды методом биоиндикации. Проанализировав известные методы биоиндиндикации, мы выделили наиболее оптимальные для исследования водоёмов нашего типа (пруды и речка): исследование видового состава гидрофлоры, методика Майера, методика Гуднайта и Уотлея, определение сапробности с помощью биоиндикаторов-моллюсков, определение чистоты и самоочищающей способности методом автографии на бумаге.

В связи с тем, что жители деревни регулярно пользуются колодцами, изучение их макрозообентоса становится затруднительными. Поэтому нами были определены 3 источника для биологического исследования: пруд в центре деревни, пруд за деревней, участок речки Кишмы.

Объект исследования – водоёмы местности.

Предмет исследования - гидрофауна и гидрофлора исследуемых водоёмов.

Исследование гидрофлоры

Исследование прибрежных водных растений проводилось 24-27 июля 2008г. на основе изучения их видового состава . Полученные данные занесены в таблицу 2.

Гидрофлора изучаемых водоёмов.

Таблица 2

Водоемы растения общее

Пруд в центре деревни Осока острая, гравилат речной, таволга вязолистная, осока водная, таволга вязолистная , вех

ядовитый, ряска малая, пушица влагалищная. 8

Пруд за деревней Ситных развесистый, осока пузырчатая, двукисточник тростниковидный, гравилат речной, таволга

вязолистная, ежеголовка прямая, вех ядовитый, хвощ приречной, элодея канадская. 9

Участок реки Кишмы Осока водная, осока острая, аир обыкновенный, рогоз широколистный, камыш озерный, вех

ядовитый, незабудка, ряска малая, калужница болотная, водяная сосенка, ситник развесистый. 11

Общее количество водных растений в соответствии с таблицей 2 (см. 1. 3) показывает, что все водоемы относятся к умеренно загрязненным. В пруду 1 не выявлено преобладающего вида. В пруду 2 обнаружены повсеместные заросли элодеи канадской, что свидетельствует о средней степени эфтрофикации. На участке речки Кишмы преобладают прибрежные заросли осоки водной.

Несмотря на то, что все водоёмы отнесены к умеренно загрязнённым, участок реки Кишмы представлен наибольшим количеством видов растений с густыми прибрежными зарослями, что является естественной самозащитой от загрязнения.

Исследование гидрофоны

Исследование проводились 28 июля – 1 августа. Для сбора индикаторных организмов нам понадобились скребок и трал (сачок) с мелкой синтетической сеткой.

С помощью скребка мы собирались с коряг, стеблей растений мостковых опор прицепившихся к ним животных. Тралом были взяты пробы грунта. Площадь исследуемых водоёмов небольшая:

S пруда 1 = 1060м2

S пруда 2 = 1420м2

S участка реки Кишма = 812м2

В связи с этим количество проб равнялось 6: из них по 4 вдоль берегов и по 2 на середине. (Приложение 6).

Отобранные тралом и скребком пробы грунта были промыты с помощью сита. После этого пойманные животные были помещены в кювету для выборки (Приложение 7). Полученные результаты исследования занесены в таблицу 3.

Гидрофауна изучаемых водоёмов.

Таблица 3

Пруд 1 Пруд 2 Участок реки Кишмы

Личинки ручейников, личинки стрекоз Личинки стрекоз, личинка иловой мхи, пеструшка, Личинки ручейник, личинки стрекоз, личинка комаров-долгоножек, личинки стрекоз, чехлик лимнофилуса, личинка високрылки, моллюскивислокрылки, пиявки, малощетинковые черви, малощетинковые черви, моллюски-катушки, личинки катушки, прудовики шаровка, малощетинковые прудовики, личинки комаров-долгоножек.

мошки. черви.

Согласно методики Майера (Приложение 8) проводим расчёт: пруд 1: (1х3) + (3х2) + (2х1) = =11(третий класс качества); пруд 2: (1х3) + (2х2) + (3х1) = 10 (четвёртый класс качества);

Кишма: (2х3) + (2х2) + (3х1) =13 (третий класс качества)

3 класс качества – бета-мезасапробная степень

4 класс качества – альфа-мезасапробная степень

Одновременно с классом качества воды была определена степень сапробности, которую мы так же определили с помощью биоиндикаторов – моллюсков (Приложение 9). Согласно этой методике пруд 2 и участок реки Кишма можно определить как бета-мезосапробные, так как: пруд 2 представлен моллюсками-обитателями водоёмов альфа-мезосопробной, бета-мезасапробной и олигосапробной степеням.

В Кишме обнаружены прудовик – представитель водоёма бета-мезасапробной степени.

В пруду 1 найдена роговая шаровка – представитель водоёма альфа-мезосапродной степени.

Сопоставим результаты этого исследования с результатами методики Майера в таблице 4.

