Спосіб біоіндикації якості вод

Реферат: Спосіб біоіндикації якості води належить до біології, а саме до прикладної екології, і може використовуватись для визначення якості вод у водоймах та водотоках понизь великих річок Європи. Суть винаходу полягає у адаптації традиційних європейських індексів (ТВІ (Trent Biotic Index), ВВІ (Belgian Biotic Index) та BMWP (Biological Monitoring Working Party Index)) до умов їх застосування в рукавах та затоках дельтових ділянок річок Європи. Для визначення якості вод UA 101701 C2 (12) UA 101701 C2 використовується видова структура макрозообентосу, фітофільної макрофауни та епіфауни твердих субстратів. Розрахунки біотичних індексів проводять як за складом окремих біотичних комплексів, так і за структурою макрофауни безхребетних в цілому. Для аналізу використовуються максимальні з отриманих протягом вегетаційного сезону значення індексів, які нівелюють сезонні зміни у складі комплексів макробезхребетних, агрегованість поселень та похибки у відборі гідробіологічних проб. Запропонований спосіб є більш простим та дешевим у порівнянні з комплексними стандартними методами оцінки якості вод UA 101701 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до біології, а саме до прикладної екології, і може використовуватись для визначення якості вод у водоймах та водотоках понизь великих річок Європи. Задача, на вирішення якої направлено винахід, полягає у модифікації та виборі найбільш адекватних індексів біоіндикації для більш точного визначення якості вод понизь великих річок. В сучасний період в біоіндикації використовуються десятки різноманітних методів, застосовуються сотні індексів якості вод та стану водних екосистем, частина з яких базуються на принципі зникнення певних видів або груп макробезхребетних за умови погіршення середовища їх мешкання (Баканов А. И. Использование зообентоса для мониторинга пресноводных водоемов // Биол. внутр. вод.-2000, № 1. - С. 68-82. (1); Семенченко В. П. Принципы и системы биоиндикации текучих вод. - Минск: Из-во "Орех", 2004.-125 с. (2); Be Pauw N., Vannevel R. Macroinvertebrates and water qualify // Antwerp.-1993- - 316 рp. (3); Metcalfe J. L. Biological water quality assessment of running waters based on macroinvertebrate communities: history and present status in Europe // Environmental pollution.-1989, v. 60. - p. 101-139 (4)). Макрофауна безхребетних характеризується довготривалими життєвими циклами, представлена переважно К-стратегами, що робить її зручним та точним індикатором зміни стану водного объекту за тривалий проміжок часу. Однак в різних водних об'єктах таксономічний склад комплексів макробезхребетних може відрізнятись і ці зміни в першу чергу залежать від складу ґрунту, наявності заростей, глибин, швидкості течії. В пониззі багатьох річок Європи мешкає специфічна понто-каспійська фауна, особливості складу якої не враховуються в традиційних індексах біоіндикації. Слід також зазначити, що в Україні не існує простих і точних методик гідробіологічної оцінки якості вод, які застосовуються на практиці. Застосування загальноприйнятих в Європі біотичних індексів призводить до помилкових результатів, в першу чергу тому, що вимоги до методів збору макробезхребетних для розрахунку цих індексів досить часто не придатні для глибоких водотоків дельт річок Європи. Суть способу полягає у адаптації традиційних європейських індексів (ТВI (Trent Biotic Index), ВВІ (Belgian Biotic Index) та BMWP (Biological Monitoring Working Party Index)) до умов їх застосування в рукавах та затоках дельтових ділянок річок Європи. Для визначення якості вод використовується видова структура макрозообентосу, фітофільної макрофауни та епіфауни твердих субстратів. Розрахунки біотичних індексів проводять як за складом окремих біотичних комплексів, так і за