Биоиндикация

1.Анализ источников и видов загрязнения водоёмов

       Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения  физических,

химических  и биологических свойств воды в водоемах в связи  со  сбрасыванием

в них  жидких, твердых и газообразных веществ, которые  причиняют  или  могут

создать неудобства, делая воду данных водоемов  опасной  для  использования,

нанося  ущерб  народному  хозяйству,  здоровью  и  безопасности   населения. [1]

       Источниками загрязнения признаются  объекты, с которых  осуществляется  сброс

или иное поступление в водные объекты  вредных веществ,  ухудшающих  качество

поверхностных  вод,  ограничивающих  их  использование,  а  также  негативно

влияющих  на состояние дна и береговых  водных объектов.

       Загрязнение поверхностных и  подземных вод можно  распределить  на  такие

типы:

-механическое - повышение содержания механических  примесей,  свойственное

в основном поверхностным видам загрязнений;

-химическое -  наличие  в  воде  органических  и  неорганических  веществ

-токсического  и нетоксического действия;

-бактериальное  и биологическое - наличие в  воде разнообразных  патогенных

микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

-радиоактивное  - присутствие радиоактивных веществ   в  поверхностных  или

подземных водах;

-тепловое - выпуск в водоемы подогретых  вод тепловых и атомных ЭС.

        Основными  источниками  загрязнения   и   засорения   водоемов   является

недостаточно   очищенные   сточные   воды   промышленных   и    коммунальных

предприятий, крупных животноводческих комплексов,  отходы  производства  при

разработке  рудных ископаемых;   воды  шахт,  рудников,  обработке  и  сплаве

лесоматериалов;  сбросы  водного  и  железнодорожного   транспорта;   отходы

первичной обработки льна, пестициды и т.д. Загрязняющие вещества, попадая  в

природные водоемы,  приводят  к  качественным  изменениям  воды,  которые  в

основном  проявляются в  изменении  физических  свойств  воды,  в  частности,

появление неприятных запахов, привкусов и  т.д.);  в  изменении  химического

состава воды, в частности,  появление  в  ней  вредных  веществ,  в  наличии

плавающих веществ на поверхности воды  и откладывании их на дне водоемов.

       Сточные  воды  разделяют   на  три  группы:   фановые,   или   фекальные;

хозяйственно-бытовые, включающие стоки от камбуза, душей, прачечных  и  др.;

подсланевые, или нефтесодержащие.

Для фановых  сточных вод характерно высокое  бактериальное загрязнение,  а

также    органическое    загрязнение(химическое    потребление     кислорода

достигает1500-2000мг/л.). объём этих вод сравнительно невелик.

Хозяйственно  бытовые сточные воды характеризуются  невысоким органическим

загрязнением. Эти сточные воды обычно сбрасываются за  борт  судна  по  мере

образования. Сброс их запрещён только в зоне санитарной охраны.

Подсланевые воды образуются в машинных отделениях судов. Они  отличаются

высоким содержанием нефтепродуктов.

       Производственные сточные воды  загрязнены в основном отходами  и выбросами

производства.  Количественный  и  качественный  состав  их  разнообразен   и

зависит от отрасли промышленности, ее технологических  процессов;  их  делят

на  две  основные  группы:  содержащие  неорганические  примеси,  в  т.ч.  и

токсические, и содержащие яды.

        К первой группе относятся   сточные  воды  содовых,  сульфатных,  азотно-

туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд  и

т.д., в  которых содержатся кислоты, щелочи,  ионы  тяжелых  металлов  и  др.

Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

        Сточные   воды   второй   группы    сбрасывают    нефтеперерабатывающие,

нефтехимические заводы, предприятия органического  синтеза,  коксохимические

и  др. В стоках содержатся разные нефтепродукты, аммиак,  альдегиды,  смолы,

фенолы  и другие вредные вещества.  Вредоносное  действие  сточных  вод  этой

группы  заключается главным образом  в  окислительных  процессах,  вследствие

которых   уменьшается   содержание   в   воде    кислорода,    увеличивается

биохимическая потребность в нем,  ухудшаются   органолептические  показатели

воды.

