Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

Министерство  образования Республики Беларусь

Учреждение  образования

«Гомельский государственный  университет имени

Франциска Скорины»

Факультет геолого-географический

Кафедра экологии

Оценка  качества водной среды      

биоиндикационными методами

 Исполнитель:                                ______________________     И.Г Козлов   

 студент группы  ГЭ-21

Научный руководитель:                 

зав. кафедрой экологии,                 

канд. биол. наук, доцент               ______________________    Ковалёва О. В.

                 Гомель 2011   

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………...........................3

1 Классификация водоёмов по уровню загрязнённости......................................5

  1.1 Общие понятия о загрязнении водоёмов.....................................................5

  1.2 Классификация водоёмов по уровню загрязнения на основе физико-химических характеристик воды.......................................................................11

  1.3 Классификация водоёмов по уровню загрязнения на основе биологических характеристик воды....................................................................15

2 Понятие  о биотестировании и основные тест-обьекты..................................21

  2.1 История развития биотестирования…......................................................21

  2.2 Основные понятия и термины биотестирования.......................................22

  2.3 Суть методологии биотестирования….......................................................24

  2.4 Тест-обьекты и их применение в биотестировании водоёмов.................26

3 Биоиндикация….................................................................................................29

  3.1 История становления биоиндикации..........................................................29

  3.2 Теория и сущность биоиндикации..............................................................31

  3.3 Общие принципы использования биоиндикаторов..................................33

  3.4 Биоиндикация с использованием водорослей….......................................37

  3.5 Биоиндикация с использованием зоопланктона…....................................41

  3.6 Биоиндикация с использованием бентоса..................................................45

  3.7 Биоиндикация с использованием высших водных объектов...................48

Заключение.............................................................................................................53

Список  использованных источников ..................................................................55

Приложения...........................................................................................................57

           ВВЕДЕНИЕ

Чистая вода – это необходимое условие жизни человека. Природные водоемы тесно связаны со всей окружающей средой, и в них попадают разнообразные загрязняющие вещества, начиная от почвы, смываемой дождями или талыми водами, и кончая отходами различных производств. Загрязнение водоемов усиливается в последнее время, снижая хозяйственные свойства воды и отражаясь на всем водном населении.

Кроме антропогенного загрязнения, происходит и естественное загрязнение воды. Оно обусловлено как отмиранием и разложением ряда гидробионтов, так и прижизненным выделением органических веществ некоторыми водорослями. Однако, выделяя кислород при фотосинтезе, водоросли обуславливают самоочищение воды от органических веществ. Для использования воды в хозяйственно-бытовых целях необходимо знать ее качество, в первую очередь наличие и степень загрязнения.

Современный мониторинг водоемов ограничивается проведением  анализов физико-химических свойств  воды, что не дает полной картины  экологического состояния водных объектов. Проведение гидробиологических исследований позволяет не только расширить зону мониторинга, но и определить степень влияния загрязнения на биоту водоемов. Хорошие результаты дает биологическая индикация свойств воды, основанная на тесной зависимости водного биоценоза от свойств воды. Для биоиндикации используются разные обитатели водоема, которые служат в этом случае биоиндикаторами. Главная идея биомониторинга состоит в том, что водные организмы отражают сложившиеся в водоеме условия среды, и те виды, для которых эти условия не благоприятны, выпадают, заменяясь новыми видами с иными потребностями.

Цель данной работы - определение загрязненности водоема путем биоиндикации. Биоиндикацию сред наиболее конструктивно использовать одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемом при мониторинге источников (объектов) загрязнения. В данном случае живые организмы-биоиндикаторы могут служить в качестве “биодатчиков” загрязнения экосистем, позволяющих выяснить, с одной стороны, масштабы и закономерности накопления загрязняющих веществ в живых организмах, а с другой - выявить потенциальные источники попадания загрязняющих веществ в более высокие звенья пищевых цепей.