структурою макрофауни безхребетних в цілому. Для аналізу використовуються максимальні з отриманих протягом вегетаційного сезону значення індексів, які нівелюють сезонні зміни у складі комплексів макробезхребетних, агрегованість поселень та похибки у відборі гідробіологічних проб. Розрахунки ВВІ та BMWP проводяться за допомогою програми розрахунків біотичних індексів "ASTERICS 3.1.11" (AQEM CONSORTIUM. Manual for the application of the AQEM system. A comprehensive method to assess European streams using benthic macroinvertebrates, developed for the purpose of the Water Framework Directive. Version 1.0, 2002.-202 p). Для розрахунку ТВІ використовується модифікація індексу для пониззя р. Дунай (таблиця 1, 2), яка враховує особливості видового складу макрофауни цього регіону. Відповідність ТВІ зонам сапробності встановлюється за Ф. Вудівіссом (Woodiwiss F. S. The biological system of stream classification used by the Trent River Board // Chem. and Ind.-1964. - V. 11. - P. 443-447), а відповідність ВВІ та BMWP класам якості вод - за діючими стандартам Бельгії та Великобританії (Biological quality of watercourses. Determination of the biotic index based onaquatic macroinvertebrates. Belgian standard T92-402. Belgian institute for normalization. Brussels, 1984.-35 p.; Armitage P. D, Moss D., Wright J. F., Furse M. T. The performance of a new biological water quality scores system based on macroinvertebrates over a wide range of unpolluted running-water sites // Water Res.-1983, vol. 17. p. 333-347) (табл. 3). Необхідність модифікації визначальних таблиць Ф. Вудівісса або точніше сказати її російськомовної версії, що наведена в "Трудах советско-английского семинара" (Вудивисс Ф. С. Биотический индекс р. Трент. Макробеспозвоночные и биологическое обследование / Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 132-161), в першу чергу обумовлена неточним перекладом англомовної версії статті. (Woodiwiss F. S. The biological system of stream classification used by the Trent River Board // Chem. and Ind.-1964. - V. 11. - P. 443-447), де автор використовує словосполучення "each known species of …», яке перекладається як "кожен відомий вид…», а не "всі відомі види…», що наведено в російськомовному варіанті. Така неточність на практиці призводить до виділення в одну групу всіх зареєстрованих видів, а потрібно враховувати стільки груп, скільки видів знайдено. Правильність підходу авторів підтверджується прикладами розрахунків, наведених в цій-же роботі. 1 UA 101701 C2 5 10 Також автори пропонують не визначати личинок комарів-дзвінців до виду, у зв'язку з відсутністю в сучасній систематиці загальноприйнятого ключа для їх ідентифікації (Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Т.4. Высшие насекомые. Двукрылые / под ред. С. Я. Цалолихина.-1999.-1000 с). Ф. Вудівісс розділяє червів на Annelida та окремо рід Nais, однак в подальшому в прикладах розрахунків він приводить і родину Tubificidae. Тому автори вважають за доцільне використовувати як індикаторні групи рівень родин малощетинкових червів (Tubificidae, Naididae, Enchitraeidae, Lubriculidae та ін.). В робочій шкалі Ф. Вудівісса як індикаторна група наведено рід Gammarus, який не зустрічається в прісних водах пониззя Дунаю, де переважають понто-каспійські бокоплави. Тому ми вводимо як індикаторну групу види родини Gammaridae. Перелік індикаторних груп макробезхребетних для розрахунку ТВІ за Ф. Вудівісом (Вудивисс Ф. С. Биотический индекс р. Трент. Макробеспозвоночные и биологическое обследование / Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидробиологическим показателям. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 132-161) та в пониззі р. Дунай. 