8.6 Біоіндикація водних екосистем

У складі біоти водойм і водотоків прийнято виділяти наступні основні співтовариства гідробіонтів (водних організмів):

– нейстон – співтовариство нейсталі, поверхневого шару води, що граничить з атмосферою (від гр. "νηιν" - плавати);

– пелагос – співтовариство пелагіалі водойми, товщі води (гр. "" – море, безодня); поділяється на планктон ("ширяючий" – організми, що більш-менш пасивно переносяться плином) і нектон ("плаваючий" – активні плавці);

– дрифт (від англ. "drift" – дрейф) – співтовариство організмів, що переносяться плином водотоку;

– бентос – співтовариство бенталі – дна і придонного шару води (від гр. "" - глибина);

– перифитон ("обростання") – співтовариство організмів, прикріплених до поверхні різних предметів і інших, більш великих організмів у товщі води (гр. ""- навколо, ""– рослина).

Співтовариство риб називається іхтиоценоз (від гр. "" – риба) (складає основу нектону).

У планктоні і бентосі традиційно виділяються фіто– , зоо– і бактеріоценози. Фітопланктон і фітобентос складають водорості і синьо-зелені. Крім того, у фітобентос входять також макрофіти ("великі рослини" – водні вищі рослини, мохи і великі водорості). Організми зоопланктону і зообентосу – безхребетні тварини.

Використання деяких структурних і функціональних характеристик зазначених співтовариств (особливо – фіто-, зоо- і бактеріо- планктону і бентосу) для оцінки якості водного середовища (поряд з абіотичними показниками) є вже традиційним і навіть обов'язковим (ДСТ 17.1.3.07-82; 17.1.2.04-77; РД 52.24.565-96; 52.24.564-96; 52.24.420-95, і ін.). Найбільше широко застосовується оцінка швидкості аеробної деструкції органічних речовин – біохімічне (або "біологічне") споживання кисню (БСК) планктоном. БСК легко визначається експериментально; виражається звичайно в міліграмах кисню, що витрачається при деструкції в одиниці об'єму води (мг О₂/л) в умовах ізоляції від сонячного світла за період експозиції (звичайно – 5 діб; відповідна величина БСК позначається БСК₅). БСК₅ є одним з 6 обов'язкових показників при розрахунку індексу забруднення води.

Первинна продуктивність водних екосистем і їхня здатність до самоочищення звичайно оцінюються по величинах первинної продукції планктону (мг О₂/л/сут) і по співвідношенню швидкостей утворення валової первинної продукції і деструкції (P/R).

Прийнята класифікація якості води водойм і водотоків за біотичними показниках (ДСТ 17.1.3.07-82) враховує наступні характеристики:

– відношення загальної щільності олігохет до загальної щільності співтовариства зообентосу (клас Oligochaeta – малощетинкові хробаки; багато їхніх видів характеризуються підвищеною стійкістю до забруднення і гіпоксії, що визначає високий абсолютний і відносний достаток олігохет у бентосі забруднених водойм);

– концентрацію у воді бактерій (всіх і окремо – сапрофітних, тобто активно розкладаючих органічні речовини);

– індекс сапробності (у модифікації Сладечека) за фітопланктоном, зоопланктоновом, перифітоном;

– "біотичний індекс" Вудівісса.

Два останніх показники вимагають пояснень.

Шкала й індекси сапробності. Сапробністю називається ступінь забруднення водойми органічними речовинами, доступними редуцентам. Ще на початку XX століття була запропонована перша шкала оцінки ступеня забруднення водойм, заснована на обліку присутності в співтовариствах гідробіонтів індикаторних видів, чиї вимоги до якості середовища більш-менш відомі (Kolkwitz, Marsson, 1908, 1909). В основу шкалування сапробності покладений принцип, що відбиває ступінь оксифільности гідробіонтів–індикаторів. Водойми й окремі ділянки їхньої акваторії класифікуються за ступенем забруднення органічними речовинами в такий спосіб (ДСТ 17.1.3.07–82):

– ксеносапробна зона (I клас чистоти) – вода "дуже чиста";

– олігосапробна зона (II клас чистоти) – вода "чиста";

– бета-мезосапробна зона (III клас чистоти) – вода "слабко (помірковано) забруднена";

– альфа-мезасапробна зона (IV клас чистоти) – вода "забруднена";

– полісапробна зона (V клас чистоти) – вода "брудна";

– гіперсапробна зона (VI клас чистоти) – вода "дуже брудна".

Система оцінки сапробності постійно модифікується. Постійно поповнюється й уточнюється перелік індикаторних видів. Введено облік достатку особин індикаторного виду, їх різної індикаторної значимості (Knopp, 1954; Pantle, Buck, 1955; Zelinka, Marvan, 1961, 1966; Sladecek, 1973; і ін.). Це дозволило перейти від бальної оцінки сапробності до кількісної, за індексом ( ): гіперсапробна зона — >4, полісапробна – =3,51–4,00, α–мезосапробна – =2,51–3,50, β–мезосапробна – =1,51–2,50, олігосапробна – =1,00–1,50 , ксеносапробна – <1.

