Биомониторинг водоёмов по состоянию низших водных растений Республики Беларуси

Данная работа состоит из нескольких глав, таких как: фитопланктон, реки и озера Беларуси, проблемы загрязнения рек и озер Беларуси, общая характеристика растительности водоемов, Альгофлора рек, озер и болот Беларуси.

Цель этой работы заключается в том, чтобы изучить водоросли и их наличие в загрязненных водах Беларуси, а также проблемы загрязнения вод и т.д.

Низшие растения (талломные, или слоевищные) – это растения, тело которых не подразделено на органы и ткани; оно может быть одноклеточным, колониальным или многоклеточным. Органы полового размножения (оогоний и антеридий) и спорангии – одноклеточные. К таким растениям относят водоросли и лишайники.

Водоросли – один из древнейших организмов, населяющих нашу планету. Пожалуй, только бактерии могут поспорить с ними в древности происхождения и длительности существования. В прошлые геологические эпохи, как и в настоящее время, водоросли населяли океаны, реки, озёра и другие водоёмы. Обогатив атмосферу кислородом, они вызвали к жизни разнообразный мир животных и способствовали развитию аэробных бактерий; они явились родоначальниками растений, заселивших сушу, и, как это неудивительно, создали мощные толщи горных пород.

Приспособленность водорослей к жизни при самых разнообразных внешних условиях обусловливает повсеместную их распространённость. В воде и на суше, в снегу, льдах и горячих источниках, по всему земному шару – от просторов Северного Ледовитого океана и его островов до тропиков и от тропиков до снегов и скал Антарктиды, от морских глубин до высоких гор – всюду мы находим водоросли. Микроскопические размеры и исключительная жизнестойкость их зачатков способствуют переносу их на большие расстояния. Морские течения разносят их по морям и океанам, реки – с одного участка континента на другой. Такую же роль выполняют и рыбы, особенно проходные, совершающие длинные пути для нереста: обнаружено, что некоторые планктонные водоросли нередко застревают у них в жабрах. Выброшенные из воды на берег и высохшие, подхваченные вместе с илом и пылью с поверхности скал и почвы, водоросли разносятся по воздуху ветром и птицами, звери переносят их с одного места водопоя на другое и т.д. Пути и способы распространения водорослей исключительно многообразны и полностью обеспечивают повсеместное их занесение.

Кроме приуроченности разных видов водорослей к тем или иным экологическим нишам, существуют определённые закономерности и в географическом их размещении по земному шару, связанные с общим комплексом внешних условий, меняющихся от географического положения.

Фитопланктон

Животные и растения, обитающие в водоемах, в результате обмена веществ оказывают сильное влияние на состояние водоема и свойств воды.

Фитопланктон наиболее распространенная и хорошо изученная из всех экологических групп водорослей. Состав фитопланктона имеет большую видовую насыщенность. Анализ видового состава, обилия и количественного развития видов фитопланктона входят во все программы экологического мониторинга водоемов.

Изучение фитопланктона водоемов производится путем сбора проб на установленных станциях.

Для определения видового состава фитопланктона из пробы на предметное стекло наносится капля материала, закрывается покровным стеклом и анализируется под микроскопом. Идентификация видов осуществляется с помощью определителя.

Сине-зеленые водоросли - прокариотические организмы, встречаются повсеместно и могут обитать в таких экстремальных биотопах, как горячие источники и каменистые пустыни. Некоторые виды сине-зеленых водорослей могут вызвать токсичное "цветение" в эвтрофированных местообитаниях, представляющие опасность для человека и домашнего скота.

Диатомовые водоросли - микроскопические организмы, встречаются во всех видах вод. Образуют основную массу состава продуцентов в водоеме, они являются началом пищевой цепи. Их поедают беспозвоночные животные, некоторые рыбы и молодь. Массовое развитие некоторых диатомовых водорослей может иметь и отрицательные последствия (влияют на качество воды, вызывают гибель личинок рыб, забивая им жабры). Многие диатомеи можно использовать как индикаторы качества воды водоема.

