Оценка экологического состояния вод Сестрорецкого водохранилища и реки Малая сестра по гидробиологическим показателям

Цель: оценить экологическое состояние Сестрорецкого водохранилища и реки Малая сестра с использованием гидробиологических индексов.

Задачи:

1. Изучение методики отбора проб воды на данных объектах.

2. Определение качества вод исследуемых объектов по гидробиологическим показателям.

3. Вычисление индекса видового разнообразия Шеннона, сапробности, Вудивисса и индекса токсичности.

4. Обработка полученных результатов с целью проведения статистического анализа.

Актуальность

С развитием цивилизации водные ресурсы стали использоваться в несоизмеримых количествах, поэтому в настоящее время становится необходимым биологическое изучение природных и сточных вод в интересах охраны среды и улучшение природопользования.

3. Теоретическая часть

1.СОКРАЩЕННАЯ И ПОЛНАЯ ПРОГРАММА МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ ПО ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

Наблюдения по обязательной программе на водотоках осуществляют, как правило, 7 раз в год в основные фазы водного режима: во время половодья - на подъеме, пике и спаде; во время летней межени - при наименьшем расходе и при прохождении дождевого паводка; осенью - перед ледоставом; во время зимней межени.

В водоемах качество воды исследуют при следующих гидрологических ситуациях: зимой при наиболее низком уровне и наибольшей толщине льда; в начале весеннего наполнения водоема; в период максимального наполнения; в летне-осенний период при наиболее низком уровне воды.

Сокращенную программу наблюдений за качеством поверхностных вод по гидрологическим и гидрохимическим показателям подразделяют на три вида:

· Первая программа предусматривает определение расхода воды (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, концентрации растворенного кислорода, удельной электропроводности, визуальные наблюдения.

· Вторая программа предусматривает определение расхода воды (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, рН, удельной электропроводности, концентрации взвешенных веществ, ХПК, БПК₅, концентрации 2-3 загрязняющих веществ, основных для воды в данном пункте контроля, визуальные наблюдения.

· Третья программа предусматривает определение расхода воды, скорости течения (на водотоках), уровня воды (на водоемах), температуры, рН, концентрации взвешенных веществ, концентрации растворенного кислорода, БПК₅, концентрации всех загрязняющих воду в данном пункте контроля веществ, визуальные наблюдения.

Гидрохимические показатели качества природных вод в пунктах контроля сопоставляют с установленными нормами качества воды.

Программы и периодичность наблюдений по гидрохимическим показателям для пунктов различных категорий приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Программы и периодичность наблюдений для пунктов различных категорий

Внедрение в систему наблюдений за качеством воды гидробиологических методов позволяет непосредственно выяснить состав и структуру сообществ гидробионтов.

Полная программа наблюдений за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает:

· исследование фитопланктона - общей численности клеток, числа видов, общей биомассы, численности основных групп, биомассы основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование зоопланктона - общей численности организмов, общего числа видов, общей биомассы, численности основных групп, биомассы основных групп, числа видов в группе, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование зообентоса - общей численности, общей биомассы, общего числа видов, числа групп по стандартной разработке, числа видов в группе, числа основных групп, биомассы основных групп, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· исследование перифитона - общего числа видов, массовых видов, частоты встречаемости, сапробности;

· определение микробиологических показателей - общего числа бактерий, числа сапрофитных бактерий, отношения общего числа бактерий к числу сапрофитных бактерий;

· изучение фотосинтеза фитопланктона и деструкции органического вещества, определение отношения интенсивности фотосинтеза к деструкции органического вещества, содержания хлорофилла;

· исследование макрофитов - проективного покрытия опытной площадки, характера распространения растительности, общего числа видов, преобладающих видов (наименования, проективного покрытия, фенофазы, аномальных признаков).

