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.
Содержание
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:
- Типичная принадлежность к зоне проведения анализа экологической ситуации.
- Хорошо изученная биология и физиология применяемых видов-индикаторов.
- 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:
Название вида | Индикаторы | |||
Органическое
Загрязнение |
Ацидофикация | Эфтрофикация | Тяжелые металлы | |
Водокрас лягушачий | + | + | ||
Камыш озерный | + | |||
Кубышка малая | + | |||
Рдест длиннейший | + | + | ||
Рдест пронзеннолистный | + | |||
Рдест узловатый | + | + | ||
Рдест плавающий | + | |||
Рдест блестящий | + | |||
Рдест курчавый | + | + | ||
Рогоз широколистный | + | + | ||
Роголистник темно-зеленый | + | + | + | |
Роголистник подводный | + | + | + | |
Ряска горбатая | + | + | ||
Ряска малая | + | + | ||
Телорез алоэвидный | + | |||
Уруть колосистая | + | + | ||
Хвощ речной | + | + | ||
Частуха подорожниковая | + | + | ||
Элодея канадская | + | + |
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:
Название группы | Подгруппы (зоны) сапробности | Характеристика источников | Индекс сапробности | Видовое разнообразие |
Катаробная | — | Чистейшая вода, подземные родники, талые и минеральные воды, вода для питья (искусственного происхождения) |
0 | — |
Лимносапробная | ксеносапробная | Чистые воды с незначительным содержанием растворенных органических компонентов | ‹1.0 | — |
олигосапробная | Почти отсутствуют растворенные органические вещества или имеется незначительное органическое загрязнение. Водоемы прозрачные, с высоким содержанием растворенного кислорода | 1.0 | Водоросли:
|
|
β-мезосапробная | Воды среднего органического загрязнения.
Присутствуют азотистая и азотная кислоты, аммиак. Органическое вещество окисляется полностью |
1.1-2.0 |
|
|
α- мезосапробная |
Сильное органическое загрязнение. Наличие в воде аминокислот и аммиака, свободного кислорода. Органическое вещество минерализуется за счет аэробного окисления. Вода имеет неприятный запах и темный цвет. |
2.1-3.0 | Водоросли:
|
|
полисапробная | Имеет тяжелое органическое загрязнение. В воде фиксируют неразложившиеся белки, значительно кол-во CO2, наблюдается дефицит кислорода. Воды мутные, с гнилостным запахом | 3.1-4.5 | Зеленые водоросли Polytoma uvella |
В соответствии с индексом сапробности и зоны сапробности, классы чистоты воды подразделяются:
- Очень чистые воды с преобладанием ксеносапробионтов — 1 класс.
- Практически чистые с преобладанием ксено- и олигосапробионтов — 2 класс.
- Слабо загрязненные с доминированием β-мезосапробионтов, также встречаются α-мезосапробионты и олигосапробионты — 3 класс;
- Сильно загрязненные с преобладанием α-мезосапробионтов, способных выдерживать значительное органическое загрязнение. Также могут встречаться полисапробионты и β-мезосапробионты — 4 класс.
- 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.