        Загрязнение сточными водами  в результате промышленного   производства,  а

также  коммунально-бытовыми  стоками  ведет  к   эвтрофикации   водоемов   –

обогащению  их питательными веществами, приводящему  к  чрезмерному  развитию

водорослей, и к гибели других водных экосистем  с  непроточной  водой  (озер,

прудов), а иногда к заболачиванию местности.

       Довольно вредным  загрязнителем   промышленных  вод  является  фенол.  Он

содержится  в сточных водах  многих  нефтехимических  предприятий.  При  этом

резко снижаются биологические процессы водоемов,  процесс  их  самоочищения,

вода  приобретает специфический запах  карболки.

        На жизнь населения водоемов  пагубно  влияют  сточные   воды  целлюлозно-

бумажной   промышленности.   Окисление   древесной   массы    сопровождается

поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели  икры,

мальков и взрослых рыб. Волокна и  другие  нерастворимые  вещества  засоряют

воду  и ухудшают ее физико-химические свойства. На рыбах  и  на  их  корме  -

беспозвоночных  -  неблагоприятно  отражаются  молевые  сплавы.  Из  гниющей

древесины и коры выделяются в воду различные  дубильные  вещества.  Смола  и

другие  экстрактивные  продукты  разлагаются  и  поглощают  много  кислорода,

вызывая гибель рыбы, особенно молоди и  икры.  Кроме  того,  молевые  сплавы

сильно  засоряют реки, а топляк нередко  полностью забивает их дно, лишая  рыб

нерестилищ  и кормовых мест.

         Нефть  и  нефтепродукты   на   современном   этапе   являются   основными

загрязнителями  внутренних водоемов, вод и морей, Мирового океана. Попадая  в

водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую  на  воде  нефтяную

пленку, растворенные или эмульгированные  в воде  нефтепродукты,  осевшие  на

дно тяжелые  фракции и т.д. Это затрудняет процессы фотосинтеза в воде  из-за

прекращения доступа солнечных лучей, а  также  вызывает  гибель  растений  и

животных.  При  этом  изменяется   запах,   вкус,   окраска,   поверхностное

натяжение,  вязкость  воды,  уменьшается  количество  кислорода,  появляются

вредные органические  вещества,  вода  приобретает  токсические  свойства  и

представляет  угрозу не только для человека. 12 г  нефти  делают  непригодной

для употребления тонну воды. Каждая тонна нефти  создает нефтяную  пленку  на

площади до 12 кв. км. Восстановление  пораженных  экосистем  занимает  10-15

лет.

        Атомные  электростанции   радиоактивными   отходами   загрязняют   реки.

Радиоактивные    вещества    концентрируются    мельчайшими     планктонными

микроорганизмами  и рыбой, затем по цепи питания  передаются другим  животным.

Установлено, что радиоактивность планктонных  обитателей в тысячи  раз  выше,

чем воды, в которой они живут.

         Сточные воды, имеющие повышенную  радиоактивность  (100  кюри  на  1л  и

более), подлежат захоронению в подземные  бессточные бассейны  и  специальные

резервуары.

         Рост  населения,  расширение  старых  и  возникновение   новых   городов

значительно увеличили поступление бытовых  стоков во внутренние водоемы.  Эти

стоки стали источником загрязнения рек  и озер болезнетворными  бактериями  и

гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы  моющие  синтетические

средства, широко используемые в быту. Они  находят широкое  применение  также

в  промышленности  и  сельском  хозяйстве.  Содержащиеся  в  них  химические

вещества,  поступая  со  сточными  водами  в   реки   и   озера,   оказывают

значительное  влияние  на  биологический  и  физический  режим  водоемов.  В

результате  снижается способность вод к  насыщению  кислородом,  парализуется

деятельность  бактерий, минерализующих органические вещества.