Сокращенная программа наблюдений за качеством поверхностных вод по гидробиологическим показателям предусматривает исследование:

· фитопланктона - общей численности клеток, общего числа видов, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· зоопланктона - общей численности организмов, общего числа видов, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· зообентоса - общей численности групп по стандартной разработке, числа видов в группе, числа основных групп, массовых видов и видов-индикаторов сапробности;

· перифитона - общего числа видов, массовых видов, сапробности, частоты встречаемости.

Программы и периодичность наблюдений по гидробиологическим показателям для станций различных категорий приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Периодичность проведения наблюдений по гидробиологическим показателям и виды программ

2. ГИДРОБИОЛОГИЯ И ВОДНАЯ ЭКОЛОГИЯ, ИХ МЕСТО В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Биосфера нашей планеты существует в виде живых организмов и

продуктов их жизнедеятельности в газообразной оболочке Земли – атмосфере, твердой – литосфере и жидкой – гидросфере. Наиболее широкой ареной жизни является гидросфера. Если общая площадь поверхности планеты 510·106 км2, то 362·106 км2 (более 70,5%) занимает водное зеркало, с учетом же подземных вод окажется, что водная оболочка покрывает почти всю Землю.

Предложено и предлагается много определений гидробиологии.

Представляется наиболее корректным следующее: «гидробиология – наука биологического цикла, изучающая живую природу водоемов и развивающаяся на экологической основе» (Кожова, 1987, стр. 4). Данное определение охватывает изучение отдельных водных организмов (гидробионтов), их популяций и сообществ, взаимодействий между ними и с неживой природой.

Водная экология (гидроэкология, экология гидросферы) – наука о надорганизменных формах организации жизни, изучающая структуру и функционирование водных экосистем. Гидробиология и водная экология тесно связаны прежде всего с науками о гидросфере – гидрохимией, гидрофизикой, гидрологией.

Гидрохимия – часть геохимии, изучающая химический состав естественных вод и протекающие в них химические реакции. Гидрофизика – часть геофизики, исследующая физические свойства природных вод и протекающие в них физические процессы. Гидрология – часть географии, изучающая природные воды, закономерности круговорота воды в природе. Близка гидробиология и к таким географическим дисциплинам, как океанология и лимнология. Океанология – наука о Мировом океане (т. е. совокупности океанов и морей земного шара) и процессах, протекающих в нем. Лимнология (или озероведение) изучает воды замедленного стока поверхности суши. Кроме того, в гидрологии суши можно выделить еще науку о водотоках (потамология), ледниках (гляциология).

Лимноэкология – часть гидроэкологии, изучающая структуру и функционирование экологических систем поверхностных пресных вод суши (озер, водохранилищ, рек).

Гидробиология связана и с рядом биологических дисциплин (зоологией, ботаникой, микробиологией).

Естественно, являясь дисциплинами биологическими и географическими, гидробиология и водная экология тем не менее, в первую очередь, теснейшим образом связаны с экологией, частями которой они являются. Следует отметить, что именно водная экология является одной из самых успешно развивающихся частей экологии.

3. ПРЕДМЕТ, ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОБИОЛОГИИ

Предметом исследований гидробиологии являются экологические процессы в водной среде, т. е. процессы взаимодействия гидробионтов, их популяций и сообществ между собой и с абиотическими компонентами водных экосистем.

Цель гидробиологии может быть определена как понимание экологических процессов, происходящих в водной среде, и управление ими с целью оптимизации управления водными ресурсами.

Основной задачей гидробиологии является изучение экологических процессов в гидросфере в интересах ее освоения и оптимизации взаимодействия человеческого общества с водными экосистемами.

Гидробиология решает следующие главные теоретические задачи:

• изучение общих внутренних закономерностей структурно- функциональной организации водных экосистем, которые и определяют круговорот вещества и поток энергии в них;

• исследование зависимостей круговоротов вещества и потоков энергии от факторов внешней среды, в том числе и антропогенных.

