биоиндикация и биотестирование качества природной среды

Высшие растения - биоиндикатор состояния водоемов

Высшие водные растения являются неотъемлемым средообразующим компонентом водных экосистем, поскольку относятся к автотрофным организмам, создающим первичную пищевую продукцию в результате своей фотосинтетической деятельностью. Именно поэтому водные растения играют ведущую ( энергетическую) роль в функционировании гидроэкосистем и во многом обусловливают структуру биотичсекого сообщества водоема. Наибольшее распространение водные растения получают в водоемах с замедленным водообменом - озерах и водохранилищах, где, по сравнению с реками, их видовое разнообразие и продукционные показатели выше.

Гидрофиты, занимающие значительные площади в озерах, создают огромное количество биомассы, которая при распаде играет ведущую роль в образовании сапропеля и других донных отложений. Некоторые озера, отличающиеся интенсивным накоплением органического вещества, являются месторождением ценных лечебных грязей и сапропелей. Многие растения при разложении, происходящем после их отмирания, дают водной среде важнейшие элементы минерального питания.

Сообщества гидрофитов играют существенную роль в жизни зоопланктона, зообентоса и других водных организмов: в их плотных зарослях формируются благоприятные температурные условия и газовый режим, способствующие размножению, интенсивному росту животных; они служат им надежным убежищем и защитой от хищников.

Для большинства видов водоплавающих птиц заросли водных растений - особенно неукореняющихся гидрофитов-ряски, водокраса и других - служат кормовой базой, а прибрежные фитоценозы водно-болотных растений местом гнездования. Рыбы в зарослях находят себе животную и растительную пищу. Богатые растительными остатками донные отложения представляют собой питательную среду для донной фауны рыб.

Заросли укореняющихся в водоемах гидрофитов содействуют укреплению грунта. Такие заросли играют важную противоабразионную роль: они противодействуют прибою, защищая берег от размывания и разрушения. Следует отметить, что не только полупогруженные, но и погруженные в воду растения оказывают значительное тормозящее действие на движение воды.

Интенсивное развитие водной и околоводной растительности в прибрежной полосе заиленных мелководий озер способствует накоплению плотного образования, состоящего из отдельных растений и дернин, плавающего на поверхности воды у берега, т. н. "сплавинного берега". Сплавина служит также естественным биофильтром для поверхностных вод, местом гнездования и убежищем разнообразных видов птиц и, в первую очередь, представителей утиных. Велика роль гидрофитов и в формировании качества воды в водоемах. С каждым годом возрастает количество исследований, посвященных этой проблеме и выявлению индикационных свойств отдеьных видов гидрофитов и их сообществ. Водная и прибрежно-водная растительность, образующая зеленые пояса вдоль берегов, служит своеобразным барьером на пути поступающих с водосбора и из донных отложений эвтрофирующих и загрязняющих веществ. Именно по этой причине водные экосистемы с широко развитым поясом ратсительности являются наиболее устойчивыми к антропогенному эвтрофированию и загрязнению, а отдельные виды гидрофитов служат своеобразными индикаторами процесса эвтрофирования водоема.

Видовой состав и распределение гидрофитов в водоеме зависят от его генезиса и ряда экологических условий, среди которых наиболее важны такие, как прозрачность воды, морфология котловины, характер донных отложений, химический состав водной массы, ее кислотность, трофность и минерализация. Причем количество основных питательных веществ (азота и фосфора), может выступать одновременно и в качестве лимитирующего, и в качестве стимулирующего фактора развития тех или иных растительных сообществ в водоеме. Чувствительность к уровням обеспеченности питател ьными веществами дает возможность рассматривать многие гидрофиты в качетсве показателя естественного и антропогенного эвтрофирования водоемов, в которых они выполняют роль продуцентов органического вещества и биофильтров.

Видовой состав водных растительных сообществ позволяет довольно точно охарактеризовать экологическое состояние экосистемы. Наиболее полно разработана методика индикации трофической характеристики водных объектов - сапробности, для определения которой составлены специальные шкалы, используемые в практике гидробиологических исследований. Наиболее популярна шкала Сладечека.