1) Індекс сапробності за Пантле-Буком (R. Pantle, H. Buck, 1955):

де 0, 1, 2, 3 і 4 – значення індексу сапробності, що відповідають умовам ксено–, оліго–, β–мезо– , α–мезо– і полісапробності, відповідно;

N _k, N _β, N _β, N _α і N _p – суми популяційних щільностей усіх видів-індикаторів ксено–, олиго–, β–мезо– , α–мезо– і полісапробності, відповідно.

2) Індекс сапробності по Сладечеку (V. Sladeček, 1955):

_S = : ,

де Š_i — фактична величина індексу сапробності i-го індикаторного виду;

N_i — його популяційна щільність, абсолютна або відносна (частка від загальної щільності всіх m індикаторних видів у співтоваристві).

Значення Š_i розраховується з урахуванням. "сапробних валентностей" даного індикаторного виду (χ) – показників розподілу його зустрічальності в 5 зонах різної сапробності (у залежності від частоти зустрічальності особин даного виду в даній зоні сапробності, значення "сапробних валентностей" можуть варіювати від 0 до 10):

Š_i =0.1 × ,

де 0, 1, 2, 3 і 4 – значення індексу сапробіонті, що відповідають умовам ксено–, оліго–, β–мезо– , α–мезо– і полісапробності, відповідно;

χ _k, χ _β, χ _β, χ_α і χ_p – "сапробні валентності" (значення від 1 до 10) даного індикаторного виду для умов ксено–, олиго–, β–мезо– , α–мезо– і полісапробності, відповідно.

Таким чином, індекс Сладечека, на відміну від індексу Пантле-Бука, дає більш точну оцінку, тому що в розрахунках враховується фактична величина індексу сапробності кожного з індикаторних видів (Š_i).

3) Індекс сапробності за Ротшайном в модифікації И.К. Тодераша (Тодераш, 1984) розраховується за формулою:

_R = : ,

де G_i – т.наз. "індикаторна вага" відповідного індикаторного виду (Zelinka, Marvan, 1961), що відражає його характерність, прихильність саме до визначених умов сапробності.

Чим надійніше свідчить присутність даного виду про визначені умови сапробності, тим вище "індикаторна вага" даного виду (оцінюється по 10–бальній системі). Завдяки цьому, модифікований індекс Ротшайна дає ще більш надійну кількісну оцінку сапробності, чим індекс Сладечека і, тим більше, ніж індекс Пантле-Бука.

4) Біотичний індекс вудівісса" (Woodiwiss, 1964, 1977, 1981). Був розроблений для конкретного водотоку (коротка модифікація відома в літературі також як "індекс ріки трент"), але широко застосовується для оцінки якості вод будь-яких малих річок. Основна перевага індексу Вудівісса полягає в простоті визначення, тому що він заснований на обліку будь-яких представників великих, загальновідомих таксономичних груп зообентосу. Основні недоліки індексу:

1) бальна оцінка якості води

2) штучність виділених градацій;

3) територіальна обмеженість застосування (у конкретних водотоках структуру індексу приходиться коректувати відповідно сполуці місцевого бентосу по розсуду дослідника);

4) реакція, в основному, тільки на органічне забруднення.

Останній недолік дуже характерний для всієї діючої нормативно-методичної бази біологічного моніторингу прісноводних екосистем. Практично всі показники, приведені в дійсному розділі, найкраще відбивають ступінь забруднення водних об'єктів органічними речовинами, що дозволяє судити про розвиток процесу евтрофування водойм і водотоків. У першій половині XX століття, коли основне антропогенне навантаження на водні об'єкти створювалися надходженням органічних забруднювачів і мінеральних солей фосфору й азоту, така система біоіндикації була цілком адекватною. Однак у даний час багато водойм зазанають, переважно, техногенного впливу, що порушує звичний сценарій евтрофування або викликає взагалі принципово іншу сукцесію гідроекосистем.

Це вимагає розробки і застосування нових методів біоіндикації: кількісних, високо точних, універсальних, гнучко враховуючих специфіку сучасних багатофакторних антропогенних впливів на гідроекосистеми . При цьому велику роль грає також правильний вибір біоіндикаторів. Більшість гідроекологів обґрунтовано вважає найбільш перспективним біоіндикатором зообентос. Оскільки седименти накопичуються в бенталі, саме там найбільше різко виявляються антропогенні зміни абіотичних умов водойми. Крім того, у порівнянні з іншими співтовариствами гідробіонтів, зообентос найбільш стабільний у просторі і часі, тому особливо чітко відбиває і довго зберігає сліди антропогенних впливів на конкретні біотопи і на водну екосистему в цілому. Характеристики планктону можуть ефективно використовуватися тільки для оцінки короткострокових змін умов середовища.