книги / Экологический мониторинг

ления источников вторичного загрязнения и учета воздействия антропогенного фактора на водные экосистемы. Донные отложения играют важную роль в процессе очищения. Изменения в составе донных отложений происходят значительно медленнее, чем в фитопланктоне и в воде.

Донные отложения – живые организмы (зообентос), населяющие придонный слой водоема, и мягкий грунт (ил, иловый песок

èглины). В морской экосистеме зообентос представлен различными видами губок, кишечно-полостными, ракообразными, моллюсками; зообентос пресноводных водоемов включает в себя простейших, губок, пиявок, моллюсков, мшанок, ресничных и малощетинковых червей.

Основная масса зообентоса сконцентрирована на мелководье, в местах поступления сточных вод, в зонах боковых притоков реки

èпредплотинных участков водохранилищ. Изменения в донных отложениях происходят значительно медленнее, чем изменение каче- ства воды водного объекта [6,9].

Задачи экологического исследования донных отложений:

1.Определение запасов и мощности донных отложений.

2.Изучение состава донных отложений.

3.Исследование причин вторичного загрязнения водных систем, характера, степени и глубины проникновения загрязняющих веществ в донные отложения.

4.Изучение закономерностей самоочищающей способности водоемов.

Места отбора проб зообентоса в водоемах и водотоках определяются на основании предварительного исследования с учетом распределения донных отложений и их перемещения. Обязательными точками отбора являются участки максимального накопления донных отложений:

•места поступления сточных вод;

•зоны боковых притоков;

•предплотинные зоны водохранилищ;

•участки реки с экстремальными гидрологическими показате-

лями (при ветровом перемещении воды, на участках глубиной до 10 м, на перекатах, на судовом ходу).

151

Пробы донных отложений должны характеризовать не столько донные грунты, сколько водный объект или часть за определенный промежуток времени. Пробы отбираются выше и ниже поступления загрязняющих веществ на одном и том же участке дна водоема. Точное место отбора проб донных отложений может быть обозначено сигнальным буем с забивной сваей или определяться по азимуту или расстоянию от контрольной точки на берегу. При отборе проб донных отложений одновременно отбирается проба воды из придонного слоя, определяется скорость течения, прозрачность воды, измеряется температура воды.

Способ отбора проб выбирается в зависимости от свойств определяемых веществ и поставленной задачи. Для оценки сезонного поступления загрязняющих веществ и их поверхностного распределения в донных отложениях пробы отбираются из верхнего слоя, а при исследовании распределения загрязнений по годам – послойно. При оценке загрязнения нефтепродуктами пробы отбираются из верхнего слоя донных отложений, при оценке загрязнения тяжелыми металлами – по всей толще отложений, для оценки вертикальной миграции – по отдельным горизонтам. При этом пробы, отобранные на различных горизонтах, помещаются в разную посуду. Отобранные пробы хранятся в охлажденном (от 0 до –3 îС) или в замороженном состоянии.

Экологические исследования донных отложений проводятся, как правило, в вегетационный период 1 раз в год, 1 раз в пять и более лет. Частота отборов и время проведения могут быть изменены при экспедиционных обследованиях или специальных программах (4 раза в год). Опыт исследований зообентоса показывает, что наиболее интегрированные результаты дают сборы зообентоса осенью и в зимний период. По ним более достоверно можно судить как о продуктивности водоемов, так и его санитарном состоянии.

Пробы донных отложений анализируются по содержанию загрязняющих веществ и биологическим показателям (общая численность; общая биомасса; общее число видов; количество групп в стандартной разработке; число видов в группе; биомасса основной группы; численность основных групп; массовые виды и виды индикаторов сапробности).

Для оценки мощности донных отложений и их запасов используют методы ручного зондирования (специальные буры) и метод звуколокационной съемки.

152

4.5.СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОД

ИДРУГИХ ЖИДКИХ СРЕД

4.5.1. Физико1химические методы оценки качества воды

Средства для контроля параметров качества вод подразделяются:

•на приборы для измерения концентрации загрязняющих веществ;

•приборы для контроля физико-химических параметров;

•приборы для контроля обобщающих показателей («органиче- ский» или общий углерод, БПК, ХПК и др.).

