Исследование состояния поверхностных вод на основе комплекса биологических методов

УДК 504.455.058:574.52.64 (470.61)

В работе рассматриваются особенности методов биоиндикации и биотестирования вод. Приведены примеры оценки состояния водных экосистем по комплексу результатов биотестирования водной и донной составляющих экосистем, по комплексу методов биоиндикации, биотестирования и концентрации хлорофилла.

Ключевые слова: биоиндикация, биотестирование, водная экосистема, экологические факторы среды, качество вод.

В последние годы в классификации экологических факторов среды из группы антропогенных отдельным самостоятельным блоком выделены техногенные. Эти несвойственные природе искусственные факторы часто служат источником техногенных аварий и катастроф. Последние породили комплекс проблем, и в первую очередь, трудно решаемых экологических. Особенно актуальна проблема чистой пресной воды, поскольку экологическое неблагополучие в значительной степени проявляется именно в водной оболочке Земли. Самое важное и опасное - нарастает дефицит пресной воды.

В этом плане для жизнедеятельности человека поверхностные воды, включающие пресноводные водоемы и водотоки, являются наиболее важными. Многоплановость использования водных ресурсов (водоснабжение, транспорт, водные биоресурсы, гидроэнергетика, сельскохозяйственное и рекреационное направления) и негативные последствия для биоты требует современных подходов наблюдения и контроля состояния поверхностных вод. Главным фактором негативного воздействия не только на биоту водных экосистем, но и человека является токсическое загрязнение. Именно с ним связано появление ряда экологических проблем в водных экосистемах, например, таких как проблема чистой воды, снижение биоразнообразия гидробиоты, резкое снижение уловов рыбы, доли ценных промысловых видов и другие. Для оценки уровня загрязнения, В том числе токсичными химическими веществами, в настоящее время в мониторинге поверхностных вод суши используется триада методических подходов. Первоначальным и остающимся основным по настоящее время является аналитический метод, поскольку в РФ действует система нормирования по ПДК загрязняющих веществ. Затем химический метод был дополнен первой группой биологических методов - биоиндикацией. Вторая группа биологических методов - биотестирование, предваряющая дорогостоящие химические методы, имеет функцию сканирования, т.е. призвана служить сигнальным и отправным моментом для использования дорогостоящих химических методов в случае обнаружения острого токсического действия исследуемых вод и донных отложений.

Известно, что химический анализ тесно связан с биотестированием, так как установленные законодательно нормативы рыбохозяйственных ПДК основаны на анализе биологических эффектов химических веществ, выявляемых с помощью биотестирования с использованием тест-объектов различной систематической принадлежности и трофических уровней. Тем не менее ясно, что количественный анализ какого-либо вещества в воде сам по себе не дает ответ на главный вопрос о ее опасности для биоты. Токсичность можно определить только с привлечением живых организмов методом биотестирования.

Согласно ГОСТ 27065 СТ СЭВ 5184-85 биотестирование - это оценка качества воды по ответным реакциям водных организмов. Идентификация природы загрязняющих веществ и их количественных значений не входит в задачи биотестирования, однако позволяет получить оценку реальных токсических свойств воды, то есть вредных эффектов природной воды на водные организмы.

Биотестирование, наряду с физико-химическими методами, широко используется в мировой практике мониторинга вод. Разработаны международные и национальные стандарты на методы биотестирования - биотесты на дафниях, водорослях, рыбах и других гидробионтах. Их назначение и область применения в России сформулированы в руководствах и ряде руководящих документов и рекомендаций [1]. Биотесты могут использоваться при осуществлении контроля источников загрязнения, контроля соблюдения нормативов водоотведения, оценке качества воды и проверке его соответствия установленным требованиям по биотестовым показателям, разработке нормативов предельно допустимых вредных воздействий (ПДВВ) хозяйственной и иной деятельности на водные объекты.

Методы биотестирования имеют практическое значение для оперативных и режимных работ в системе мониторинга поверхностных вод суши. Так, их используют для оценки токсичности вод на наиболее напряженных участках водных объектов, для выявления опасных источников загрязнения и зон их влияния, в том числе в случае чрезвычайных ситуаций, для оценки эколого-токсикологического состояния водных объектов, в том числе выявления зон экологического неблагополучия по данным многолетних наблюдений.

Биоиндикация, как первоначально разработанная группа биологических методов, закреплена нормативными документами в системе мониторинге поверхностных вод Росгидромета. Биоиндикация учитывает на основе сравнения результатов изменение количественных характеристик биологических объектов и систем исключительно для зависящей от времени оценки антропогенных или испытывающих антропогенное влияние факторов среды. То есть биоиндикация позволяет получать в зависимости от времени не только результат действия антропогенного фактора, но и следствие случайного отклонения от нормы, происходящего в результате действия не поддающихся учету факторов.

