Биоиндикационная оценка реки Карасуль

Содержание

Введение                                                                                                                   3

Глава 1. Теоретические  основы биоиндикационной оценки рек                        5

1.1. Современное  состояние вопроса о биоиндикации малых рек                     5

1.2. Методика  организации мониторинговых наблюдений                              11

Глава 2. Физико-химическая характеристика биоиндикационного  мониторинга малых рек                                                                                        18

2.1. Методика  проведения биоиндикационного исследования                         18

2.2. Результаты  мониторинговых наблюдений реки  Карасулька                     34

Заключение                                                                                                             41

Список использованной литературы                                                                   44

Введение

Темой курсовой работы «Биоиндикационная оценка реки Карасуль»  выбрана не случайно. С развитием техногенного процесса экологическая ситуация как во всем мире, так и в нашей стране стала ухудшаться. Правительство России приняло ряд законов касающиеся охраны окружающей и природной среды, но в связи с плохой экономической ситуацией не ведется финансирование работ по охране природных ресурсов. Все проблемы и обязанности, связанные с экологией, перелагаются на плечи органов местного самоуправления. Это привело к тому, что экологические работы проводятся либо в очень маленьком объеме, либо вообще не проводятся. В результате чего появилась острая нехватка информации, касающейся водных объектов, несущих на себе хозяйственно-бытовые нужды региона в целом и  района в частности. Одним из таких объектов является  река  Карасуль. (Созинова и др., 1999)

Протекая по всему Ишимскому  району, река Карасуль несет свои загрязненные воды непосредственно в реку Ишим, загрязняя при этом прибрежную полосу, что недопустимо в условиях города.  Наблюдается  постепенный процесс деградации всей экосистемы реки Карасуль. Это и загрязнение реки, и повышение мутности, и изменение ландшафта в дельте реки, и ее зарегулирование.  В последствии это приведет к полному уничтожению этого природного объекта. В настоящее время в результате малой информационной изученности самой реки и ее важности  в хозяйственно бытовых целях проблемы реки стоят очень остро.

Целью курсовой работы является:

• Оценка состояния реки Карасуль на территории села Карасуль, методами биоиндикации                                                                                                          

Задачи  курсовой работы:      

     1. Отобрать гидробиологические пробы на нескольких участках реки Карасуль.

2. Определить таксономическую принадлежность и относительное количество выявленных животных.                     

3. Методом биотических индексов определить степень органического загрязнения и качество воды на исследованных участках.

Глава 1. Теоретические основы биоиндикационной оценки рек

1.1. Современное  состояние вопроса о биоиндикации  малых рек

Оценка и  прогноз состояния равнинных  рек в настоящее время крайне затруднены в связи с недостатком  информации об экологических процессах, происходящих в бассейнах рек  в их естественном состоянии и при воздействии антропогенных факторов. Необходимость рационального использования и охраны внутренних водоемов и водотоков вызвала некоторую активизацию гидробиологических исследований. Однако изучению речных экосистем уделяется все еще недостаточное внимание, что неоднократно отмечалось в различных публикациях, а также нашло свое отражение в решении Государственного комитета по экологии и природным ресурсам Тюменской области. Нельзя не согласиться с авторами в том, что недостаточная изученность рек может в скором времени привести к торможению развития гидробиологии в целом.

Данные, полученные в Институте экологии РАН, говорят  о том, что даже в пределах одного региона природный режим рек, сходных по геоморфологическим и  гидрологическим параметрам, существенно различается. Масштабы биотических изменений определяются интенсивностью и продолжительностью изменений окружающей среды.