Биоиндикацию сред наиболее конструктивно использовать одновременно с инструментальным контролем за состоянием окружающей природной среды, применяемом при мониторинге источников (объектов) загрязнения. В данном случае живые организмы-биоиндикаторы могут служить в качестве “биодатчиков” загрязнения экосистем, позволяющих выяснить, с одной стороны, масштабы и закономерности накопления загрязняющих веществ в живых организмах, а с другой - выявить потенциальные источники попадания загрязняющих веществ в более высокие звенья пищевых цепей.

Организмы, обитающие  в загрязненных водоемах, называют сапробионтами или сапробными организмами. Они могут служить индикаторами (показателями) загрязнения, или различных ступеней разложения органического вещества в водоеме. Распад органических загрязнений в водоеме приводит к потреблению кислорода и накоплению ядовитых продуктов распада (углекислота, сероводород, органические кислоты и др.). Способность организмов обитать в условиях разной степени сапробности объясняется потребностью в органическом питании и выносливостью к вредным веществам, образующимся в процессе разложения органического вещества.

Организмы водоема  относятся к планктону и бентосу, ряд из них составляет перифитон. Наиболее характерными для оценки загрязнения водоема являются бентос и обрастание. В состав биоценозов бентоса входят все формы растений и животных, которые своей жизнью тесно связаны с дном водоема. Организмы зообентоса принято разделять в зависимости от размещения и способов лова на макробентос, мезобентос, микробентос. Организмы обрастаний, поскольку они связаны с дном, также можно отнести к бентосу. Фитобентос представлен в водоеме макрофитами ( высшая водная растительность ) и микроводорослями ( мелкие одноклеточные, нитчатые и колониальные низшие водоросли ). В планктон включают те формы животных и растений, которые проводят всю жизнь во взвешенном состоянии в толще воды водоема. К фитопланктону принадлежат микроводоросли, к зоопланктону - животные.

Методы изучения изменения состояния окружающей природной среды  с помощью  организмов-биоиндикаторов в настоящее  время получили довольно широкое распространение.  Применение для целей определения состояния окружающей среды  живых организмов (растений, животных, микроорганизмов, грибов и лишайников) связано с тем, что некоторые из них весьма чувствительны и избирательны к различным факторам среды обитания (климатическим и погодным условиям, химическому составу воздуха, почв и воды). Вследствие своей способности переносить неблагоприятное влияние того или иного фактора среды, так называемой “экологической выносливости”, живые организмы могут существовать только в определенных границах (диапазонах) действия этих факторов. Так, состав планктона и бентоса в водоемах, с одной стороны, свидетельствует о степени благоприятности условий обитания в данной зоне, а с другой - характеризует локальные условия обитания.

Наиболее широко биоиндикация применяется для оценки степени и характера загрязнения  поверхностных вод, используемых для  питьевого водоснабжения и хозяйственных  целей, а также для биотестирования  сточных вод разной степени очистки.

1. Классификация водоёмов по уровню    загрязнённости

  1.1  Общие понятия о загрязнении водоёмов

В настоящее  время проблема загрязнения водных объектов (рек, озер, морей, грунтовых  вод и т.д.) является наиболее актуальной, т.к. всем известно выражение - «вода - это  жизнь». Без воды человек не может прожить более трех суток, но, даже понимая всю важность роли воды в его жизни, он все равно продолжает жестко эксплуатировать водные объекты, безвозвратно изменяя их естественный режим сбросами и отходами. Контроль окружающей природной среды по гидробиологическим показателям является высоко приоритетным также с точки зрения обеспечения возможности прямой оценки состояния водных экологических систем, испытывающих вредное влияние антропогенных факторов.