Зеленые водоросли - один из самых обширных отделов водорослей, в котором имеются все известные у водорослей структуры, кроме амебоидной и тканевой.

Эвгленовые водоросли - распространены исключительно в пресных водоемах, богаты органическими веществами, в клетках содержит многочисленные кроваво-красные гранулы. При массовом развитии эти виды образуют на поверхности воды налет: красный - на солнечном свету, зеленый в тени или после захода солнца, некоторые виды вызывают "цветение" воды, окрашивая ее в коричневый цвет.

Золотистые водоросли - преимущественно пресноводные водоросли, чаще всего встречаются в чистых водоемах. Обычно они развиваются в холодное время года.

Криптофитовые водоросли - наиболее обширные порядок криптомонодальные включает водоросли, распространенные в пресных водах и морях. Среди бесцветных криптомонадовых наиболее известен часто встречающийся в загнивающей воде род Хиломонас.

Динофитовые водоросли - существуют в пресных водах и в морях. Среди них существуют паразиты которые уничтожают личинок устриц, есть виды вырабатывающие яд, смертельный для рыб. Кроме, того разлагаясь после своего массового развития, так называемых "красных приливов" , они могут отравлять воду на многие километры вредными продуктами распада, взывая замор рыбы и других водных животных.

Желто-зеленые водоросли - большинство видов пресноводные, широко распространены в различных местообитаниях.

Реки и озера Беларуси

Природный растительный покров Беларуси занимает около 70 % территории республики. Насчитывается около 11,5 тысяч видов растений, из них около 2,1 тысячи высших растений (цветковых) и более 9 тысяч низших (водорослей, мхов, лишайников). На национальном уровне охраняется более 130 редких реликтовых видов растений, включенных в Красную книгу Республики Беларусь.

По территории Беларуси протекает более 20,8 тыс. рек и ручьёв, находится более 10 тыс. озер, 150 водохранилищ.

Главными реками Белоруссии являются Днепр и его притоки (Припять, Сож и Березина), Западная Двина, Неман и Буг (Западный Буг). Эти реки объединены Днепровско-Бугским, Березинским и другими каналами.

Крупнейшие из озёр находятся на севере: Нарочь (площадью 80 кв. км) и Освейское озеро (53 кв. км). Полесье (юг Белоруссии) представляет собой крупнейший в Европе район болот и заболоченных земель - только Припятские болота занимают площадь около 39 тыс. кв. км.

Самые длинные реки

Крупнейшие озера

Проблемы загрязнения рек и озер Беларуси

Реки издавна являлись объектом человеческого внимания и выполняли функции транспортных путей, орошения, рекреации. Берега рек часто использовались для сброса сточных вод, размещения промышленных отходов, поймы и прилегают к ним земли – для интенсивного сельского и домашнего хозяйства, разработки полезных ископаемых, лесоводства. Вся эта деятельность вызывает загрязнение речных вод.

Основные объемы сточных вод, имеющих в своём составе загрязняющие вещества, приходятся на сферу жилищно-коммунального хозяйства и, как правило, составляют около 60 % от общего объёма. Доля объёмов сточных вод промышленности в основном составляет 27 – 28%, на сельское хозяйство приходится около 12 – 14%.

Общее количество разнообразных промышленных стоков, сбрасываемых в водоёмы и на поверхность Земли, оценивается специалистами в 160 км³/год. При этом загрязняются около 2 тыс. км³ чистой природной воды. Вследствие этого гидросфера теряет темпы самоочищения.

К наиболее загрязненным относятся стоки нефтеперерабатывающей, химической, текстильной, целлюлозно - бумажной, горнодобывающей промышленности, сельскохозяйственных предприятий, атомных электростанций. Активными загрязнителями являются водный транспорт и лесосплав. Существенное значение имеет и загрязнение природных вод подогретыми водами, так называемое «тепловое» загрязнение воды. При нагреве воды до 30 ^оС обедняется видовой состав флоры и фауны в водоеме и уменьшается его продуктивность.