Конкретные практические задачи гидробиологии:

1. Повышение биологической продуктивности водоемов для получения из них наибольшего количества биологического сырья.

2. Разработка биологических основ обеспечения людей чистой водой, в том числе оптимизация функционирования экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод.

3. Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброски стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей.

4. Оценка вновь создаваемых промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий для водных экосистем с целью охраны последних от недопустимых повреждений.

5. Мониторинг состояния водных экосистем.

Главным методом гидробиологии, как и остальных экологических дисциплин, является системный подход, т.е. рассмотрение экосистемы как целого, и количественный учет протекающих в ней потоков энергии, вещества и информации. Следовательно, гидробиология всегда оперирует величинами численности организмов, биомассы – массы организмов, и их продукции - прироста органического вещества (в единице объема воды, под единицей площади водоема, на единице площади его дна).

Для количественного учета используют различные приборы как специфически гидробиологические – дночерпатели, драги, планктонные сети, планктоночерпатели, батометры различных конструкций, так и многие приборы заимствованные из арсеналов гидрохимии, гидрофизики, гидрологии. В последнее время часто используются погружные и дистанционные биофизические приборы. Тем не менее, одним из главных методов гидробиологии остается эколого-географический метод, т.е., наблюдения в природе.

4. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ГИДРОБИОЛОГИИ

Общая гидробиология изучает экологические процессы в водоемах и водотоках. В ней выделяются:

• системная гидробиология;

• трофологическая гидробиология;

• энергетическая гидробиология;

• этологическая гидробиология;

• палеогидробиология;

• бентология;

• планктология.

Системная гидробиология – приложение общей теории систем и ее методов в водной экологии. Она занимается общими проблемами организации биосистем в гидросфере, их поведением, самоорганизацией и самоуправлением, моделированием водных биосистем, прогнозу их состояния при различных внешних воздействиях.

По изучаемым процессам различаются трофологическая гидробиология – пищевые связи, биологическая трансформация веществ, энергетическая гидробиология – поток энергии, ее биологическая трансформация, этологическая гидробиология – поведение гидробионтов, палеогидробиология – исторические изменения водных экосистем.

По локализации изучаемых процессов в общей гидробиологии можно выделить бентологию и планктологию. Первая занимается экологическими процессами, проходящими на дне водоемов и водотоков, вторая – в толще вод. Частная гидробиология изучает специфику экологии водных объектов разного типа. Выделяют гидробиологии морей, озер, прудов, болот, луж, временных и пересыхающих водоемов и др. То же происходит и для водотоков: гидробиологии рек различных типов, ручьев. Кроме того, существует гидробиология подземных и пещерных вод, гидробиологии полярных и тропических водоемов, субтропических водоемов и озер умеренного пояса.

Прикладная гидробиология, как это следует из самого её названия, занимается прикладными приложениями результатов общей или теоретической гидробиологии. В нее входят:

• Продукционная гидробиология, изучающая биологические основы продуктивности водоемов (например, повышения вылова рыбы, урожая морепродуктов и т.п.).

• Санитарная гидробиология, занимающаяся решением проблем чистой воды, самоочищения водоемов.

• Медицинская гидробиология, исследующая происхождение и распространение болезней, связанных с водой (в первую очередь – инфекционных). Ее подразделом является гидропаразитология, разрабатывающая методы борьбы с паразитическими животными, обитающими в водоемах, в том числе личиночными стадиями паразитов.

• Токсикологическая гидробиология или водная токсикология, изучающая возможность вреда продуктов техногенеза для водных объектов, в частности, влияние токсикантов на гидробионтов и экосистемные процессы.

• Радиологическая гидробиология, решающая вопросы, связанные с поступлением в водоемы радионуклидов, влиянием их на гидробионтов, накоплением их в трофических цепях.

