Растения индикаторы загрязнения воды: понятие и преимущества использования биоиндикации

Ухудшение экологического состояния водной среды связано с одновременным воздействием нескольких факторов, то есть имеет комплексный характер.

Чтобы оценить качество вод в водоеме и определить степень участия каждого из источников загрязнений, преимущественно используют санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы воздействия.

С целью более точного прогноза экологического состояния водной среды, наряду с использованием химических способов, учитывают реакцию тех или иных организмов на антропогенное воздействие — применяют методы биологической индикации.

В данной статье мы расскажем о том, какие растения являются индикаторами загрязнения воды в водоемах.

Понятие биологической индикации

Под биоиндикацией (биологическим оцениванием водоема) подразумевается оценка водной среды обитания с ее отдельными характеристиками, испытывающей антропогенное воздействие тех или иных факторов, с учетом реакций живых организмов на антропогенное воздействие (изменение количественных или качественных характеристик биологических систем и объектов).

Основная цель биологической индикации — адекватная оценка степени антропогенного экологического воздействия с учетом особенностей комплексного загрязнения, а также выявление ранних нарушений в особо чувствительных объектах сообществ биоты.

В основе биоиндикации лежат законы экологической толерантности (терпимости, нетребовательности) видов. Каждый из видов приспособился к тем или иным природным условиям, изменения которых способны вызвать явные трансформации в поведении, морфологии и физиологии особи. Такого рода изменения могут указывать на состояние природной среды, что по сути является биологической индикацией.

Различают 2 формы биологической индикации:

• неспецифическую форму (при вызове двух одинаковых реакций разными антропогенными причинами);
• специфическую биоиндикацию, когда возникающие изменения можно связать с воздействием одного фактора.

Метод биоиндикации относится к сфере биологического мониторинга и является обязательной составляющей экологического мониторинга. К наиболее разработанной системе биологического мониторинга относится гидробиологический мониторинг поверхностных вод.

Биоиндикаторы

Для проведения биоиндикации необходимы видовые индикаторные организмы — биоиндикаторы, представляющие сообщество или группу особей одного вида, поведение, состояние и наличие которых указывает на изменения (естественные и антропогенные) в среде их обитания.

Другими словами, биологические индикаторы — организмы, образ жизни которых настолько тесно взаимосвязан с теми или иными факторами среды, что их можно использовать для оценки состояния среды обитания (водоема).

Требования к биологическим индикаторам:

1. Типичная принадлежность к зоне проведения анализа экологической ситуации.
2. Хорошо изученная биология и физиология применяемых видов-индикаторов.
3. Четко выраженная реакция (качественная, количественная, физиологическая, морфологическая, визуальная) на небольшие отклонения от установленных норм параметров среды обитания.

Основные функции биоиндикаторов:

• обнаружение в экосистемах зон скопления загрязнений;
• отслеживание скорости изменений в окружающей среде;
• определение меры вредности влияния того или иного компонента на живую природу.

Основные преимущества природных биоиндикаторов перед химическими способами оценки состояния среды обитания:

• все значимые данные об окружающей среде объединяются, что позволяет отобразить ее общее состояние;
• если исследуемая среда находится в зоне долговременной антропогенной нагрузки, биологические индикаторы способны реагировать даже на очень слабые воздействия;
• отсутствует необходимость регистрации параметров среды;
• дорогостоящие и трудоемкие физические и химические способы измерения биологических параметров становятся необязательными;
• дают ориентир на места скопления загрязнений;
• позволяют делать оценку меры вредности производимых человечеством веществ на природную среду и контролировать действие этих веществ;

А также живые биоиндикаторы оказывают помощь в нормировании на экосистемы допустимой нагрузки, различной по степени устойчивости к антропогенному воздействию.

В зависимости от ответа на внешние воздействия различают биоиндикаторы:

• количественные, численность популяций которых меняется в нарушенных условиях среды;
• качественные виды, по наличию или отсутствию которых можно охарактеризовать экосистему.

В качестве индикатора может быть использован не каждый биологический вид. Не пригодны поврежденные паразитами, вредителями или болезнями и ослабленные организмы. Ответная реакция биоиндикатора на химическое или физическое воздействие должна быть четко выраженной, специфичной, легко определяться визуально или с помощью приборов.

Растения-индикаторы загрязнения водоема

Наличие в водной среде загрязнителей химической природы (поллютантов) способно вызвать сбои в функционировании целых экологических систем, включая токсические эффекты, возникновение которых связано с биоаккумулированием (накоплением в живых организмах загрязнителей).

Биоаккумулирование — процесс, при котором поступление в организм химического вещества происходит с большей скоростью, чем его выведение.