Очень токсичны и устойчивы к процессам биологического разложения детергенты, т. е. пенообразующие моющие синтетические поверхностно – активные вещества (СПАВ) и синтетические моющие средства (СМС) . В водоёмы попадает 50 -60% их из отходов текстильной, меховой, кожевенной промышленности, а также из бытовых и коммунальных сточных вод. При концентрации детергентов в воде 1 – 3 мг/л гибнет планктон и мелкие ракообразные, при 5 – происходит замор рыбы, при 10 – 25 мг/л гибнет водная флора.

Все загрязняющие вещества изменяют физические свойства воды, её химический состав, способствуют появлению новых бактерий и других загрязнителей, пагубно влияют на животный и растительный мир.

Водная эвтрофикация связана в основном с попаданием в водотоки и водоёмы фосфора и азота. Атмосферные осадки, содержащие азотные соединения, также могут оказывать воздействие на прибрежные воды.

В местах, где не осуществляется сбор и очистка вод, наблюдается прямое поступление фосфатов в водоёмы.

Пресноводная эвтрофикация в значительной степени влияет на развитие растительности. Увеличение биомассы приводит к истощению кислорода в воде в результате процессов разложения погибших организмов, а также вызывает снижение поступления света в водной среде, что сказывается на развитии водных растений. В свою очередь, ядовитые продукты, выделяемые некоторыми видами водорослей, недостаток кислорода в воде отрицательно влияет на популяции рыб и качество питьевой воды.

В результате антропогенного воздействия на реки и водоёмы отмечается повышение концентрации минерального азота, фосфора и других химических элементов в воде. Этому способствует вспашка земель в поймах рек, невыполнение природоохранных требований при применении химических препаратов и удобрений. Большой вред санитарному состоянию рек (особенно мелких) наносят сточные воды предприятий и организаций, городов. Загрязнённые стоки, которые прошли только механическую очистку без биологической, сбрасываются в объёме 63 млн. м³ в год. Неблагоприятная ситуация сложилась на реках Вилия, Муховец, Сож, Неман, Березина, Днепр, Западная Двина в районах промышленных городов. Очень высокая загрязненность воды в реке Свислочь. До 50% проб воды в последние годы содержат патогенные микроорганизмы и вирусы.

В реку Западная Двина сбрасываются сточные воды предприятиями Витебска, Полоцка, Новополоцка, Верхнедвинска, Суража, что обусловило высокий уровень загрязнения её азотом нитритным, нефтепродуктами, соединениями меди, никеля, фенолов. В реку Днепр на территории республики сбрасывается около 65 тыс.м³/сут. сточных вод. Максимальные концентрации загрязняющих веществ в речной воде зарегистрированы в Орше, Шклове, Могилеве, Быхове, Речице, Лоеве. Загрязнены различными химическими веществами Солигорское, Заславское водохранилища, Лукомльское озеро.

В самом большом озере – Нарочь также обнаружены загрязняющие вещества. Максимальные концентрации аммонийного азота составили 4 ПДК, соединений меди – 7, нефтепродуктов – 3,5 ПДК.

В результате попадания биогенных элементов идут процессы эвтрофикации, разрастаются синезеленые водоросли. Более 20% озерного фонда заглеено почти полностью. Такие озера, как Червонное, Вечер, Судоболь, Асвейское, Мотольское, теряют свое рыбохозяйственное значение. Химический состав воды в р. Припять заметно изменился. Увеличилось содержание ионов калия и натрия (в 3 – 4 раза), сульфатов, хлоридов (в 3 раза), нитратов, нитритов (в 4 раза). Растут показатели биохимического потребления кислорода, характеризующие степень загрязнения вод органическими примесями. Одновременно происходит и загрязнение подводных вод. В зоне размещения промышленных предприятий обнаружены изменения химического состава воды.

