4.3.Дослідження якості водного середовища з використанням живих організмів

Загальні уявлення про біологічні методи оцінки якості води

Біологічні методи оцінки якості води мають ряд переваг перед хімічними і фізичними, оскільки угруповання живих організмів віддзеркалюють усі зміни водного середовища, одночасно реагуючи на комплекс різноманітних природних та антропогенних чинників, у тому числі забруднювачів.

• загроза інфекційних захворюванні;

• токсичність;

• євтрофікація.

Метод біоіндикації дозволяє оцінити наслідки як постійного, так і залпового забруднення, оскільки відповідь біоти усереднює «ефект забруднення» у часі. І, зрештою, біологічні методи дозволяють оцінити спроможність та інтенсивність перебігу процесів самоочищення у водоймі та відновлення екосистеми після дії забруднювача.

Біологічні методи оцінки якості води, які використовують біологічні особливості видів та показники структури угруповань біоти водойми, почали широко залучати до практики оцінки стану водойм лише у другій половині XX ст. Проте сьогодні вони набули широкого поширення та стрімко розвиваються. Біологічна оцінка якості води природних водойм

Прикладна екологія проводиться за допомогою різних методів, серед яких головними є біотестування, біоіндикація.

Біотестування — процедура оцінки токсичності середовища за допомогою тест- об'єктів.

У випадку оцінки якості води використовують реакцію певних видів живих організмів (або окремих органів, тканин чи клітин організму) на забруднення. До тест-організмів висувають певні вимоги: вони повинні мати високу чутливість до токсичних речовин та легко розмножуватися у лабораторних умовах.

— реакція закривання раковин.

Біотестування здійснюється кількома шляхами. Так, тест-об'єкт можна розмістити на фіксований час у воду з відомою токсичною речовиною та за змінами у його організмі отримати уявлення про наслідки шкідливого впливу. Інший спосіб — з водойми відібрати пробу води, на визначений час заселити до неї тест-організм та визначити зміни у його поведінці, фізіологічних реакціях (здатність виживати, темпи розмноження, інтенсивність дихання, фотосинтезу тощо) чи внутрішній будові органів, тканин і клітин. Такі експериментальні методи досить чутливі та спрямовані, насамперед, на визначення високотоксичних, сильно діючих хімічних речовин, що містяться у воді. Цей метод розроблений для оцінки якості води, у якій немає свого живого населення, тому його широко застосовують для оцінки придатності водопровідної води, в якій в результаті очищення біота майже відсутня.

Біоіндикація — метод оцінки якості води та екологічного стану водойми за складом видів-індикаторів або структурними показниками угруповань. Іншими словами, біоіндикація

— це спосіб оцінки антропогенного навантаження за реакцією на нього живих організмів та їхніх угруповань. Даний підхід базується на постулаті, що всі живі та неживі компоненти екосистеми тісно взаємопов'язані між собою, а, отже, екологічний стан водойми, забруднення та погіршення якості води в ній позначається на організмах, які тут мешкають: види- індикатори з'являються або зникають, змінюється їхнє видове багатство (кількість видів), чисельність, рясність, продукційні показники.

Система сапробності використовується для проведення моніторингу поверхневих вод та оцінки якості води. За ступенем забруднення органічними речовинами води розділяються на чотири зони сапробності: полі-, мезо- оліго- та ксеносапробні.

Полісапробна зона — вода найбрудніша та характеризується низькою концентрацією кисню, що потрапляє до води переважно з атмосфери та повністю використовується на окислення. Тут інтенсивно відбуваються процеси розкладання органічної речовини з утворенням сірководню, метану, вуглекислого газу. Характерний великий вміст нестійких органічних речовин і продуктів їхнього анаеробного розпаду. Видове багатство водних мешканців збіднене, переважають види-полісапроби, здатні витримувати високий рівень забруднення — бактерії (розвивається кишкова паличка), інфузорії, олігохети, личинки деяких мух, гриби, актиноміцети, деякі види водоростей. Гідробіонти, які живуть у забруднених органічними речовинами водах та беруть участь у розкладанні останніх, є Основи біоіндикації важливим ланцюгом у біологічному круговороті речовини та енергії. Води такої якості формуються у річках та озерах, до яких безпосередньо та постійно потрапляють у великій кількості стоки комунально-промислових, сільськогосподарських виробництв.

