Интерпретация данных биомониторинга

Одна из важнейших методических трудностей почвенно-зоологических исследований – полнота учета видового состава исследуемых групп в данном биотопе или районе (Чернов, 1975).

Полнота учета видового состава достигается либо увеличением числа проб, либо более рациональным их размещением.

Основные экологические характеристики биоты (Чернов, 1975):

• качественный состав таксонов и экологических групп;

• количественные характеристики – встречаемость и обилие;

• трофо-энергетические характеристики.

Встречаемость занимает промежуточное положение между качественными и количественными характеристиками. Встречаемость определяется как число проб, где встречен данный вид (независимо от количества особей в пробе), к общему числу проб. Обычно встречаемость используется как показатель распределения по площади – гомогенного, спорадического, локального. Для этого встречаемость сопоставляется с численностью. Если численность в отдельных пробах высока, а встречаемость мала, то вид в пределах биотопа распределен скоплениями.

Коэффициент агрегации ():

=/М

При  близком к нулю – равномерное распределение особей по площади, при =1 – случайное.

Невысокая численность при высокой встречаемости предполагает гомогенное распределение. Встречаемость сильно зависит от размера пробы.

Из показателей обилия наиболее важен показатель массы организмов. При определении массы необходимо быстрое взвешивание.

Значимость определяется, прежде всего, по показателям метоболизма.

При индикации и диагностике с использованием почвенно-зоологических исследований часто используются некоторыми показателями разнообразия.

Коэффициент фаунистического сходства Жаккара:

К_s=С/(А+В-С),

где С – число видов, общих для двух сравниваемых группировок; А – число видов в первой группировке; В – то же, во второй.

Формула Серенсена при тех же обозначениях имеет вид:

К_s=2С/(А+В)

Эти коэффициенты можно выражать как в долях, так и в процентах. Формула Жаккара более строгая, так как получаемые с ее помощью коэффициенты соответствуют реальному сходству, тогда как формула Серенсена дает относительные величины.

Индекс сходства по обилию получается как отношение удвоенной суммы минимальных значений (из каждых двух) общих видов к сумарному обилию всех видов в обоих сообществах, т.е.

К_n=2с_min/(a+b)

Коэффициент б.А. Вайнштейна (биогеоценологического сходства):

К_w=К_n*К_f/100

где К_f – коэффициент сходства Жаккара.

Оценку разнообразия сообщества проводят с помощью индекса разнообразия Шеннона по формуле

D = ( p_n lg p_n) / lg 2 ,

где D — индекс разнообразия Шеннона; p_n = N_n /  N_n; N_n — доля актиномицетов (грибов) n-го класса в %.

К_rср и индекс Шеннона следует рассчитывать по выборке из 30-40 колоний для грибов и 70-100 колоний для актиномицетов.

Биоиндикация в оценке состояния водной экосистемы

Водная экосистема понимается нами как единство среды и обитающей в ней биоты. Водная экосистема формируется под действием и в результате процессов, протекающих на бассейне водосбора и на протяжении всего русла реки. Химический анализ, поэлементно оценивая среду обитания, лишь косвенно может указывать факторы, оказывающие влияние на экосистему или являющиеся результатом ее жизнедеятельности. С другой стороны, биотестирование по водным организмам дает частную оценку среды, касающуюся лишь объекта тестирования.

Наиболее адекватно состояние водной системы можно оценить по составу сообществ водных организмов (Баринова, 1998a; Рысин, 1995). В ряде отечественных и зарубежных систем оценки используются показатели или индексы, связанные с развитием той или другой группы организмов от рыб до водорослей (Унифицированные ..., 1977). Водоросли, являясь автотрофами, составляют основу трофической пирамиды, а, следовательно, первыми участвуют в утилизации трофического базиса экосистемы, потребляя для построения органического вещества биогенные соединения азота и фосфора (рис. 5). Интенсивность биогенной нагрузки отражается не только в обилии развивающихся на этой базе водорослей, но также и на их видовом составе. Именно эти характеристики - изменение численности и видового состава при изменении трофической базы - водорослей используются в биоиндикационных методах.