Закономерности исторического развития водной флоры сводятся к нескольким основным моментам:

• Низко минерализованные водоемы, ограниченно распространенные на территории республики, имеют наиболее бедный видовой состав аквафлоры: общее число видов здесь не превышает 10. Преобладают олигосапробные виды: водяной мох (фонтиналис), полушник озерный: весьма характерны для таких водоемов тростник обыкновенный и кубышка желтая. Биомасса гидрофитов также низкая. Такой тип водоемов встречался преимущественно в позднеледниковье и в послеледниковое время - в раннем голоцене.
• С возрастанием уровня трофности происходит обогащение состава водной флоры b-мезосапробными видами. В растительных сообществах доминирующими становятся т. н. Элодеиды: элодея канадская, широколистные рдесты, роголистник, харовые водоросли. Наиболее богатый (до 60 видов) видовой состав гидрофитов и высокая их биомасса характерны для мезотрофных водоемов. Озера такого типа с доминированием кальцифильной растительности имели широкое распространение в атлантический период голоцена.
• Дальнейшее обогащение лимноэкосистем питательными веществами в процессе их эволюции приводит к смене видового состава гидрофитов, к исчесзновению из растительных сообществ b-мезосапробных видов и появлению новых a-мезосапробных видов гидрофитов, например узколистных рдестов. В высокоэвтрофных озерах преобладает надводная и наводная растительность, в которой широко представлены растения с плавающими листьями. Общее число видов снижается до 30-20. подавляющее число современных озер относится к этому типу.
• Структурная перестройка водных растительных сообществ заканчивается с образованием сильно заиленных водоемов дистрофного типа, отличающихся почти полным отсутствием в их составе настоящих гидрофитов и широким распространением зарослей надводных растений.

Многолетние наблюдения, выполненные в лаборатории озероведения, позволяют считать, что наиболее благоприятным фактором для формирования хорошего качества воды при достаточном водообмене является зарастание акватории до 30-40% (в зависимости от типа водоема) при биомассе растений до 1,5 кг воздушно-сухого вещества на 1 м² зарослей.

В то же время чрезмерное развитие водной растительности неблагоприятно для водоема и может бать причиной вторичного загрязнения, особенно ярко проявляющегося в мелководных искусственных водоемах, созданных для промышленного и хозяйственного водообеспечения и рыборазведения. Разложение отмерших растительных остатков требует значительного количества растворенного в воде кислорода и может вызывать заморы рыб.

Гидрофиты интенсивно поглощают биогенные элементы, минеральные и органические вещества, накапливают ионы тяжелых металлов и радионуклиды, выступают в роли минерализаторов и детоксикантов, а также биофильтров пестицидов и нефтепродуктов. В зарослях водных растений осаждается значительное количество приносимых в водой минеральных и органических взвесей. Таким образом, гидрофиты являются прекрасным естественным биофильтром, предохраняющим водную массу от загрязнений и ограничивающим чрезмерное развитие фитопланктона. Эта особенность дают возможность использовать заросли гидрофитов для улучшения качества воды, сбрасываемой в реки и водоемы.

Эффективное использование фильтрационной функции гидрофитов - один из возможных путей снижения биогенной нагрузки на водоемы. В последние годы появилось много публикаций о сооружениях и устройствах, в основу которых положено использование очистных свойств сообществ гидрофитов. Тростник, камыш, рогоз и некоторые другие виды водных растений используются в республике для очистки и доочистки вод животноводческих комплексов на специализированных мелиоративных системах и биоинженерных сооружениях, а также на прудах-отстойниках.

В гидроэкосистемах водные растения выполняют ряд жизненно важных, тесно связанных между собой экологических средообразующих и средозащитных функций: фильтрационную, окислительную, минерализационную, детоксикационную, биоцидную, аккумуляционную ( накопление радиоактивных и прочих элементов, тяжелых металлов) и ряд других, которые не только формируют и определяют качество вод в водоемах, но и определяют накопление и круговорот химических элементов в биоте и донных отложениях ( метаболическая функция).

Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, зафиксированные в окружающей среде, обусловила их использование в системе мониторинга и контроля состояния окружающей среды. Гидрофиты чутко реагируют на изменения среды обитания, в первую очередь гидрофизических и гидрохимических показателей - температуры, прозрачности, кислотности, солевого и другого химического состава воды, химического состава и типа донных отложений, обеспеченности водоема биогенными веществами и др.

Гидрофиты характеризуются видоспецифичными различиями по концентрации поглощенных химических элементов. Проявляются эти различия даже на уровне органов и частей одного и того же растения, зависят они и от сезона года, фазы развития растения, продолжительности его вегетации и т. п. Свободноплавающие гидрофиты (ряска, водокрас, трехдольница, многокоренник и др.) получают элементы минерального питания преимущественно из воды, поэтому интенсивность накопления того или иного элемента в них зависит в первую очередь от концентрации данного элемента в воде, а также от pH среды. Высокая поглотительная способность водных растений делает их идеальными тестовыми объектами для количественного и качественного определения антропогенных химических нагрузок на водоем, происходящих во время всего вегетационного цикла.