У мезосапробних водах ступінь забруднення дещо менший, залежно від його рівня вони поділяються на альфа- та бета-мезосапробні. В альфа-мезосапробній зоні починається аеробний розпад органічних речовин з утворенням метану, міститься багато вільної вуглекислоти та мало кисню.

У процесах самоочищення в таких водах активну участь беруть водорості. Вода, що відноситься до цієї зони сапробності, характерна водоймам, до яких потрапляє значна кількість стічних вод, а також заболоченим природним водоймам. У бета-мезосапробних водах відмічається незначна кількість нестійких органічних речовин, що розклалися до окислених продуктів. їм характерні менші кількості амонійного та нітритного азоту, сірководню, переважають нітрати. Розчиненого у воді кисню, зазвичай, багато, іноді спостерігається його перенасичення (у світлий період доби). Живий світ таких вод багатий та різноманітний, внаслідок надмірного розвитку фітопланктону може відбуватися «цвітіння» води. Серед організмів-індикаторів умов бета-мезосапробної зони є зелені і синьо-зелені водорості, макрофіти, численні види найпростіших, сюди належить більшість видів молюсків, ракоподібних, губки, різноманітні риби. Більшості нашим водойм притаманна вода такої якості.

Олігосапробна зона характеризує майже чисті води з незначним вмістом нестійких органічних речовин і невеликою кількістю продуктів їхньої мінералізації. Тут відмічаються високі концентрації кисню, відсутній сірководень, серед сполук азоту домінують нітрати. Серед олігосапробних організмів, які населяють чисті або слабко забруднені органічними речовинами води, відмічається значна кількість видів діатомових водоростей (зазначимо, що явища «цвітіння» води тут не буває). Видами-індикаторами олігосапробних умов є численні харові водорості, деякі вищі водні рослини, ракоподібні, коловертки, молюски, личинки комах та риби. Олігосапробна зона представлена чистими водами великих озер.

Ксеносапробна зона — це холодні води чистих гірських струмків, озер, джерел, у яких біота збіднена та відмічається мінімальна кількість органічних речовин.

Для кожної із чотирьох зон сапробності створені списки видів-індикаторів, кожному виду присвоєне певне число, яке характеризує його положення на шкалі сапробності (так званий індивідуальний індекс сапробності або індикаторна значущість). Ці числа — умовні, їх запровадили для кількісної оцінки здатності певного гідробіонта-індикатора мешкати у воді з тим чи іншим вмістом органічних речовин. Так, організмам-ксеносапробам було присвоєно значення від 0 до 0,50; олігосапробам — від 0,51 до 1,50; бета-мезосапробам — 1,51-2,50; альфа-мезосапробам — 2,51-3,50; полісапробам — 3,51-4,00.

Сьогодні список організмів, що їх використовують для оцінки сапробності, складається з більш ніж двох тисяч мікро- та макроорганізмів, для яких відомі індекси сапробності виду та валентність сапробності. Користуючись подібними списками, можна оцінити сапробність тої чи іншої водойми.

Для кількісної оцінки ступеня забруднення водойми органічними речовинами, був введений Індекс сапробності, який, крім індикаторної значущості видів, враховував і кількість особин індикаторних організмів (абсолютна кількість, умовні бали або процентне співвідношення). Він розраховується за формулою:

де S — індикаторна значимість виду і, Ні, — його відносна чисельність, N — число видів-індикаторів. У полісапробних водоймах (зонах) він дорівнює 4-3,5, а і β — мезосапробних 3,5-2,5 і 2,5-1,5, в олігосапробних 1,5-1, в ксеносапробних меньше 1.

Відносна кількість особин виду оцінюється таким чином: випадкова знахідка — 1, зустрічається часто — 3, масовий вид — 5. Щодо індивідуального індексу сапробності, то у спрощеному варіанті (модифікація Пантле-Букка) його значення може прийматися: для олігосапробів — 1, бета-мезосапробів — 2, альфа-мезосапробів — 3, полісапробів — 4.

