Water2

ЛЕКЦИЯ 10
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДНОЙ СРЕДЫ
НА ОСНОВАНИИ АНАЛИЗА
СООБЩЕСТВ ГИДРОБИОНТОВ
Оценка качества водной среды основана на:
• наличии/отсутствии индикаторных видов
• анализе структурных показателей
сообществ
(видовое богатство, плотность, биомасса, трофическая
структура, индексы разнообразия и доминирования)
• оценке функциональных характеристик
сообществ
(соотношение продукционно-деструкционных процессов,
БПК5…)
Существующие системы биоиндикации вод:
• Система сапробности (направлена на
оценку органического загрязнения)
• River Invertebrate Prediction and
Classification System (данные по
гидрохимии, гидрологии и макрозообентосу)
• Rapid Bioassesment Protocols (оценка
условий обитания, макрозообентос,
перифитон, рыбы)
10.1
Оценка сапробности водоемов
Сапробность – степень загрязнения вод
органическими веществами.
Зоны сапробности по Кольквитцу и и Марссону
(Kolkwitz & Marsson 1908, 1909)
•
•
•
•
Олигосапробная зона;
β-мезосапробная зона;
α-мезосапробная зона;
Полисапробная зона.
Характеристика зон сапробности:
Зона
Баланс кислорода и органического вещества
о
чистые незагрязненные водоемы:
много кислорода, мало углекислоты, нет H2S,
азот в форме нитратов, на дне мало детрита,
цветения не бывает
b
днем избыток кислорода, дефицит углекислоты,
ночью – наоборот,
азот в виде солей аммония, нитриты, нитраты,
идут окислительные процессы, на дне много детрита.
Зона
Баланс кислорода и органического вещества
a
полуанаэробные условия среды, кислорода мало,
есть H2S, присутствуют амино- и амидокислоты,
окислительно-восстановительные процессы,
на дне ил серого цвета,
организмы приспособлены к недостатку кислорода.
р
условия анаэробные, в воде много нестойких
органических веществ (разлагающиеся белки),
идут восстановительные процессы, H2S, СH4,
на дне много детрита, ил черный с запахом H2S.
Индикаторые значимости (s)
разных видов по Пантле-Букк
(Pantle & Buck 1955)
•
•
•
•
Олигосапробы: 1;
β-мезосапробы: 2;
α-мезосапробы: 3;
Полисапробы: 4.
Индекс сапробности по Пантле-Букк
S
s
h
ii
h
i
hi – относительное обилие вида i;
( 1 – случайные находки; 3 – частая встречаемость;
5 – массовое развитие).
Интерпретация индекса
сапробности:
•
•
•
•
олигосапробная – 1,0-1,5
β-мезосапробная – 1,51-2,5
α-мезосапробная – 2,51-3,5
полисапробная зона – 3,51-4,0
! не менее 12 видов (N≥30)
Модификация Сладечека:
(Sládeček, 1964)
hi : 1 – очень редко, 2 – редко, 3 – нередко, 5 –
часто, 7 – очень часто, 9 – массовое развитие
• ксеносапробная – 0-0,5
• олигосапробная – 0,51-1,5
• ...
• полисапробная зона – 3,51-4,5
• эусапробная зона – 4,51-8,5
Модификация Зелинки и Марвана
(Zelinka & Marvan 1961, 1966):
Сапробная валентность вида
показывает,
в какой мере он характерен для той
или иной ступени сапробности.
Часть списка индикаторных организмов
Вид
А
x
B
o
C
b
D
a
E
p
J
Acantholeberis
curvirostris
Biapertura intermedia
-
10
-
-
-
5
-
8
2
-
-
4
Bosmina coregoni
2
7
1
-
-
3
Leptodora kindtii
-
4
5
1
-
2
Bosmina longirostris
1
4
4
1
-
1
Расчет средневзвешенных сапробных
валентностей:
n
n
A
 ai hi J i
i 1
n
h J
i 1
i
i
B
b h J
i 1
n
i i
h J
i 1
i
i
и т.д.
i
A+B+C+D+E=10
Пример расчета:
Важно помнить:
• Метод разработан применительно к водоемам,
загрязненным органическим веществом биогенного
происхождения.