Краевым производственным управлением мелиорации и водного  хозяйства паспортизировано 136 рек  общей протяженностью 4442 км. Обладая малой инерцией в своем режиме, равнинные водотоки чрезвычайно чутко реагируют на любые изменения на их водосборе и на воздействия различных внешних факторов. За последние 40 лет в Тюменской области прекратили существовать, более 50 рек. Особенностью большинства рек является их зарегулирование почти на всем протяжении. В условиях подпора, гидробиологический режим их трансформируется. Оригинальная концепция речного континуума, где река рассматривается как целостная система, мало применима к равнинным и горным рекам Краснодарского края. Эти реки обладают особенностями функционирования сообществ речных гидробионтов, сочетающие в себе черты как лотических, так и лимнических систем. Зарегулирование речного стока привело к трансформации водного режима, что изменило типологию рек в условиях интенсивного антропогенного воздействия. Если к этому добавить, что половина речного стока представлена сточными водами (3,8 м3/сек., при среднем многолетнем расходе воды - 7,7 м3/сек.), то становится очевидным ухудшение качества воды, а вместе с тем и экологических условий обитания флоры и фауны как на водосборе, так и в самом водоеме.

Исследованные реки (21 река) по площади водосбора  относятся к категории малых  и средних водотоков. В зависимости  от поставленных задач проводились гидролого-гидрохимические и ландшафтные исследования, что нашло свое отражение в отчетах и различных публикациях.

Необходимость биоиндикационных исследований, привела  к расширению работ, и включению  нетрадиционных объектов исследований, для оценки состояния водотоков, таких, как водные микромицеты (В.А. Терехова, Т.А. Семенова), водяные клещи (П.В. Тузовский), основные группы мейофауны (А.А. Шошин, Е.А. Бычек), а также данные по отдельным индикаторным группам - хирономиды (Т.Д. Зинченко), моллюск полиморфа (П.И. Антонов). Данные по обработке всей накопленной информации, в сравнении с другими изученными реками, легли в основу созданной базы данных (В.К. Шитиков).

Сделаны выводы, свидетельствующие о том, что  главной причиной эвтрофирования реки служит повышенная нагрузка на единицу поверхности или объема реки поступающих биогенных элементов, в первую очередь фосфора и азота.

Показано, что  в составе сточных вод от промышленных предприятий содержатся высокотоксичные  вещества, способствующие или препятствующие утилизации биогенов и эвтрофированию. Процессы, протекающие в реке зависят от гидрохимического состава водной биомассы, следовательно, от поступления в реки биогенных элементов с очищенными и неочищенными бытовыми и промышленными сточными водами.

Выявлены участки рек с признаками снижения удельной активности бентоса в процессе утилизации органического вещества.

Микробиологические  исследования позволили очертить участок  реки с наиболее высоким уровнем  токсического загрязнения.

Проведенные комплексные исследований представляют обобщенную характеристику антропогенных изменений водных экосистем и демонстрируют индикационные особенности различных компонент и параметров экосистем в условиях эвтрофирования и загрязнения водотоков.

Совокупность  полученных данных по альгофлоре, содержанию хлорофилла «а» в планктоне и донных отложениях, развитию микробиальной микрофлоры дают сходные результаты оценки высокого и устойчивого на протяжении ряда лет уровня загрязнения реки.

Донные сообщества рассматриваются как наиболее надежные индикаторы оценки качества воды. Они отражают кумулятивные процессы в водотоках и позволяют наиболее надежно оценить количественно участие зообентоса в процессах самоочищения реки. При воздействии стойкого химического загрязнения уменьшается роль бентоса в процессе самоочищения реки в связи с подавлением его развития (Добринский,Плотников.,1993).

Высокие индикационные  свойства характерны для хирономид, гидракарин, микромицетов и нематод. В местах выпуска высокотоксичных  сточных вод организмы отсутствуют или зафиксированы локально виды с явно выраженными морфологическими уродствами. Достоверность полученных оценок подтверждается скоррелированностью ответа разных таксономических групп. Сходство результатов, полученных при изучении разных видов гидробионтов, подтверждает надежность сделанных выводов.

Результаты  изучения видовой и трофической  структуры хирономидофауны в  условиях загрязнения различной  степени позволяют выявить взаимосвязь  между уровнем загрязнения, видовым  составом, количеством личинок, а также степенью морфологических уродств.