15 Таблиця 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12. Індикаторні групи за Ф. В. Вудивіссом для пониззя р. Дунай кожен з відомих видів плоских червів кожен з відомих видів плоских червів (Plathelminthes) (Plathelminthes) черви (Annelida) (за виключенням р. Nais) кожна з відомих родин малощетинкових червів (Oligochaeta) род Nais (черви) всі відомі види п'явок (Hirudinea) кожен з відомих видів п'явок (Hirudinea) кожен з відомих видів молюсків всі відомі види молюсків (Mollusca); (Gastropoda+Bivalvia) кожен з відомих видів ракоподібних всі відомі види ракоподібних (креветки) (Crustacea) кожен з відомих видів личинок веснянок всі відомі види веснянок (Рlеcорtега) (Plecoptera) кожен з відомих видів личинок одноденок всі відомі види одноденок (Ephemeroptera) (Ephemeroptera) за виключенням Baetis за виключенням Baetis rhodani rhodani одноденка Baetis rhodani личинки поденок Baetis rhodani кожна з відомих родин личинок всі родини волохокрильців (Trichoptera) волохокрильців (Trichoptera) всі види личинок Megaloptera кожен з відомих видів личинок вислокрилок (вислокрилки) (Megaloptera) родина Chironomidae (личинки дзвінців), личинки комарів-дзвінців (Chironomidae) за крім Chironomus Ch. thummi; виключенням роду Chironomus 13 14. личинки {Chironomus Ch.thummi) родина Simmulidae (личинки мошок) 15. всі відомі види інших личинок мух 16. 17. 18. личинки комарів-дзвінців роду Chironomus личинки мошок (Simmulidae) кожен з відомих видів ряду двокрилих Diptera (за виключенням Chironomidae I Simmulidae) всі відомі види Coleoptera (жуки та їх кожен з відомих видів жуків (Coleoptera} личинки) всі відомі види водяных кліщів кожен з відомих видів водяних кліщів (Hydracarina); (Асагіnа) кожен з відомих видів водяних клонів всі відомі види водяних клопів(Hеmiрterа) (Heteroptera) 2 UA 101701 C2 Таблиця 2 Робоча шкала для визначення ТВІ в пониззі р. Дунай Індикаторні групи Личинки Plecoptera Личинки Ephemeroptera за виключенням Baetis rodani Личинки Trichoptera та/або Baetis rodani Gammaridae Acellus Tubificidae та/або Chironomus Види, нечутливі до нестачі кисню Видове багатство Більше одного виду Тільки один вид Більше одного виду Тільки один вид Більше одного виду Тільки один вид Всі вищеназвані відсутні Всі вищеназвані відсутні Всі вищеназвані відсутні Всі вищеназвані відсутні 0-1 4 види види види види ТВІ при загальній кількості індикаторних груп 2-5 6-10 11-15 > 15 7 8 9 10 6 7 8 9 6 7 8 9 5 6 7 8 5 6 7 8 4 5 6 7 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 1 2 3 4 0 1 2 Таблиця 3 Класифікація результатів розрахунку біотичних індексів для пониззя р. Дунаю бали 0-2 3-4 5-6 7-10 5 10 15 20 25 TBI зона сапробності полісапробна α-мезосапробна β-мезосапробна олігосапробна ВВІ бали 0-2 3-4 5-6 7-8 9-10 BMWP бали 0-10 11-40 41-70 71-100 >100 ВВІ і BMWP клас якості води V - дуже брудні IV - брудні III - помірно забруднені II - досить чисті І - чисті (не забруднені) Приклади виконання способу. Біондикацію якості вод за структурою комплексів макробезхребетних проводили в рукавах та затоках Кілійської дельти Дунаю протягом 2010 р. Проби відбирались на ділянках витоку та гирла кожного водотоку та по трансектам водойм. Макрозообентос відбирався за допомогою 2 секційного дночерпака з робочою поверхнею 100 см з різних глибин (від 0,5 м до 3,0 м), фітофільна фауна - ручним способом в заростях повітряно-водних, занурених та з плаваючим; листям макрофітів за допомогою секатора та гідробіологічного сачка, епіфауна - з використанням шкребка з шириною леза 10 см з природних та штучних твердих субстратів (Макрозообентос. Методи фіксації та опрацювання проб / Методи гідроекологічних досліджень поверхневих вод / О. М. Арсан, О. А. Давидов, Т. М. Дьяченко та ін.; За ред. В. Д. Романенка. НАН України. Ін-т гідробіології. - К, : ЛОГОС, 2006… -С. 101-115; Зоопрефітон. Етапи і методи дослідження / Методи: гідроекологічних