• Техническая гидробиология, изучающая биологические явления, представляющие опасность для техники, контактирующей с водой (биокоррозия, обрастания и т.п.). Частным случаем ее можно считать навигационную гидробиологию, которая исследует водные биологические процессы, препятствующие судоходству.

5. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ГИДРОБИОЛОГИИ

Еще до возникновения гидробиологии как науки началось накопление фактов, составляющих ее научный багаж. Можно отметить следующие заметные события этого процесса:

• 1650 г. Б. Варениус выделил четыре типа озер по присутствию или отсутствию притоков и поверхностного стока.

• 1674 г. Антуан ван Левенгук описал микроскопическую водоросль спирогиру, некоторые особенности динамики водорослей в озерах, влияние на нее ветра.

• 1730 г. де Дулье описал и измерил сейши.

• 1780 г. Соссюр описал тепловую стратификацию озер1.

• 1810г. Сэр Джон Лесли изучил формирование физической структуры водного тела некоторых шотландских озер под воздействием поступления света и тепла, ветра, температуры воды.

• 1819 г. Де ла Беш описал металимнион (термоклин)2 в Женевском озере.

• 1826 г. Де Кандолль выполнил первое научное описание цветения водорослей в озере.

• 1845 г. Й. Мюллер описал планктон.

Начиная с середины XIX в. гидробиология начинает оформляться в самостоятельную науку. Ничто не происходит само по себе и, естественно, науки о жизни вод потребовали какие-то практические потребности человечества. Первая из них – забота о хлебе насущном. Иллюзия неиссякаемости рога изобилия – промысла продуктов океана рассеялась: произошло снижение промысла устриц и мидий, уловы рыбы уменьшились, китобойный промысел стал сокращаться. Возникла необходимость реально оценивать запасы объектов промысла, особенности их воспроизводства и возможность искусственного разведения. Вторая – опасность жажды. Угроза загрязнения источников питьевой воды – пресных водоемов благодаря развитию промышленности, сельского хозяйства, транспорта, росту населения стала реальной. Стало нужно понять механизмы самоочищения природных вод.

6.ИНТЕГРАЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ: ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЭКОСИСТЕМ ПО НЕСКОЛЬКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ

При оценке состояния экосистем исследователи обычно используют не один, а несколько (иногда 7-8) методов из тех, что описаны выше. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Если же наблюдается некоторый разнобой оценок, то причина этого часто может заключаться в том, что какой-либо метод оказывается слишком чувствительным к факторам, не связанным с загрязнениями. Для обобщения данных и выражения конечной оценки одним числом по определенным правилам строят комбинированный показатель.

Е. В. Балушкиной разработан интегральный показатель, включающий предложенный ею ранее хирономидный индекс, индекс сапротоксобности Яковлева и индексы Вудивисса и Гуднайта - Уитли. Он используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению, и апробирован в системе Ладожское озеро – р. Нева - восточная часть Финского залива.

При оценке состояния донных сообществ ряда рек, озер и водохранилищ России для количественной характеристики состояния бентоса автор использовал следующие показатели: 1) численность (Ч), экз./м²; 2) биомасса (Б), г/м²; 3) число видов (S); 4) видовое разнообразие (H), бит/экз.; 5) олигохетный индекс Пареле (ОИП), равный отношению численности олигохет-тубифицид к общей численности бентоса, %; 6) среднюю сапробность (СС), рассчитываемую как средневзвешенная сапробность трех первых доминирующих по численности видов бентосных организмов.

Для объединения значений первых четырех показателей и замене их одним числом предложен «комбинированный индекс состояния сообщества» (КИСС) (6.1), находимый по обычной методике расчета интегральных ранговых показателей. Вначале все станции ранжируются по каждому показателю, причем ранг 1 присваивается максимальным значениям Ч, Б, H и S. Если на нескольких станциях значения какого-либо показателя были одинаковыми, то они характеризовались одним средним рангом. Индекс отражает состояние сообщества сразу по четырем показателям, поэтому он назван “комбинированным индексом состояния сообщества”.