Весьма значительно как по площади проявления, так и по длительности взаимодействия на окружающую среду радиоактивное загрязнение значительной части территории Беларуси. Которое сформировалось в результате аварии на Черобыльской АЭС. При этом в атмосферу было выброшено 50 МКи активности (без радиоактивных газов), 70% которых выпало на территории Беларуси. В аварийном выбросе ЧАЭС фиксировалось присутствие нескольких десятков радионуклидов, главным образом короткоживущих. Максимальные уровни радиоактивного загрязнения поверхностных вод наблюдались в первые недели после аварии. Они обуславливались в основном выпадением загрязнённых аэрозолей и пылевых частиц непосредственно на водную поверхность.

Радиоактивному воздействию подверглись рыбы, водоросли, моллюски, в основном за счет загрязнения воды и донных отложений. В последующие годы основным источником поступления радионуклидов в реки явился смыв их поверхностным стоком. Горизонтальная миграция радиоактивного загрязнения также приводит к формированию вторичного загрязнения в понижениях местности и поймах рек.

Хорошим биоиндикатором является водоросль Ностак сливовидный. Наличие этого вида говорит о чистой воде. Первый признак тревоги - измельчение и нарушение правильной округлой формы изумрудных "шаров" этой водоросли.

Бурное развитие других сине-зеленых водорослей, например, осциллятории - хороший индикатор опасного загрязнения воды органическими соединениями.

Лучший индикатор опасных загрязнений - прибрежное обрастание, располагающееся на поверхностных предметах у кромки воды. В чистых водоемах эти обрастания ярко-зеленого цвета или имеют буроватый оттенок. Для загрязненных водоемов характерны белые хлопьевидные образования. При избытке в воде органических веществ и повышения общей минерализации обрастания приобретают сине-зеленый цвет, так как состоят в основном из сине-зеленых водорослей. При плохой с избытками сернистых соединений могут сопровождаться хлопьевидными налетами нитчатых серобактерий - теотриксов.

Общая характеристика растительности водоемов

Водоёмы служат средой обитания многочисленных и разнообразных животных и растений, существующих в условиях тесной зависимости как от внешней среды, так и друг от друга. В свою очередь жизнедеятельность живых организмов оказывает активное влияние на формирование водной экосистемы в целом.

По характеру обмена веществ обитатели водоёмов делятся на две группы: продуценты (автотрофные организмы) и консументы (гетеротрофные организмы). Первые способны синтезировать органическое вещество в процессе фотосинтеза. Это - зеленые растения. К гетеротрофным организмам, питающимся готовым органическим веществом (живым или мертвым), относятся все животные и большинство бактерий, лишенных пигмента.

Жизнедеятельность продуцентов связана с потреблением углекислоты, минеральных и биогенных элементов при условии солнечного освещения и приводит к выделению кислорода и накоплению органического вещества. Жизнь и развитие гетеротрофов требуют потребления кислорода и органического вещества и выражаются в накоплении в воде углекислоты и минеральных соединений азота и фосфора. Качественные и количественные соотношения этих двух основных физиологических групп организмов придают водоемам специфические черты.

Озерные организмы различаются и по характеру обитания, образуя несколько экологических группировок: планктон, бентос, нектон.

Планктонные организмы, преимущественно микроскопические, живут в верхних слоях воды, находясь в ней как бы во взвешенном состоянии и образуя крупные, заметные простым глазом колонии, нередко вызывают "цветение" воды.  Растительный планктон — фитопланктон является источником питания всех живых организмов, образуя первое звено общей пищевой цепи водоемов. В озерах Белоруссии обнаружено более 500 видов фитопланктонных водорослей. По количеству первое место занимают протококковые (128), затем идут диатомовые (ПО), сине-зеленые (100), десмидиевые, пирофитовые, золотистые, эвгленовые, вольвоксовые, желто-зеленые. Из них 29 видов относятся к доминирующим; в отдельных водоемах найдены реликтовые представители. В количественном и качественном содержании фитопланктон обнаруживает закономерные сезонные изменения, а также зависимость от внутренних особенностей водоема. Первые выражаются в резком увеличении биомассы фитопланктона, "цветении" в летний период при максимальных температурах воды.