         Вызывает  серьезное  беспокойство  загрязнение  водоемов  пестицидами   и

минеральными  удобрениями,  которые  попадают  с  полей  вместе  со  струями

дождевой  и талой воды. В результате исследований,  например,  доказано,  что

инсектициды,  содержащиеся  в  воде  в  виде   суспензий,   растворяются   в

нефтепродуктах,  которыми  загрязнены  реки  и  озера.  Это   взаимодействие

приводит  к значительному ослаблению окислительных  функций  водных  растений.

Попадая в водоемы, пестициды накапливаются  в планктоне, бентосе, рыбе, а  по

цепочке питания попадают в организм человека, действуя отрицательно  как  на

отдельные органы, так и на организм в целом.

          В связи с интенсификацией  животноводства все более   дают  о  себе  знать

стоки предприятий данной отрасли сельского  хозяйства.

          Сточные воды, содержащие растительные  волокна, животные  и  растительные

жиры,  фекальную  массу,  остатки  плодов  и  овощей,  отходы  кожевенной  и

целлюлозно-бумажной  промышленности,  сахарных   и   пивоваренных   заводов,

предприятий  мясомолочной,   консервной   и   кондитерской   промышленности,

являются  причиной органических загрязнений  водоемов.

В сточных  водах обычно около 60% веществ органического  происхождения,  к

этой  же категории органических относятся  биологические  (бактерии,  вирусы,

грибы,  водоросли)  загрязнения  в  коммунально-бытовых,   медико-санитарных

водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.

           Серьёзной экологической проблемой   является  то,  что  обычным   способом

использования  воды  для  поглощения  тепла  на   тепловых   электростанциях

является  прямая прокачка пресной озерной  или речной воды через охладитель  и

затем  возвращение  её   в   естественные   водоёмы   без   предварительного

охлаждения. Для электростанции мощностью 1000 МВт  требуется  озеро  площадью

810 га, глубиной  около 8,7 м.

          Электростанции могут повышать  температуру воды по сравнению  с окружающей

на 5-15 С. В естественных условиях при медленных  повышениях  или  понижениях

температур  рыбы и другие водные  организмы  постепенно  приспосабливаются  к

изменениям  температуры окружающей среды. Но если в результате сброса в  реки

и озёра  горячих стоков с  промышленных  предприятий  быстро  устанавливается

новый температурный режим, времени  для  акклиматизации  не  хватает,  живые

организмы получают тепловой шок и погибают.

Тепловой  шок - это крайний результат теплового  загрязнения.  Результатом

сброса  в  водоёмы  нагретых  стоков  могут  быть   иные,   более   коварные

последствия. Одним из них является влияние  на процессы обмена веществ.

          В результате повышения  температуры   воды  содержание  в  ней   кислорода

падает, тогда как потребность в нём  живых организмов  возрастает.  Возросшая

потребность в кислороде,  его  нехватка  вызывают  жестокий  физиологический

стресс  и даже смерть.  Искусственное  подогревание  воды  может  существенно

изменить  и  поведение  рыб  -  вызвать  несвоевременный  нерест,   нарушить

миграцию

         Повышение температуры воды  способно  нарушить  структуру  растительного

мира  водоёмов. Характерные для  холодной  воды  водоросли  заменяются  более

теплолюбивыми  и,  наконец,   при   высоких   температурах   полностью   ими

вытесняются, при этом возникают благотворные условия для массового  развития

в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого  “цветения  воды”.

Все перечисленные  выше последствия теплового  загрязнения  водоёмов  наносят

огромный  вред природным экосистемам и  приводят к пагубному  изменению  среды

обитания   человека.   Ущербы,   образовавшиеся   в   результате   теплового

загрязнения,  можно  разделить  на:  -  экономические   (потери   вследствие

снижения  продуктивности  водоёмов,  затраты  на  ликвидацию  последствий  от

загрязнения); социальные  (эстетический  ущерб  от  деградации  ландшафтов);

экологические (необратимые  разрушения  уникальных  экосистем,  исчезновение

видов, генетический ущерб).

           Загрязняются  реки  и   во   время   сплава,   при   гидроэнергетическом

строительстве, а с началом навигационного периода  увеличивается  загрязнение

судами  речного флота.