Антропогенное влияние на биосферу и неблагоприятные последствия загрязнения выходят за пределы локального воздействия, приобретая региональный и даже глобальный характер. Огромная угроза для всего человечества заключается в загрязнении водоемов. Синтетические органические вещества, ионы тяжелых металлов, аккумулируясь в тканях, оказывают отрицательное воздействие на репродуктивные процессы гидробионтов.  Это влияние загрязнения находит свое реальное выражение в прогрессирующей эвтрофикации водоемов, накоплении химических токсикантов в разных средах, в снижении экологической продуктивности водных экосистем. А.С.Константинов (1986) отмечает, что создается угроза нарушения экологического равновесия в природе, опасность которого трудно переоценить. Поэтому перед человечеством встает грандиозная задача охраны гидросферы. И чтобы оценить состояние водоема, необходимы хорошо разработанные гидробиологические классификации водных экосистем, по которым возможно установление основных изменений водных биоценозов в условиях загрязнения окружающей среды.

Под загрязнением водоемов понимается ухудшение их экономического значения и биосферных функций в  результате антропогенного поступления  в них вредных веществ. Экологическое  действие загрязняющих веществ проявляется  на организменном, популяционном, биоценотическом и экосистемном уровнях. На организменном уровне наблюдаются нарушение отдельных физиологических функций, изменение поведения, снижение темпа роста, увеличение смертности вследствие прямого отравления или уменьшения устойчивости к стрессовым состояниям внешней среды. Большое значение имеет повреждение генетического аппарата и трансформациия исходного генофонда особей. На уровне популяций загрязнение может вызвать изменение их численности и биомассы, рождаемости и смертности, половой и размерной структуры. Следует добавить хаотизацию внутрипопуляционных отношений, вызываемую изменением поведения особей и искажением языка химических сигналов. На биоценотическом уровне загрязнение сказывается на структуре и функциях сообщества, поскольку одни и те же загрязняющие вещества неодинаково влияют на разные компоненты биоценоза. В конечном итоге происходит деградация экосистем - ухудшение их как элементов среды человека и снижение положительной роли в формировании биосферы

Загрязнение водоёма – это изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление. При всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными.

К первой группе относятся  органические компоненты бытовых стоков и большая часть промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий. Вторую группу составляют многие неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов. Все эти типы загрязнителей попадают различными путями в круговорот воды, что приводит к различным типам загрязнения водоёмов. Основные пути проникновения загрязняющих веществ в водоёмы через круговорот воды хорошо прослеживаются на рисунке 1.

Рисунок 1 - Пути проникновения загрязняющих веществ

в круговорот воды

Три важных стадии круговорота воды: испарение (А), конденсация (Б) и атмосферные осадки (В). Если в него вовлечено слишком много  природных или искусственных  загрязняющих веществ из перечисленных ниже источников, естественная система не справляется с очисткой воды.

1 Радиоактивные частицы, пыль и газы поступают из атмосферы вместе со снегом, выпадающим и накапливающимся в высокогорьях.

2 Талые ледниковые воды с растворенными загрязняющими веществами стекают вниз с высокогорий, формируя истоки рек, которые на своем пути к морю увлекают частицы грунта и горных пород, размывая поверхности, по которым они текут.

3 Воды, дренирующие горные выработки, содержат кислоты и другие неорганические вещества.

4 Вырубка лесов способствует развитию эрозии. Многие загрязняющие вещества сбрасываются в реки предприятиями целлюлозно-бумажной промышленности, на которых обрабатывается древесина.

5 Дождевые воды вымывают химические вещества из почвы и разлагающихся растений, транспортируют их в грунтовые воды, а также смывают со склонов в реки почвенно-грунтовые частицы.

6 Промышленные газы попадают в атмосферу, а оттуда вместе с дождем или снегом - на землю. Промышленные стоки поступают непосредственно в реки. В зависимости от отрасли промышленности сильно различается состав газов и сточных вод.

7 Органические инсектициды, фунгициды, гербициды и удобрения, растворенные в водах, дренирующих сельскохозяйственные угодья, поступают в реки.

8 Опыливание полей пестицидами загрязняет воздушную и водную среду.

9 Коровий навоз и другие остатки животного происхождения - основные загрязнители мест больших скоплений животных на пастбищах и скотных дворах.

10  При откачке пресных грунтовых вод может произойти засоление в результате подтягивания к их зеркалу минерализованных вод из эстуариев и морских бассейнов.