Для комплексной  оценки влияния факторов окружающей среды на видовой состав и популяционные  характеристики зообентоса малых рек  Тюменской области был сформирован  банк данных, включающий следующие  основные информационные и программные компоненты:

• базу гидрологических и гидрохимических данных;
• сведения о видовом составе, численности и биомассе зообентоса;
• пакет математических программ, реализующий статистический анализ изучаемых факторов.

Данные в  базе представляют собой упорядоченный массив результатов инструментальных измерений, сопряженный по времени и месту отбора проб и содержащий следующие показатели:

• ширина, глубина и скорость течения реки в точке замера;
• тип грунтовых отложений, прозрачность и содержание хлорофилла в воде;
• температура воды, насыщенность кислородом, pH, БПК и ХПК как в придонном, так и в поверхностном слое;
• концентрации биогенных и техногенных химических соединений (различные формы азота и фосфора, фенолы, нефтепродукты и т.д.);
• показатели биологической и химической окисляемости органических веществ (Созинова.,1999).

Численность и  биомасса бентоса вводилась в  базу с использованием справочника, построенного по иерархическому принципу (класс, отряд, группа, вид) и содержащего  дополнительные кинетические константы и другие характеристики жизнедеятельности организмов.

Обработка данных, находящихся в базе, осуществлялась в несколько этапов:

• первичная обработка, включающая расчет индексов доминирования видов, значений характеристик энергетического баланса (траты на обмен, продукция, рацион, ассимиляция органического вещества и др.), а также обобщенных показателей продукции, ассимиляции и биоразнообразия для донных биоценозов;
• многофакторный дисперсионный анализ, имеющий целью оценить статистическую значимость влияния таких факторов, как сезонный и многолетний тренд, ландшафтно-географические особенности, распределение показателей по поперечному профилю реки, в зависимости от типа грунта и т.д.;
• кластерный анализ, позволяющий проводить сравнение степени сходства между группами наблюдений и осуществлять территориальное районирование объектов (станций наблюдения и рек в целом);
• многофакторный регрессионный анализ, осуществляющий структурную идентификацию связи между факторами среды и популяционными показателями зообентоса.

Базы данных реализованы в виде стандартных DBF-файлов и функционируют под  управлением многофункциональной Clipper-программы. Математическая обработка данных реализована  как средствами оригинальных программ авторов, так и в общепризнанных статистических пакетах. Конструкция базы данных позволяет существенно расширить ее содержимое за счет включения новой информации, как по новым группам биологических объектов, так и по новым обследуемым регионам. Используя информацию базы данных, были проанализированы различные зависимости показателя таксономического разнообразия (индекс Шеннона), рассчитанные в пространстве и времени.

Анализ проведенных  зависимостей позволил рекомендовать  использование разнообразия дафний как основы при проведении биоиндикационных исследований на различных водотоках. Создание базы данных позволило оценить структуру и динамику донных сообществ водотоков, дать предложения по оценке качества воды равнинных рек, оценить видовое разнообразие, дать рекомендации методического характера. Так, например, при использовании дафний, как биоиндикаторов, должны осуществляться следующие правила:

• биоиндикация должна проходить в относительно короткий промежуток времени;
• объекты для биоиндикации должны быть многочисленными и обладать одинаковыми качествами.

Таким образом, как показал анализ состояния, вопроса  о состоянии качества вод рек  в настоящее время наиболее перспективным  и распространенным, является метод  биотестирования, основанный на использовании  дафний. Этот метод дает возможность с достаточной достоверностью и сравнительно просто определить степень загрязнения вод реки.

1.2. Методика  организации мониторинговых наблюдений

Основная цель всякой программы мониторинга - информационная. Результатом ее должно быть получение  информации, устранение той или иной неопределенности или, напротив, выявление  недостатка информации. Поэтому естественным образом цель программы мониторинга может быть направлена на:

1. Получение информации, связанной с конкретной проблемой.
2. Представление информации для различных типов аудитории (заинтересованной общественности, администрации предприятия,       государственных органов) и ее распространение.

Под задачами мы понимаем конкретные действия или этапы  на пути достижения цели.

В любом случае, задачи подчинены целям. В рамках грамотно составленной программы не может быть задач, выходящих за пределы  цели, не имеющих к ней отношения  и т.п.