Розрахунок індексу сапробності за формулою дозволяє встановити якість води та ступінь її забруднення органічними речовинами. Співвідношення індексу сапробності, зони сапробності та класу якості води наведено у табл.

Таблиця 4.12.

Співвідношення індексу сапробності, зони сапробності та класу якості води

Метод визначення сапробності є чи не найбільше розробленою системою біоіндикацїї. Однак, його використання екологами-початківцями обмежене через такі причини:

• визначення організмів необхідно проводити до виду, а це потребує фахових знань;

• необхідний відбір та обробка значного об'єму кількісних даних;

• списки видів-індикаторів включають переважно західно-європейські види.

Існує група дуже чутливих до забруднення організмів, які у разі забруднення водойми першими зникають зі складу її населення. Це індикатори чистої води. Діаметрально протилежною є група видів, що пристосовані до життя в дуже забруднених водоймах. Вони не тільки почувають там себе дуже комфортно, але і не можуть жити у воді, бідній на органічні та мінеральні речовини. Ці толерантні до забруднення види — індикатори значного забруднення. Поміж цими «екстремалами» бо стенобіонтами, знаходиться група помірно чутливих організмів. Цікавим є той факт, що кількість видів першої і другої груп незначна, тоді як помірно чутливих видів набагато більше. Види, що здатні жити у воді з широким діапазоном значень показників (від чистої до забрудненої) називаються видами з широкою екологічною пластичністю (або еврибіонтами).

Для біоіндикацїї обирають ті види, що мають відносно вузьку «спеціалізацію», тобто живуть у досить неширокому діапазоні умов середовища. Проте, і еврибіонти подекуди виступають у ролі біоіндикаторів. Так, масовий розвиток цих видів у водоймах, що вважалися чистими, є свідченням їхнього забруднення. Як вже зазначалося, оцінка екологічного стану водойми з використанням біоіндикаторів зазвичай дає ціннішу інформацію, ніж визначення ступеню забруднення спеціальними приладами (гідрохімічний аналіз), оскільки біоіндикатори реагують на загальний комплекс забруднювачів або змін зовнішніх умов.

Процес відбору біоіндикаторів є складним завданням. Найважливішими вимогами до біоіндикаторів є:

1) наявність у локальній екосистемі комплексу видів-індикаторів (значне таксономічне та екологічне різноманіття);

2) висока екологічна точність реакції біоіндикатору на зміну фактору середовища, який визначається;

3) відносно висока чисельність виду-індикатора;

4) широке розповсюдження у екосистемі;

5) простота у визначенні таксономічної приналежності;

6) наявність інформації про екологію виду.

Як біоіндикатори можна використовувати значну кількість груп організмів, однак при цьому дуже важливо, аби метод був відносно малозатратним і швидким. А у випадку, коли дослідження проводять громадські екологічні організації, волонтери природоохоронного руху чи школярі — не вимагав значної наукової підготовки. З цього погляду найбільш розробленою є методика оцінки якості води за допомогою досить великих і помітних організмів, що населяють дно водойми (макрозообентос). У наш час все більшого розвитку набуває вивчення можливостей використання в ролі біоіндикаторів видів макрофітів, риб, а також мікроскопічних мешканців товщі води — фітопланктону та зоопланктону. Найточніші результати біоіндикації водойм дає спостереження за організмами, які у разі змін комплексу умов середовища не можуть швидко і назовсім зникнути з біотопу. До таких належать водні рослини — макрофіти, а також тварини-мешканці дна водойми — макрозообентос. Це досить великі організми, які можна легко зібрати у водоймі й визначити до певного таксономічного рівня без збільшувальних приладів та спеціальної підготовки.

Біоіндикаційні дослідження якості води

Під час обстеження водойм з метою визначення якості води за макрофітами особливу увагу доцільно приділяти домінуючим видам рослин та їх угрупуванням, оскільки саме вони віддзеркалюють загальну картину екологічного стану водойми. У таблиці 4.13 наводяться види макрофітів, які є індикаторами певного трофічного статусу водойм. Як бачимо, більшість видів рослин належить до середнього рівня трофності — мезо- та мезо-евтрофного. Надзвичайно мало видів рослин ростуть у чистих оліготрофних водоймах.