КИСС = (2Б + Ч + H + S)/5. (6.1)

Подчеркнем, что в эту формулу входят не абсолютные значения показателей, а их ранги. Биомассе придан «вес», равный 2, поскольку с ней связана величина потока энергии, проходящей через сообщество, что чрезвычайно важно для оценки его состояния. Чем меньше величина КИСС, тем лучше состояние сообщества.

Поскольку состояние сообщества зависит как от естественных факторов среды (глубины, грунта, течения и т.п.), так и от наличия, характера и интенсивности загрязнения, то дополнительно рассчитывается «комбинированный индекс загрязнения» (КИЗ) (6.2), включающий ранговые значения трех показателей:

КИЗ = (СС + ОИП + Б)/3 (6.2)

В этом случае ранг 1 присваивается минимальным значениям показателей. Чем меньше величина КИЗ, тем меньше загрязнение. Кроме величин показателей на конкретной станции рассчитывают средние значения для всего набора станций, сравнение с которыми величин на отдельных станциях позволяет судить, хуже или лучше обстоят на них дела по сравнению со средним положением. Вычисление коэффициента ранговой корреляции по Спирмену между значениями КИСС и КИЗ показывает, насколько загрязнение влияет на состояние сообществ зообентоса.

В предыдущих главах мы неоднократно обсуждали подходы к оценке состояния изучаемого объекта по всему комплексу измеренных и расчетных показателей. Вследствие принципиальной сложности экосистем, эта проблема в гидробиологии особенно актуальна, поскольку, желая учесть все множество тенденций и явлений, исследователи стремятся использовать не один, а несколько (иногда 7-8) частных критериев из тех, что были описаны выше. Классы качества воды по гидробиологическим и микробиологическим показателям в нашей стране определяются "Правилами контроля качества воды водосливов и водотоков" (ГОСТ 17.1.3.07–82), которые регламентируют содержание программ контроля гидрологических, гидрохимических и гидробиологических показателей, периодичность контроля, а также назначение и расположение пунктов отбора проб (см. табл.1).

гидробиологический вода токсичность сапробность

Таблица 1 Классификация качества воды водоемов и водотоков по гидробиологическим и микробиологическим показателям

Примечание. Допускается оценивать класс качества воды и как промежуточный между вторым и третьим (II - III), третьим и четвертым (III - IV), четвертым и пятым (IV – V).

Согласно этому документу, степень загрязненности воды оценивается с учетом индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечека, олигохетного индекса Гуднайта–Уитлея и Пареле, биотического индекса Вудивисса и традиционного набора микробиологических показателей (столбец со значениями ИЗВ (Временные методические.., 1986) добавлен нами для обобщения). Эта таблица также приведена в специальном руководстве (Руководство по методам.., 1983), обязательном для гидробиологических постов наблюдения.

В.А. Яковлев, применительно к поверхностным водам Кольского Севера, в аналогичную таблицу добавляет оценку зоны сапроботоксобности в соответствии с разработанным им индексом, индекс Шеннона (см. табл. 4.), степень токсичности по данным биотестирования и описывает для каждого класса доминирующий комплекс организмов.

С градациями класса качества вод, в принципе, можно связать неограниченное количество показателей и расчетных критериев. Если все они дают одинаковую картину (что бывает редко), то уверенность в правильности оценки возрастает. Однако каждый из индексов, выделяя ту или иную особенность биотического сообщества, недоучитывает другие, в результате чего возникает естественный феномен несовпадения в оценках качества экосистем по различным показателям. Чтобы преодолеть трудности в трактовке такой ситуации, ряд исследователей предлагают методы вычисления обобщенных показателей, которые основаны на том, что выбранные исходные показатели нормируются в некоторой единой шкале, после чего суммируются. При этом появляется еще один индекс (интегральный показатель IP, комбинированный индекс состояния сообщества – КИСС и т.п.), который делает попытку обобщить и представить одним числом все множество процессов и факторов развития экосистемы.