 Отличия биологических методов оценки качества вод

В целом и биоиндикация, и биотестирование дают интегральную оценку воздействия исследуемой воды на биоту. Оценку качества воды оба подхода дают также на основе отклика живых организмов на антропогенное воздействие. Однако есть и различия [1].

Биоиндикация позволяет получить:
- отклик естественных ценозов («аборигенов» данной водной экосистемы) по структурно-функциональному состоянию сообществ и наличию видов-индикаторов сапробности;
- отклик состояния сообществ экосистемы, прошедших адаптацию на уровне сообщества;
- оценку экологической емкости всей системы, обусловленную ее буферными свойствами, поскольку адаптация происходит с учетом всего комплекса действующих факторов, в том числе биотических;
- оценку состояния всей водной экосистемы и прогноз ее развития (регресс, прогресс, модификация) проводят в сравнении с фоновыми данными конкретной местности до антропогенного вмешательства (если они есть).

Биотестирование позволяет получить:
- отклик лабораторных культур представительных тест-объектов либо выборки «аборигенных» видов тест-объектов, взятых из фонового (условно чистого) участка;
- отклик тест-объектов, адаптировавшихся к воздействию, как правило, на уровне организма. На уровне популяций можно получить данные по адаптации только на коротко цикличных видах тест-объектов;
- информацию об условиях адаптации тест-объектов к воздействию исследуемой воды без учета такого важного фактора как биотический;
- оценку токсического действия природных вод.

Дать прогноз развития экосистемы в естественных условиях затруднительно. Возможно получение только «сигнальной» (ориентировочной) информации об уровне влияния на те систематические группы сообществ, представители которых были взяты в качестве тест-объектов из «нормальных» для жизнедеятельности условий. Качество воды с использованием двух подходов оценивается по-разному. Поскольку биотестирование природных вод опирается на принципы водной токсикологии, где существует оценка токсичности химических веществ и сточных вод, то качество воды методами биотестирования принято оценивать как токсичное и/или нетоксичное. То есть биотестирование подразумевает воздействие химической компоненты. Биоиндикация в большей мере опирается на трофический фактор (эвтрофирование) и дает возможность оценить качество воды разной степени загрязнения (от ксено- до полисапробной или от чистой до очень загрязненной).

Особенности биотестирования природных вод

Биотестирование природных вод и донных отложений как одна из подсистем мониторинга водных объектов отвечает целям мониторинга, сформулированным как «наблюдение-оценка-прогноз» возможных негативных последствий антропогенных нагрузок.

В соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод» [2], действующими в РФ с 1991 года, био- тестирование является обязательным элементом системы контроля качест- ва вод. В общие требования к составу и свойствам воды водных объектов рыбохозяйственного пользования включены показатели токсичности (острое и хроническое токсическое действие), по которым нормируется качество воды.

Использование методов биотестирования для определения качества природных вод является достаточно сложной задачей, т.к. химический состав природной воды обычно неизвестен, а концентрации загрязняющих веществ довольно низкие. Поэтому биотестирование природных вод требует использования высокочувствительных тест-объектов. Метод должен обладать широкой разрешающей способностью (чтобы учитывать как острое, так и хроническое токсическое загрязнение), быть оперативным и достаточно удобным для проведения в полевых условиях. Кроме того, необходимо определение общей токсичности пробы, токсичности взвешенных веществ и токсичности фильтрованной или отстоянной воды, поскольку распределение токсикантов в экосистеме возможно в воде, донных отложениях, взвешенных веществах.

Пример оценки состояния водного объекта по данным биотестирования двух компонентов водной экосистемы: водной и донной составляющих

В целом состояние водного объекта или его участка по результатам биотестирования водной и донной составляющей экосистемы можно оценить согласно [3].

Проведены исследования токсичности вод и донных отложений озера Голубое, расположенного в зоне рекреации г. Ростова-на-Дону [4]. Водные объекты, расположенные в черте мегаполисов, используются для отдыха населения и подвергаются массированному воздействию. Токсичность оценивали методом биотестирования с использованием четырех тест-объектов: общепринятого рачка Daphnia magna (рис. 1), хлорококковой микроводоросли Scenedesmus obliquus (рис. 2), коловраток Brachionus calyciflorus (рис. 3), личинок комаров - хирономид Chironomus plumosus согласно утвержденным методикам Росгидромета. Исследовали пробы воды (1997-2007 гг.), необработанные донные отложения и их водные вытяжки (2006-2007 гг.) у уреза воды и в центре озера.