Таблиця 4.13.

Макрофіти — індикатори трофічного статусу водойм

Індикатором екологічного стану водойми може бути не лише видовий склад макрофітів у водоймі, але й рясність видів, особливості просторового розподілу водної рослинності та деякі інші показник. Огляд здійснюють візуально, а для дослідження занурених видів - використовують граблі, дістаючи рослини. Дані спостережень заносять у польовий щоденник. Розпочинаються вони описом водойми. Далі наводиться перелік видів макролітів, що трапилися, та загальний опис макрофітної рослинності. Якщо рослина незнайома, її збирають у пластиковий мішечок з етикеткою, яка містить інформацію про те, де зібраний даний екземпляр. Такі рослини можна протягом кількох днів зберігати в холодильнику. Після складання загального списку рослин, серед них виділяють види-індикатори та індикаторні групи залежно від методики, якою будуть користуватися у подальшій роботі.

Для того, аби оцінити екологічний стан водойм, необхідно:

1. Порахувати, яка приблизна кількість усіх водних рослин зустрічається у водоймі, яку ви оцінюєте (озеро, річка). До уваги беруться усі види макролітів, а не лише ті, які наведені у таблиці 4.14.

2. Визначите, які індикаторні (показові) групи макролітів зустрічаються у водоймі. Пошук розпочинається з найчутливіших до забруднення видів рослин - молодильника, хари, водяного моху фонтиналісу чи дрібнолистих рдесників.

Таблиця 4. 14.

Визначення якості води за макрофітною рослинністю

Якість води: 1-2 бали - дуже брудна; 3-4 бали - брудна; 5-6 бали - забруднена; 7-8 бали - чиста; 9-10 - дуже чиста.

Використовуючи таблицю 4.14, можна вирахувати макрофітний індекс. Основа цього методу полягає в закономірній зміні індикаторних груп видів макролітів, що відбуваються у водоймі відповідно до зростання рівня забруднення та погіршення якості води, насамперед, у результаті антропогенної евтрофікації.

Порядок розрахунку Макрофітного індексу (МІ):

1) За натурними спостереженнями скласти загальний список водних макрофітів водойми або її ділянки, що досліджуються. До уваги беруться усі види макрофітів, а не лише ті, що наведені у таблиці 4.14.

2) За таблицею визначають, які індикатори групи макрофітів трапляються у водоймі. Пошук розпочинають з найчутливіших до забруднення видів рослин (перший рядок таблиці). Необхідно зазначити, що: якщо у водоймі наявні види з першої індикаторної групи, то працюють лише з першим рядом таблиці, не зважаючи на всі решта рядків та стовпчиків. На перетині зі стовпчиком відповідної кількості видів у водоймі й знаходять значення МІ, що дорівнює 9 чи 10. Якщо ж вказаних видів у вашому описі немає, шукають види із наступної індикаторної групи і, залежно від загальної кількості видів макрофітів, працюють з відповідними рядком та стовпчиком, нехтуючи рештою.

3) На перетині рядка та стовпчика у таблиці отримують значення МІ.

Крім того, найбільш зручним, інформативним і надійним біоіндикатором стану водного середовища та його антропогенних змін є зообентос. Тривалість життєвих циклів організмів зообентосу, в порівнянні з планктонними організмами, є значно вищою. Крім того, донні безхребетні, в основному, ведуть осілий спосіб життя, тому стан зообентосу чітко характеризує не лише екологічний стан водойми або водотоку в цілому, але й конкретних його ділянок. Таким чином, з усіх спільнот гідробіонтів саме зообентос найбільш стабільний у просторі та часі. Це дозволяє визначити загальний стан середовища та основні напрями сукцесійних процесів у екосистемі.

Із усього видового різноманіття бентосу найбільш часто використовують для оцінки якості прісної води макрозообентос. Основними представниками цієї групи є личинки комах, які мають підвищену чутливість до токсичних впливів і інших змін середовища (наприклад євтрофікації). Макрозообентос є дуже зручним об'єктом для вивчення ще й тому, що для його відбору потрібно найпростіше обладнання (звичайний сачок), а його представники проживають практично в будь-якій водоймі - як з проточною, так й зі стоячою водою (Карпова, 2010).