• Для многих организмов величины индикаторной
значимости и сапробной валентности неизвестны.
• В различных географических регионах сапробиологические характеристики видов изменяются.
• Многие организмы способны адаптироваться к
неблагоприятным условиям обитания и также
менять свои сапробиологические характеристики.
10.2
Биотические индексы
макрозообентоса
Макрозообентос:
+ ограничены в передвижении или ведут прикрепленный образ жизни
+ накапливают кратковременные эффекты залповых сбросов
поллютантов
+ достаточно легко поддаются определению
+ включают виды, значительно различающиеся по чувствительности
к загрязнению и относящиеся к разным трофическим уровням
+ отбор проб прост, дешев, не требует большого числа людей
+ организмы обычно многочислены и не являются хозяйственно
ценными или уникальными
+ служат пищей для рыб (среди которых есть хозяйственно ценные)
+ часто есть многолетние мониторинговые данные
Индекс реки Трент (Trent Biotic Index)
или индекс Вудивисса (Woodiwiss)
Веснянки
(Plecoptera)
Поденки
(Ephemeroptera)
При усилении загрязнения
виды выпадают из сообщества
в определенной
последовательности
Ручейники
(Trichoptera)
Другие…
Таблица для расчета индекса TBI
Наличие видовиндикаторов
Количество
Общее количество присутствующих групп
видовбентосных организмов
индикаторов 0 – 1 2 – 5 6 - 10 11 - 15 16 - 20 более 20
Личинки веснянок
(Plecoptera)
более 1
1 вид
-
7
6
8
7
9
8
10
9
11 - ...
10 - ...
Личинки поденок
(Ephemeroptera)*
более 1
1 вид
-
6
5
7
6
8
7
9
8
10 - ...
9 - ...
Личинки ручейников (Trichoptera)
более 1
1 вид
4
5
4
6
5
7
6
8
7
9 - ...
8 - ...
Gammarus sp.
3
4
5
6
7
8 - ...
Водяной ослик
(Asellus aquaticus)
2
3
4
5
6
7 - ...
Олигохеты или
личинки звонцов
1
2
3
4
5
6 - ...
Отсутствуют все
приведенные выше
группы
0
1
2
-
-
-
* - кроме вида Baetis rhodani
Классификация качества воды
по индексу TBI
Количество баллов
Тип водоема
0-2
полисапробный
3-5
α-мезосапробный
6-7
β-мезосапробный
8-10(12)
олигосапробный
Классификация качества воды
по индексу TBI
Воды
Очень чистые
Чистые
Умеренно
загрязненные
Загрязненные
Грязные
Очень грязные
БИ
10–8
7–5
4–3
2–1
1–0
0
Модификация TBI – Extended Biotic Index (EBI)
Виды-индикаторы
Количество
видовиндикаторов
Общее количество организмов в пробе
0-1
2-5
6-10
1115
1620
2125
2630
3135
> 35
-
-
8
7
9
8
10
9
11
10
12
11
13
12
14
13
-
-
7
6
8
7
9
8
10
9
11
10
12
11
-
-
5
4
6
5
7
6
8
7
9
8
10
9
11
10
-
Gammaridae
-
4
5
6
7
8
9
10
-
Asellidae
-
3
4
5
6
7
8
9
-
Oligohaeta +
Chironomidae
1
2
3
4
5
-
-
-
-
Отсутствуют все
организмы
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Plecoptera+Leuctra
более 1
1 вид
Ephemeroptera
(кроме Baetidae и
Caenidae)
более 1
1 вид
Trichoptera +
Baetidae и Caenidae
более 1
1 вид
+ легкость идентификации
таксономических групп
- предназначен для оценки
уровня загрязнения бытовыми
стоками в реках
Индекс Майера
Обитатели чистых
вод
Организмы средней
степени
чувствительности
Обитатели
загрязненных водоемов
Личинки веснянок
Личинки поденок
Личинки ручейников
Личинки вислокрылок
Двустворчатые
моллюски
Бокоплав
Речной рак
Личинки стрекоз
Личинки комаровдолгоножек
Моллюски-катушки,
моллюски-живородки
Личинки комаров-звонцов
Пиявки
Водяной ослик
Прудовики
Личинки мошки
Малощетинковые черви
×3
×2
×1
∑
≥22 – I,
21-17 – II, 16-11 – III,
<11 – IV
EPT-индекс
Чем больше суммарная доля
представителей отрядов E, P и Т
в общей видовой структуре
сообщества, тем выше качество воды.