11 Метан продуцируется бактериями, как в естественных болотах, так и в стоячих водоемах при избытке органических загрязнителей антропогенного генезиса.

12 Тепловое загрязнение рек происходит из-за поступления от электростанций нагретых вод.

13 Города являются источниками разных отходов, включая как органические, так и неорганические.

14 Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания - основные источники загрязнения воздушной среды. Углеводороды адсорбируются содержащейся в воздухе влагой.

15 Крупные предметы и частицы удаляются из коммунально-бытовых сточных вод на станциях предварительной очистки, органика - на станциях вторичной очистки. От многих веществ, поступающих с промышленными стоками, невозможно избавиться.

16 Разливы нефти от морских нефтяных скважин и из танкеров загрязняют воды и пляжи.

Основные типы загрязнения водоёмов:

1 Нефтяное загрязнение (рисунок 2). Загрязнение воды нефтью происходит в основном из-за халатного отношения к этому вопросу людей, ответственных за это дело. Иногда воду, после промывки нефтяных танкеров сливают в водоемы, иногда моют машины и выливают в реки даже отработанное машинное масло. Нефть попадает в воду с плавающих механизированных средств и с водного транспорта. Не нужно думать, что нефть безвредна для водоемов. Даже тончайшие слои уменьшают скорость проникновения в воду кислорода. Тонкая пленка нефти может убить нейстон и плейстон. Птицы, испачканные нефтью, обычно погибают. Загрязнение нефтью чревато еще и тем, что охватывает большие площади при незначительных попаданиях в воду. Один литр нефти покрывает поверхностной пленкой полгектара поверхности воды.

Рисунок 2 -  Загрязнение нефтью, берегов Мексиканского залива

2 Загрязнение  воды биологически активными  веществами. В настоящее время усиленно развивается медицинская и биохимическая промышленность, изготавливающая биологически-активные вещества, гормоны, ферменты, витамины, лекарственные вещества, содержащие активнодействующие на микрофлору и микрофауну вещества типа антибиотиков. Действие большинства биологически-активных веществ на гидрофауну и гидрофлору не изучено, вот почему к выпуску сточных вод, содержащих биологически активные вещества (БАВ) в водоемы следует подходить с очень большой осторожностью.

3 Загрязнение воды радиоактивными веществами. Радиоактивные вещества оказывают вредное воздействие на организм в результате излучений, возникающих при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных элементов. Эти излучения разрушают и изменяют химические соединения, составляющие организм (нуклеиновые кислоты, белки, жировые вещества и т.п.) и нарушают строение биологических структур (хромосом, мембран и других клеточных органелл). Радиоактивные вещества содержатся в больших количествах в рудных телах и могут загрязнять водоемы при "урановых разработках" и переработке радиоактивного сырья.

4 Загрязнение тяжелыми  металлами. Тяжелые металлы имеют атомную массу более 60. В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высокая токсичность других тяжелых металлов - кобальта, серебра, золота, урана и других. Высокая токсичность для живых существ - это характерное свойство соединений и ионов тяжелых металлов. В металлическом виде они нетоксичны.

5 Загрязнение водной среды солями. Большинство стоков содержит в себе неорганические соли. Особенно много солей содержится в стоках промышленных предприятий. Соли образуются в стоках главным образом за счет нейтрализации кислот и щелочей, которые в очень больших количествах применяются в промышленных процессах. Вредность солей для гидробионтов проявляется, прежде всего, в нарушении осмотического равновесия.

 6 Тепловое загрязнение  (рисунок 3). Температура воды, используемой на тепловых электростанциях для охлаждения пара, повышается на 3-10° С, а иногда до 20° С. Плотность и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается либо вокруг места слива, либо в смешанном потоке, текущем вниз по течению реки. Мощные электростанции заметно нагревают воды в реках и бухтах, на которых они расположены.

