Материал: Экологический мониторинг пруда Чебоксарского филиала ГБС РАН

Биоиндикация - это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) - это клетки, организмы, популяции, сообщества. с их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и др.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях Биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

1.2 Характеристика прудов как водных экосистем

Пруды могут быть плотинными, образующимися в результате запруживания речек и оврагов; копаными, питающимися атмосферными осадками, а также грунтовыми водами; наливными, наполняемыми водой через специальные каналы из рек и ручьев. Во всех случаях пруды - мелкие водоемы с небольшой площадью водного зеркала, часто спускаемые на зиму. Вследствие мелководности вода в прудах сильно перемешивается ветром, взмучивание грунта резко снижает ее прозрачность, ограничивая проникновение солнечной радиации вглубь. Поэтому несмотря на мелководность в летнее время температура у поверхности часто на несколько градусов выше, чем у дна. Взмучивание грунта резко усиливает процессы взаимодействия между ложем и водной толщей, увеличивает поступление в нее биогенов и других веществ из донных отложений.

Население прудов отличается видовым однообразием, хотя по своей численности и биомассе оно часто богаче озерного. Ведущую роль в фауне прудов играют вторичноводные организмы, преимущественно представленные эврибионтными формами, что отражает большую неустойчивость температурного, кислородного и других факторов среды, в которой они обитают. Число бактерий в прудах может достигать нескольких десятков миллионов в 1 мл, как это, например, наблюдается в случае внесения органических удобрений. Фитопланктон в основном представлен зелеными водорослями, особенно протококковыми и сине-зелеными, меньшее значение имеют диатомовые. Из отдельных форм наиболее характерны для наших прудов зеленые Scenedesmus, Pediastrum, Closterium и Cosmarium, сине-зеленые Aphanizomenon, Anabaena и Microcystis. Зоопланктон слагается главным образом из инфузорий, коловраток, ветвистоусых и веслоногих рачков.

В прудах средней полосы России наблюдается сезонная смена в составе ветвистоусых рачков, которые весной преимущественно представлены видами Moina, Scapholoberis и Simocephalus, а позже эти формы исчезают и взамен их появляются Daphnia и Bosmina. Летом фауна ветвистоусых резко обедняется, и они могут исчезать из прудов, по-видимому, в связи с понижением численности бактерий и протококковых, которыми они в основном питаются.

Численность инфузорий в прудовой воде может достигать 500 тысяч экз/л.

Если пруды не спускные, фитобентос в них достигает значительного обилия. В наших прудах в зарослях макрофитов наиболее обычны тростник, рогоз, осоки, рдесты, роголистник и некоторые другие, на которых появляется богатая фитофильная фауна, состоящая из личинок насекомых, моллюсков, губок и мшанок.

Особенно богата фауна мягкой растительности. Зообентос представлен преимущественно инфузориями и другими представителями микрозообентоса, личинками комаров Chironomus и Glyptotendipes, личинками стрекоз Aeschna и Lestes, жуками Dytiscus и другими насекомыми, олигохетами Tubifex и Limnodrilus, моллюском Limnaea. Распределяется зообентос по ложу пруда довольно равномерно как в видовом, так и в количественном отношениях. Большинство организмов инфауны находится в поверхностном слое грунта толщиной 10-20 см, причем днем животные находятся на больших глубинах, чем ночью. Зимой донные организмы проникают в грунт глубже, чем летом. Нектон прудов представлен немногочисленными рыбами, в частности карасем, сазаном, линем. Искусственно разводятся карп, толстолобики, форель и некоторые другие (Константинов, 1979).

1.3 Физико-географическая характеристика региона исследования

Чебоксары входят в Чебоксарский возвышенно-равнинный район со зрелым эрозионным ландшафтом. Чебоксарский физико-географический район располагается по правому берегу реки Волги, занимая полосу шириной от 20 до 45 км. Естественными границами района является на севере и востоке - река Волга, на западе - правый берег нижнего течения реки Суры, а южная граница проходит от устья реки Вылы через устье М. Цивиля на северо-востоке к реке Волге. Площадь района 3,8 тыс. кв.км.

В орографическом отношении район занимает северную окраину Приволжской возвышенности. Средние абсолютные высоты составляют 160-170 м. Минимальные отметки рельефа, приуроченные к меженному урезу реки Волги, равны 49,8 м. Наибольшие абсолютные высоты расположены на водоразделе рек Волги, Суры и Цивиля и составляют 215 м.

Поверхность представляет собой всхолмленную возвышенную равнину, круто обрывающуюся к долине реки Волги. Рельефообразующими породами на территории района являются породы пермской и юрской систем, перекрытые чехлом четвертичных отложений (Ступишин, 1964).

Рельеф территории Чебоксарского филиала Главного ботанического сада РАН представлен волнистой равниной с небольшими ложбинками, балками и заросшими лесом оврагами в южной части территории. Пересеченный рельеф вносит своеобразие в общую ландшафтную картину - от полого склона на севере территории до пересеченной оврагами и балками местности на юге. Перепад абсолютных высот составляет 30 метров (Особо охраняемые…, 2004).