досліджень поверхневих вод / О. М. Арсан, О. А. Давидов, Т. М. Дьяченко та ін.; За ред. В. Д. Романенка. - HAH України. Ін-т гідробіології. - К.: ЛОГОС, 2006. - С. 119-131; Материалы и методика исследований. Фитофильная: фауна / Биоразнообразие и качество среды антропогенно измененных гидроэкосистем Украины / Харченко Т. А., Протасов А. А., Ляшенко А. З. и др. -К.: ИГБ Украины, 2005. - С. 27-28). Проби макробезхребетних фіксувались 4 % розчином формаліну та розбирались в лабораторії під мікроскопами МБС-9, МБС-10 та Nikon Eclipse E200. Для визначення макробезхребетних до виду використовувались наступні визначники: Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР (планктон и бентос) / под ред. Л. А. Кутиковой, Я. И.Старобогатова. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.-512 с; Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Т.1. Низшие беспозвоночные / под. ред. С. Я. Цалолихина. – С-Пб. 3 UA 101701 C2 5 10 15 20 1994.-200 с; Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Т.2. Ракообразные / под. ред. С. Я. Цалолихина. - С-Пб.-1995.-632 с; Определитель пресноводных беспозвоночных Россини; и сопредельных территорий. Т.4. Высшие насекомые. Двукрылые / под ред. C. Я. Цалолихина.-1999.-1000 с. Паралельно проводилась трофо-сапробіологічна оцінка за "Методикою екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями" (Методика екологічної оцінки якості поверхневих вод за відповідними категоріями / В. Д. Романенко, З. М. Жукинсьжий, О. П. Оксіюк та ін. - Київ, 1998.-28 с.). Ця методика включає хімічні, гідрологічні та гідробіологічні показники і затверджена як керівний міжвідомчий документ при виконанні гідроекологічної оцінки континентальних поверхневих вод в Україні. За трофо-сапробіологічною оцінкою водні об'єкти пониззя Дунаю належать до β-αмезосапробної зони ІІ-ІІІ класу якості вод (таблиця 4). Результати біоіндикації показали, що значення модифікованого ТВІ, розрахованого за макрозообентосом або епіфауною твердих субстратів відповідають β-α-мезосапробній зоні. ВВІ, розрахований окремо за макрозообентосом, фітофільною фауною, а також за загальним списком макрофауни, і BМWP, розрахований за макрофауною в цілому, відповідають II-ІІІ класу якості вод. Такі результати узгоджується як з висновкам трофо-сапробіологічної оцінки, так і з результатам міжнародних досліджень, проведених ICPDR в цьому регіоні (Joint Danube Survey 2. Final scientific report. - ICPDR - Іnternational Commission for the Protection of the Danube River, 2008. www.icpdr.org). Це дозволяє стверджувати, що розрахунки вибраних індексів з використанням певних комплексів макробезхребетних адекватно та точно оцінюють якість води в пониззі р. Дунай. 4 UA 101701 C2 Таблиця 4 Трофо-сапробіологічна оцінка якості вод рукавів та заток Кілійської дельти Дунаю Водні об'єкти; затока затока рукав Делюків кут Бистрий кут Очаківський Гідрофізичні Прозорість, м 0,2-1,0 0,3-0,5 0,3-0,6 категорія якості вод 2-6 5-6 4-5 3 Завислі речовини, мг/дмі 14-31 60-80 41-56 категорія якості вод 3-4 6 5 Гідрохімічні рН 7,8-8,8 8,0-8,3 7,8-8,1 категорія якості вод 2-7 3-4 2-3 3 Амонійний азот, мг N/дм 0,01-0,30 0,01-0,10 0,01-0,10 категорія якості вод 1-3 1-2 1-2 3 Нітрити, мг N/дм 0,02-0,07 0,00-0,01 0,01-0,02 категорія якості вод 4-6 1-3 4 3 Нітрати, мг N/дм 0,17-0,79 0,22-0,30 0,18-0,80 категорія якості вод 1-5 2 1-5 3 Фосфати, мг Р/дм 0,03-0,55 0,24-0,30 0,12-0,40 категорія якості вод 2-7 6 5-7 Розчинний кисень, мігО2/дм 3,0-10,9 8,2-13,6 6,7-13,9 категорія якості вод 1-7 1 1-4 Насичення киснем, % 30-129 79-133 65-131 категоріяякості вод 4-7 4-5 5 3 БО, міг О/дм 18-114 8-15 15-20 категорія якості вод 3-7 1-2 2-3 3 ВПК5, мгО2/дм 2,1 1,7-3,4 категорія якості вод 3 3-4 Гідробіологічні 3 Біомаса фітопланктону, мг/дм 1,2-2,5 1,1-2,4 0,5-2,4 категорія