Рисунок 3 - Тепловое загрязнение Копорской губы Финского залива от ЛАЭС

Летом, когда  потребность в электрической  энергии для кондиционирования  воздуха очень велика и ее выработка  возрастает, эти воды часто перегреваются. Понятие "тепловое загрязнение" относится именно к таким случаям, так как избыточное тепло уменьшает растворимость кислорода в воде, ускоряет темпы химических реакций и, следовательно, влияет на жизнь животных и растений в водоприемных бассейнах. Примером такого загрязнения является загрязнение Копорской губы Финского залива от ЛАЭС.

7 Другие неорганические загрязнители. В водоприемных бассейнах некоторые металлы, например железо и марганец, окисляются либо в результате химических либо биологических (под влиянием бактерий) процессов. Так, например, образуется ржавчина на поверхности железа и его соединений. Растворимые формы этих металлов существуют в разных типах сточных вод: они были обнаружены в водах, просочившихся из шахт и со свалок металлолома, а также из естественных болот. Соли этих металлов, окисляющиеся в воде, становятся менее растворимыми и образуют твердые окрашенные осадки, выпадающие из растворов. Поэтому вода приобретает цвет и становится мутной.

Источники, вносящие в поверхностные или подземные воды различные вредные вещества, микроорганизмы или тепло, называется источником загрязнения водоёма, вещество, нарушающее нормы качества воды, — загрязняющим. Природные воды могут быть загрязнены самыми различными примесями, которые разделяют с учетом их биологических и физико-химических свойств на группы.

Рисунок 4 - Основные источники загрязнения водоёмов

К первой группе относятся вещества, растворяющиеся в воде и находящиеся там в  молекулярном или ионном состоянии. В природной воде могут присутствовать в растворенном виде различные газы (кислород, азот, диоксид углерода, сернистый газ и др.), а также растворимые соли (натрия, калия, кальция, аммония, алюминия, железа, магния, марганца и др.). Можно установить их наличие с помощью химического анализа, потому что растворенные примеси не задерживаются ни песчаными, ни бумажными фильтрами. Вторая группа примесей — те, что образуют с водой коллоидные системы и взвеси. Коллоидные системы образуются из практически нерастворимых веществ. Они задерживаются мембранами — тонкими пленками из коллодия или бычьего пузыря. В коллоидном состоянии могут находиться вещества минерального и органического происхождения. При длительном отстаивании частицы песка, глины, образующие в воде взвеси, способны осаждаться.                               

Основными источниками  загрязнения являются: промышленные и коммунальные канализационные стоки и сельскохозяйственные загрязнения, которые включают смыв с полей части почвы, содержащей различные агрохимикаты, дренажные воды систем орошения, стоки животноводческих ферм, попадание в водоемы с осадками и ливневыми стоками аэрогенных загрязнений (рисунок 4). 

Годовой объем  промышленных коммунально-бытовых  и сельскохозяйственных стоков в  мире достиг 6,7%, или около 2,5 тыс. км естественного речного стока на планете, а по наличию примесей в воде практически сравнялся с ним. Антропогенные загрязнения воды по сравнению с природными водами (растворы и взвеси) более опасны и во много раз сильнее снижают ее качество.

  1.2 Классификация водоёмов по уровню загрязнения на основе   

        физико-химических характеристик воды.

Природные водоемы  различаются по химическому составу  воды, донных отложений и потока веществ, поступающих в них с  водосборной площади, а так же рядом физических, гидрологических и географических параметров. В связи с этим  в  каждом  водоеме  формируется  свой  собственный  набор  видов микроорганизмов, растений и животных, взаимно влияющих друг на друга и на окружающую  среду.  Каждая  водная  экосистема  имеет  свои  определенные характеристики:  видовое разнообразие  водных  организмов,  их  численность, биомассу  и  др.  Одним  из  важнейших  показателей  является  продуктивность (трофность)  водной  экосистемы,  т.е.  количество  нового  органического вещества,  создаваемого  экосистемой  за  единицу  времени.  Продуктивность зависит  в  первую  очередь  от  фотосинтетической  деятельности  автотрофных организмов  и  различна  в  разных  водоемах.  По  уровню  продуктивности природные водоемы могут классифицироваться как: 

 - дистрофные (непродуктивные);

 - олиготрофные (малопродуктивные);

 - мезотрофные (среднепродуктивные);

 - эвтрофные  (высокопродуктивные).