На основе поставленной цели следует определить приоритеты - объекты мониторинга и определяемые параметры. Объекты понимаются здесь в самом широком смысле слова - как антропогенные, так и природные. Например, если цель программы связана с состоянием реки, то выбор объекта может выглядеть как определение предприятия или конкретного стока, на котором будут сконцентрированы усилия по мониторингу. В некоторых случаях выбор объекта однозначно вытекает из поставленной проблемы, а иногда представляет собой содержательную и нетривиальную задачу. Как правило, сначала на основе поставленных целей и задач выбираются объекты мониторинга, а затем определяемые параметры. Однако возможен и обратный порядок, особенно если заранее известно, что проблема связана с определенным веществом.

Перед формированием  долгосрочной программы мониторинга  целесообразно провести рекогносцировочные (предварительные) исследования. На этом этапе важным является сбор всей уже  имеющейся информации по проблеме (включая  и ту, которую можно использовать в ее решении) и ее анализ. Любые уже имеющиеся сведения следует использовать эффективно, даже если в них и есть какие-то очевидные неточности или «белые пятна». Одним из эффективных приемов выбора приоритетов является картирование источников воздействия и составление их предварительных «портретов» по литературным сведениям. Список портретных характеристик послужит основой для интерпретации результатов измерений.

Для водных объектов удобно устанавливать так называемые маркерные характеристики, позволяющие  составить представление об общем характере загрязнения, не осуществляя полной программы измерений.

Как видно, многие характеристики, в том числе и  маркерные, повторяются в различных  графах таблицы. Эта неопределенность может быть устранена с помощью  картирования, к которому полезно прибегать в любой ситуации. Однако, например, то утверждение, что избыточное содержание ионов аммония служит маркерным показателем бытового и сельскохозяйственного загрязнения, справедливо в подавляющем большинстве случаев. Проверкой может стать определение содержания общего фосфора и других, типичных для хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных источников воздействия факторов.

Заметное повышение  минерализации поверхностных вод  является сигналом притока чуждого  раствора (например, это может быть и сброс более минерализованных, но не требующих очистки подземных вод, использованных в системе охлаждения).

Важной характеристикой  водных экосистем являются также  донные отложения. Аккумулируя тяжелые  металлы, радионуклиды и высокотоксичные органические вещества, донные отложения, с одной стороны, способствуют самоочищению водных сред, а с другой - представляют собой постоянный источник вторичного загрязнения водоемов.

Донные отложения - перспективный объект анализа, отражающий многолетнюю картину загрязнения (особенно - в малопроточных водоемах).

Когда выбраны  контролируемые параметры, необходимо определить число и расположение мест пробоотбора (наблюдения) и временной  режим отбора проб (проведения наблюдений). При этом необходимо избегать поспешных выводов, которые могут оказаться ошибочными. Например, если вы хотите проверить, насколько сточные воды предприятия загрязняют реку, необходимо выбрать точки отбора проб, ниже и выше по течению места их сброса: может оказаться, что вода в реке уже сильно загрязнена интересующим вас веществом, а вклад предприятия весьма незначителен.

Следует особо  подчеркнуть, что при планировании мониторинга выбросов или сбросов  из известных или потенциальных  источников не только количество выбросов, но и их флуктуации во времени имеют большое значение. Необходимо удостовериться, что система наблюдения зафиксирует эти флуктуации (это особенно важно при мониторинге загрязнения, поскольку концентрации загрязняющих веществ в среде меняются очень быстро).

После определения мест пробоотбора наблюдений наступает стадия проведения измерений и наблюдений, включающая полевые операции (измерения, проводимые на месте, пробоотбор, обработка и консервирование проб, идентификация и доставка в лабораторию) и лабораторные измерения/наблюдения (измерение концентраций загрязняющих веществ, использование биотестов в лабораторных условиях и т.п.).

Лабораторные  анализы и полевые измерения  должны проводиться со ссылкой на используемые методики и рекомендации. Контроль качества данных может осуществляться с применением статистических методов, выполнением анализа шифрованных проб и т.д.