За допомогою таблиці 4.15 можна визначити біотичний індекс Вудівісса, що характеризує ступінь забруднення зони водойми (табл. 4.15).

Таблиця 4.15

Визначення якості води за макрозообентосом

Примітки до таблиці:

¹ - Умовні групи організмів, які підлягають підрахунку: 1) усі види плоских червів, 2) усі види п ’явок, 3) усі види кліщів, 4) усі види молюсків, 5) усі види ракоподібних, 6) усі види личинок веснянок, 7) усі види личинок одноденок, 8) усі види личинок двокрилих, 9) усі види личинок жуків, 10) личинки Baetis rhodani (одноденка), 11) личинки Chironomus thummi (хірономіда), 12) личинки волохокрильців, 13) личинки всіх інших хірономід, 14) личинки симулід, 15) усі види личинок сітчастокрилих;

²- Виключаючи личинку одноденки Baetis rhodani;

³ - Baetis rhodani включена в цей розділ.

Якість води: 0-2 бали - дуже брудна; 3-4 бали - брудна; 5-6 бали - забруднена; 7-8 бали

- чиста; 9-10 - дуже чиста.

Біотестування якості води з використанням рачків виду Daphnia magna Straus.

Одними з найбільш чутливих до токсичних речовин різної природи серед гідробіонтів є прісноводні ракоподібні роду Daphnia, що включає понад 20 видів (серед них звичайні Daphnia magna Straus, D. pulex de Geer, D. Iongispina 0.F. Muller і D. carinata King). Оскільки вони володіють значною фільтраційною здатністю, то в більшості випадків зазнають впливу розчинних та дрібнодисперсних завислих компонентів стічних вод. З цієї причини дафній частіше обирають в якості тест-об'єкта для токсикологічних дослідів. При цьому, вони є організмами з коротким біологічним циклом розвитку, що дає можливість простежити дію токсичних речовин на ряді поколінь при відносно невеликій тривалості досліду (до 1-2 місяців).

Основним видом, легко культивованим у лабораторних умовах, є Daphnia magna Straus, відома також як водяна блоха. В природних умовах цей вид живе в дрібних стоячих і слабопроточних водоймах із вмістом кисню від 2 мг/л і більше, харчується бактеріями, фітопланктоном і детритом.

У природі в літню пору, а в лабораторії при сприятливих умовах цілий рік, дафнії розмножуються без запліднення - партеногенетично (причому народжуються тільки самки). При різкій зміні умов існування (нестача їжі, зниження температури та ін.) в популяції дафній з'являються самці. З цього моменту дафнії переходять до статевого розмноження, відкладаючи після запліднення «зимові яйця» (1-2 шт.), які розміщуються в спеціальній виводковій камері (ефипіумі). Навесні з яєць з'являються самки, що надалі дають партеногенетичні покоління дафній. В природі дафнії живуть у середньому 40-60 днів (в залежності від температури), а в лабораторії при оптимальному режимі - 3-4 місяця і більше. При високих температурах (понад +25°C) тривалість життя дафній може скорочуватися до 25 днів.

Дафнія стійка до зміни кисневого режиму, що пов'язано зі здатністю синтезувати гемоглобін. При зниженні концентрації розчиненого кисню (що є біоіндикаційною ознакою) спостерігається підвищений вміст гемоглобіну в дафнії. Вони стають яскраво-червоними і загальна чисельність збільшується. При оптимальному ж вмісті у воді розчиненого кисню рачки мають рожево-жовтий колір.

Опис методу. Культивування дафній і біоіндикаційні досліди проводять у термолюміностаті з оптимальним температурним режимом 20±2°C та світловим днем 10-12 год., що підтримується лампами денного світла. Воду для культивування рачків відбирають із незабруднених природних водойм або використовують вистояну водопровідну воду, дехлоровану шляхом аерації протягом 7-10 діб. Кормом для рачків слугують протокові зелені водорості.