Мировое хозяйство сбрасывает в год  1500  куб.  км  сточных  вод  разной

степени очистки, которые требуют 50-100-кратного  разбавления  для  придания

им естественных свойств и дальнейшего  очищения  в  биосфере.  При  этом  не

учитываются воды сельскохозяйственных производств.  Мировой  речной  сток  (

37,5-45 тыс.  куб.  км  в  год)  недостаточен  для  необходимого  разбавления

сточных вод. Таким образом, в результате промышленной  деятельности  пресная

вода  перестала быть возобновляемым ресурсом.

 

2.Уровни  биологических организаций 

    2.1 Организменный уровень

        Основная цель отбора биологических показателей на организменном уровне сводится к оценке главным образом физиологического состояния особи и ее поведения, a также биологической значимости данных по концентрации загрязняющюших веществ в теле морских организмов. Однако эти данные будут представлять интерес только в том случае, если изменен величины отклика используемых показателей коррелируют изменениями на экосистемном уровне, т, е. если изменения физиологических показателей приведут к изменению экологической слаженности. Влияние размера можно учесть, используя уравнение аллометрического роста

    v=аMb

    (где  v - скорость роста, M - масса тела, a – постоянная b - показатель). [2]

    Измерения физиологических показателей можно  приурочить к какой-то фазе репродуктивного  цикла или к какому-то времени  года. Реакция организмов на загрязнение  не всегда линейно зависит от действующей  концентрации, так как существует пороговый уровень, ниже которого организмы  могут детоксифицировать вещество. Аномальные отклики сигнализируют  о том, что этот порог превышен. При надпороговых значениях концентрации вещества физиологическая реакция  будет соответствовать величине действующего фактора. Если перенести  организм чистую среду, то он снова  окажется способным к детоксикации загрязнения, что, в конечном счете, приведет к нивелированию отрицательного отклика.

    Итак, оценка физиологического состояния  особи проводятся по исследованию таких  показателей:

    Питание. Для морских животных характерны разнообразные способ питания травоядность, питание детритом и седиментами  фильтрация, некрофагия и хищничество. Процесс питания сложный и  включает не только непосредственно  пищеварение, но и поведенческие  компоненты: поиск пищи, выбор и  поимку жертвы, фильтрацию пищи из водного  столба, завывание в донных осадках  и др. Изменение скорости питания  взвесью или осадками и образование  фекалий служат показателями физиологического состояния в условиях загрязнения. Показатель скорости питание в естественных условиях изменяется в широких пределах. Он весьма чувствителен даже к небольшим изменениям количества доступной пищи, что сильно усложняет задачу определения фонового уровня.

    Дыхание. Скорость потребления кислорода. По этому показателю можно судить о  физиологическом состоянии как  целого организма, а так и изолированных  тканей.Однако интерпретация данных измерений по потреблению кислорода  затруднена из-за того, что обычно не учитывается влияние других экологических  факторов, таких, как соленость, температура, время года и др. Респираторная  активность. B программах мониторинга  используются три показателя активности дыхания главным образом у  пресноводных рыб: частота кашля, частота  оперкулярного движения и частота  сердцебиений. Частота кашля изменяется под действием физических (например, взвешенные твердые частицы) или  химических (например, тяжелые металлы) факторовна эпителий жабр. Измерения  частоты оперкулярного движения проводились на многих видах рыб  в присутствии разных загрязнителей  изменение обычно связано с уровнем  потребления кислорода, хотя последний  может быть сбалансирован за счет регуляции амплитуды движений. Изменение  частоты сердцебиения также связано  с изменениями потребления кислорода, хотя и в этом случае компенсация  может быть достигнута путем изменения  глубины дыхания. Из трех показателей  частота кашля, по-видимому, наиболее чувствительный и удобный для  исследователя отклик на широкий  круг загрязнений.