Наиболее богата и разнообразна альгофлора в неглубоких и мелководных, хорошо прогретых и перемешиваемых озерах со средней и слегка повышенной минерализацией. Это высоко - и среднеэвтрофные озера. Средняя величина биомасса фитопланктона в них больше 7 г\мз. При этом характерно разнообразие видов. В эвтрофных озерах чаще всего доминируют сине-зеленые водоросли.

В долее глубоких слабоэвтрофных озерах средняя биомасса фитопланктона около 6 г\мЗ; при большом разнообразии господствующее положение продолжают занимать сине-зеленые, но все большую роль играют пирофитовые и диатомовые. Наибольшее распространение получили представители родов: Melosira, Cyclotella, Fragillaria, Oscillatoria Scenedesmus, Oocystis

Для глубоких, чистых мезотрофных озер при резком сокращении средней биомассы характерно разнообразие видового состава. Господствуют в них нередко диатомовые и пирофитовые. Появление сине-зеленых здесь, как правило, связано с усилением поступления биогенных элементов в результате хозяйственной деятельности. Очень низкий показатель фитопланктона характеризует озера с пониженной минерализацией воды и с болотным питанием.

Альгофлора рек, озер и болот Беларуси

Сбор альгологического материала в реке Днепр и её притоках проводился на пограничном участке Днепра (граница Беларуси и Украины). По данным, полученным во время камеральной обработки собранных материалов, осенняя альгофлора этого участка Днепра, а также его левого притока, р. Старик, и некоторых заливов насчитывает 265 видов и разновидностей водорослей из 7 отделов: Cyanophita – 39, Dinophyta - 2, Crysophyta – 11, Xanthophyta – 15, Bacillariophyta – 116, Chlorophyta – 62, Euglenophyta-20. Первое место по числу видов занимают диатомовые водоросли, что является типичным для альгофлоры рек. Среди 37 определённых родов наиболее разнообразно представлены Gomphonema Ag.(37 видов и разновидностей), Navicula Bory(11), Nitzchia Hass.(10), Eunotia Ehr.(8), Synegra Ehr.(7 видов и разновидностей). Большинство диатомовых водорослей встречались в незначительном количестве, лишь некоторые представители – Frsgilaria vaucheriae (KVtz.) Boyl. - P.,Cocconeis euglipta Ehr. достигли массового развития (ЧВ равна 4 баллам).

Второе место по числу видов занимают зелёные водоросли. Распределение видов по классам выглядит так: Chlorophyceae - 46 видов и разновидностей, Zygnematophyceae - 16 видов. Самым многочисленным выявился Scenedesmus Meyen (16 видов и разновидностей), однако виды сценедесмуса, как и большенство Chlorophyceae, встречались единично. Массового развития достигли лишь 2 вида – Rhizoclonium hieroglyphicum (Ag) KVtz. u Mougeotia sp. (ЧВ равна 5 баллам).

Сине-зелёные водоросли представлены 39 видами и разновидностями из 19 родов. Наиболее разнообразны – Оscillatoria Vauch. (7 видов и разновидностей ), Lyngbya Ag., Mikrocistis (Kǘtz) Elenk., Phormidium Kǘtz (по 5). Такие виды, как Phormidium ambiguum Gom., Ph. tenue (Menegh.) Gom. jтмечены с высокой ЧВ ( 4 балла).

Euglenophyta представлены 20 видами из 5 родов : Phacus Duj(8),Euglena Ehr.(4), Trachelomonas Ehr. (3), Lepocinclis Perty (2), Astasia Ehr. emend. Duj (1). Чаще всего эвгленовые встречались в неглубоких местах с медленным течением. Другие отделы водорослей насчитывают незначительное число видов: желто-зеленые - 13, золотистые - 11, динофитовые представлены всего двумя видами – Peridinium cinctum ( O. F. M.) Ehr. u P. aciculiferum Lemm.