Результаты биотестирования проб воды о. Голубое показали отсутствие токсического действия по всем биотестам в 1997 году. Спустя 10 лет проба воды у уреза оказывала уже хроническое токсическое действие по всем биотестам. Проба воды в центре озера в одном из трех биотестов показала отсутствие токсического действия, в двух - хроническое токсическое действие. Согласно (РД 52.24.635-2002, Р 52.24.662-2004)
итоговую оценку токсического действия проводят по показателю, проявившему наибольшую чувствительность. Таким образом, пробы воды оценивают как оказывающие хроническое токсическое действие. Аналогично этому пробы донных отложений также оказывают хроническое токсическое действие. Из всех использованных тест-показателей наиболее чувствительной оказалась плодовитость коловраток.

Анализ данных о токсичности воды и донных отложений о. Голубое позволяет оценить состояние исследуемого участка как неблагополучное. Следует отметить, что токсическое загрязнение воды и донных отложений озера произошло в сжатые сроки - за 10 лет. Такой высокий темп появления токсичности озера, вероятно, связан с интенсивным его использованием в качестве места отдыха горожан.

Приведенные данные свидетельствуют о результативности оценки токсичности вод и донных отложений, а по их комплексу и состояния экосистемы в сочетании со временем методом биотестирования.

Пример оценки состояния водного объекта по результатам биоиндикации, концентрации хлорофилла а, биотестирования

Исследование эколого-токсикологической ситуации приплотинной части Цимлянского водохранилища проведено биологическими методами (биоиндикация, биотестирование) в рамках комплексной экспедиции Института водных проблем РАН. В ходе экспедиции общепринятыми методами были отобраны гидробиологические пробы (фитопланктон, хлорофилл а), пробы вод и донных отложений для биотестирования. Цимлянское водохранилище, расположенное на территории Волгоградской и Ростовской областей, образовано в результате перекрытия плотиной ГЭС долины Нижнего Дона. Создание водохранилища (заполнено оно в 1952-1953 гг.) и его многоцелевое использование привело в настоящее время к ряду серьезных экологических проблем [5].

При исследовании токсичности проб воды в качестве тест-объектов были использованы три вида гидробионтов: общепринятый тест-объект рачок Daphnia magna (рис. 1), коловратка Brachionus calicyflorus (рис. 3) и инфузории Paramecium caudatum. Для оценки токсичности донных отложений были исследованы необработанные (нативные) донные отложения и их водная вытяжка. При изучении необработанных донных отложений был использован экологически соответствующий тест-объект - личинки комаров Chironomus plumosus, при изучении водной вытяжки - микроводоросли Scenedesmus obliquus (рис. 2).

Результаты исследования как необработанных («нативных») донных отложений, так и их водные вытяжки оказывали не более чем хроническое токсическое действие. Тест-показатели (гибель, динамика численности и динамика коэффициента прироста микроводорослей) использованных тест-объектов (микроводоросли Scenedesmus obliquus, личинки Chironomus plumosus) не имели значительных отклонений. Только одна проба донных отложений оказалась нетоксичной, в остальных выявлено хроническое токсическое действие.

Воды водохранилища проявляли более высокую токсичность. В целом по результатам биотестирования с использованием трех тест-объектов (рачок Daphnia magna, инфузория Paramecium caudatum, коловратка Brachionus calicyflorus) действие воды трех вертикалей из пяти исследованных можно квалифицировать как оказывающее острое токсическое действие. Высокое токсическое загрязнение вод, вероятно, можно связать с уже начавшимся «цветением» сине-зеленых водорослей. Последние, как известно, в процессе жизнедеятельности выделяют токсические вещества.

Особенности весны и лета с высокими температурами привели к раннему цветению сине-зеленых микроводорослей. В видовом составе ведущая роль принадлежала родам Anabena (3 вида), Oscillatoria (4 вида) и Microcystis (2 вида). Основную биомассу всего фитопланктона также составляли именно сине-зеленые микроводоросли, достигая в отдельных вертикалях 4,4 мг/л. На момент исследований основную долю фитопланктона составляли сине-зеленые микроводоросли: от 65,0 до 99,3% от общей численности и от 76,1 до 83,6% общей биомассы. Видовой состав фитопланктона свидетельствовал о бета-мезосапробности (диапазон 2,0-2,26) вод Цимлянского водохранилища.

Трофность вод приплотинной части водохранилища согласно классификации Оксиюк, Жукинского [6] по биомассе фитопланктона характеризовалась от эвтрофной до полигипертрофной, по концентрации хлорофиллаа - от эвтрофной до политрофной. Содержание хлорофилла имело широкий размах и варьировало в пределах 13,4
- 139,4. Высокая концентрация хлорофилла соответствовала самой высокой концентрации микроводорослей.