Недостатки:
• Требуется определение животных до уровня вида;
• Индекс хорошо «работает» только в слабо
загрязненных водах.
Индекс Гуднайта-Уитли
(Goodnight-Whitley Index)
отношение численности олигохет к общей
численности бентоса
Интерпретация:
• < 60% - река находится в хорошем
состоянии;
• 60-80% - в сомнительном состоянии;
• > 80% - в тяжелом состоянии.
Классификация качества воды
по олигохетному индексу:
Класс качества воды
Очень чистая
Чистая
Умеренно
загрязненная
Загрязненная
Грязная
Очень грязная
ОИ, %
1-16
17-33
34-50
51-67
68-84
Более 85
Важно помнить:
• Большинство индексов имеет эмпирическое
происхождение
• отражают степень загрязнения донных отложений, а
не воды в целом
• иногда низкая величина индекса может быть
вызвана неблагоприятными физико-химическими
условиями
• поведение индексов может сильно различаться в
разных частях шкалы загрязнений (индекс может
быть чувствителен в олигосапробной зоне и
недостаточно чувствителен в α-мезо- и
полисапробной )
! обычно используют несколько (до 7-8) методов
IP - интегральный показатель
Е.В. Балушкиной (1997)
IP = K1 * St + K2*OI + K3*Kch + K4 / BI
St - индекс сапротоксобности В.А. Яковлева, K1=25
OI - олигохетный индекс Гуднайта-Уитли, K1=1
Kch - хирономидный индекс Балушкиной, K3=8.7
BI - биотический индекс Вудивисса (TBI), K4=100
10.3
Особенности исследований
в водоемах и водотоках
Текучие воды
В качестве индикатора используют
перифитон, бентос и рыб
Стоячие воды
В качестве индикатора используют
планктон, перифитон, макрофиты и рыб
Время года
Весна: исследования
малоинформативны
(особенно в водотоках)
Лето и осень: наиболее
ценные результаты
(максимальное развитие
сообществ)
Зима: исследования могут
быть информативны, т.к.
• устойчивый водный режим;
• низкие Т – минимальная
скорость самоочищения,
• развитие многих грибов,
инфузорий…
Спасибо
за внимание!
10.4
Основные группы гидробионтов,
используемые для биоиндикации
Планктон
Фитопланктон:
первичное и очень информативное звено трофической цепи,
встречается во всех водных объектах
Где и для чего применяют:
В водоемах (особенно крупных)
определение трофического статуса, индикация изменений качества
воды при эвтрофировании, оценка способности к самоочищению
+ хорошо изучен, стандартные методы, обязателен в мониторинге
- непоказателен для водотоков, для оценки загрязнения в водоемах
лучше подходит перифитон или бентос
Планктон
Зоопланктон:
широко распространен, используется для индикации и
мониторинга, есть представители патогенной фауны
Где и для чего применяют:
В пресноводных водоемах (редко в морских)
для оценки эвтрофирования и загрязнения (органического и
нитратного), изучение накопления Cd, Ni и Pb, как тест-объект
+ хорошо изучен, стандартные методы, много показателей
- непоказателен для водотоков, для оценки загрязнения в водоемах
менее показателен, чем фитопланктон
Макрозообентос
широко распространен, хороший (иногда единственный)
индикатор качества водной среды, наиболее чувствителен к
загрязнению воды
Где и для чего применяют:
В пресноводных и морских экосистемах, в водоемах и водотоках
для оценки загрязнений донных отложений и придонной воды, как
надежные индикаторы чистых участков водотока, является
основой многих систем биоиндикации, тест-объект
- отбор проб возможен лишь при наличии твердого грунта (камень,
глина, торф)
на дне нередко скапливается разлагающееся органическое
вещество, там резко падает содержание кислорода и оценка
качества воды по бентосу дает заниженные результаты.
