Отношение групп организмов к сапробности водной среды

В связи с интенсивным загрязнением вод промышленными стоками, ядохимикатами, удобрениями и продуктами бытовой химии термин сапробность часто заменяют термином токсобность – совокупность физиологобиохимических свойств, позволяющих организмам жить в водных объектах, загрязнённых сточными водами.

В водоёмах могут существовать одна или несколько зон сапробности с видами организмов, характерными для каждой зоны:

ü Ксеносапробная зона – это воды чистых горных ручьев, небольших ледниковых рек, выходы ключей, обеднённые биотой и содержащие минимальные количества минеральных соединений и следы органических веществ.  Олигосапробная зона– практически чистые водоёмы. Присутствуют соединения азота в форме нитратов, вода насыщена кислородом; мало углекислого газа, сероводорода нет. Цветения не бывает, содержание кислорода и углекислоты не колеблется. Содержание органических соединений, как правило, не превышает 1 мг/л. Характерна почти полная минерализация органических соединений до неорганических компонентов. Богато представлены многие золотистые водоросли. Встречаются ветвистоусые рачки, личинки подёнок, веснянок, рыбы стерлядь, гольян, форель. На дне мало детрита, автотрофных организмов и бентосных животных (червей, моллюсков, личинок хирономид).

ü β-мезосапробная зона– преобладают такие продукты минерализации белков, как аммонийные соединения, нитраты и нитриты, кислорода обычно много. Содержание кислорода и углекислоты колеблется в зависимости от времени суток: днём избыток кислорода, дефицит углекислоты; ночью – наоборот. Нет нестойких органических веществ, произошла полная минерализация. Ил жёлтый, идут окислительные процессы, много детрита. Разнообразно представлены животные и растительные организмы. Много организмов с автотрофным питанием, высокое биоразнообразие, но численность и биомасса невелика. Наблюдается цветение воды, т. к. сильно развит фитопланктон. Сапрофитов – тысячи клеток в 1 мл, и резко увеличивается их количество в период отмирания растений. Встречаются диатомовые и зелёные водоросли; много протококковых водорослей. Впервые появляется роголистник. Много корненожек, солнечников, червей, моллюсков, личинок хирономид, появляются мшанки. Встречаются ракообразные и рыбы.

ü α-мезосапробная зона – протекают окислительно-восстановительные процессы, начинается аэробный распад органических веществ, образуется аммиак, углекислота; условия среды полуанаэробные, характер биохимических процессов востановительно-окислительный. Кислорода мало, но сероводорода и метана нет. В процессах очищения вод от органических загрязнений принимают активное участие зелёные растения, выделяющие кислород при фотосинтезе. Количество сапрофитных бактерий определяется десятками и сотнями тысяч в 1 мл. Отдельные организмы развиваются в массе: бактериальные зооглеи; нитчатые бактерии; грибы; из водорослей – хламидомонас, эвглена; много жгутиковых. В илах много тубифицид (олигохеты) и личинок хирономид. Железо находится в окисной и закисной формах. Ил серого цвета, в нём содержатся организмы, приспособленные к недостатку кислорода и высокому содержанию углекислоты.

ü Полисапробная зона характеризуется очень низким содержанием кислорода: он поступает в поверхностный слой только за счёт атмосферной аэрации и полностью расходуется на окисление. В воде много растворенной углекислоты, нестойких органических веществ (белков, углеводов) и продуктов их анаэробного распада. Интенсивно протекают процессы разложения органического вещества с образованием сернистого железа в донных осадках, метана и сероводорода. Процессы фотосинтеза угнетены. На дне кислорода нет, много детрита, идут восстановительные процессы, ил чёрный с запахом H₂S. Видовое богатство незначительно, но отдельные виды могут достигать огромной плотности. Аэрофильные организмы полностью отсутствуют. Очень много сапрофитной микрофлоры. Хорошо развиты гетеротрофные организмы: нитчатые бактерии, серные бактерии, бактериальные зооглеи, простейшие – инфузории, бесцветные жгутиковые, олигохеты, водоросль Polytoma uvella.

Гиперсапробная зона – практически полностью отсутствуют какие-либо организмы, за исключением бактерий и грибов.

