И водных экосистем

Биоиндикация наземных экосистем. Антропогенные изменения биоты наземных экосистем определяются не только прямым воздействием человека, но и преимущественно антропогенным изменением параметров среды: атмосферного воздуха, почв, поверхностных и грунтовых вод. Для биоиндикации наземных экосистем наиболее часто используются показатели состояния высших растений, лишайников, мхов, почвенных водорослей, бактерий и др.

В целом, ПДК для высших растений оказываются существенно меньшими, чем для человека. Устойчивость различных растений к поллютантам атмосферного воздуха различна. По общепринятой классификации, из высших растений к категории очень чувствительных относятся хвойные (кедр, ель, сосна) и береза бородавчатая, к чувствительным липа и малина. Средней чувствительностью обладают сирень и можжевельник, а очень устойчивыми являются бересклет, бирючина, клен ясенелистный, большинство крестоцветных, зонтичных, сложноцветных, вересковых растений.

Биоиндикационное значение имеют характеристики основных ярусов фитоценоза (I – древостой; II – кустарниковый ярус; III – травяно-кустарничковый ярус; IV – ярус мхов и напочвенных лишайников): видовой состав, число особей каждого вида, средние значения высоты и диаметра ствола деревьев, сомкнутость, обилие, проективное покрытие, жизненность, изменения тканей, характерные уродства.

В России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха хвойные леса. Сосна обыкновенная считается важнейшим биоиндикатором антропогенного влияния. Наиболее информативны следующие показатели техногенного загрязнения:

· статические морфологические и анатомические показатели сосен;

· динамические показатели (величины годового прироста);

· характеристики хвои (продолжительность жизни, масса, характерные повреждения – пигментации, хлорозы, некрозы, усыхания);

· состояние генеративных органов – женских шишек (их размеры, количество, обилие семян);

· обилие и разнообразие фауны беспозвоночных – вредителей деревьев.

Лишайникиявляются очень надежными индикаторами загрязнения воздуха. Лихенофлора (от лат. lichen – лишайник) традиционно используются для биоиндикации (лихеноиндикация). Традиционно используемый термин лихенофлора не вполне верен, поскольку лишайники являются не растениями, а симбиозом гриба и водоросли и, вероятно, имеют полифилитическое происхождение. Особенно активно, гораздо более эффективно, чем сосудистые растения, лишайники накапливают металлы. Высокая чувствительность лишайников к атмосферному загрязнению обусловлена следующими факторами:

· активной кумуляцией поглощенных поллютантов (вследствие отсутствия защитных покровов и медленного вывода метаболитов);

· особой уязвимостью водорослевого компонента лишайников, пигменты которого под воздействием поллютантов быстро разрушаются.

Реакция лишайников на антропогенные воздействия видоспецифична, однако существуют и некоторые общие закономерности реакции различных крупных групп лихенофлоры на загрязнение воздуха. Так, наиболее чувствительны к внешним воздействиям эпифитные лишайники (растущие на стволах деревьев).

По-разному реагируют на загрязнение воздуха лишайники с различным строением вегетативного тела (слоевища, или таллома): накипные (или корковые), листоватые и кустистые. Слоевище накипного лишайника представляет собой корочку, прочно сросшуюся с субстратом – корой дерева, древесиной, поверхностью камней. Листоватые лишайники имеют вид чешуек или пластинок, прикрепленных к субстрату с помощью пучков грибных нитей (гиф), – ризин или отдельных тонких гиф – ризоидов. Лишь у немногих лишайников таллом срастается с субстратом только в одном месте с помощью мощного пучка грибных гиф - гомфа. У кустистых лишайников таллом состоит из ветвей или более толстых, чаще ветвящихся стволиков. Кустистый лишайник соединяется с субстратом гомфом и растет вертикально или свисает вниз. В целом, кустистые лишайники наиболее чувствительны к воздействиям (первыми исчезают из лихенофлоры при загрязнении воздуха), листоватые обладают средней чувствительностью, а накипные наиболее устойчивы и при загрязнении исчезают последними.