Выбор методов  и средств измерений параметров источников воздействия и факторов окружающей среды зависит не только от того, за каким компонентом или  параметром вы намерены вести наблюдения, но и от задач вашей программы в целом. Например, не всегда необходимо привлечение инструментальных методов определения загрязняющих веществ - существуют достаточно простые и информативные приемы, не требующие сложного оборудования и высокой профессиональной подготовки (визуальные методы, некоторые способы биоиндикации и т.п.).

Стадия пробоотбора  представляет собой весьма важный этап организации экологического мониторинга. Прежде всего, необходимо обеспечить такие  условия, при которых проба отражала бы реальное содержание определяемых компонентов в окружающей среде. При этом большое значение имеет сам объект исследования. При изучении водных систем часто имеет смысл уделить первоочередное внимание донным отложениям, накапливающим многие загрязняющие вещества и отражающим долговременную картину загрязнения. Наконец, нужно помнить о том, что для уменьшения случайных погрешностей целесообразно проводить несколько параллельных определений, что ведет к увеличению минимального объема пробы (Реймерс 1991).

Во избежание  загрязнений уже на стадии отбора пробы следует принимать специальные  меры предосторожности. Такие меры обычно подробно описаны либо в самих  методиках, либо в специальных руководствах по анализу. Неаккуратное обращение и неправильное хранение могут привести к изменению состава пробы вследствие фотолитического или термического разложения, химических реакций, микробиологических превращений и т.д.

Во многих случаях  практикам приходится прибегать  к консервированию пробы - операции, позволяющей проводить аналитические работы не непосредственно в полевых условиях, а через некоторое время.

Стадия пробоподготовки  является первой ступенью собственно аналитической фазы. Помехи от неизвестных  факторов должны быть полностью исключены. Цель подготовки пробы - перевод определяемого компонента (и пробы) в форму, пригодную для анализа с помощью выбранного метода, удаление мешающих веществ или их маскирование, а в некоторых случаях - строго известное изменение концентрации (разбавление или концентрирование) так, чтобы предполагаемое содержание определяемого компонента было близко к середине рабочего диапазона используемого метода анализа.

Документирование  результатов - важная составляющая  экологического мониторинга. Документировать  необходимо все стадии работы, начиная с отбора проб. Отбор проб обычно оформляется протоколом, который подписывают все его участники. Форму протокола можно разработать самому или заимствована у государственных служб.

Протокол отбора проб должен составляться непосредственно в момент пробоотбора. В конфликтных случаях (особенно при обращении в суд) протокол, составленный «задним числом», может стать достаточным основанием для признания результатов недействительными.

Результаты  лабораторных исследований должны быть записаны в лабораторный журнал. Все первичные результаты (протоколы, рабочие журналы и прочая документация) должны сохраняться в течение всего времени, пока вы оперируете полученными результатами.

Если полученный цифровой материал достоверен и надежен, отражает реальное состояние исследуемого объекта в момент проведения наблюдений, то необходимо его представлять в виде таблицы.

Целесообразно включать в таблицы данных все  полученные результаты, а считанные  средние величины и отклонения от них, а также дополнительную информацию, необходимую для корректной интерпретации результатов. Это, например, информация о действующих стандартах, фоновом или реперном значении определяемого параметра, характерный интервал значений параметра по результатам прошлых измерений, необходимые примечания. В тех случаях, когда определение исследуемой величины проводят независимо различными методами, следует внести в таблицу информацию об альтернативных методиках(Кожова., 1995).

Корректно оформленные  таблицы результатов не менее  важны, чем протоколы пробоотбора и описание источников воздействия, выступающих в качестве причин загрязнения окружающей среды.

Приведенные таблицы  содержат как собственно полученный цифровой материал, так и сведения, которые могут (и должны) быть использованы для интерпретации результатов.

Интерпретация и представление полученных результатов  в значительной мере определяют возможности  использования данных для принятия экологически значимых решений.

