Био(цено)тические индексы, или оценка степени загрязнения воды по показательным организмам

Оценка загрязнения воды по индикаторным организмам кажется наиболее простой: наличие или отсутствие организмов известной степени сапробности в анализируемой пробе планктона или бентоса сразу ориентирует исследователя относительно качества воды (загрязнения). Однако здесь не все так однозначно. Например, речка может быть сильно загрязнена, в нее сбрасываются бытовые сточные воды или стоки бродильного, или молочного производства. Налицо все признаки загрязнения: заиление дна, развитие нитчаток и грибов, «цветение» воды и пр. Если взять пробу грунта там, где создаются условия для накопления ила (слабое течение, замедленный водообмен), то найденные там организмы, покажут сильное загрязнение (альфа-мезо-полисапрбную зону). Там, где течение посильнее, грунт будет представлен более или менее заиленным песком, и в нем мы обнаружим больший состав донных организмов, пусть того же уровня сапробности. Там же, где течение быстрое (стрежень), грунт будет представлен песком, возможно с галькой. Взятые здесь пробы могут дать состав организмов, характерных для участков реки, не подвергающихся загрязнению, типичных бэта-мезосапробов. Более того, пробы, отобранные сачком в прибрежной зоне с растительностью, могут дать вообще олигосапробных, но больше бэта-мезосапробных организмов: личинки стрекоз, поденки кроме Baetis rhodani, олигохеты-наидиды, рачки-хидориды, т.е. «чистых» видов. В связи с этим, к оценке загрязнения водоема надо подходить дифференцированно и правильнее будет выделять отдельные зоны по сапробности относительно места или источника загрязнения. Наконец, при оценке загрязнения по индикаторным организмам необходимо давать оценку не по отдельным видам, а по сообществам (биоценозам).

Биотический индекс как индекс загрязнения вод основывается (базируется) на характеристиках сообществ относительно степени загрязнения воды (Beck, 1965) (табл. 6).

 

Таблица 6

Биотический индекс «Река»

Статус загрязнения	Биот. индекс	Тип сообщества макробеспозвоночных	Рыбный потенциал
Незагрязненная		Широкое представительство чувствительных, факультативных и толерантных хищных, травоядных, фильтраторов и детритофагов без указания определенных видов	Все характерные рыбы для естественных водоемов
Слабое до умеренного загрязнения	5-4	Чувствительные хищники и травоядные, редуцированные до обособленных популяций или отсутствуют совсем. Факультативные хищники, растительноядные и, возможно, фильтраторыи детритофаги характерные для чистых вод. Рост численности с более низким индексом	Более чувствительные виды рыб убывают в численности
Умеренное загрязнение		Все чувствительные виды отсутствуют. Факультативные хищники (пиявки) отсутствуют или редки. Хищники сем. Pelopiinae и растительноядные тендипедиды присутствуют в довольно плотных популяциях.	Только «грубые» рыбы
От умеренного до сильного загрязнения		Факультативные и устойчивые виды сильно уменьшаются в численности, если загрязнения токсичные; если органики не много, то виды, устойчивые к недостатку кислорода, присутствуют в больших количествах	Рыбы только с высокой устойчивостью к загрязнениям
Сильное загрязнение		Только очень устойчивые детритофаги (Tubificidae) присутствуют в большом количестве	Рыб очень мало, если они вообще есть
Определенное (отдельное) загрязнение, обычно токсичное		Макробеспозвоночные отсутствуют	Рыб нет

 

Вудивисс (Woodiwiss, 1964) биотический индекс загрязнения реки Трент (Англия) - «трент-индекс» определяет по видовому разнообразию и показательному значению таксонов (табл. 7).

Биотический индекс (TBI - Trent Biotic Index) учитывает наличие групп животных, которые могут быть показательны в отношении качества воды. В понятие «группа» включены виды или комплексы видов, индикаторное значение которых оценивается в зависимости от общего числа групп животных в пробе. Таким образом, биотический индекс в целом оценивает структуру сообщества, однако к его недостаткам можно отнести недостаточную корреляцию «группы» с численностью входящих в нее животных. При этом значение очень малочисленной «группы» может быть завышено. Указанные в таблице тубифициды - это, прежде всего, вид Tubifex tubifex и род Limnodrilus. Под красными хирономидами понимаются виды p. Chironomus; азеллюс - Asellus aquaticus (водяной ослик) - равноногий рачок.