Âсвязи с существующими отличиями в компонентном составе загрязняющих веществ и их концентраций в разных видах вод, мешающих влияний по определению показателей аналитические приборы принято делить на группы:

•для анализа вод хозяйственно-бытового назначения;

•для анализа вод рыбохозяйственных водоемов;

•для анализа сточных вод;

•для анализа вод питьевого назначения.

ÂГосреестре зафиксировано около 60 марок отечественных (38 %) и импортных (около 60 %) приборов и автоматических анализаторов, сгруппированных следующим образом:

•приборы для измерения концентраций загрязняющих веществ – более 40 (70 %);

•приборы контроля физико-химических параметров – 10 (20%);

•приборы контроля обобщающих показателей – 10 (10 %). При анализе вод широко применяются лабораторные методики,

реализуемые на приборах универсального назначения. С помощью этих приборов выполняются измерения в водах суши (природных поверхностных и очищенных сточных) – более 80 методик, в морских водах и донных отложениях – более 25 методик. К применению при выполнении работ в области контроля загрязнений водных объектов допущены такие приборы:

•фотометры и спектрофотометры – около 35 % (40 методик);

•хроматографы – около 20 % (30 методик);

•атомно-адсорбционные спектрометры – около 10 % (12 методик);

•электрохимические – около 10 % (9 методик);

•турбодиметрические – около 8 % (9 методик);

153

•ИК-спектрометры – около 3,5 % (4 методик);

•хромато-масс-спектрометры – около 2,5 % (3 методики);

•денситометры – около 2,5 % (3 методики);

•флуориметры и весовые приборы – по 1,5 % (по 2 методики);

•остальные – менее 1 %.

При этом фотометры, спектрофотометры, хроматографы и атом- но-абсорбционные спектрофотометры позволяют решать примерно 65 % всех экоаналитических задач водного контроля.

4.5.2. Биологические методы оценки качества воды

Биологические методы оценки качества воды основаны на изу- чении зависимости качественного и количественного состава биоценоза от условий, характеризующих уровень загрязнения водоема. В настоящее время применяются две основные системы биологи- ческой индикации (биоиндикации) водоема:

1.Использование организмов-индикаторов, характерных для водоемов с разным уровнем загрязнения.

2.Сравнение видового разнообразия, численности и биомассы гидробионтов с использованием количественных показателей биоценозов или различных индексов.

В 1908 г. Кольквитцем и Марссоном предложена система оценки качества воды по зонам сапробности (îò ãðå÷. «sapros» – гниение, разложение), в соответствии с которой деструкция загрязнений в процессе самоочищения происходит последовательно: от зоны сильного загрязнения к зоне чистой воды. Каждая зона сапробности характеризуется специфическими условиями среды (физико-химические свойства воды) и структурой биоценоза. Первоначально было выделено три зоны сапробности:

•полисапробная – зона сильного загрязнения водной среды;

•мезосапробная – зона умеренного загрязнения;

•олигосапробная – малозагрязненная зона.

Полисапробная зона (р) характеризуется высоким содержанием нестойких органических веществ и наличием продуктов их анаэробного распада. В воде в значительных количествах присутствуют белковые вещества. Биологическое потребление кислорода (БПК) составляет десятки миллиграммов на литр. Фотосинтез

154

отсутствует. Кислород может поступать в воду только за счет атмосферной деаэрации, и так как он полностью потребляется на окисление в поверхностных слоях, то в воде практически не обнаруживается. Вода содержит метан и сероводород. Для этой зоны характерно наличие большого числа сапрофитной микрофлоры, представленной сотнями тысяч и даже миллионами клеток в 1 мл. В донных отложениях кислород отсутствует, протекают восстановительные процессы, железо находится в форме FeS, содержится много органического детрита, ил имеет черную окраску с запахом сероводорода.