Биоиндикационные методы на основе видового состава сообществ и обилия водорослей дают интегральную оценку результатов всех природных и антропогенных процессов, протекавших в водном объекте. Кроме того, биоиндикация по сообществам водорослей - дешевый экспресс-метод, в то время как химические анализы дорогостоящи. Преимуществом автотрофов является то, что они первыми в трофической цепи реагируют на загрязнители, не успевая их значительно накапливать. Реакцией на изменение условий среды является изменение состава и обилия водных организмов, причем смена сообщества водорослей может произойти за несколько часов при смене условий среды. Экосистемный биоиндикационный подход к оценке качества среды обитания, по существу, аналогичен антропоцентрическому (приоритетному в большинстве западных стран), так как человек реагирует на среду в целом, а не на отдельные ее факторы. Методы биоиндикации по высшему трофическому звену наземных экосистем бассейна водосбора еще не достаточно разработаны. Биоиндикационные оценки по низшим трофическим уровням используются довольно широко (Вислоух, 1916; Макрушин, 1974; Унифицированные..., 1977; Pantle, Buck, 1955). Хотя есть много попыток сопоставить изменения среды обитания и биотическую динамику, но пока трудно увидеть в них целостную систему.

Самым существенным звеном в методах биоиндикации является видовой состав сообществ водорослей. Система биоиндикации развивалась таким образом, что сначала было замечено появление или исчезновение определенных видов в конкретных условиях среды. То есть, в качестве индикатора условий использовалась система "вид-индикатор: есть - нет". Система развивалась по направлению расширения списка видов-индикаторов, которые позднее стали группироваться по наиболее ярко выраженным характеристикам условий. Количественные характеристики обилия видов включились в систему позднее сначала в балльной, а затем в долевой форме. Методы биоиндикации разрабатываются с начала 20 века и включают к настоящему моменту данные о почти 7000 видов-индикаторов по нескольким направлениям - местообитанию, температуре, подвижности водных масс и насыщенности их кислородом, солености, закислению, присутствию сероводорода, кальция, органическому загрязнению в дополнение списка видов, собранного нами ранее (Бариноваи др., 2000).

р ис. 5.

В основе биоиндикационного анализа лежит представление об иерархической организации биотического сообщества, которая выражена в виде модели трофической пирамиды (Sladecek, 1973). На нашем рисунке схематично показана миграция энергии (трансформация снизу вверх и перенос сверху вниз) по трофическим уровням, однако, взаимоотношения между уровнями в реальной экосистеме значительно сложнее (UNEP/IPCS, 2006). Разнообразие организмов, составляющих трофическую пирамиду, весьма сильно варьирует в зависимости от уровня трофической нагрузки (и воздействия стрессовых факторов, как будет показано ниже), что нашло отражение в эмпирической метафизической модели В. Сладечека (Sladecek, 1973), где учтено распределение групп организмов в зависимости от типов их питания (UNEP/IPCS, 2006). Именно распределение сначала групп организмов, а затем видов, по интервалам значений показателей среды стало основой биоиндикаторного анализа.

Приведем несколько наиболее важных, устоявшихся и применяемых систем индикации показателей среды на основе видового состава и обилия видов водорослей.

Система индикаторов солености вод построена на основе классификации Р. Кольбе (Kolbe, 1927) и усовершенствована Ф. Хустедтом (Hustedt, 1957). Она широко распространена в индикации состояния водных объектов (Stoermer, Smol, 1999), поскольку охватывает широкий интервал концентраций, свойственный природным водам. Виды-индикаторы в этой системе разделены на 4 группы: (1) полигалобы, обитающие в гиперсоленых водах от 40‰ до 300‰, (2) эугалобы, обитатели морских вод с соленостью 20‰-40‰, (3) мезогалобы, живущие в солоноватых прибрежных водах морей и эстуариях, также как и в континентальных водах с соленостью от 5‰ до 20‰, (4) олигогалобы, обитающие в пресных или слегка солоноватых водах от 0 до 5‰, включающие, в свою очередь, 3 группы: а) галофилы, преимущественно пресноводные, но распространенные также в водах с невысоким уровнем концентрации NaCl; б) индифференты, типично пресноводные, иногда встречающиеся в слегка солоноватых водах; в) галофобы, типично пресноводные, избегающие даже небольших концентраций NaCl.

Среди индикаторов галобности (около 2600 таксонов) представлены, в основном, диатомовые водоросли. Общее представление об индикационном уровне разнообразия ограничивается рангом вида, однако, именно на соленость диатомовые водоросли реагируют на хлориды целыми родовыми группами (Ярыгин, Анисимова, 2004; Анисимова, Ярыгин, 2005.) Следует отметить, что реакция видов идет именно на хлориды, а не на общий ионный состав, в то время как в природных водах хлориды занимают определенное место, но присутствуют обычно и другие ионы (Meybeck, Helmer, 1989). Поскольку в полевых условиях легче измерять кондуктивность (электропроводность) для любых вод и/или минерализацию (TDS) для слабо минерализованных вод, то возникает необходимость в сопоставлении этих показателей с концентрациями хлоридов (табл.7).