Таким образом, биоиндикаторами состояния водной среды могут быть: грибы (загрязнённые и грязные воды); сине-зелёные водоросли (загрязнённые воды); различные группы водорослей (от чистых до загрязнённых вод); водные мхи (чистые и слабозагрязнённые воды); высшие водные растения; различные беспозвоночные животные (например, пресноводные моллюски, личинки веснянок, подёнок и ручейников обитают только в чистых водоёмах, а чрезмерно загрязнённые водоёмы населяют трубочники, личинки комара-звонца и ильной мухи) и рыбы (хариусовые, лососёвые и сиговые – индикаторы чистых вод, щука и сомовые – слабозагрязнённых вод).

Один из основных недостатков сапробиологического анализа заключается в том, что системы видов-индикаторов разработаны для среднеевропейской флоры и фауны, и это ограничивает их применение в неизменном виде в других регионах. Водные объекты в различных регионах нередко оказываются обладателями экологически отличных рас одних и тех же видов, по-разному реагирующих на загрязнение и отвечающих различным степеням сапробности. Один и тот же организм может быть показателем двух различных степеней загрязнения, если он встречается в разных количествах и на разных стадиях развития.

Биотестирование

Долгое время контроль загрязнения гидросферы осуществлялся только химическими (физико-химическими) методами, путём измерения концентраций загрязняющих веществ и сравнения их с установленными нормативами качества воды для конкретных видов водопользования. Но с развитием промышленности, синтезом новых соединений и использованием их в производстве перечень контролируемых загрязнителей постоянно увеличивается. В настоящее время, по оценкам некоторых специалистов, контролируется всего около 0,3 % поступающих в ОС веществ. Токсичные вещества в водной, воздушной и почвенной среде не контролируются по разным причинам: не разработаны ПДК; отсутствуют утверждённые методики определения; аналитический контроль дорог, требуются сложные приборы, эталонные образцы, особо чистые реактивы, высококвалифицированный персонал и т. д. Однако и в случае полного контроля всех соединений в среде на уровне ниже ПДК нельзя говорить об отсутствии вредного воздействия на окружающую среду, т. к. информация о химических показателях не позволяет в принципе сделать вывод о совокупном воздействии загрязняющих веществ различной природы (а также продуктов их трансформации и метаболизма) на живые организмы.

Биологические методы можно условно разделить на методы биоиндикации и биотестирования. Методы биоиндикации позволяют получить данные, характеризующие отклик водных биоценозов на антропогенное воздействие. Но в большинстве случаев регистрируется отклик, формирующийся за достаточно длительный промежуток времени. Большинство гидробиологических показателей обладает известной «консервативностью» и не позволяет отличить межгодовые циклические колебания от влияния антропогенного фактора.

Методы биотестирования, в отличие от биоиндикации, характеризуют степень воздействия на водные биоценозы. С помощью этих методов можно получить данные о токсичности конкретной пробы воды, загрязненной химическими веществами (техногенного или природного происхождения). Таким образом, методы биотестирования, будучи биологическими, близки к методам химического анализа вод. В то же время, в отличие от химических методов, они позволяют дать реальную, интегральную оценку токсических свойств воды или другой среды (например, почвы), обусловленных присутствием комплекса загрязняющих химических веществ и их метаболитов. И в отличие от физикохимических методов, посредством которых определяется валовое содержание того или иного загрязнителя, биотестовые методы позволяют обнаружить физиологически активные формы соединений, влияющие на организм. Так, например, нет возможности разрабатывать ПДК веществ под различные значения рН среды, а именно изменение рН среды влечёт за собой образование иных форм соединений, возможно более токсичных. Или же токсическое действие веществ усиливается в мягкой воде по сравнению с жёсткой. А комплексное воздействие загрязнителей совершенно непредсказуемо.

Биотестирование воды – это оценка качества воды по ответным реакциям водных организмов, являющихся тест-объектами. Биотестирование на гидробионтах проводят при оценке токсичности вновь синтезированных химических препаратов; при разработке ПДК химических веществ; при контроле качества поверхностных вод; для оценки токсичности промышленных сточных вод на разных этапах их очистки; для разработки НДС предприятий; для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и т. д.

Принцип биотестирования сводится к регистрации изменения биомассы, выживаемости, плодовитости, а также физиологических или биохимических показателей тест-объекта в испытуемой среде. Применяются методы, основанные на регистрации: биолюминесценции бактерий; ростовой реакции бактерий; общей и замедленной флуоресценции водорослей; биоэлектрической реакции клеток харовой водоросли; выживаемости, двигательной активности и темпа роста инфузорий; выживаемости и плодовитости рачка дафния магна; реакции регенерации у гидр; фототаксиса коловраток.