Для биоиндикации используются следующие характеристики лихенофлоры:

· видовой состав;

· показатели видового богатства и разнообразия лихенофлоры;

· показатели обилия (биомасса, проективное покрытие) конкретных видов и лихенофлоры в целом;

· индексы соотношения показателей обилия кустистых, листоватых и накипных лишайников;

· доля эпифитных лишайников в общих показателях обилия лихенофлоры;

· морфологические и структурные показатели (толщина и плотность слоевища, степень покрытия слоевища соредиями, которая растет при интоксикациях, пигментация, общее изменение окраски, так как появление беловатого, коричневого или фиолетового оттенков свидетельствует о патологических изменениях).

Почвеннаябиота (беспозвоночные, водоросли, сине-зеленые, или цианеи, грибы, бактерии и др.) специфична для различных почвенных комплексов. Поэтому изменения биотических структурных и функциональных характеристик обусловливаются не только загрязнением, но структурными изменениями почв. Реакция почвенной биоты на воздействие в зависимости от его характера и интенсивности может существенно варьировать. Так, при загрязнении малотоксичными органическими веществами в почвах интенсивно развиваются и функционально активизируются микроорганизмы-редуценты. В почвах, загрязненных токсичными поллютантами (особенно металлами и хлорорганическими соединениями), биологическая активность редуцентов ингибируется.

Биоиндикация водных экосистем. В биоте водоемов и водотоков принято выделять следующие основные сообщества гидробионтов (водных организмов):

· нейстон – сообщество нейстали водоема, т.е. поверхностного слоя воды, граничащего с атмосферой (от греч. νηιν – плавать);

· пелагос – сообщество пелагиали водоема, т.е. толщи воды (греч. pelagos – море, пучина), которое делится на планктон (парящие – организмы, более или менее пассивно переносимые течением) и нектон (плавающие организмы);

· дрифт (от англ. drift – дрейф) – сообщество организмов, переносимых течением водотока;

· бентос – сообщество бентали, т.е. дна и придонного слоя воды (от греч. behqos – глубина);

· перифитон – сообщество организмов, прикрепленных к поверхности различных предметов и других, более крупных организмов в толще воды (греч. peri - вокруг, fitun – растение).

Сообщество рыб, называемое ихтиоценозом (от греч. icquz – рыба), составляет основу нектона.

В планктоне и бентосе традиционно выделяются фито-, зоо- и бактериоценозы. Фитопланктон и фитобентос составляют водоросли и сине-зеленые. Кроме того, в фитобентос входят также макрофиты (крупные растения – водные высшие растения, мхи и крупные водоросли). Зоопланктон и зообентос представлены беспозвоночными животными.

Использование некоторых структурных и функциональных характеристик указанных сообществ (особенно фито-, зоо- и бактериопланктона и бентоса) для оценки качества водной среды (наряду с абиотическими показателями) является уже традиционным и даже обя­зательным (ГОСТ 17.1.3.07-82; ГОСТ 17.1.2.04-77; РД 52.24.565-96; РД 52.24.564-96; РД 52.24.420-95 и др.). Наиболее широко применяется оценка скорости аэробной деструкции органических веществ – биохимическое (или биологическое) потребление кислорода (БПК) планктоном. БПК легко определяется экспериментально, оно выражается обычно в миллиграммах кислорода, расходуемого при деструкции в единице объема воды в условиях изоляции от солнечного света за период экспозиции (обычно 5 суток). Соответствующая величина БПК обозначается БПК₅. БПК₅ является одним из шести обязательных показателей при расчете индекса загрязненности воды.

Первичная продуктивность водных экосистем и их способность к самоочищению обычно оцениваются по величине первичной продукции планктона и по соотношению скоростей образования валовой первичной продукции и деструкции (P/R).

Принятая классификация качества воды водоемов и водотоков по биотическим показателям (ГОСТ 17.1.3.07-82) учитывает следующие характеристики:

· отношение общей плотности олигохет к общей плотности сообщества зообентоса (класс Oligochaeta – малощетинковые черви; многие их виды характеризуются повышенной устойчивостью к загрязнению и гипоксии, что определяет высокое абсолютное и относительное обилие олигохет в бентосе загрязненных водоемов);

· концентрацию в воде всех бактерий и отдельно сапрофитных, т.е. активно разлагающих органические вещества;

· индекс сапробности (в модификации Сладечека) по фитопланктону, зоопланктону, перифитону;

· биотический индекс Вудивисса.