Индекс (система) Вудивисса вполне пригоден для биоиндикации состояния малых рек европейской части, загрязняемых большей частью бытовыми стоками. Пробы бентоса можно взять прямо с берега реки сачком, малой драгой или даже ведром. Однако, этот индекс плохо работает на быстрых речках с каменистым или песчаным дном.

 

Таблица 7

Биотический индекс Трент

	Часто наблюдаемая последовательность исчезновения из биоценозов по мере увеличения степени загрзнения	Общее число присутствующих «групп»
0-1	2-5	6-10	11-15	16 и более
Биотический индекс
Чис-тая вода	присутствуют ли-чинки веснянок	больше одного вида только один вид	- -
присутствуют ли-чинки поденок	больше одного вида1 только один вид1	- -
присутствуют ли-чинки ручейников	больше одного вида2 только один вид2	-
присутствует гаммарус	все вышеназванные виды отсутствуют
присутствует азеллюс	все вышеназванные виды отсутствуют
Гряз-ная вода	Присутствуют ту-бифициды и/или (красные) личинки хирономид, все вышеназванные типы отсутствуют	все вышеназванные виды отсутствуют могут присутствовать некоторые виды, нетребовательные к кислороду, например, Eristalis tenax				-	-   -
1 Исключая Baetis rodani
2 Baetis rodani включена в этот раздел

 

Индексы сапробности

В отличие от биоценотических индексов, индексы сапробности характеризуют качество воды или ее сапробиологаческую оценку по набору и количественным показателям популяций видов индикаторов в пробах планктона и бентоса. Индексы сапробности могут характеризовать как точечные или локальные состояния воды водоема, так и позволяют дать оценку процессов самоочищения, например, в реке при отборе проб по заданной сетке станций относительно места сброса сточных вод. Пробы обычно отбираются до (выше) сброса, в районе сброса (на небольшом удалении) и далее по факелу распространения сточных вод.

Индекс сапробности Пантле и Букк (Pantle und Buck, 1955).

 

Σ sh

S= ----------

Σ h

 

где S - индекс сапробности, s - индикаторная значимость вида (s: = 1 - олигосапробы, = 2 - мезосапробы, = 3 - мезосапробы, = 4 - полисапробы); h - относительное количество особей вида (h: = 1 - случайные (единичные) находки, = 3 - частая встречаемость, = 5 -массовое развитие). При S = 4.0-3.5 - полисапробная зона (по Sladecek, 1969 - 4.5 - 8.5), = 3.5 - 2.5 - мезосапробная зона, = 2.5-1.5 - мезосапробная зона, = 1.5 - 1.0 - олигосапробная зона, = 0.5 - 0 - ксеносапробные воды (Sladecek, 1969).

 

Метод Пантле - Букк широко применяется гидробиологами в оценке загрязнения природных вод (оценке сапробности) по фито- и зоопланктону и зообентосу. Существующие сейчас списки видов - индикаторов сапробности (Макрушин, 19746) дают значения (s).

Н.А. Дзюбан и СП. Кузнецова (1981) предложили модификацию индекса Пантле - Букк:

 

Σ (ns)

S= ----------

Σ n

где n - фактическая численность индикаторного вида в пробе, S -средний индекс сапробности, s - сапробность отдельных видов (по Сладечеку).

Определение сапробности по этому модифицированному индексу Пантле - Букк проводится по следующим значениям (табл. 8):

 

Таблица 8

Определение сапробности

Шкала сапробности	Значение сапробности
Ксеносапробная	< 1
Олигосапробная	≥ 1 < 2
β –мезосапробная	≥ 2 < 3
α –мезосапробная	≥ 3 < 4
Полисапробная	≥ 4

 

Авторы считают расчеты по этой формуле более объективными и позволяет регистрировать даже небольшие изменения качества воды. Некоторые сложности при вычислениях по этому модифицированному индексу связаны с возможными большими численностями индикаторных видов в пробах.

В.Ю. Захаров (1997) в Методическом руководстве приводит расчет сапробности по модифицированной формуле Пантле - Букк для нескольких рядов наблюдений (например, индексов сапробности для нескольких групп организмов из одного места сбора материала).

S1 Σn1 + S2 Σn2 + … + Sk Σnk

Sm= -----------------------------------------,

Σn1 + Σn2 + … + Σnk

 

где Sm - средний индекс сапробности для анализируемых групп организмов; S1, S2,.... Sk - индексы сапробности для групп организмов 1, 2,...k (например, для фитопланктона, зоопланктона и зообентоса); Σn1 + Σn2 + … + Σnk - суммы численностей видов в анализируемых группах организмов. Он предлагает вычислять статистики для описания варьирования индекса: среднеквадратичное (несмещенное) отклонение, ошибку средней и коэффициент вариации. Наиболее достоверные результаты получаются при наличии в расчетах более 7 видов.

