Реферат на тему:
Методологічні основи моніторингу біоти природних вод
Методологічна основа біологічного моніторингу – це вивчення динаміки
структурних і функціональних характеристик найважливіших біологічних
підсистем водної екосистеми: бактеріо-, фіто-, зоопланктону, фіто-,
мікро-, макро-, зообентосу, вищої водної рослинності, що знаходяться під
впливом різних екологічних чинників. Моніторинг включає наступні
методичні процедури: а) експертну оцінку стану водної екосистеми та
існуючих джерел забруднення; б) вибір біологічної підсистеми та її
структурно-функціональних характеристик; в) вибір полігонів (станцій)
досліджень; г) інформаційне забезпечення моніторингу.
Сучасний етап еволюційного розвитку біосфери протікає під значним
антропогенним пресом, який впливає на всі рівні існування біологічної
матерії – від субклітинного-клітинного до екосистемного. Інтенсивний
розвиток енергетики, ресурсозатратних промислових технологій,
урбанізація, екстенсивне ведення сільського господарства, розширення
рекреаційних зон і т.п. значно змінили природні ландшафти України.
Найбільшого антропогенного впливу зазнали річкові екосистеми, в басейнах
яких збудовані штучні водоймища з греблями гідроелектростанцій,
водойми-охолоджувачі ГРЕС та АЕС, розміщені водозабірні станції міст і
магістральних каналів. Замість взятої природної води повертаються
десятки кубічних кілометрів слабоочищених чи взагалі неочищених стічних
вод, для яких характерна підвищена токсичність та небезпечні мутагенні
властивості.
Розробка і впровадження концептуальних планів-дій по поліпшенню
екологічного стану довкілля в Україні можливі лише на основі моніторингу
для отримання різноманітної об’єктивної інформації про фактичний стан
біосфери та прогнозу майбутніх змін.
Екологічний моніторинг [5] поряд з вивченням змін, їх оцінкою і
прогнозом абіотичних складових біосфери досліджує і відгук на них біоти.
Якщо гідрохімічні показники дають “миттєвий знімок” якості води, то
організми бактеріо-, фіто- та зоопланктону можуть відображати його стан
за період декількох днів, а бентосу та перифітону – за тижні і місяці
[8]. Проведення моніторингу біоти неможливе без системного підходу, при
якому повинні розглядатися основні біологічні підсистеми водних
екосистем, що в найбільшій мірі страждають від антропогенного пресу.
До цього часу не існує загальноприйнятної парадигми оцінки біологічних
систем, яка відповідала б в більш повній мірі завданням біологічного
моніторингу. Вибрана методологія моніторингу повинна давати найбільш
об’єктивну інформацію про стан довкілля, бути репрезентативною основою
складання короткострокових і довгострокових прогнозів.
Суть пропонованої методології полягає у використанні структурних і
функціональних характеристик гідробіонтів як інструменту оцінки стану
водних екосистем та у виділенні ділянок водойм з різним ступенем
природного чи антропогенного впливу. Пропонується для моніторингу
вибирати біологічні системи, життєдіяльність яких характеризується
діалектичною єдністю одного цілого: а) їх структурні характеристики
віддзеркалюють стан біоти, що дозволяє оцінювати вплив на неї (чи,
навпаки, відсутність такого) антропогенних чинників різної природи
(техногенних, хімічних, токсичних, термічних, тощо); б) функціональні
характеристики поряд з відображенням стану біоти є середовищеутворюючими
біологічними чинниками, життєдіяльність яких в значній мірі може
змінювати абіотичні складові водних екосистем.
Необхідною умовою вибору біологічних підсистем повинно бути: врахування
провідної ролі основних підсистем (планктон, бентос, перифітон) у водній
екосистемі; проведення інтегральної оцінки стану екосистеми; можливість
оцінки впливу як загальних екологічних чинників, так і специфічних, чи,
навпаки, неспецифічних.
Пропонований методичний підхід до оцінки стану водних екосистем включає
декілька методичних процедур.
1). Вибір найбільш інформативних структурно-функціональних показників
біоти. Аналіз літературних даних та власних напрацювань по структурних і
функціональних характеристиках підсистем гідробіонтів, що належать до
різних трофічних рівнів: автотрофи (водорості, вищі водні рослини),
гетеротрофи (бактерії) і консументи (рослинно-, бактеріо-, детритофаги,
хижаки) та екологічних груп: планктон, бентос, перифітон – дозволив
виділити наступні показники.