Нельзя отрицать вполне доказанной работоспособности обобщенных индексов для экспресс-анализа (правда, при четком понимании конкретных условий, при которых тот или иной индекс наиболее эффективен), а также в тех случаях, когда сравниваемые экосистемы имеют ощутимые различия в уровне антропогенного воздействия. Но эти методы перестают быть адекватными, если ставится задача детального анализа структурных изменений в биоценозах на видовом уровне.

К сожалению, иногда недостаточно взвешенный подход к проблеме "индексологии" и излишняя вера в то, что истину можно найти, вычислив среднее из 4-5 показателей, еще более удаляет нас от физической природы явлений, поскольку такое усреднение сглаживает все статистические всплески исходных данных, сигнализирующие о возможных экокризисных ситуациях. Проблема усугубляется тем, что индексы, выступающие в качестве слагаемых, как правило, сами по себе далеко не всегда адекватно отражают то явление, которое им приписывается, и слишком чувствительны к действию посторонних факторов, не связанных с загрязнением. При их усреднении равновероятными являются предположения, как о взаимной компенсации ошибок, так и об их взаимном усилении.

Интегральный показатель по Е.В. Балушкинойразработан и используется для оценки состояния экосистем водоемов, подверженных смешанному органическому и токсическому загрязнению. Прошел широкое тестирование в системе Ладожское озеро - р. Нева - восточная часть Финского залива. Интегральный показатель IP рассчитывается по формуле:

IP = K₁ * S_t+ K₂*OI + K₃*K_ch+ K₄ / BI , (6.3)

где S_t – индекс сапротоксобности В.А. Яковлева (K₁= 25); OI – олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея, равный отношению численности олигохет к суммарной численности зообентоса в процентах (K₂ = 1); K_ch – хирономидный индекс Балушкиной (K₃ = 8.7); 1 / BI – величина, обратная биотическому индексу Вудивисса (K_{4 } 100).

На наш взгляд, целесообразнее использовать отношение 1/( BI + 1) или, еще лучше, линейную функцию (10- BI), принимая во внимание вероятность нулевого значения индекса Вудивисса.

Основная идея автора – подобрать такие линейные множители K₁-K₄ для всех обобщаемых индексов, чтобы они варьировались на соизмеряемом интервале от некоторого минимального значения до 100, после чего сложить преобразованные значения. Поскольку функциональность значений индекса Вудивисса имеет обратный характер по сравнению с остальными индексами, для его преобразования использовалась обратная величина – 1 / BI. Диапазоны изменения значений используемых показателей соотнесены с градациями качества вод по А.А. Былинкиной . (см. табл. 2 ).

Таблица 2 Границы классов качества вод по показателям зообентоса S_t, OI, K_ch ,BI и интегральному показателю IP (обозначения по тексту; символом * отмечены значения, полученные нами по пропорции)

Можно обратить внимание на то, что предлагаемые граничные значения олигохетного индекса OI не совпадают ни с ГОСТ 17.1.3.07–82, ни с градациями качества в понимании Гуднайта и Уитлея, ни с рекомендациями О.Л. Качаловой и Э.А. Пареле. Не вполне коррелирует с градациями того же ГОСТ «гиперболическая» функция от индекса Вудивисса 1/BI. Наконец, в литературе нет доказательств, что зоны сапроботоксобности по В.А. Яковлеву, классы качества по А.А. Былинкиной и С.М. Драчеву и степени загрязнения воды по ГОСТ 17.1.3.07–82 представляют собой эквивалентные разбиения (впрочем, никто не доказал и обратного). Но такие "мелочи" при синтезе обобщенного показателя принято считать несущественными.

Е.В. Балушкина полагает, что полученный ею интегральный показатель (6.3) включил в себя все лучшие черты родительских индексов и максимально учитывае