Âэтой зоне в массе развиваются растительные организмы с гетеротрофным типом питания: сапрофитные бактерии, нитчатые бактерии (Sphaerotilus), серные бактерии (Beggiatoa thiotrix), бактериальные зооглеи (Zooglea ramigera), из простейших – инфузории, бесцветные жгутиковые.

Мезосапробную зону (m) подразделяют на á- è â-мезоса- пробную зоны. Â б-мезосапробной çîíå (á-m) начинается аэробный распад органических веществ с образованием аммиака, содержится много свободной углекислоты, кислород присутствует в малых количествах. Метан и сероводород отсутствуют. Количество загрязнения, определяемого по БПК, все еще очень велико: десятки миллиграммов кислорода на литр. Количество сапрофитных бактерий составляет десятки и сотни тысяч в 1 мл.

Âводе и донных отложениях протекают окислительно-восста- новительные процессы; железо присутствует в закисной и окисной формах, ил сероватой окраски. В á-m-зоне развиваются организмы, обладающие большой выносливостью к недостатку кислорода и высокой концентрации угольной кислоты. Преобладают растительные организмы с гетеротрофным и миксотрофным питанием. Отдельные организмы имеют массовое развитие. Обильно развиваются бактериальные зооглеи, нитчатые бактерии, грибы, из водорослей – осциллатории, стигеоклониум. Животные организмы представлены сидячими инфузориями (Carchesium), встречаются коловратки (Brachionus), много окрашенных и бесцветных жгутиковых. В илах присутствуют щетинковые черви Tubifex и личинки водных двукрылых хирономид.

155

â -Мезосапробная çîíà (â-m) характерна для водоемов, почти освободившихся от нестойких органических веществ, распад которых дошел до образования окисленных продуктов (полная минерализация). Количество сапрофитных бактерий составляет тысячи клеток в 1 мл и резко увеличивается в период отмирания водной растительности. Концентрация кислорода и углекислоты сильно колеблется в течение суток: в дневные часы содержание кислорода в воде доходит до пересыщения и углекислота может полностью исчезать; в ночные часы наблюдается дефицит кислорода в воде. В илах много органического детрита, интенсивно протекают окислительные процессы, ил желтой окраски. Для этой зоны характерно большое разнообразие животных и растительных организмов. В массе развиваются растительные организмы с автотрофным питанием, наблюдается цветение воды.

Âобрастаниях обнаруживаются зеленые нитчатые водоросли

èэпифитные диатомеи, в илах – черви, личинки хирономид, моллюски.

Олигосапробная зона (о) характеризует практически чистые водоемы с незначительным содержанием нестойких органических веществ и небольшим количеством продуктов их минерализации. Содержание кислорода и угольной кислоты не претерпевает заметных колебаний в дневные и ночные часы суток.

Цветения водорослей, как правило, не наблюдается. В донных отложениях содержится мало органического детрита, автотрофных микроорганизмов и бентосных животных (червей, личинок хирономид и моллюсков). Показателями чистоты воды в этой зоне являются некоторые красные водоросли и водные мхи.

Âнастоящее время количество зон сапробности увеличилось

èзависит от происхождения исследуемых вод. Так, выделяют ксеносапробную зону – это вода чистых горных ручьев, родников, ледниковых рек, характеризующаяся присутствием органических веществ в следовых количествах, минимальным содержанием минеральных соединений и небольшим видовым разнообразием биоценоза. Для оценки уровня загрязнения сточных вод в зависимости от структуры биоценоза используются понятия: метасапробная зона (преобладают бесцветные жгутиконосцы и бактерии), гиперсапробная зона (преобладают бактерии и грибы), ультрасапробная (живые организмы отсутствуют).

156

В качестве количественного показателя используют индекс сапробности, который рассчитывается как совокупность индивидуальных характеристик сапробности видов. В табл. 4.13 приведена классификация водных объектов по значению индекса сапробности.