Структурні характеристики угруповань гідробіонтів:
n – видове різноманіття – кількість видових і внутрішньовидових таксонів
усіх систематичних груп гідробіонтів та їх співвідношення ( у відсотках
до загальної кількості);
nt – таксономічне різноманіття – кількість таксонів рангом вище виду
(рід, родина, порядок, відділ, царство), їх відсоткове співвідношення;
ne – екологічне різноманіття – біотопічна приуроченість угруповань
гідробіонтів, яка дозволяє їм розвиватися в даний момент у планктоні,
бентосі, обростаннях або інших біотопах;
Н – інформаційне різноманіття, індекс Шеннона: розраховується по
видовому різноманіттю, біомасі (HB) чи по чисельності (HN) угруповань
гідробіонтів;
Ni, Bi – кількісне різноманіття: чисельність Ni, біомаса Bi (тис.кл./л,
орг./л, мг/л, г/м3,г/м2);
(Ni/Nзаг.) ( 100 – характеристика структури чисельності угруповань і
дольова участь у формуванні сумарної чисельності конкретної
систематичної групи (Ni);
(Вi/Взаг.) ( 100 – характеристика структури біомаси, те ж, що і для
чисельності;
dn – видовий склад видів-домінантів угруповань гідробіонтів;
dN, dВ – кількісне різноманіття (dN – чисельність; dВ – біомаса)
домінуючих видів;
(dNi/d) ( 100 – характеристика структури чисельності домінуючого
комплексу угруповань гідробіонтів і дольова участь конкретного (dNi)
виду у формуванні сумарної чисельності;
(dBi/d) ( 100 – структура біомаси домінуючого комплексу, те ж, що і для
чисельності.
Просторово-часова динаміка перерахованих вище показників:
-просторова – по горизонталі – акваторія водойми; по вертикалі – його
водна товща;
-часова – добова, сезонна, багаторічна – зміна структурних характеристик
угруповань гідробіонтів за певний часовий інтервал (доба, місяць,
вегетаційний сезон);
S – сапробіологічна характеристика якості води, що розраховується за
видами-індикаторами різних зон органічного забруднення води, їх
чисельністю (SN) або біомасою (SB);
J – інтегральна кількісна оцінка стану угруповань гідробіонтів за
основними структурними характеристиками: видове різноманіття,
чисельність, біомаса [1].
Функціональні характеристики:
А м2 – валова первинна продукція, що характеризує кількість енергії (в
одиницях кисню, органічного вуглецю, калоріях, джоулях в м3, м2),
фотосинтезованої фітопланктоном за певний проміжок часу (доба, місяць,
сезон);
Р/В – коєфіцієнт (доба-1) – питома первинна продукція, розрахована для
фотичної зони, чи всього стовпа водної товщі;
О2 – концентрація кисню, що характеризує фотоаерацію та атмосферну
аерацію водної товщі;
R м2 – деструкція органічних речовин в планктоні;
А/R – індекс самоочищення-самозабруднення водної товщі органічними
речовинами.
2) Експертна оцінка стану водної екосистеми, пріоритетних реально і
потенційно існуючих джерел забруднення, основних природних і
антропогенних чинників, що визначають розвиток різних підсистем біоти,
збір усіх матеріалів фізико-морфологічної характеристики водойми,
гідрологічного, гідрохімічного і гідробіологічного режимів,
еколого-токсикологічної та радіоекологічної ситуації.
3) Вибір полігонів (станцій) досліджень. Можливі три варіанти:
а) проводиться моніторинг водних екосистем, де методом експертної оцінки
не встановлені реальні джерела забруднення, або їх вплив на біоту до
початку моніторингу не зафіксований. Як правило, це водойми, що входять
до природних ландшафтних парків, заповідників, великих рекреаційних зон;
б) точкове джерело забруднення або обмежені в просторі джерела
негативного впливу на екосистему: скиди ГРЕС, АЕС, промислових
комплексів, очисних споруд, райони, де проводяться гідротехнічні роботи
(видобуток піску, будівництво дамб, мостів і ін.);
в) наявність комплексного впливу, що формується декількома точковими і
розсіяними джерелами забруднення (великі міста і промислові комплекси).
Прикладом першого варіанту може бути моніторинг (1977-1985 рр.) по
оцінці багаторічної динаміки структурно-функціональних характеристик
фітопланктону Київського водоймища [13]. Вибрані полігони досліджень
характеризували його різноманітність в підсистемах екосистеми водоймища:
нижня (озерна) ділянка; середня (озерно-річкова); верхня (екотонна) –
район злиття річок Дніпра і Прип’яті; річкові плеси Дніпра, Прип’яті,
Тетеріва. В межах цих полігонів виділялись пелагіальні та літоральні
ділянки. Отримані дані характеризували динаміку
структурно-функціональних характеристик реофільного, лімнофільного типів
фітопланктону з відповідною їх специфікою.