В настоящее время используется большое разнообразие тест-объектов: от одноклеточных водорослей, мхов и лишайников, бактерий и простейших микроорганизмов до высших растений, рыб и теплокровных животных.

Требования к организму, используемому в биотестировании:

1) давать быстрый и однозначный отклик на оказываемое воздействие;

2) быть чувствительным к данному воздействию, не иметь привыкания, не вырабатывать адаптации в ходе эксперимента;

3) быть дешёвым, доступным, легко культивируемым в лаборатории.

В России для определения степени токсичности вод как интегральный показатель введён биотест на низших ракообразных – дафниевый тест. Он основан на определении изменений выживаемости и плодовитости дафний при воздействии токсических веществ, содержащихся в тестируемой воде по сравнению с контролем. Дафниевый тест обязателен при установлении ПДК отдельных веществ в воде рыбохозяйственных водоёмов.

Выбор дафний как тест-объекта определён следующим:

1) этот род ветвистоусых рачков распространён повсеместно в пресных водоёмах, является важной составной частью зоопланктона, служит источником пищи молоди рыб;

2) они легко культивируются в лабораторных условиях – испытания загрязняющих веществ можно проводить в течение года;

3) определяющая особенность – по характеру питания они являются фильтраторами и прокачивают большие объёмы воды, отфильтровывая в качестве пищи бактерий и микроводоросли, поэтому, если в воде присутствует токсикант даже в маленькой концентрации, из-за объёма отфильтрованной воды чувствительность тест-объекта высокая.

Кратковременное биотестирование – 24, 48 или 96 часов – позволяет определить острое токсическое действие воды на дафний по их выживаемости. Показателем выживаемости служит среднее количество особей, выживших в тестируемой воде по сравнению с контролем за определённое время. Критерием токсичности является гибель 50 % и более дафний за период времени до 96 ч.

Длительное биотестирование – 20 и более суток – позволяет определить хроническое токсическое действие испытуемой воды на дафний по снижению их выживаемости и плодовитости. Показателем выживаемости служит среднее количество исходных самок-дафний, выживших в течение биотестирования, показателем плодовитости – среднее количество молоди, выметанной в течение биотестирования, в пересчёте на одну выжившую исходную самку. Критерием токсичности является достоверное отличие от контроля показателя выживаемости или плодовитости дафний.

Большое количество организмов, используемых как тест-объекты, неслучайно. Различные организмы по-разному реагируют на загрязнители. Важно правильно оценить ситуацию и выбрать более чувствительный тест-объект. Например, результаты биотестироваиия сточных вод завода, синтезирущего гербициды, могут быть различными в зависимости от выбранного тест-обьекта. Дафниевый тест может показать отсутствие токсического воздействия, а культура водорослей может почувствовать токсикант. Дело в том, что предполагаемый токсикант (гербицид) является ингибитором процессов фотосинтеза у растений и водорослей. Поэтому дафнии могут в кратковременном опыте показать отсутствие острого токсического воздействия, а водоросли в случае нарушения фотосинтеза оперативно отреагируют на загрязнённость.

Поэтому в системе контроля за качеством сточных вод также рекомендованы водоросли: хлорелла и сцепедесмус. Критерием токсичности при биотестировании с использованием водорослей служит достоверное снижение количества клеток в испытуемой воде по сравнению с контролем.

Биотестирование можно использовать и для оценки загрязнения почв, например, при оценке пестицидного загрязнения сельхозугодий. В качестве комплексного показателя загрязнения используют тестовый интегральный показатель – фитотоксичность – свойство загрязнённой почвы подавлять прорастание семян, рост и развитие высших растений. При биотестировании в загрязнённой почве снижается число проростков семян по сравнению с контрольной серией. Предлагается также проводить контроль токсического загрязнения почв и сельхозпродукции с использованием биотестов на гидробионтах, обладающих высокой чувствительностью к загрязняющим веществам – возможно выявление последних на уровне и ниже ПДК.

С целью быстрого получения информации о качестве воды используются экспресс-методы биотестирования. Широко применяются методы определения токсичности среды, содержащей конкретные группы веществ, в частности, фосфорорганических и хлорорганических соединений, тяжёлых металлов. Известно их ингибирующее воздействие на холинэстеразы (ферменты, обеспечивающие передачу нервного импульса). На этой основе разрабатываются экспрессные методы с использованием мембранно-связанных ферментных комплексов и электродной техники.