Гострий дослід - це короткочасне біотестування (до 96 год.), що дозволяє визначити гостру токсичну дію води на дафній за показником їх виживаності. Облік дафній, що вижили, проводять через 1, 6, 24, 48, 72 і 96 год. У гострому досліді досліджуються 5-7 розведень стічної води або концентрації речовини. Коефіцієнт розведення складає 2-20 в залежності від токсичності досліджуваних вод. Токсичність хімічних сполук випробовують також з концентраціями 10-100 мг/л.

Досліди проводять у трьох повторностях наступним чином: у кожну склянку заливають по 200-300 мл розчину і висаджують по 10 дафній. В якості контролю використовується вистояна протягом 7-10 діб водопровідна вода. Тривалість спостережень - до 96 год. При короткочасному біотестуванні дафній не годують.

Час загибелі рачків відзначають за фактом настання нерухомості (іммобілізації): дафнії лежать та дні склянки, плавальні рухи відсутні і не відновляються при легкому дотику струменем води або погойдуванні склянки. Особин вважають вижившими, якщо вони вільно пересуваються в товщі води або спливають із дна склянки не пізніше 15 с після її легкого погойдування. Якщо в будь-який період часу, що визначається, у стічній воді гине 50 і більше відсотків дафній, біотестування припиняють.

Якщо загибель контрольних дафній в період тестування перевищить 10%, то гострий дослід припиняють і повторюють знову.

За результатами гострих дослідів визначають:

1) ЛКр50 - кратність розведення досліджуваної води (концентрації речовини), при якій гине 50% дафній за 96 год.;

2) JlKpO - гранична концентрація (мінімально діюча), при якій організми не гинуть;

3) ТЛ50 - середній час виживання 50% дафній уряді розведень.

Найбільш простим і часто застосовуваним методом визначення ЛКр50 є графічний метод. На осі абсцис відкладають логарифми величин кратності розведення води, що тестується, а на осі ординат - середні арифметичні величини виживаємості дафній у відсотках до контролю.

Отримані крапки з’єднують лінією. Від крапок на осі ординат, що відповідають 50 і 100% виживаності, проводять лінії, паралельні осі абсцис. З крапок перетинання цих ліній з експериментальною прямою опускають перпендикуляри на вісь абсцис і знаходять логарифми величин кратності розведення, що будуть відповідати величинам ЛКр50 і ЛКрО. Чим більше величини ЛКр50 і ЛКрО, тим більше токсичність стічних вод (речовини).

Ступінь токсичності стічних вод (речовин) визначається мірою її зниження відносно розведення чистою водою. Якщо токсичність стоків не проявляється в гострих дослідах, або знімається при розведенні 1:10, то говорять про низький ступінь токсичності стоків; зниження токсичності при розведенні стоків більше ніж у 10 разів - середній ступінь токсичності; якщо токсичність знижується тільки при розведеннях більше ніж у 100 разів, то ці стоки мають високу ступінь токсичності. Остання група стоків є найбільш небезпечною.

Для визначення середнього часу виживання ТЛ50 будують графіки: на осі абсцис відкладають час, на осі ординат - виживаність у % для кожного розведення (концентрації). Чим менше величина ТЛ50, тим більше токсичність досліджуваної води.

Хронічний дослід з дафніями слугує для глибокого дослідження властивостей природних вод і окремих речовин. Дозволяє визначити хронічну токсичну дію води на дафній по показниках їх виживаності і плодючості. Показником виживаності служить середня кількість самок дафній, що вижили протягом біотестування, показником плодючості - середня кількість молоді, яка була відкладена під час біотестування (у перерахуванні на одну самку, що вижила). Критерієм токсичності є достовірна відмінність від контролю показника виживаності або плодючості дафній.

Умови проведення хронічних дослідів аналогічні описаним вище гострим дослідам: постійний температурний і світловий режим, а також щоденне внесення корму - водорості хлорела. Тривалість досліду 20 і більше діб.

Оцінка результатів досліду (у % відносно контролю) проводиться за наступною формою: виживаність під час досліду; плодючість (реальна і потенційна, в перерахуванні на одну дафнію під час досліду); розміри дафній; кількість линьок.

Таким чином, використання дафній в якості тест-організмів дозволяє визначити ступінь токсичності досліджуваних вод, а також оцінити кратність розведення стічних вод.

4.4.