Укореняющиеся гидрофиты с плавающими листьями (кубышка, кувшинка и др.) помимо водной массы получают значительную часть химических элементов из донных отложений. Наличие развитой корневой системы и активного транспорта из корней к листьям позволяет использовать их для определения антропогенных химических нагрузок, произошедших в течение не только текущего сезона (по химическому составу листьев), но и предыдущих (по химическому составу корневища и корней).

Полностью погруженные гидрофиты, как укореняющиеся, так и неукореняющиеся. На протяжении вегетационного сезона могут менять источники поступления химических веществ в свои ткани. Для растений с мощной корневой системой донные отложения являются основным источником поступления вещества при значительной роли водной массы. Для растений, не имеющих связи с грунтом, источником поступления химических веществ в ткани является вода. Это повышает эффективность их использования в качестве индикаторов антропогенной трансмформации гидрохимического режима водоема при значительном уровне загрязнения водной среды.

Обобщенно можно утверждать, что растения одного вида накапливают в тканях тем больше химических элементов, чем больше их содержится в воде в доступном для растения виде.

Для индикации биогенной нагрухки в первую очередь предлагается использовать плавающие на поверхности воды, а также погруженные в воду гидрофиты: ряску малую, трехдольницу трехбороздчатую, водокрас обыкновенный, кубышку желтую, штукению гребенчатую и нитевидную, рдесты: курчавый, Фриза, сжатый; элодею канадскую, роголистник темно-зеленый, шелковники.

Оценка степени загрязнения водных экосистем тяжелыми и другими металлами проводилась на основе определения их содержания в воздушно-сухой массе водных растений методом спектрального анализа. Сравнительный анализ собственных результатов натурного и экспериментального изучения накопительной способности гидрофитов, определения содержания металлов в различных видах растений разнотипных водоемов республики, величин фонового содержания тяжелых металлов в гидрофитах, по литературным данным показал, что высшим водным растениям свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, а также солей тяжелых металлов (табл. 1).

Таблица 1. Содержание тяжелых металлов в гидрофитах водоемов и водотоков Беларуси ( мг/кг сухого веса).

Так, содержание никеля в водных растениях колеблется от следовых количеств до 40,8 мг/кг сухого веса (частуха подорожниковая в оз. Любенское), что в 135 раз превышает среднее фоновое содержание никеля в гидрофитах республики и 8 раз выше уровня естественного его содержания в растениях. Больше всего никеля накапливают гидрофиты водоемов и водотоков, расположенных в окрестностях городов Минск, Гомель и Могилев, причем избирательности в накоплении этого элемента определенными видами гидрофитов не отмечено.

Среднее фоновое содержание меди в гидрофитах республики 3,48 мг/кг сухого веса. В водоемах и водотоках Гомеля и Могилева содержание меди в водных растениях намного превышает фоновые величины, причем максимальные концентрации меди зафиксированы в воздушно-водных растениях (135,5 мг.кг - сусак зонтичный). В гидрофитах водоемов и водотоков, не подверженных загрязнению, содержание меди, как указано в табл. 1, находится на уровне фоновых величин или имеет незначительное превышение.

Самое высокое содержание свинца фиксируется в разных видах гидрофитов во всех водоемах в окрестностях Гомеля. При средней фоновой величине содержания свинца в гидрофитах 2,38 мг/кг максимальные значения отмечаются в воздушно-водных растениях, в частности в тростнике - 832,9 мг/кг сухого веса. В растениях водоемов и водотоков г. Могилева содержание свинца 6-56 мг/кг сухого веса, что в 3-20 раз превышает фоновую величину. В относительно чистых водоемах гидрофиты накапливают свинец на уровне фона.

Среднее фоновое содержание цинка в гидрофитах республики 1,41 мг/кг сухого веса, а максимально зафиксированное количество цинка - в элодее канадской и штукении гребенчатой (177,5 и 107,5 мг/кг сухого веса) в водотоках городов Могилева и Новополоцка, что в 125 раз выше среднего значения по республике и в 4 раза выше верхнего порога естественного содержания цинка в растениях (по литературным данным).

Самое высокое содержание титана отмечено в харовых водорослях оз. Нарочь ( до 130 мг/кг сухого веса - на профилях Гатовичи, Сосны, Скема), в элодее канадской и урути мутовчатой ( около 100 мг/кг сухого веса - водоемы и водотоки в окрестностях Могилева) при среднефоновом содержании титана в фитомассе гидрофитов 8,39 мг/кг сухого веса.