Для определения сапробности водотока используется индекс сапротаксобности (St):

 

St = (St • n) / n,

 

где (St • n) - сумма произведений значений индексов сапротаксобности отдельных видов на соответствующее им количество особей, n - число особей всех индикаторных видов.

Этот индекс отражает качественное разнообразие и количественное соотношение отдельных индикаторных видов. Индикаторное значение видов устанавливалось, с одной стороны, на основе индикаторов сапротаксобности (т.е. органического загрязнения), с другой стороны, на высокой чувствительности отдельных видов животных к различного рода токсичным веществам, в большом количестве поступающих вместе с органикой в водоемы промышленно развитых регионов и часто затрудняющим применение систем сапробности в связи с изменением индикаторной значимости отдельных видов под влиянием токсических веществ. Индекс сапротоксобности равен 1.0 - 1.5 в олигосапротоксобной зоне, 1.5 -1.5 в β-мезосапротоксобной зоне, 2.5 - 3.5 в α-мезосапротоксобной зоне, 3.5 - 4.0 - в полисапротоксобной. Индекс сапротаксобности применим как к водоемам, так и к водотокам, высокочувствителен, хорошо зарекомендовал себя применительно к экосистемам северо-запада России и позволяет характеризовать водоем по степени смешанного токсического и органического загрязнения, что особенно важно в условиях промышленного развития регионов.

Райт (Wright, 1955), Карр и Хилтонен (Carr and Hiltonen, 1965) для оценки уровня загрязнения использовали данные по плотности олитохет-тубифицид:

- слабое загрязнение - 100-999 экз./м²,

- среднее загрязнение - 1000-5000 экз./м²,

- тяжелое загрязнение - более 5000 экз./м².

Олигохеты - одна из повсеместно встречающихся и часто доминирующая в бентосе и в зарослевой фауне группа животных большинства водоемов. Они наиболее часто привлекаются различными авторами для целей биоиндикации, так как в местах сильного органического загрязнения наблюдается массовое развитие некоторых из них (Финогенова, 1976; Финогенова, Алимов, 1976; Тимм, 1983; Попченко, 1988, 1990 и др.). Многие виды олигохет могут служить индикаторами качества вод, однако надо иметь ввиду, что только немногие виды характеризуют степень загрязнения воды. Это виды: Tuhifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri и L. udekemianus. Практически только эти виды следует использовать в формулах индексов сапробности, где указываются олигохеты, причем, Tubifex tubifex наиболее определенно характеризует органические, легкоокисляемые загрязнения, например хозфекальные, молочные или бродильного производства, в то время как Limnodrilus hoffmeisteri и L. Udekemianus - массе развиваются в зоне промышленных загрязнений, особенно стоками ЦБК. Есть два вида наидид - Nate elinguis Aulophorus furcatus, которые наряду с предыдущими могут использоваться как индикаторы альфа-мезо и полисапробных вод, но ввиду их редкой встречаемости и малочисленности в пробах они малопригодны в расчетах. В связи с этим, важно заметить, что если в формуле указываются олигохеты (О или Т - тубифициды), то надо оговаривать, о каких видах идет речь.

Известно также, что олигохеты не могут служить индикатором разового или прерывистого загрязнения (за исключением случаев катастрофической гибели при чрезмерной нагрузке), так как продолжительность их жизненного цикла достаточно велика. Они дают информацию об определенном состоянии водоема за довольно длительный период, предшествующий времени наблюдения, что иногда бывает очень важно.

В настоящее время разработано много методов оценки качества воды по составу донной фауны, среди которой чаще всего используются ее доминирующие виды. Некоторые исследователи создали индексы загрязнения воды на основе видового состава и численности малощетинковых червей. При этом наиболее универсальным является индекс Гуднайта и Уитлея.

Гуднайт и Уитлей о санитарном состоянии рек судят по соотношению олигохет и других обитателей дна. Ими использовались следующие показатели:

- река в хорошем состоянии - олигохет менее 60% от общего числа всех донных организмов,

- в сомнительном состоянии — 60 - 80%,

- тяжелое загрязнение - более 80%.

Цанер (Zaner, 1964) качество вод оценивает по величинам абсолютной численности Tubifex tubifex и видов p. Limnodrilus (табл. 9):

 

Таблица 9