Процесс интерпретации  полученных результатов можно коротко  описать как анализ данных, целью которого является получение как можно большего объема информации о процессах, к которым данные имеют (или предположительно могут иметь) отношение. Интерпретация результата, как количественного, так и качественного, подразумевает ответы на следующие вопросы:

Каковы причины  полученных результатов (т.е., почему получены именно эти результаты)? При этом имеются в виду не только причины  методического характера (им следует  уделять внимание на более ранних этапах программы - при планировании измерений, отборе проб, собственно измерениях). Если полученные данные достоверны, следует задать вопросы о причинах, обусловивших наблюдаемые явления. Каков источник зафиксированного загрязнения (предприятие, дачный поселок, естественный процесс)? Что можно сказать о применяемом производственном процессе на основании анализа сточных вод предприятия?

Соответствуют ли полученные результаты тому, что  вы ожидали? Если да (нет), то почему? Невнимание к этому вопросу способно привести к обнародованию «сенсационных» данных, которые не подтвердятся впоследствии. Каковы следствия наблюдаемых явлений? Речь здесь, главным образом, идет не о прогнозе (особенно в случае общественных организаций). Должен быть поставлен вопрос о том, что практически означает полученный результат - с точки зрения здоровья населения, состояния экосистемы и т.п. При этом следует принимать во внимание ответы на первые два вопроса. Это, например, означает, что следует ставить вопрос не только о том, каково воздействие на окружающую среду обнаруженного вещества, но и о том, каково воздействие производственного процесса, признаком которого является это вещество. 

Глава 2. Методические основы биоиндикации

2.1. Методика  проведения биоиндикационного исследования

Контроль состояния  наземных и водных экосистем осуществляется преимущественно по физико-химическим характеристикам. В мониторинге  же кроме этого необходимо применять  и биологические показатели: особенности  структуры сообществ, соотношение отдельных групп видов фауны и флоры, по количественному их развитию и т.д. В целях биоиндикации биологические показатели следует рассматривать как структурные характеристики.

В последнее  время все более широкое развитие имеет количественный подход к оценке состояния экосистемы и функционального значения в ней организмов. Системный подход при биологическом контроле, включающий сочетание качественных и количественных методов оценки, позволяет более-менее объективно охарактеризовать функциональное состояние экосистемы, вскрыть причины нарушения процессов круговорота вещества и энергии. Такой путь исследований дает возможность выявить закономерности изменений сообществ организмов, подверженных антропогенному воздействию, и позволит прогнозировать состояние экосистемы при изменении внешних факторов.

Биоиндикация  качества наземных экосистем возможна по различным видам и сообществам  растений и животных. В исследованиях  удовлетворительные результаты получены при изучении высших растений, лишайников, жужелиц и пауков.

Для гидробиологического  анализа качества вод могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоемы: планктонные  и бентосные беспозвоночные с  особой ролью простейших, водоросли, макрофиты, бактерии и грибы. Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют границы ее использования при решении задач биоиндикации.

При решении  задач биоиндикации и связанных  с ними задач экологического прогнозирования  необходимо уделять внимание трем основным аспектам:

• выделению системообразующих факторов и целям прогнозирования;
• разработке соответствующих методов и моделей;
• проблеме оценки достоверности получаемых результатов.

Актуальность  этих исследований косвенно подтверждается тем, что число количественных методов биоиндикации на сегодняшний день все еще мало, что позволяет вспомнить слова 25-летней давности В.И. Василевича  «Как ни странно, но задачи фитоиндикации, вероятностные по своей природе, до сих пор решаются в основном без использования каких-либо статистических методов». Все это заставило первоначально рассмотреть ряд основных теоретических подходов, используемых при фитоиндикационных исследованиях(Розенберг.,1994)

Среди рассмотренных  методов биоиндикации (оценка среды по отдельным видам-индикаторам и по ассоциациям-индикаторам, оценка среды по соотношению индикаторных групп видов, оценка достоверности и значимости индикаторов, использование экологических шкал, оценка индикаторной информативности видов, прямой градиентный корреляционный и регрессионный анализы, индикация методом распознавания образов) наиболее эффективным оказался прямой градиентный анализ.