    Выделение и азотный баланс. Продукты выделения  морских животных включают аммиак, мочу, аминокислоты и пурины. Баланс между поступающими в организм веществами с пищей и их выделением с продуктами жизнедеятельности обычно рассчитывают с помощью уравнения энергетического  баланса и показателей роста. В тех случаях, когда содержание азота в пище лимитировано, потеря азота в выделениях может свидетельствовать  об азотном нарушении баланса. Скорость выделения, превышающая значения нормы, может свидетельствовать о стрессовой ситуации, вызванной серьезным нарушением питания под влиянием загрязнения. Скорость выделения азота может  дать больше информации о состоянии  животного, если ее рассматривать наряду с другим физиологическими показателями. Отношение потребленного кислорода  к выделенному азоту (отношение O/N) является индексом катаболического баланса белка, углеводов и липоидов, там как атомные эквиваленты потребленного кислорода при катабализме и выдeленного азота колеблются. Высокое значение индекса O/N указывает на преобладание липидного или углеводного катаболизма над распадом белков.

    Рост. Рост – один из важнейших параметров, характеризующих состояние популяции  в конкретных условиях окружающей среды. Поскольку снижение скорости роста  животных является неспецифическим  откликом на любые стрессовые воздействия, следует быть очень внимательными  при использовании этого показателя и интерпретации получаемых данных. 3амедление роста может наступить  из-за снижения интенсивности питания  или увеличения расхода энергии, связанного с дыханием или выделением, под действием разных экологических  факторов – температуры, солености, концентрации 02, концентрации пищи, ионов  металлов, нефти, скорости движения воды и др. Рост отдельных особей можно  измерять прямым методом или косвенно. Непрямой метод, или физиологическая  оценка роста является интегральным, поскольку включает измерение таких  физиологических переменных, которые  отдельно и вместе характеризуют  состояние особи.  
Несмотря на то, что лабораторные и полевые исследования по влиянию загрязнения на показатели роста в основном выполнены на ракообразных и двустворчатых моллюсках, a для рыб имеются данные только лабораторных опытов, этот показатель следует активно использовать в программах мониторинга.

    Воспроизводство. Снижение значений показателей роста  может привести к снижению плодовитости животного, так как на образование  гамет расходуется существенная часть запасаемой энергии. Любые  наблюдаемые снижения показателей  роста, особенно во время созревания гамет, могут быть сигналом резкого  снижение репродуктивной способности  родительского организма. Эмбриональные  и личиночные стадии развития, как  правило, наиболее чувствительны к  токсикантам по сравнению со взрослыми  особями.  При изучении действия загрязняющего вещества на воспроизводство следует иметь в виду, что часть его может накапливаться в икринках и сохраняться там длительное время . (Ross Anderson, 1978). Контроль за этим накоплением позволяет с некоторой долей вероятности прогнозировать последующие стадии развития организма. 
Определение плодовитости и оценка жизнеспособности гамет являются полезными показателями состояния особей, с помощью которых можно объяснить некоторые экологические нарушения.

    Состав  крови. При оценке состояния рыб  и их откликов на изменение окружающей среды в последние годы стали  чаще использовать гематологические методы. Исследования крови беспозвоночных в связи с влиянием фактора  окружающей среды немногочисленны. 

    2.2 Популяционный уровень

    Отбор подходящих видов

    Для отбора видов необходимы подробные  данные о биоте изучаемого района. Объектом наблюдения может быть любая  группа организмов: от микрофлоры до мегафауны  и морских птиц. B тех случаях, когда программой предусмотрено  использование относительно малоизученных  видов, исследование их физиологии и  экологии должно рассматриваться как  фундаментальная часть программы. При отборе видов следует учитывать  их пространственное распределение. B литоральной зоне находится наиболее доступная часть морских обитателей, и их использование особенно выгодно  в случае наблюдения за антропогенными веществами, поступающими в море с  поверхности, например нефти. C глубиной доступность к объектам ухудшается, и заметно возрастает стоимость  отбора проб. Ограниченная доступность  может вы звать необходимость  многократного отбора проб, например в глубоководных районах, a это  в свою очередь вынуждает разрабатывать  соответствующие требования в отношении  объема выборки и частоты их взятая. Предпочтение следует отдавать видам, чувствительным к потенциальным  загрязнением, даже если они имеют  ограниченное экологическое и промысловое  значение.