Район характеризуется умеренно-континентальным климатом. Средняя годовая температура воздуха 2,7-2,9⁰С. Абсолютные минимумы температур достигают - 46⁰С, а абсолютные максимумы +36⁰С. Средняя температура января по данным Чебоксарской метеостанции - 12,7⁰С, а средняя температура июля +18,9⁰С. Годовое количество осадков колеблется от 450-480 мм. Среднее количество осадков за вегетационный период составляет 250-275мм (Ступишин, 1964).

Опасные климатические явления - сильные морозы зимой и засуха в весеннее - летний период.

По южной части территории Ботанического сада протекает река Кукшумка. Суммарная протяженность речной сети составляет 1350 м. Пруд занимает 4,57 га из 176,77 га всей площади Ботанического сада (Особо охраняемые…, 2004).

Преобладающими почвами являются дерново-подзолистые. Они сформировались преимущественно на лессовидных делювиальных суглинках и глины. По механическому составу дерново-подзолистые почвы большей частью среднесуглинистые (Ступишин, 1964).

По лесорастительному районированию территория относится к району Приволжских нагорных дубрав. Значительная часть площади (115,4 га или 65,3%) занята естественными дубравами. Основными лесообразующими породами являются дуб черешчатый (60%), осина (20%), сосна обыкновенная (10%), липа мелколистная (10%). В естественных лесных насаждениях произрастает 30 видов деревьев и кустарников местного происхождения. Из 1100 видов покрытосеменных, голосеменных, папоротниковых, хвощовых и плауновидных растений, произрастающих в Чувашской Республике, в природных фитоценозах Ботанического сада произрастает более 600 видов растений (Особо охраняемые…, 2004).

1.4 Краткая история изучения беспозвоночных гидробионтов Чувашской Республики

Фауна водных беспозвоночных малых рек Чувашии изучена в недостаточной степени, планомерно и регулярно ее обследование не проводилось. В литературе имеются данные о водных беспозвоночных реки Цивиль (Морозов, 1915); устьевого участка реки Суры и устьевых участков Урж и Выла (Есырева и др., 1979; Шахматова и др., 1980), устьевого участка Цивиля (Кравченко и др., 1982), реки Алатырь (Каменев, 1992). За последние 25 лет были опубликованы работы по видовому составу отдельных групп водных беспозвоночных. И.М. Олигер (1967) и А.И. Олигер (1971) отметили для Чувашии 40 видов стрекоз из семи семейств; Е.В. Канюкова (1998) выявила 23 вида водных клопов из семи семейств для Северного Присурья Чуваши; Г.П. Чернова (1985) и Н.В. Борисова (1989) - 35 видов ручейников для Чувашии в целом. Л.Г. Сысолетиной и Г.П. Черновой (1996) отмечен 41 вид моллюсков с территории Чувашии. В последние годы появились работы по биоиндикации некоторых рек Чувашии на основе зообентоса (Кириллова, 1997; Кириллова, Мартынова, 1999; Кириллова, Григорьева, 2001).

Глава 2. Материал и методики работы

.1 Исследование органолептических и гидрохимических свойств воды

Гидрохимические и органолептические исследования проводились согласно стандартным методикам (Федорова, Никольская, 2001).

Вода на анализ отбиралась в чистую посуду, предварительно 2-3 раза сполоснутую исследуемой водой. Пробы отбирались в фарватере пруда с глубины 50 м. Бутыль опускалась на глубину, после чего пробка открывалась.

2.1.1 Определение показателей, характеризующих органолептические свойства воды (температура, прозрачность, осадок, запах, вкус и привкусы)

2.1.1.1 Температура

Определялась сразу после отбора пробы или непосредственно в водоеме термометром с ценой деления 0,1⁰С. Термометр держали в воде не менее 5 минут.

2.1.1.2 Прозрачность

Степень прозрачности выражается высотой столба жидкости в см, через который отчетливо виден специальный шрифт. Исследуемая вода наливалась в цилиндр, под дно которого подкладывали на расстоянии 4 см шрифт. Сливали воду до тех пор, пока сверху через слой можно будет отчетливо прочесть этот шрифт. Высоту столба оставшейся воды измеряли линейкой. Определение производили при хорошем дневном рассеянном освещении на расстоянии 1 см от светонесущей стены.

2.1.1.3 Осадок

Взболтанную в бутылке воду помещали в цилиндр слоем примерно 30 см и оставляли в покое 1 час. Осадок оценивали количественно (нет, незначительный, заметный, большой) и качественно (песчаный, глинистый, илистый, кристаллический, хлопьевидный).

2.1.1.4 Запах

Запах оценивается в баллах.

Водой, не имеющей запаха, считается такая, запах которой не превышает 2 балла.

Колбу с притертой пробкой наполняли на 2/3 объема исследуемой водой, сильно встряхивали, открывали пробку и вдыхали ее запах. Для усиления интенсивности запахов воду подогревали. Коническую колбу на 200 мл наполняли на 1/2 ее объема исследуемой водой, закрывали часовым стеклом и нагревали до 60⁰С.

