Оценка степени сапробности вод по показательным организмам

Санитарное состояние воды в водоёме может быть определено по видовому составу и численности гидробионтов. Поэтому видное место среди методов биологического анализа пресных вод занимает сапробиологический анализ, или оценка состояния пресноводных экосистем по индикаторным организмам (Приложение 1). Все водоёмы могут быть разделены условно на три группы: чистые, умеренно загрязнённые и чрезмерно загрязнённые.

Чистые водоёмы заселяют личинки веснянок, подёнок, вислокрылок и ручейников. Они не выносят загрязнения и быстро исчезают из водоёма, как только в него попадают сточные воды (рис. 2−5).

Умеренно загрязнённые водоёмы заселяют водяные ослики, бокоплавы, личинки мошек (мокрецов), двустворчатые моллюскишаровки, битинии, лужанки, личинки стрекоз и пиявки (большая ложноконская, малая ложноконская, клепсина). Чрезмерно загрязнённые водоёмы заселяют малощетинковые кольчецы (трубочники), личинки комара-звонца (мотыли) и ильной мухи (крыска).

Например, беспозвоночные — обитатели ила (трубочник и мотыль) — могут встречаться как в чистой, так и загрязнённой воде, однако их численность прямо зависит от степени загрязнения органическими веществами. В чистых водоёмах эти виды встречаются единично, а в сильно загрязнённых водоёмах их численность на несколько порядков выше.

В таблице 10 представлена шкала загрязнений по индикаторным таксонам.

Рис. 2. Животное население малых рек и озёр:

1 — молочно-белая планария; 2 — малая ложноконская пиявка; 3 — ложноконская пиявка; 4 — улитковая пиявка; 5 — дождевой червь; 6 — трубочник; 7 — волосатик; 8 — шаровка; 9 — физа заострённая; 10 — яйцевидный прудовик; 11 — ушковый прудовик; 12 — обыкновенный прудовик; 13 — прудовик малый; 14 — лужанка настоящая; 15 — роговая катушка; 16 — битиния щупальцевая; 17 — катушка килевая; 18 — катушка гладкая; 19 — катушка круговая; 20 — циклоп.

Рис. 3. Животное население малых рек и озёр:

21 — дафния; 22 — водяной ослик; 23 — бокоплав; 24 — гидракарина ацеркус торрис; 25 — водяной паук (самка); 26 — личинка настоящей стрекозы; 27 — личинка стрекозы коромысла; 28 — личинка стрекозы лютки; 29 — плавт.

Рис. 4. Животное население малых рек и озёр:

30 — личинка подёнки; 31 — личинка подёнки Кенис макрура; 32 — личинка в веснянки Перла маргината; 33 — гладыш (клоп); 34 — гребляк малый; 35 — водомерка панцирная; 36 — водяной скорпион; 37 — личинка вислокрылки с трахейными жабрами.

Рис. 5. Животное население малых рек и ериков:

38 — ручейник; 39 — чехлик агрипнии; 40 — чехлик ручейника граммотаулиуса; 41 — чехлик стенофилакса; 42,43, 46 — чехлик лимнофилуса; 44 — чехлик колчанки; 45 — чехлик стенофилакса ротундипенниса; 47 — личинка большого ручейника; 48 — личинка ручейника, не строящая чехликов; 49 — пеструшка; 50 — желтушка; 51 — личинка плавунца окаймлённого; 52 — личинка бабочки рясковой огнёвки; 53 — чехлик из ряски; 54 — личинка комара коретры; 55 — личинка комара-дергуна; 56 — личинка комара обыкновенного; 57 — личинка слепня; 58 — личинка иловой мухи; 59 — птихоптера; 60 —личинка мокреца; 61 —личинка мухи-львинки Шкала загрязнений по индикаторным таксонам.

Таблица 10

Система Колькви i ца-Марссона. Оценка степени загрязнения водоёмов по показательным организмам обычно производится с помощью системы Кольквитца-Марссона (Kolkwitz, Marsson, 1908, 1909), которая стала основой для разработки других систем биологического анализа. Впервые в 1908 г. ботаник Р. Кольквитц и зоолог М. Марссон оценивали степень загрязнения водоемов по присутствию или отсутствию в них гидробионтов с разной степенью оксифильности, чувствительности к содержанию в окружающей воде неразложившихся органических веществ и продуктов их распада.

Р. Кольквитц и М. Марссон были пионерами в создании системы показательных организмов для оценки степени загрязнения (сапробности) вод, которая послужила основой многих последующих систем биологического анализа. Суть этой системы заключается в выявлении показательных организмов для оценки степени загрязнения (сапробности) вод разлагающимся органическим веществом. Р. Кольквитц и М. Марссон установили четыре зоны загрязнения и дали списки видов-индикаторов, характерных для каждой из них. Списки индикаторных организмов, характерные для каждой зоны загрязнения, постоянно уточняются. К настоящему времени число таких растений и животных превышает 2500 видов.