Среднее содержание хрома в водных растениях республики 0,34 мг/кг сухого веса, что на порядок ниже уровня естественного содержания хрома в растениях, приводимого в литературе. Однако в растениях, особенно в подводных ( элодея, рдесты, роголистник, уруть), произрастающих в водоемах и водотоках окрестностей Могилева и Гомеля, зафиксированы концентрации хрома, в 125 раз превышающие средние фоновые по республике.

Среднее фоновое содержание ванадия в гидрофитах республики зафиксировано на уровне 3,55 мг/кг сухого веса, что в 3,5 раза выше приводимого в литературе естественного его содержания в растениях. Максимальное содержание этого элемента также имеют погруженные водные растения ( харовые водоросли, элодея, штукения гребенчатык, роголистник, уруть). Следует отметить, что высокие концентрации ванадия ( до 18,75 мг/кг) имеют растения как в загрязненных, так и в относительно чистых водоемах.

Концентрация марганца колеблется в фитомассе водных растений в очень широких пределах: от следовых до 3180,5 мг/кг сухого веса ( харовые водоросли в оз. Нарочь). Марганец - второй после ванадия поллютант, имеющий в водных растениях водоемов и водотоков республики величины, превышающие не только естественные фоновые, но и критические ( более 500 мг/кг сухого веса растения). Больше всего марганца накапливают погруженные гидрофиты, причем как в загрязненных, так и не в подверженных загрязнению водоемах.

В целом анализ накопления фитомассой макрофитов техногенных элементов показал, что с учетом зональности наибольшей способностью к накоплению химических элементов отличаются погруженные гидрофиты. Причем на первом месте по интенсивности накопления стоят харовые водоросли, далее следуют элодея, роголистник, рдесты, уруть.

Наибольшее содержание тяжелых металлов отмечается в водных растениях водотоков и водоемов, расположенных вблизи крупных промышленных узлов. В водоемах, не подверженных прямому загрязнению, содержание поллютантов в гидрофитах находится на уровне фоновых величин или незначительно их превышает. Это касается таких элементов, как хром, никель, титан, цинк, медь, свинец. Содержание этих же поллютантов в гидрофитах вблизи крупных агломераций, где существуют источники эмиссий, намного превышает естественные фоновые величины. Фоновое накопление ванадия и марганца в гидрофитах республики заметно больше уровня их естественного содержания в растениях, приводимого в литературных источниках, а в некоторых случаях концентрации ванадия и марганца намного превышают уровень токсичности.

Для гидроэкосистем, испытывающих антропогенное эвтрофирование, особое значение имеет способность высших водных растений поглощать биогенные вещества. Натурные и экспериментальные исследования показали, что гидрофиты аккумулируют в среднем 50 г азота, 3 г фосфора, 45 г калия из расчета на 1 кг сухого вещества. Биогенные элементы определяют рост растений и более других накапливаются в листьях и генеративных органах. К концу вегетации содержание биогенов и других элементов минерального питания в зеленых органах высших водных растений снижается, значительная часть элементов остается в отмерших остатках растений.

Соотношение продукции конкурирующих автотрофных гидробионтов - гидрофитов и фитопланктона хорошо согласуется со среднегодовыми концентрациями общего фосфора, содержание которого в озере отражает интенсивность антропогенного воздействия.

Структурную перестройку сообществ гидрофитов и количественную оценку изменения качества воды может отражать индекс сапробности. Индекс, рассчитанный с учетом только погруженной растительности, лучше согласуется с лимническими показателями и доказывает, что именно погруженная растительность более полно характеризует общее состояние водоема и изменение экологических условий в нем.

В озерах со среднегодовыми концентрациями общего фосфора в воде до 0,05 мг/л доминируют погруженные растения, биомасса гидрофитов ( 2,6-8,0 г/м³) преобладает над биомассой фитопланктона ( 0,8-2,0 г/м³).

Наибольшей устойчивостью по отношению к возрастающей антропогенной нагрузке характеризуются озера с широким развитием в литоральной зоне элодеидов. В озерах этой группы самый богатый, но однородный состав гидрофитов. Индекс сапробности составляет 1,6-1,8. Менее устойчивы к усилению антропогенной нагрузки водоемы с преобладанием в растительном покрове низкорослых харовых водорослей. Это, как правило, низко минерализованные озера с признаками олиготрофии ( индекс сапробности 1,5-1,6). Низко минерализованные озера с доминированием олигосапробных видов /(полушник озерный и водлные мхи) отличается бедностью и специфичностью видового состава с низким индексом сапробности - 1,2.