Обитатели водной среды получают поллютанты из воды преимущественно за счет сорбционных процессов покровов тела. Разные типы организмов по-разному накапливают одно и то же загрязняющее вещество, поэтому не каждый организм может использоваться в роли биологического индикатора. Для этой цели подходят организмы, имеющие высокие значения коэффициентов накопления (специфические накопители).

Научными исследованиями установлено, что растения являются более эффективными накопителями по сравнению с животными, но размеры коэффициентов накопления среди разных растений значительно отличаются.

Например, такие индикаторы, как роголистник, ряски и некоторые виды водных растений и одноклеточных водорослей могут иметь чрезвычайно высокие накопления радиоизотопов. Поэтому эти организмы более всего подойдут для определения степени радиоактивного загрязнения водной среды.

Для проведения биоиндикации выбирают наиболее чувствительные растения с максимальной скоростью отклика. В водных системах к таким относятся  перифитонные сообщества (прикрепленные к субстрату), которые из-за непродолжительного жизненного цикла и высокой скорости размножения быстро реагируют на изменение среды.

Макрофиты

Достаточной чувствительностью к состоянию водной сферы обладают макрофиты (крупные морские травы — цветковые растения, мхи, хвощи).

Растения-макрофиты бывают трех типов:

• с листьями, находящимися в воде — наяда и пузырчатка, рдест и риччия, роголистник и телорез, уруть и элодея;
• с плавающими по водной поверхности листьями — водокрас и кувшинка, кубышка, ряска малая и сальвиния;
• водно-воздушные (одна часть растения располагается в воде, другая часть — над водой) — камыш и рогоз, тростник и хвощ, частуха.

Из-за крупных размеров макрофиты легко учитывать и проводить диагностику их состояния.

Многие представители сообщества макрофитов внесены в список видов-индикаторов загрязнений воды, что позволяет их использовать для биоиндикации водной среды:

Водоросли

Автотрофы, представителями которых являются водоросли, для синтеза органического вещества потребляют биогенные соединения фосфора и азота. Сила биогенной нагрузки сказывается не только на большом количестве развивающихся водорослей, но и на совокупности их видов.

Эти проявления растений используют в методах биоиндикации с оценкой результатов воздействия на них процессов, имевших место в водном объекте.

Преимущества автотрофов-индикаторов:

• недорогой экспресс-метод по сравнению с химическими анализами;
• водоросли в трофической сети первыми реагируют на загрязнители без значительного их накопления;
• изменение состава сообщества и обилие водных организмов — реакция на изменение условий водной среды.

Методом изучения качества водной среды по состоянию водорослей является альгоиндикация.

Оценка выполняется с помощью водорослей трех групп:

• перифитон;
• фитобентос;
• фитопланктон.

Учитывают обилие отдельных видов и видовое разнообразие.

Перифитон

Растение относится к категории донных пресноводных фотоавтотрофных водорослей, прикрепляющихся к какой-либо поверхности (субстрата) в водоемах или растущих на ней. Многие водоросли этого типа не могут получать питательные вещества с субстрата, в этой связи их развитие целиком зависит от состояния среды обитания.

Перифитон преимущественно является автотрофным продуцентом — организмом, производящим органические вещества из неорганических. Географическое положение фитоперифитона чаще всего связано с реками горного и предгорного типа, с высокими скоростями течений и каменистым руслом. Развиваются водоросли на каменистом субстрате (эпилитон) и на растениях макрофитах (эпифитон).

Независимо от географической широты, перифитон речных экосистем характеризуется общими чертами и высоким видовым разнообразием. Основа фитоперифитона — сине зеленые и диатомовые зеленые водоросли.

Видовое богатство преимущественно определено диатомовыми водорослями порядка Raphales, разнообразие которых представлено семействами:

• Achnanthaceae и Cymbellaceae;
• Fragilariaceae и Gomphonemataceae;
• Naviculaceae и Nitzschiaceae.

В небольших реках и ручьях фитоперифитон достигает высокого уровня развития.

Фитобентос

К этой категории относятся водоросли, обитающие в грунте дна водоемов и на самом дне водоемов. Это формы, прикрепленные ко дну, свободно лежащие или передвигающиеся по дну, а также поселяющиеся в заилениях дна водоема. Пресные водоемы заселены зелеными и диатомовыми водорослями.

Фитобентос, особенно микроводоросли, обладают повышенной чувствительностью к изменяющимся условиям водной среды, поэтому играет одну из приоритетных ролей в биоиндикации вод.

Фитопланктон

Сообщество представляет собой основное биологическое звено водоема, отвечающее за продуцирование органических веществ, формирование кислородного режима и служащее источником питания обитателям водоема. Фитопланктоны имеют непродолжительный период жизни, благодаря чему быстро реагирует на изменения свойств воды, которые можно зафиксировать.