Использование системы Кольквитца–Марссона трудоемко, требует больших временных затрат и наличия квалифицированных специалистов. В настоящее время более широкое распространение получил метод оценки состояния водоема по составу зообентоса – метод Вудивисса. Отличием этого метода является использование в качестве индикаторов не отдельных представителей флоры и фауны, а более крупных таксономических единиц.

Таблица 4.13

Классы качества вод по индексу сапробности

Для учета разнообразия фауны введено условное понятие «группа» животных, под которой понимают для одних животных – отряды, для других – классы, семейства, рода. В соответствии с количеством «групп» и качественным составом биоценоза рас- считывают значение биотического индекса, характеризующего класс вод по степени загрязнения:

157

158

загрязнения и пути его распространения в водоеме, а также дать количественную характеристику протекания процессов естественного самоочищения.

Âто же время с помощью биоиндикации выявляются уже состоявшиеся или происходящие загрязнения окружающей среды, так как нарушения структуры биоценоза происходят в результате длительного воздействия загрязняющих веществ на водоем и явными становятся в случае глубоких изменений. Таким образом, видовой состав живых организмов из загрязняемого водоема служит итоговой характеристикой токсикологических свойств водной среды за некоторый промежуток времени и не дает ее оценки на момент исследования. В холодное время года системы биологической индикации вообще не могут быть применены.

С целью регистрации изменений любых биологических показателей (тест-функций) при действии токсичных веществ, поступающих в водные объекты, применяется метод биотестирования.

Биотестирование – использование в контролируемых условиях биологических объектов (тест-объектов) для выявления и оценки действия факторов (в том числе и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов [6].

Биотестирование включает в себя:

1. Изучение связи доза–эффект на тест-объектах.

2. Изучение порога отклика, влияние на плодовитость и потомство.

3. Изучение механизмов токсичности и процессов детоксикации. Методы биотестирования хорошо разработаны для гидробионтов, что позволяет использовать их для оценки токсичности загрязнений природных вод, контроля токсичности сточных вод, проведения экспресс-анализа в санитарно-гигиенических целях и дру-

гих задач.

Âзависимости от целей и задач токсикологического биотестирования в качестве тест-объектов применяются различные организмы: бактерии, высшие и низшие растения, водные и наземные беспозвоночные и другие.

К тест-организмам, используемым для биотестирования, предъявляются следующие требования:

•они должны быть легко доступны в течение года и иметь экологическое или промысловое значение;

159

•должны быть одного размера и возраста, для того чтобы снизить возможные вариации чувствительности и связанные с ними показатели;

•должны быть доступными и недорогими;

•должны быть в достаточном количестве.

В последнее время в практику мониторинга качества водной среды внедряются автоматические станции слежения, в которых используются тест-объекты (чаще всего рыбы), сигнализирующие о качестве проходящей через систему воды с помощью специальных датчиков.

Список литературы

1.Гигиенические требования к охране поверхностных вод: Санитарные правила и нормы / Федерал. центр Госсанэпиднадзора Минздрава России. – М., 2000. – 24 с.

2.ÃÎÑÒ 17.1.3.07–82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков. – М.: Изд-во стандартов, 1982.

3.ÃÎÑÒ 17.1.3.08–82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества морских вод. – М.: Изд-во стандартов, 1982.

4. Карюхина Т. А. Контроль качества воды / Т. А. Карюхина,

È.Н. Чурбанова. – М.: Стройиздат, 1986. – 160 с.

5.Лурье Ю. Ю. Химический анализ производственных сточных вод / Ю. Ю. Лурье, А. И. Рыбникова. – М.: Химия, 1974. – 336 с.

Þ.А. Афанасьев [и др.]. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. – 337 с.

8.Мониторинг состояния окружающей природной среды / под ред. Ю. А. Израэля [и др.]. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 252 с.

9.Научные основы биомониторинга пресноводных экосистем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. – 155 с.

10.Новиков Ю. В. Методы исследования качества воды водоемов / Ю. В. Новиков, К. О. Ласточкина, З. Н. Болдина. – М.: Медицина, 1990. – 400 с.

11.Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под ред. А. Д. Семенова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 541 с.

160