Після аварії на Чорнобильській АЕС розміщення полігонів спостережень
було переглянуто з метою виявлення максимального впливу радіоактивного
забруднення [14].
При наявності точкового джерела забруднення вибір сітки станцій
досліджень повинен характеризувати контрольний стан фітопланктону, стан
у зоні максимального забруднення і далі за “шлейфом” його поширення до
відновленого стану.
В третьому випадку, враховуючи складну екологічну ситуацію, проводиться
поділ досліджуваної водойми або її ділянок на декілька типів полігонів:
-полігони, які можна вважати еталонним типом, де функціонування біоти
протікає під впливом природних факторів. З огляду на екологічну
ситуацію, що створилася, виділення еталонних полігонів дуже
проблематичне;
-полігони, де антропогенний вплив на біоту мінімальний, а її розвиток
визначається в основному природними факторами;
-полігони, де існуюча еколого-токсикологічна ситуація потенційно
максимально несприятлива для розвитку біоти;
-полігони, де вегетація гідробіонтів відбувається в специфічних умовах.
У другому випадку пропонована методологія застосовувалась для оцінки
впливу на фітопланктон скидів підігрітих вод Трипільської ГРЕС [20] і
Запорізької ГРЕС і АЕС (під час “продувки” водойми-охолоджувача у
вересні 1994 р.) [21], гідротехнічних робіт з видобутку піску на
прилеглі ділянки Канівського водоймища [16].
В третьому – при оцінці впливу великого промислового комплексу – м.
Дніпропетровська – на екосистему Запорізького водоймища в гирлових
ділянках рік Самара і Мокра Сура [15], а також київської ділянки
Канівського водоймища [19].
Приведемо коротку характеристику біологічних підсистем (чи екологічних
угруповань), їх польових та лабораторних методів досліджень, які є
найбільш інформативними і в найбільшій мірі відповідають поставленій
меті.
Фітопланктон. Основа автотрофної ланки водної екосистеми, формує потоки
енергії та круговорот речовин, характеризується високим видовим
різноманіттям. Кількісний відбір проб фітопланктону (об’ємом 0,5-1,0 л)
з різних глибин виконується батометрами, а для якісного аналізу
використовуються планктонні сітки. Камеральне опрацювання проб
проводиться згідно загальновідомих методик [4; 6; 7;10; 11].
Первинна продукція, деструкція органічних речовин, їх співвідношення.
Розповсюджений метод визначення первинної продукції – це склянковий в
кисневій чи радіовуглецевій модифікації [17]. В основі методу лежить
визначення різних продуктів фотосинтезу: виділеного кисню чи
новосинтезованих органічних речовин. З точки зору репрезентативності
отриманих даних ці методи ідентичні. Основні переваги радіовуглецю:1)
використання радіоактивної “мітки” дозволяє реєструвати продукцію при
біомасах водоростей, що не перевищують 0,01 мг/л, тоді як за допомогою
кисню – не нижче 0,3-0,5 мг/л; 2) 14С дозволяє визначати фотосинтез на
горизонтах водної товщі, де чутливість кисневого методу вже недостатня.
Наприклад, застосування радіовуглецю дозволяє фіксувати фотосинтез, а
отже і більш точно визначати потужність фотичної зони р. Прип’яті на
глибинах 3,5-7,2 м, тоді як кисневої модифікації – тільки до 1,8-3,0 м
[18]; 3) висока чутливість радіовуглецевого методу дозволяє проводити
короткочасові експозиції (2-4 години), що важливо в комплексних
експедиціях.
Переваги кисневої модифікації: 1) отримання поряд з продукційними
характеристиками фітопланктону даних по деструкції планктоном органічних
речовин; 2) простота проведення досліджень; 3) дешеві реактиви і
непотрібність спеціальних радіобіологічних лабораторій; 4) в період
“цвітіння” води методична похибка (за рахунок виділення 14СО2 в процесі
експозиції) радіовуглецевої модифікації вище, ніж кисневої [18].
Фітомікробентос (фітоперифітон). Екологічне угруповання водоростей, що
вегетують у прикріпленому до субстрату вигляді – фітомікробентос чи
фітоперифітон. Основна відмінність між ними – це тип субстрату.