Шкала и индексы сапробности. Сапробностью называется степень загрязненности водоема органическими веществами, доступными редуцентам. Еще в начале XX в. была предложена первая шкала оценки степени загрязненности водоемов, основанная на учете присутствия в сообществах гидробионтов индикаторных видов, чьи требования к качеству среды более или менее известны. В основу шкалы сапробности положен принцип, отражающий степень оксифильности гидробионтов-индикаторов. Водоемы и отдельные участки их акватории классифицируются по степени загрязненности органическими веществами следующим образом (ГОСТ 17.1.3.07-82):

· ксеносапробная зона (I класс чистоты) – вода «очень чистая»;

· олигосапробная зона (II класс чистоты) – вода «чистая»;

· бета-мезосапробная зона (III класс чистоты) – вода «слабо (умеренно) загрязненная»;

· альфа-мезасапробная зона (IV класс чистоты) – вода «загрязненная»;

· полисапробная зона (V класс чистоты) – вода «грязная»;

· гиперсапробная зона (VI класс чистоты) – вода «очень грязная».

Система оценки сапробности постоянно модифицируется. Постоянно пополняется и уточняется перечень индикаторных видов. Введен учет обилия особей индикаторного вида, их различную индикаторную значимость. Это позволило перейти от балльной оценки сапробности к количественной, по индексу : гиперсапробная зона – > 4, полисапробная – = 3,51¸4,00, α-мезосапробная – = 2,51¸3,50, β-мезосапробная – = 1,51¸2,50, олигосапробная – = 1,00¸1,50, ксеносапробная – < 1.

Индекс сапробности по Пантле - Буку (1955)

,

где 0, 1, 2, 3 и 4 – значения индекса сапробности, соответствующие условиям ксено-, олиго-, β-мезо-, α-мезо- и полисапробности соответственно; N _к, N _о, N _β, N _α и N _п – суммы популяционных плотностей всех видов-индикаторов ксено-, олиго-, β-мезо-, α-мезо- и полисапробности соответственно.

Индекс сапробности по Сладечеку (1955)

,

где – фактическая величина индекса сапробности i -го индикаторного вида; N_i – его популяционная плотность, абсолютная или относительная (доля от общей плотности всех m индикаторных видов в сообществе).

Значение рассчитывается с учетом так называемых сапробных валентностей данного индикаторного вида χ-показателей распределения его встречаемости в пяти зонах различной сапробности. В зависимости от частоты встречаемости особей данного вида в данной зоне сапробности, значения сапробной валентности могут варьировать от 0 до 10. Таким образом,

,

где 0, 1, 2, 3 и 4 – значения индекса сапробности, соответствующие условиям ксено-, олиго-, β-мезо-, α-мезо- и полисапробности соответственно; χ_к, χ_о, χ_β, χ_α и χ_п – сапробные валентности данного индикаторного вида для условий ксено-, олиго-, β-мезо-, α-мезо- и полисапробности соответственно.

Индекс Сладечека, в отличие от индекса Патнле - Бука, дает более точную оценку, так как в расчетах учитывается фактическая величина индекса сапробности каждого из индикаторных видов .

Индекс сапробности по Ротшайну в модификации И.К.Тодераша (1984)

,

где G_i – так называемый индикаторный вес соответствующего индикаторного вида, отражающий его характерность, приверженность именно к определенным условиям сапробности.

Чем надежнее свидетельствует присутствие данного вида об определенных условиях сапробности, тем выше индикаторный вес данного вида, оцениваемый по 10-балльной системе. Благодаря этому, модифицированный индекс Ротшайна дает еще более надежную количественную оценку сапробности, чем индекс Сладечека и, тем более, чем индекс Пантле - Бука.

Простой пример расчета индексов сапробности для ситуации, когда в зообентосе встречено пять индикаторных видов, приведен в табл.4. На основе расчета вычислены значения трех альтернативных индексов сапробности (в скобках указаны результаты их интерпретации): = 1,61 (ближе к β-мезосапробности), = 1,53 (ближе к β-мезосапробности), = 1,40 (ближе к олигосапробности).

Результаты расчета показывают, что использование модифицированного индекса Ротшайна позволяет заметно уточнить диагностику степени сапробности и является предпочтительным.

Биотический индекс вудивисса введен автором в краткой и в расширенной модификациях (1964, 1977, 1981). Он был разработан для конкретного водотока (краткая модификация известна в литературе также как индекс реки трент), но широко применяется для

Таблица 4