Таблица 4

Водоём Уровень сапробности, Метод Майера

Пруд 1 Альфа-мезосапробная Бета-мезосапробная

Пруд 2 Бета-мезосапробная Альфа-мезосапробная

Кишма Бета-мезосапробная Бета-мезосапробная

Из данных таблицы 4 видно, что только Кишма в обеих методиках отнесена к одному уровню сапробности.

Сапробность означает гниение т. е. распад, а вот торфность является процессом образования органических веществ, т. к. в природе оба процесса – органический распад и синтез – идут параллельно, то можно говорить об аналогии их степеней. Таким образом продолжим наше исследование определением степени эфтрофикации с помощью индекса Гуднайта и Уотлея.

О средней степени эвтрофикации этого водоёма говорят так же и повсеместные заросли элодеи канадской (Приложение 11)

Кишма = 24/62х100 = 38 слабая степень – благополучное состояние.

Согласно получению результатам пруд 1 и пруд 2 являются сомнительно загрязненными. Что соответствует бета-мезосапробной степени.

Т. к все водоемы в той или иной степени оказались загрязненными, то мы решили проверить их самоочищающую способность методом автографии на фотобумаге (Приложение 12, 13). Интенсивность окрашивания фотобумаги в соответствии с методикой показала:

Проба из пруда 1 и Кишмы имеет коричневый цвет с белыми пятнами, что соотносится с 3 классом качества воды (слабо загрязненная).

Проба из пруда 2 серая с коричневыми пятнами, что соотносится с 4 классом качества воды (заметно загрязненная).

Сведем все полученные данные в общую таблицу 5.

Соотнесение экологических классов и степеней водоемов, определенных методами биоиндикации.

Таблица 5

Водо Исследование гидрофлоры Метод Майера Определение сапробности с помощью Метод Гуднайта-УотлеяМетод автографии

ём биоиндикаторов-моллюсков

Умеренно загрязнённая Умерен Сомни Умеренно загрязнён но загрязнённая Загрязнённая тельно загрязненная ная

Умеренно загрязнённая Умеренно загрязнённая Сомни

Загрязнённая тельно загрязненная Загрязнён ная

Кишма Умеренно загрязнённая Умерен Умеренно загрязнённая Сомни Умеренно загрязнён но загрязнённая тельно загрязненная ная

Т. О. проведённое исследование методами биоиндикации позволяет нам сделать следующие выводы:

Сопоставим полученные результаты с результатами исследования органолептических и химических параметров 2007 года в таблице 6.

Сопоставление экологических классов качества воды на 2007-2008гг.

Таблица 6

Водоём 2007г 2008г

Пруд 1 4 3

Пруд 2 3 4

Кишма 2 2

Несоответствие экологического класса качества воды в прудах в 2007 и

2008 гг может говорить о следующем:

Использование только физико-химических методов в оценке качества воды может дать неверные результаты.

В связи с постоянно меняющимися экологическими условиями и степенью антропогенной нагрузки класс качества воды в течение года может изменятся.

В наше время подобные изменения чаще происходят в худшую сторону. Но улучшение экологического состояния пруда 1 можно объяснить следующим фактором. Наибольшее загрязнение водоём получал от точечных загрязнений и споласкивания в нём белья. Именно год-полтора назад практически все жители стали пользоваться стиральными машинами-автоматами, вследствие чего значительно уменьшилось химическое загрязнение пруда 1.

В этом случае научно-технический прогресс послужил на благо природе. Мусорные свалки так же были частично ликвидированы.

Проведённое исследование методом биоиндикации позволяет глубже взглянуть в природные процессы, и только в совокупности всех методов изучения: органолептических и химических исследований, биоиндикации - можно получить достоверные сведения об экологическом состоянии водоёмов.

Каждая водная экосистема по-своему интересна уникальна. Экологическая оценка водоема предполагает длительный мониторинг, позволяющий получить ряд наблюдений, необходимый при статистической обработке информации. Эта работа требует значительного времени и усилий. Мы определили свой комплексный подход в изучении водоемов местности. Целесообразно совместить органолептические, химические методы анализа качества воды с биоиндикацией. Это позволит, не обладая дорогостоящим оборудованием, провести экспресс оценку состояния ближайших водоемов, используя при этом только собственные руки, приложив труд и наблюдательность.

Познакомившись не на словах, а на деле с загадочным водным миром, в экологической оценке качества воды, мы оцениваем свое отношение к природе с обратной пропорциональностью: 4-5 класс качества воды оценивает наши действия по отношению к природе на «2». Понимаешь это, только реально столкнувшись с угрозой лишиться жизненно необходимого богатства - воды.

Наше первое исследование имело свой положительный результат: практически прекратилось замусоривание деревенского пруда. Значит, даже одному под силу изменить мир к лучшему. Мы нашли к этому свой путь: исследование состояния местных водоемов и информационная практическая деятельность по сохранению нашего богатства - чистой воды.