Г. И. Долгов (1926), Я. Я. Никитинский (1927), обобщив опыт отечественных и зарубежных исследователей, внесли некоторые изменения в списки Кольквитца-Марссона. Эти списки в сокращенном виде приводят В. И. Жадин и А. Г. Родина (1950). Либман (Liebman, 1951, 1962) провёл ревизию системы Кольквитца-Марссона и опубликовал перечень показательных видов с описанием экологических условий, в которых, эти виды встречаются. Над уточнением списков видов индикаторов работали Обр (ОЬг, 1956), Диттмар (Dittmar, 1959), Зелинка, Марван и Кубичек (Zelinka, Marvan, Kubicek, 1959), Зелинка и Марван (Zelinka und Marvan, 1961), Зелинка и Сладечек (Zelinka, Sladccek, 1964), Сладечкова и Сладечек (Sladeckova und Sladecek, 1966), Бик и Кунце (Bick und Kunze, 1971), Сладечек (Sladecek, 1969) и другие исследователи (Макрущин, 1974).

По шкале Кольквитца-Марссона, водоёмы или их зоны в зависимости от степени загрязнения органическими веществами подразделяются на поли-, мезои олигосапробные.

Полисапробные воды характеризуются почти полным отсутствием свободного кислорода, наличием в воде неразложившихся белков, значительных количеств сероводорода, диоксида углерода, метана и аммиака, восстановительным характером биохимических процессов. Кроме того, они характеризуются обилием сложных биохимических соединений. В этих водах интенсивно протекают процессы редукции и распада, при которых в иле образуются сернистое железо и сероводород. Такие воды способны к быстрому загниванию.

Население полисапробных вод характеризуется малым видовым разнообразием, но отдельные виды могут достигать большой численности. Основу населения составляют сапрофитные бактерии, численность которых достигает многих сотен миллионов клеток в 1 мл воды. Растения отсутствуют. Многочисленны бесцветные жгутиковые и грибы. Из более высоко организованных форм здесь встречаются олигохеты Tubifex tubifex и личинки Eristalis tehax. Число видов, обитающих в полисапробных водах невелико, но развиваются они в огромных количествах. Надёжными показателями полисапробных вод являются многие бактерии (Sphaerotilus natans, Thiopoycjccus ruses и др.) и грибы. Сообщества бактерий, грибов и простейших, развивающиеся при сильном органическом загрязнении, образуют слизистые обрастания. Некоторые исследователи называют такие биоценозы «грибом» сточных вод.

В мезосапробных водоёмах загрязнение выражено слабее: неразложившихся белков нет, сероводорода и диоксида углерода немного, кислород присутствует в заметных количествах; однако в воде есть ещё такие слабоокисленные азотистые соединения, как аммиак, аминокислоты и амидокислоты. В мезосапробных водах сероводород отсутствует, диоксида углерода мало, количество кислорода близко к величине нормального насыщения, растворённых органических веществ практически нет. Основную группу качественно бедного населения составляют сапрофитные бактерии, количество которых достигает многих десятков миллионов клеток в 1 мл воды. Большое распространение имеют бесцветные жгутиковые, грибы, инфузории. В этой зоне встречаются коловратки, некоторые представители зелёных и синезелёных водорослей. В донных осадках в больших количествах обитают олигохеты из семейства Tubificidae и личинки комара Chironomus plumosus.

Мезосапробные воды (зоны водоёмов) подразделяются на аи Р-мезосапробные. В а-мезосапробных водоёмах (зонах), занимающих промежуточное положение между полисапробными и р-мезосапробными, распад органических веществ происходит уже в присутствии небольшого количества кислорода в полуанаэробных условиях и происходит он в направлении окислительновосстановительных процессов. Поэтому в воде имеются аммиак, аминои амидокислоты, сероводород, двуокись углерода. Воды этой зоны способны загнивать, в них обитают бактерии (сотни тысяч в 1 мл), простейшие: инфузории и зелёные жгутиковые (Cladomonas fruticulosa, Podophrya), гриб Mucor, синезелёные водоросли (Oscillatoria), некоторые коловратки (Brachionus plicatilis, Br. calyciflorus, Philodina), моллюск Sphaerium corneum, рачок Asellus aquaticus, личинки двукрылых (Chironomus plumosus, Culex pipiens,

Eristalis tenax), черви, личинки мух. Потребность организмов в кислороде незначительная. Цветковые растения отсутствуют или встречаются в малых количествах. Смена сообществ, как и в полисапробной зоне, часто протекает катастрофически.

Для а-мезосапробных вод характерно энергичное самоочищение. В нём принимают участие и окислительные процессы за счёт кислорода, выделяемые хлорофиллоносными растениями, среди которых встречаются не только синезелёные, но и диатомовые и зелёные водоросли. Большой численностью обладают грибы и бактерии, достигающие сотен тысяч в 1 см³. Могут обитать нетребовательные к кислороду виды рыб. Деревенские пруды, рвы и канавы на полях орошения обычно содержат амезосапробные воды.