 Классификация   водоемов  по трофности  применима  для  всех природных водоемов. Трофический уровень водной экосистемы сильно связан с содержанием  в  воде  биогенов – растворенных  минеральных  веществ, являющихся удобрением для водных  растений.  К ним относятся  прежде  всего соединения фосфора и азота. Уровень трофности водоема может изменяться при действии  как природных,  так и антропогенных (возникающих  в  результате воздействия  человека)  факторов.  В  некоторых  случаях  определить  причину изменения  трофности  очень  сложно.  Когда  нет  сомнений  в  том,  что  причина имеет антропогенный характер, встает задача оценки качества воды в сравнении с прежним "природным" состоянием и прогноза дальнейших изменений. Трофический уровень конкретного водоема можно определить не только по  продукции  фотосинтезирующих  организмов,  но  и  по  видовому  составу  и обилию  тех  гидробионтов,  которые  в  этом  водоеме  обитают.  С  их  помощью можно определить качество воды и изменение трофического уровня водоема, в связи с увеличением концентрации биогенов при загрязнении.

Оценка качества воды водоемов может быть проведена с использованием физико-химических и биологических методов, а также метод, использующий биологические и физико-химические методы. Физико-химические измерения основаны на индивидуальных и комплексных показателях, они позволяют оценить качество воды только на данный момент. Достоинства физико-химических методов:

– точная оценка качества воды конкретным загрязнителем;

– учет совместного влияние загрязняющих веществ;

– возможность классификации качества воды по степени загрязнённости;

– характеристика среды обитания водных организмов.

Индивидуальные  показатели физико-химических методов:

1) Ci≤ ПДКi – предельно-допустимая концентрация;

2)  Gi≤ ПДCi – предельно допустимый сброс;

3)  БПК5 – биологическое потребление кислорода.

Наиболее часто из индивидуальных показателях используется показатель биологического потребления кислорода, классификацию качества воды по БПК5  изобрел Крылов А.В. Биологическое потребление кислорода (БПК) – это показатель загрязнения воды органическими соединениями, определяемый количеством кислорода, израсходованным за определенное время (5 суток – БПК5) в аэробных условиях на окисление загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема воды. В таблице А.1 приведена классификация качества воды по БПК5 . Как правило, в течение 5 суток при нормальных условиях происходит окисление до 70% легкоокисляющихся органических веществ. Полное окисление органических веществ (БПКполн. или БПК20) достигается в течение 20 суток.

Комплексные показатели физико-химических методов:

         1) ПХЗ-10 –  показатель химического загрязнения;

         2) КИЗ – комбинаторный индекс загрязненности

          3) W – показатель Эрисмана;

         4)  Х – экотоксологический критерий Моисеенко;

           5)  ИЗВ – индекс загрязнения воды.

Для характеристики загрязнения водных объектов используется  формализованный суммарный показатель химического загрязнения вод (ПХЗ-10). Применение ПХЗ-10 ограничено – он рассчитывается только при выявлении зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Расчёт производится по десяти соединениям, максимально превышающим ПДК, по следующей формуле (1):

ПХЗ – 10= (С₁ / ПДК_{1  +}  С₂ / ПДК_{2  +} С₃ / ПДК_{3 + . . . . . +}  С₁₀ / ПДК₁₀),                 (1)

Где: ПДК – предельно допустимая концентрация вещества, мг/м³;

   С – концентрация измеряемого вещества в водном объекте, мг/м³.

При определении ПХЗ-10 для  химических веществ, по которым «относительно  удовлетворительный уровень загрязнения  вод» определяется как их отсутствие, отношение Ci/ПДКi  условно принимается равным 1. Получение значения ПХЗ- 10  загрязнённости вод соответствует тому или иному параметру состояния загрязнения водного обьекта.