Водорості, що вегетують на твердому субстраті (поверхні гребель,
відкосів бетонних берегових укріплень, елементи водозаборів, тощо),
відносяться до фітоперифітону. Екологічне угруповання водоростей
“м’яких” субстратів (донні грунти, пісок, мул) – фітомікробентос. В той
же час К.С.Владімірова [3] вважає, що фітоперифітон – екологічна
різновидність фітомікробентосу.
Фітомікробентос. Проби відбираються різними типами фітомікробентометрів
з збереженням моноліту грунту, на якому розвивається фітомікробентос
[12].
Фітоперифітон. Відбирається різними скребками, ножами, сачками з певної
площі твердого субстрату. Фіксування, згущення та камеральне опрацювання
проб фітомікробентосу, фітоперифітону аналогічні як такому для
фітопланктону.
Вищі водні рослини (ВВР). Зарості ВВР, їх екологічні, систематичні
характеристики дозволяють протягом тривалого часу візуально проводити
експрес-аналіз стану водних екосистем. Домінування асоціації одної чи
декількох екологічних груп ВВР визначає інструменти та обладнання для
якісних і кількісних експедиційних чи лабораторних досліджень
(трансекти, укоси, геоботанічні гербарії).
Зоопланктон. Систематичний склад зоопланктону з точки зору таксономічної
ієрархії формується представниками еволюційно різних таксономічних груп:
інфузорій (тип), коловерток (клас) та нижчих ракоподібних – веслоногих
(ряд) і гіллястовусих (підряд). Різноманітність зоопланктону як
біологічної підсистеми дозволяє йому швидко реагувати на незначні зміни
абіотичних чинників. Не менш важливим є і його велика розмірна
дисперсність.
Відбор проб зоопланктону, їх камеральне опрацювання детально описані [6;
7; 10].
Зообентос. Зообентос, як і зоопланктон, представлений не менш
різноманітними систематичними, розмірними, екоморфологічними групами
тварин. Для біологічного моніторингу основне те, що зообентос досить
“інертна” біологічна підсистема, а отже її структура впродовж значного
часу може представляти інформацію про вплив природних чи антропогенних
чинників.
Відбір проб мікро, макро- і мезобентосу виконується різними типами
дночерпаків з подальшим камеральним опрацюванням [2; 7; 10; 12].
Зооперифітон. Як екологічна група – аналогічна фітоперифітону з
відповідними методами відбору проб. Камеральна обробка проб аналогічна
зообентосу.
Бактеріопланктон. Один із основних біологічних компонентів трансформації
як алохтонних, так і автохтонних органічних речовин, формування
кругообігу речовин в водних екосистемах. Найбільш важливі бактеріальні
показники: а) загальна кількість бактеріопланктону; б) кількість
гетеротрофних бактерій, що мінералізують білкові сполуки; в)
мікроорганізми різних фізіологічних груп. Основна вимога при дослідженні
мікроорганізмів від відбору проб до камерального їх опрацювання – це
стерильність обладнання, яке використовується.
Відбір проб бактеріопланктону аналогічний як такому для фітопланктону, а
їх лабораторне опрацювання проводиться згідно [7; 9; 10].
Інформаційне забезпечення. Проведення моніторингу неможливе без
інформаційного забезпечення, яке включає три основних блоки:
1) Визначники систематичної ієрархії флори і фауни – від виду (підвиду,
форми, варієтету, статусу) до таксонів найвищого рангу – тип, царство.
2) Основні монографічні роботи, за допомогою яких можна: обгрунтувати
необхідність дослідження гідробіонтів даної систематичної, екологічної
чи трофічної групи; вибрати необхідні найбільш інформативні
структурно-функціональні характеристики; освоїти нові методи досліджень.
3) Математичне забезпечення – в найменшій мірі розроблене і адаптоване
до аналізу гідробіологічних даних, представлене, в основному, методами
варіаційної статистики. Практично відсутні програми системного
забезпечення і аналізу емпіричних даних, методичних підходів до їх
узагальнення з метою отримання нових результатів. Доопрацювання вимагає
математичне забезпечення короткочасових і, особливо, довгострокових
прогнозів. Більшість розроблених в екології математичних моделей
дозволяє моделювати абіотичні складові водних екосистем, а біотичні, як
правило, ігноруються. Необхідною складовою інформаційного забезпечення
повинен бути пакет комп’ютерних програм для підрахунку різних
гідробіологічних показників, структурних індексів, основних
функціональних характеристик біологічних підсистем. Важливим моментом
також є і те, що математичне забезпечення дозволяє більш чітко
сформулювати мету, задачі досліджень, логічно обгрунтовувати отримані
результати досліджень.