Следующая, Р-мезосапробная подзона, характеризуется присутствием аммиака и продуктов его окисления — азотной и азотистой кислоты. Отличается от предыдущих преобладанием окислительных процессов над восстановительными. Благодаря интенсивному фотосинтезу многочисленных растений летом воды бывают перенасыщены кислородом. В воде имеются аммиак, нитриты, нитраты, немного углекислоты, может быть в незначительных количествах сероводород, аминокислот нет, сероводород встречается в незначительных количествах, кислорода в воде много, минерализация идет за счёт полного окисления органического вещества. Содержание органических веществ ничтожно. Вода более чистая и не загнивает. В Р-мезосапробных водах процессы самоочищения протекают менее интенсивно, чем в а-мезосапробных. Видовое разнообразие обитателей этой подзоны гораздо выше, чем в предыдущей, но численность и биомасса организмов ниже. В этих водах разнообразно представлены растительные организмы (особенно диатомовые, зелёные, синезелёные водоросли), развиваются цветковые растения (роголистники и др.) и животные (инфузории, многочисленны коловратки, низшие ракообразные, насекомые, моллюски и рыбы). В качестве примера таких вод можно привести нормально очищенные летние воды полей орошения.

Олнгосапробная зона полностью свободна от загрязнения и обычно перенасыщена кислородом. В ней мало углекислоты, нет аммиака, сероводорода, нитритов, но могут быть нитраты как конечные продукты окислительных биохимических процессов минерализации органического вещества. Соединения металлов находятся в окисных формах. Вода не загнивает. Содержание в ней бактерий незначительно—десятки — сотни в 1 мл. Обитающие организмы характеризуются большой потребностью в кислороде. Население наиболее разнообразно в видовом отношении, но количественно значительно беднее, чем в предыдущих зонах. В этих водоёмах обитают и размножаются разные виды водорослей, особенно Melosira italica, Drapamaldia glomerata и D. plumosa, губки, коловратки, мшанки, ветвистоусые рачки, личинки подёнок, веснянок, моллюски, рыбы (форель, гольян, стерлядь и др.), много цветковых растений. В числе индикаторов олигосапробных вод можно назвать ветвистоусых рачков (Bythotrephes longimanus, Daphnia longispira) и моллюска Dreissena polymorpha. Это практически чистые воды больших озёр.

Иногда выделяют ещё четвёртую группу индикаторных организмов, так называемых катаробов, живущих в совершенно чистой холодной воде с большим содержанием кислорода. Соответственно этому выделяется в водоёмах и катаробная зона. Однако практически это предложение оказалось нежизненным.

Характеристика качества воды по сапробности давала очень хорошие результаты, когда в водоёмы в основном поступали хозяйственно-бытовые сточные воды и воды, близкие к ним по составу, несущие главным образом органические легко разрушаемые вещества. В настоящее время система оценки качеств воды по сапробности уже недостаточна в связи с поступлением в водоёмы чрезвычайно разнообразных загрязнений. Поэтому система Кольквитца-Марссона неприменима в случае загрязнения водоёма промышленными стоками (Hynes, 1960). Её использование на быстро текущих реках и на стоячих водоёмах приводит к разным оценкам (Zimmermann, 1961). Устанавливаемые градации на сапробности тем сомнительнее, чем меньше загрязнён водоём (Elster, 1966). Границы между зонами сапробности с химической точки зрения неопределённы. Поскольку многие индикаторы сапробности имеют ограниченное распространение, в европейской части Российской Федерации система Кольквитца-Марссона должна применяться с поправками (Вислоух, 1916; Шкорбатов, 1926, 1928; Хохолкина, 1939; Смирнова, 1965), а для Сибири и Дальнего Востока она малопригодна (Жадин, 1964, 1967). По-видимому, наиболее сущеТаблица II

Классификация вод по степени загрязнённости (по сапробности).

ственный недостаток этой системы — её громоздкость и трудность практического применения (Wilber, 1969). Детальная обработка проб — необходимое условие использования системы КольквитцаМарссона — требует много времени и квалифицированных специалистов по систематике водной фауны и флоры. По отношению к степени загрязнения вод органическими веществами у организмов наблюдается значительная экологическая пластичность. Поэтому гидробионты как индикаторы используются лишь при массовом их развитии в водоёме (Макрушин, 1974).

Оценка степени загрязнения водоёмов по показательным организмам с помощью системы Кольквитца-Марссона стала основой для разработки других систем биологического анализа. Многие затруднения при практическом использовании системы Кольквитца-Марссона привели к неоднократным предложениям по её усовершенствованию. Совершенствование системы Кольквитца-Марссона прежде всего шло путём её расширения и уточнения показателей загрязнения. В систему Кольквитца-Марссона по мере её эксплуатации постоянно вносились изменения, наибольший вклад в её усовершенствование внесли Р. Пантле и Г. Букк (1955), Зелинка и Марван (1961), Сладенек (1967), Ротшайн (1977).