В составе фитопланктона во внутренних водоемах встречаются водоросли:

• диатомовые и желтозелёные;
• зеленые и золотистые;
• пирофитовые и синезеленые;
• эвгленовые водоросли.

К подвижным водорослям относятся жгутиконосные с тонкими органами плавания — жгутиками.

Основные виды:

• вольвокс (зеленая водоросль в форме шариков);
• динобрион — золотистая колониальная водоросль;
• церариум — пирофитовая водоросль;
• эвглена.

Малоподвижные типы водорослей — диатомовые с кремниевым двустворчатым панцирем (астерионелла, мелозира, фрагилярия).

Виды растений индикаторов состояния воды в водоемах, являющиеся полностью неподвижными:

• зеленые водоросли (десмидиум, космариум, микрастериас, пидиаструм);
• синезеленые (афанизоменон и анабена).

В зависимости от вида, водоросли могут существовать:

• только в чистой воде;
• как в чистой, так и в большой степени загрязненной воде;
• в значительно загрязненной воде.

Поэтому, обладая знаниями об обитании водорослей в том или ином водоеме, без химического анализа воды можно определить степень загрязнения воды.

Использование биологической индикации

Оценка качества воды с помощью биологической индикации выполняется несколькими способами.

Анализ макрофитов

Наиболее доступный и распространенный метод — анализ макрофитов водных растений большого размера. Эти исследования уместны при первичном обследовании водоемов. Виды растений устанавливают по определителю.

Основные количественные характеристики растений макрофитов:

• занятая площадь, в процентах от общей площади водоема;
• биомасса растений-индикаторов, приходящихся на единицу площади дна;
• характер зарастания водоема и состояние растений;
• видовой состав и продукция.

Участие макрофитов в утилизации загрязнений приводит к появлению повреждений, часто видимых невооруженным глазом. Их количество находится в прямой зависимости от силы загрязнения, поэтому учет ведется в процентном соотношении от числа поврежденных особей.

Особенно удобны для проведения исследования макрофиты:

• элодея;
• ряска малая;
• ряска тройчатая.

Представители семейства рясковых обладают высокой чувствительностью к загрязнению воды.

В Европе и Канаде стандартом в протоколах биотестирования водной среды является ряска малая, а в Америке — ряска горбатая.

Некоторые характерные особенности развития макрофитов, инициирующие изменения качества среды под антропогенным воздействием:

• массовое развитие разновидностей семейства рясковых — неблагополучие в экосистеме озер;
• обильное количество ряски трехдольной — насыщение водной среды биогенными веществами;
• большой объем многокоренника обыкновенного и ряски малой — эфтрофирование водоема плюс промышленное или сельскохозяйственное загрязнение вод;
• массово развивается телорез алоэвидный — заболачивание водного объекта.

На эвтрофирование водоемов под воздействием антропогенных указывают растения:

• аир;
• рогоз широколистный;
• роголистник погруженный;
• сусак зонтичный.

А наличие роголистника полупогруженного свидетельствует о том, что водный объект пока не подвержен эвтрофированию. Рдест альпийский и рдест волосовидный указывают на относительно чистую воду в водоеме.

Система сапробности

Является наиболее разработанным методом определения степени загрязнения вод по организмам-индикаторам. Система основана на учете количества разных форм органического вещества, присутствующих в воде.

Под сапробностью водоема понимается его биологическое состояние, определяемое с учетом концентрации органических веществ и скорости процессов их разложения.

В  соответствии со степенью загрязнения органическими элементами, водоемы классифицируют на 4 группы:

В соответствии с индексом сапробности и зоны сапробности, классы чистоты воды подразделяются:

1. Очень чистые воды с преобладанием ксеносапробионтов — 1 класс.
2. Практически чистые с преобладанием ксено- и олигосапробионтов — 2 класс.
3. Слабо загрязненные с доминированием β-мезосапробионтов, также встречаются α-мезосапробионты и олигосапробионты — 3 класс;
4. Сильно загрязненные с преобладанием α-мезосапробионтов, способных выдерживать значительное органическое загрязнение. Также могут встречаться полисапробионты и β-мезосапробионты — 4 класс.
5. Сточные или грязные воды. Доминируют полисапробионты, встречаются α-мезосапробионты — 5 класс.

Чрезмерное развитие водных растений или, наоборот, угнетенное состояние дает сигнал о неблагополучном состоянии качества воды.

Интересное видео

В данном видео автор рассказывает, какие водоросли являются индикатором загрязнения воды в водоеме:

Заключение

Итак, мы рассказали вам о водных растениях, растущих в различных средах, которые являются индикатором состояния воды в водоемах — это ряска, рдест, кувшинка, рогоз, сине зеленые водоросли и другие. Эта информация помогает своевременно оградить от негативного воздействия живые организмы водной среды, а также здоровье человека.