якості вод 3-4 3-4 2-4 Бактеріологічні Чисельність бактеріопланктону, 6,4-9,4 категорія якості вод 5-6 Біоіндикація сапробності за Пантле-Букк 2,5-3,8 2,3-3,1 2,1-3,7 категорія якості вод 4-7 4-6 4-7 за Гуднайт-Уітлеєм 53-94 47-74 25-89 категорія якості вод 3-7 3-5 2-6 Індекс трофо-сапробіологічних 3,4-5,1 3,2-3,7 3,2-4,1 показників Категорія якості вод 3(4)-5 3-4(3) 3-4 Сапробність β-α-мезоβ-мезоβ-мезо Клас якості вод 2-3 2 2-3 Показники 5 рукав Бистрий рукав Восточний 0,1-0,5 5-7 65-134 5-7 0,2-0,7 3-6 30-65 4-6 7,8-8,1 2-3 0,03-0,40 1-4 0,01-0,20 4-7 0,10-0,98 1-5 0,04-0,46 3-7 4,9-12,3 1-6 59-117 3-6 15-77 2-7 0,2-1,8 1-3 7,8-8,2 2-4 0,03.0,32 1-4 0,01.0,13 4-7 0,10-0,92 1-5 0,05-0,44 3-7 5,2-13,2 1-5 65-125 4-5 13-80 2-7 1,6-8,8 2-6 0,6-2,2 2-4 0,2-5,3 2-5 5,4-8,7 5-6 5,2-7,1 5-6 2,6-3,5 5-6 57-98 3-7 2,2-3,7 4-7 12-100 1-7 3,7-5,2 2,7-4,9 4(3)-5 β-α-мезо3 3(2)-5 β-α-мезо2-3 UA 101701 C2 Таблица 5 Результати біоіндикації якості вод за макробезхрибетними (б - макрозообентос, ф - літофільна макрофауна, е - епіфауна твердих субстратів, м макрофауна загалом) ф 6 1 м 6 1 б 2 ф 1 4 е 1 1 м 1 7 Рукав Очаківський б ф е м 1 1 7 12 6 14 1 1 10 16 12 7 9 20 8 9 8 14 8 5 7 18 9 5 Делюків кут б Bryozoa Mollusca 1 Nematoda 1 Oligochae 10 ta Polychaet a Hirudinea Isopoda 1 Corophiid ae Gammarii dae Cumacea Mysidace a Heteropte ra Coleopter a Trichopter a Odonata Ephemero 1 ptera Chironomi 7 dae Інші Diptera Бистрий кут рукав Бистрий Рукав Восточний б 5 ф 7 е 1 8 м 2 12 б 5 ф 1 14 е 1 4 м 2 16 11 19 2 2 2 1 2 1 2 2 5 1 5 1 2 1 2 2 1 1 5 1 1 1 6 2 2 2 2 2 3 1 5 1 5 5 2 5 3 6 3 6 3 3 6 4 2 10 3 3 6 2 4 4 8 3 2 4 6 2 2 1 1 1 1 1 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 3 2 2 1 1 1 1 1 3 4 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1J 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 4 2 2 1 1 1 1 1 1 12 12 12 4 6 15 8 9 8 15 4 5 5 10 4 11 7 14 2 1 1 1 1 1 1 1 1 3 5 6 4 5 5 5 5 5 5 TBI, 5 8 8 8 7 8 8 9 8 8 β- β- αββββββсапробніс β- олиг олиг олиг олиг олиг олиг олиг олиг олиг мез мез мез мез мез мез мез мез мез ть вод мезо о о о о о о о о о о о о о о о о о о ВВІ, клас 5 5 6 5 5 3 7 4 5 5 7 5 5 4 7 5 5 4 7 якості III III III III III IV II IV III III II III III IV II III III IV II вод BMWP, клас 10 37 47 31 17 15 61 32 55 33 79 15 28 29 57 38 38 32 95 якості V IV III IV IV IV III IV III IV III IV IV IV III IV IV IV II вод 5 Запропонований спосіб є більш простим та дешевим у порівнянні з комплексними стандартними методами оцінки якості вод (наприклад трофо-сапробіологічною оцінкою), для проведення яких потрібно залучати різнопрофільних фахівців (гідрологів, хіміків, мікробіологів, альгологів та зоологів), тоді як для проведення біоіндикації достатньо лише кваліфікації зоолога. Крім того, якщо дослідження абіотичних показників дають характеристики окремих компонентів якості, то біоіндикація навпаки показує інтегральний стан водного об'єкта, реакцію біоти на комплексну дію багатьох негативних факторів. Запропоновані показники, враховують 6 UA 101701 C2 особливості видового складу дельти Дунаю, що покращує якість оцінки. Цей спосіб доцільно використовувати для проведення моніторингових робіт в пониззі великих річок Європи. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб біоіндикації якості водного середовища, що базується на досліджений видового складу макробезхребетних, який відрізняється тим, що розраховується модифікований ТВІ за структурою макрозообентосу або епіфауни, який включає індикаторні групи макрофауни дельтових ділянок річок, а також біологічні індекси ВВІ і BMWP за структурою марозообентосу, фітофільної фауни і за загальним видовим складом макрофауни, що дозволяє адекватно оцінювати якість води понизь великих річок Європи. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7