-
Макрозообентос:
Важно!
В бентосе обычно развиваются более сапробные формы. Поэтому
исследование населения дна обычно дает картину несколько большего
загрязнения, чем свойственно воде.
Бентос характеризует степень загрязнения органическими
веществами самих донных отложений.
Важно!
Загрязнение донных отложений резко отзывается на качественном и
количественном составе бентоса. Необходимо всегда иметь в виду
возможность случайных местных (иногда ничтожных) загрязнений!
Макрофиты
биоаккумуляторы тяжелых металлов, индикаторы органического
загрязнения и эвтрофирования, ценны для предварительного
осмотра водных объектов
Где и для чего применяют:
В водоемах и водотоках
определение органического загрязнения и эвтрофирования, содержания тяжелых металлов, экспресс-оценка качества воды (ряска)
Важно!
Наиболее показательным периодом является первая декада июня,
дополнительную работу можно проводить в середине июля-августе.
Сбор материала проводится там, где течение замедлено.
Перифитон
по составу и развитию отвечает средним условиям перед
отбором проб, аккумулирует предшествующие загрязнения,
в основном исследуют фитоперифитон
Где и для чего применяют:
В водоемах и водотоках
для изучения загрязнения, индикации изменений качества воды
- слабо стандартизированы методы,
сообщество очень гетерогенное
Фитоперифитон:
+ Водоросли хорошо отражают кратковременные негативные
воздействия
+ Водоросли высоко чувствительны к воздействию физических и
химических факторов
+ Отбор проб перифитона прост, дешев, не требует большого
числа людей и не причиняет большого ущерба резидентной биоте
+ Существуют стандартные методы оценки некоторых
параметров водорослевых сообществ (биомасса, хлорофилл).
+ Водоросли чувствительны к некоторым поллютантам, которые не
оказывают значительного влияния на других гидробионтов
Нектон
отражает среднее состояние объекта, дает ценные сведения о
загрязнении воды, характеризуя кислородный режим и
поступление ядовитых веществ, часть рациона человека
Где и для чего применяют:
В водоемах и водотоках
определение долговременных изменений, определение допустимых
уровней загрязнений в рыбохозяйственных водоемах
+ Легко отловить и определить до вида, хорошо изучена биология
- нет стандартизированных биоиндикационных индексов
Биологические и физико-химические
показатели состояния
водного
объекта
(часть 1)
Класс качества воды
Показатель
Очень
чистая
Чистая
Умеренно Загряз.
загряз.
БПК5, мгО/л 0.5-1.0
1.1-1.9
2.0-2.9
Гряз.
Очень
грязная
3.0-3.9
4.0-10
>10
ИЗВ
0.2
0.2-1
1-2
2-4
4-6
>6
S
0.5
0.5-1.5
1.5-2.5
2.5-3.5
3.5-4
>4
Фосфаты,
мгР/л
0,0050,015
0,0150,05
0,05-0,2
0,2-0,3
0,3-0,6
Нитраты,
мгN/л
0,050,20
0,2-1,0
1,0-2,0
2,0-2,5
2,5-4,0
Биологические и физико-химические
показатели состояния
водного
объекта
(часть 2)
Класс качества воды
Показатель
Очень Чистая
чистая
Н
> 2.30
Трофический
индекс, бал.
0-40
TBI
10
Трофность
Олиго
Сапробность
Ксено
Зоны
кризисности
2.29-1.90
Умеренно Загряз.
загряз.
1.89-1.50
6-5
Мезотрофная
Олиго
Обратимые
изменения
a-мезо
Пороговая
стадия
Очень
грязная
1.49-1.25
1.24-1.11
60-80
> 80
40-60
9-7
Гряз.
4
3-2
1-0
Эвтрофная
Гипер
b-мезо
Поли
Необратимые изменения