Таким чином, представлена методологія дозволить об’єктивно проводити
гідробіологічний моніторинг, оцінювати екологічний стан довкілля в
Україні, розробляти екологічне обгрунтування для концептуальних
планів-дії його збереження та покращення.
Список літератури.
Андреев А.Д., Щербак В.И. Интегральная количественная оценка состояния
фитопланктонного сообщества по структурным показателям // Гидробиол.
журн. – 1994. – Т. 30, №2. – С. 3-7. 2. Бакланов А.И. Сравнительная
оценка эффективности работы дночерпателей различных систем // Гидробиол.
журн. – 1977. – Т. 3, №2. – С. 97-103. 3. Владимирова К.С.
Фитомикробентос Днепра, его водохранилищ и Днепровско-Бугского лимана. –
К.: Наук. думка, 1978. – 228 с. 4. Водоросли. Справочник / Вассер С.П.,
Кондратьева Н.В., Масюк Н.П. и др. – К.: Наук. думка, 1989. – 608 с. 5.
Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. – М.:
Гидрометеоиздат, 1984. – 560 с. 6. Киселёв И.А. Планктон морей и
континентальных водоёмов. – Л.: Наука, 1969. – Т. 1. – 656 с. 7. Методы
изучения биогеоценозов. – М.: Наука, 1975. – 267 с. 8. Плигин Ю.В.,
Щербак В.И., Арсан О.М. и др. Влияние поверхностного стока на биоту
Каневского водохранилища в районе г. Киева и рекомендации по его очистке
// Матер. междунар. научно-практич. конф. “Экология городов и
рекреационных зон”. – Одесса: Астропринт. – 1998. – С. 272-277. 9.
Романенко В.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных вод. –
Л.: Наука, 1974. – 189 с. 10. Руководство по методам гидробиологического
анализа поверхностных вод и донных отложений. – Л.: Гидрометеоиздат,
1983. – 240 с. 11. Топачевский А.В., Масюк Н.П.
Пресноводные водоросли Украинской ССР. – К.: Вища школа, 1984. – 333 с.
12. Травянко В.С., Евдокимова Л.В. Микробентометр БМ-ТЕ // Гидробиол.
журн. – 1988. – Т. 4, №1. – С. 94-95. 13. Щербак В.И. Фитопланктон
Днепра и его водохранилищ // Растительность и бактериальное население
Днепра и его водохранилищ. К.: Наук. думка, 1989. – С. 77-109. 14.
Щербак В.И. Структурно-функциональная характеристика фитопланктона /
Гидроэкологические последствия аварии на ЧАЭС // Под ред.
Д.М.Гродзинского. – К.: Наук. думка, 1992. – С. 14-27. 15. Щербак В.И.
Влияние промышленного комплекса на биопродуктивность и качество воды в
водоёмах // Экотехнологии и ресурсосбережение. – 1997. – №6. – С. 35-40.
16. Щербак В.И., Безкаравайная В.Д., Гошовская Г.А., Майстрова Н.В.
Влияние гидротехнических работ на развитие водорослей днепровских
водохранилищ // Там же.- 1991. – №3. – С. 43-46. 17. Щербак
В.И., Кленус В. Г. Сравнительный анализ величин первичной продукции
фитопланктона, определяемых скляночным методом в кислородной и
радиоуглеродной модификациях // Гидробиол. журн. – 1982. – Т. 18, №1. –
С. 18-22. 18. Щербак В.И., Кузьменко М.И. Скорость фотосинтеза
фитопланктона на различных глубинах фотической зоны // Гидробиол. журн.
– 1987. – Т. 23, №2. – С. 22-26. 19. Щербак В.И., Майстрова Н.В.
Методические подходы для оценки состояния водных экосистем по
фитопланктону // Экологические проблемы городов и рекреационных зон. –
Одесса: ОЦНТЭИ. – 1999. – С. 236-245. 20. Щербак В.И., Омельченко Н.В.,
Гошовская Г.А. Влияние подогретых вод Трипольской ГРЭС на
санитарно-гидробиологическую характеристику Каневского водохранилища //
Гидротех. строительство. – 1989. – №6. – С. 31-34. 21. Shcherbak V.I.
Stability of water ecosystems in the different levelt of radioactive
contamination // Radioactive Waste Managenent and Environmantal
“Ecological, Biological and Medical Effects of the Chernobyl Accidant”.
– (в печати).
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