С увеличением биогенной нагрузки ( среднегодовая концентрация общего фосфора 0,05-0,15 мг/л ) фитоплактон выдерживает пищевую конкуренцию с погруженными гидрофитами и вызывает пищевую конкуренцию с погруженными гидрофитами и вызывает "цветение" воды, что приводит к снижению ее прозрачности и в результате к сокращению площади зарастания.

Удельный вес погруженных растений снижается до 20-40 % общей биомассы гидрофитов. Продукция фитопланктона (2,5-10,5 г/м³) преобладает над продукцией гидрофитов ( 1,0-2,5 г/м³). Индекс сапробности возрастает до 1,8-2,0 за счет исчезновения b-мезосапробных видов ( роголистник, уруть, элодея, широколистные рдесты) и появления a-мезосапробных видов ( штукения гребенчатая, рдест курчавый). В таких озерах преобладает воздушно-водная растительность, широко представлены также растения с плавающими листьями.

Удельный вес погруженных растений снижается до 20-40 % общей биомассы гидрофитов. Продукция фитопланктона (2,5-10,5 г/м³) преобладает над продукцией гидрофитов ( 1,0-2,5 г/м³). Индекс сапробности возрастает до 1,8-2,0 за счет исчезновения b-мезосапробных видов ( роголистник, уруть, элодея, широколистные рдесты) и появления a-мезосапробных видов ( штукения гребенчатая, рдест курчавый). В таких озерах преобладает воздушно-водная растительность, широко представлены также растения с плавающими листьями.

В озерах, сильно подверженных антропогенному эвтрофированию, погруженная растительность почти полностью отсутствует, биомасса менее 1,0 г/м³. Высокоэвтрофны и гиперхэвтрофные озера, как правило, имеют локальный источник загрязнения. Среднегодовая концентрация общего фосфора более 0,15 мг/м³ способствует знаительному развития фитопланктона (10,5-75,5 г/м³). Индекс сапробности, расчитанный по гидрофитам, состовляет 2,0-2,3.

Примером превращения гидрофитного водоема в фитопланктонный за короткий срок (15 лет) может служить оз. Белое - водоем охладитель Березовской ГРЭС. В 1966 г. отмечалось, что озеро сильно заросло водной растительностью, что было вязано с высокой прозрачностью воды ( 2,5 м). Среди подводной растительности преобладали харовые водоросли ( более 38 % покрытия). Всего в озере отмечено 26 видов растений, а в 1971г. указывается только 21 вид. Полностью исчезли харовые водоросли, значительно меньше стало погруженных растений ( зарастание ими состовляет 2 %). Причинами, обусловившими нарушение фитоценозов, исчезновение многих видов водных растений и сокращение зарастание озера, являются углубление озера из-за превращения его в водоем-охладитель, увеличение биогенной нагрузки в результате садкового разведения рыбы, повышение температуры воды, вызвавшее бурное развитие фитопланктона, что, в свою очередь, привело к снижению прозрачности воды. Водную растительность к тому же истребляли рыбы-фитофаги ( толстолобик, белый амур), которые акклиматизировались в этом водоеме.

Таким образом, анализ динамики водной ратсительности озер, в разной степени подверженных эвтрофированию, позволяет сделать следующие выводы:

• погруженная растительность наиболее полно характеризует состояние хидроэкосистемы и изменения, происходящие в ней;
• биомасса гидрофитов и индекс сапробности, рассчитанный по индикаторному весу погруженных гидрофитов, могут служить показателями качества воды и степени эвтрофирования озер;
• все виды интенсивного антропогенного воздействия на озера, особенно их искусственное эвтрофирование, приводят к структурной перестроуке сообщества гидрофитов: изменяется видовой состав доминирующего комплекса, появляются или исчезают индикаторные виды; по мере возрастания трофности водоема олигосапробные виды уступают место b-мезосапробным, которые, в свою очередь, сменяется a-мезосапробными видами.

Гиперэвтрофные озера характеризуется низкой биомассой погруженной растительности и самым высоким индексом сапробности.

Наблюдения за динамикой видового состава и количественным развитием водных растений в водоемах республики позволяют говорить об индикаторной роли гидрофитов, значимость оснорвных видов которых приводится в табл. 2.

Таблица 2. Индикаторная значимость основных видов гидрофитов водоемов Беларуси.