На исследуемом участке р.Припять в пробах фитопланктона было обнаружено 42 таксона водорослей из 8 групп. Наиболее широко представлены диатомовые – 15 видов и зеленые – 15 видов, которые преобладали как по числу видов, так и по показателям количественного развития. Кроме того в пробах встречались синезеленые – 4 вида, пирофитовые и хризофитовые водоросли по 3 вида, эвгленовые 2 вида.

Проанализировав количественные, качественные характеристики и видовое разнообразие фитопланктона можно отметить:

­ От верхней станции к нижней возрастает количество таксономических групп водорослей и общее число видов в пробах (обычно в лентических (малопроточные воды) условиях жизнедеятельности альгофлора богаче и разнообразнее, чем в лотических (проточные воды).

­ Общая численность зеленых водорослей в процентном отношении, возрастает по станциям от верхней точки до нижней. Эти изменения могут быть связаны с уменьшением скорости течения, изменением морфологии дна и уменьшением глубин водотока, а также с повышением температуры воды.

­ Общая численность пирофитовых водорослей в процентном отношении тоже возрастает, хотя их количественные характеристики незначительны.

­ Учитывая определенную реакцию отдельных видов пирофитовых водорослей на органическое загрязнение в воде, их используют как показательные формы (биоиндикаторы сапробности) при санитарно–биологической оценке вод. Некоторые виды принимают активное участие в процессах самоочищения загрязненных вод, то есть являются активными санитарами.

­ Численность и количество видов эвгленовых водорослей, являющихся показателями органического загрязнения, были незначительны, что, вероятно, связано с отсутствием значительного органического загрязнения этого участка.

­ В пробах фитопланктона преобладали олигосапробы (организмы чистых вод) и β-мезосапробы (организмы слабо загрязненных вод). В пробе №4 на станции 3,5км ниже водоспуска (глубина на середине реки 0,1–0,3м) 21,2% составляли альфа – мезосапробы (водоросли–индикаторы загрязненных вод).

­ Согласно оценки степени загрязнения по индикаторным организмам по методу Пантле и Букка в модификации Сладечека воды исследуемого участка реки относятся ко II классу (достаточно чистые воды) за исключением станции №4, где класс качества вод – III (загрязненные воды, категория – слабо загрязненные воды).

Оценивая таксономическое разнообразие альгофлоры рек Днепр и Припять, следует отметить, что оно различается в указанных водотоках в зависимости от трофического статуса различных участков водотоков и степени изученности (таблица 1). В составе водорослей р. Днепр отмечено более 16% видов и около 14% внутривидовых таксонов, в составе водорослей р. Припять – более 37% видов и около 35% внутривидовых таксонов альгофлоры Беларуси. При этом в альгофлоре обоих водотоков доминируют сине-зеленые, диатомовые и зеленые водоросли, причем среди последних отмечено преобладание протококковых.

В альгофлоре р. Днепр на долю видов синезеленых водорослей приходится 7%, диатомовых – более 41% и зеленых – около 38%. Во все сезоны и на всем протяжении реки на территории Беларуси к доминирующим формам фитопланктона относятся Cyclotella, Melosira, Stephanodiscus, Nitzschia acicularis. В летний период численность водорослей колеблется от 4,5 до 44,0 (в среднем 21,92) млн. кл./л, биомасса – от 1,093 до 63,058 (в среднем 28,351) мг/л.

В альгофлоре р. Припять по сравнению с таковой р. Днепр доля видов сине-зеленых водорослей возрастает и составляет более 15%, а доля видов зеленых и, особенно, диатомовых водорослей снижается и составляет соответственно около 35 и 28%. В летний период численность водорослей колеблется от 9,2 до 21,9 млн. кл./л, биомасса – от 3.240 до 21,580 (в среднем 12,350) мг/л.

Таблица 1.

Таксономическая структура основных отделов альгофлоры рек Днепр и Припять