Анализ результатов оценки токсичности проб воды, донных отложений методом биотестирования согласно Р 52.24.662-2004 позволил оценить состояние исследованного
участка водохранилища как крайне неблагополучное. Гидробиологической съемки вертикалей приплотинной части Цимлянского водохранилища по показателям биомассы фитопланктона и концентрации хлорофилла выявили высокую трофность вод, наличие цветения фитопланктона в ранние сроки, качество воды как бетамезосапробное. Сочетанное возрастание трофности, сапробности и, что крайне важно, токсичности вод
свидетельствует о значительной токсификации экосистемы Цимлянского
водохранилища. Сравнение с данными прошлых лет показало сохранение и усиление негативных процессов в приплотинной части экосистемы Цимлянского водохранилища.

Следует обратить внимание на обострение в настоящее время такой экологической проблемы, как усиление «цветения» водных объектов, фиксируемое уже практически во
всех климатических зонах Земли. Однако биологический анализ как всякий метод, основанный на экологических свойствах организмов, требует высокой специализации, знаний и навыков, а также зависит от общего существующего уровня знаний по таксономии, экологии и физиологии отдельных видов.

Поскольку цветение обусловлено неконтролируемым развитием фитопланктона, в частности сине-зеленых микроводорослей -цианобактерий, необходимо уделить внимание
использованию методов наблюдения, оценивающих пигментные характеристики микроводорослей. Определение концентрации хлорофилла аналитическими или дистанционными методами позволяет предварительно установить наличие трофности, а последняя группа методов (разрабатываемая, в частности, для водных объектов юга России в ИВП РАН Сухоруковым Б.Л.) - показать наличие трех основных таксономических групп фитопланктона (зеленых сине-зеленых и диатомовых микроводорослей).

В связи с этим необходимо обязательное включение в программу наблюдений по оценке состояния поверхностных вод, помимо определения таксономического состава фитопланктона, определение и его основного пигмента - концентрацию хлорофилла. При биотестировании необходимо использование экологически соответствующих тест-объектов по минерализации, температуре и органическому загрязнению водной среды.

В целом оценку состояния водных экосистем можно получить по комплексу биологических методов, включающих биоиндикацию и биотестирование. Однако адекватную оценку токсичности поверхностных вод можно получить существующей на данном этапе развития экотоксикологии триадой методов: биоиндикацией, биотестированием и аналитическим контролем загрязняющих веществ. Первоочередной задачей совершенствования методологии оценки токсичности поверхностных является разработка соответствующих шкал с учетом результатов всех трех методических подходов.

 Литература:
1. Бакаева Е.Н., Никаноров А.М. Гидробионты в оценке качества вод суши. М.: Нау- ка, 2006. - 239 с.
2. Правила охраны поверхностных вод: типовые положения. М., 1991. - 42 с.
3. Р 52.24.662-2004 Оценка токсического загрязнения природных вод и донных отложений пресноводных экосистем методом биотестирования с использованием коловраток. СПб.: Гидрометеоиздат, 2006. - 56 с.
4. Игнатова Н.А. Оценка токсичности вод и донных отложений антропогенно загрязненных экосистем методом биотестирования (на примере бассейна Нижнего Дона). Автореферат диссертации канд. биол. наук. 2009. Ростов-на-Дону. - 24 с.
5. Бакаева Е.Н., Игнатова Н.А., Черникова Г.Г. Экотоксичность вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища // Глобальная ядерная безопасность. № 3, 2012. С.5-11.
6. Оксиюк О.П., Жукинский В.Н. и др. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал, 1993. - Т. 29, вып. 4. - С. 62-76.

A study of the status of surface waters on the basis of a complex of biological methods

The paper discusses features of the methods of bioindication and biotesting of water. Examples of evaluating the state of aquatic ecosystems in the complex of results of biotesting of water and bottom components of the ecosystem, the complex of methods of bioindication, biotesting and chlorophyll concentration.

Keywords: bioindication, biotesting, aquatic ecosystem, ecological factors of the environment, assessment of the level of contamination.

Bakaeva Elena Nikolaevna, doctor of biology, leading researcher at the hydrochemical division of the Institute of water problems Russian.
Academy of Sciences, associate professor, southern Federal University, Institute of earth Sciences. E_mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Ignatova Nadezhda Anatolievna, Ph.D. (Biology), junior researcher at the hydrochemical division of the Institute of water problems of RAS. E-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
Institute of water problems of RAS (branch in Rostov_on_don). 344090, Russia, Rostov_on_don, PR Strikes, 198.

Southern Federal University Institute of earth Sciences 344090, Russia, southern Federal district, Rostov oblast, Rostov_on_don, Zorge str., 40.

Журнал «Вода Magazine», №8 (120), 2017 г.