Интенсивность запаха определяли по 5-бальной шкале:

- не ощущается,

- обнаруживается только опытным исследователем,

- слабый, обнаруживается потребителем только в том случае, если указать на него,

- заметный, обнаруживается потребителем и вызывает его неодобрение,

- отчетливый, обращающий на себя внимание и делающий воду непригодной для питья,

- очень сильный, делающий воду совершенно непригодной.

Естественные запахи описывали, придерживаясь следующей терминологии:

А - ароматный, Б - болотный, Г - гнилостный, Д - древесный, З - землистый, П - плесневый, Р - рыбный, С - сероводородный, Т - травянистый, Н - неопределенный.

2.1.1.5 Вкусы и привкусы

Определялись в баллах. Без привкусов называется такая вода, привкусы которой не превышают 2 баллов. Воду набирали в рот малыми порциями, не проглатывая. Отмечали наличие вкуса (соленый, горький, кислый, сладкий) или привкуса (щелочной, железистый, металлический, вяжущий и другие) и их интенсивность в баллах по шкале, аналогично определению интенсивности запаха.

2.1.2 Определение гидрохимических показателей воды

2.1.2.1 Определение активной реакции (pH)

Определение pH воды проводилось электрометрическим (потенциометрическим) методом, отличающимся большой точностью (0,02). Метод позволяет проводить исследование практически в любой воде независимо от ее окраски, мутности, солевого состава. Метод основан на измерении разности потенциалов, возникающих на границах между внешней поверхностью стеклянной мембраны электрода и исследуемым раствором, с одной стороны, и внутренней поверхностью мембраны и стандартным раствором - с другой. Внутренний стандартный раствор стеклянного электрода имеет постоянную концентрацию ионов водорода, поэтому потенциал на внутренней поверхности мембраны не меняется. Измеряемая разность потенциалов определяется потенциалом, возникающим на границе внешней поверхности электрода и исследуемого раствора. Изменение значения pH на единицу вызывает изменение потенциала электрода на 58,1 мВт при 20⁰С. Пределы линейной зависимости потенциала электрода от pH обусловлены свойствами стеклянного электрода. Результат определения не зависит от окраски, мутности, взвеси, присутствия свободного хлора, окислителей или восстановителей, повышенного содержания солей. Влияние температуры компенсируется специальным устройством, вмонтированным в прибор.

2.1.2.2 Определение общей жесткости

Общая жесткость - это природное свойство воды, обусловленное наличием в ней двухвалентных катионов (главным образом кальция и магния). Для определения общей жесткости пользовались трилонометрическим методом. Основным рабочим раствором является трилон Б - двунатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты. Определение суммарного содержания ионов кальция и магния основано на способности трилона Б образовывать с этими ионами прочные комплексные соединения в щелочной среде, замещая свободные ионы водорода на катионы кальция и магния:

Ca²⁺+Na₂H₂R à Na₂ CaR + 2H⁺,

где R - радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты.

В качестве индикатора используется хромоген черный, дающий с катионами магния и кальция соединение винно-красного цвета, при исчезновении катионов Mg²⁺ и Са²⁺ он приобретает голубую окраску. Реакция идет при pH=10, что достигается добавлением в пробу аммиачного буферного раствора (NH₄OH+NH₄Cl). В первую очередь связываются ионы кальция, а затем магния.

Определению мешают ионы меди (>0,002 мг/л), марганца (>0,05 мг/л), железа (>1,0 мг/л), алюминия (>2,0 мг/г).

2.1.2.3 Определение хлоридов

Содержание хлоридов является показателем загрязнения подземных и поверхностных водоисточников и сточных вод. Определение хлоридов проводилось по методу Мора.

Принцип метода Мора основан на осаждении хлоридов азотнокислым серебром в присутствии хромата калия K₂CrO₄. При наличии в растворе хлоридов AgNO₃ связывается с ними, а затем образует хромат серебра оранжево-красного цвета.

NaCl + AgNO₃ à AgClâ + NaNO₃

2AgNO₃+K₂CrO₄ à Ag₂CrO₄â+2KNO₃

2.1.2.4 Определение железа (общего) фотометрическим способом

В поверхностных водах железо (II) содержится в виде достаточно устойчивого гуминовокислого железа. Пробы для определения железа не требуют консервации. Метод определения основан на том, что сульфосалициловая кислота в щелочной среде (pH = 8-11,5) образует с солями железа (II, III) окрашенные в желтый цвет комплексные соединения.

Интенсивность окраски образующихся комплексов пропорциональна концентрации железа в растворе. Ее измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-2 и по величине оптической плотности, пользуясь градировочным графиком определяли концентрацию железа (приложение 1, рис.2). Определению мешает окраска и высокое содержание органических веществ.

2.1.2.5 Определение перманганатной окисляемости

Под окисляемостью воды понимают количество кислорода искусственно введенного окислителя (например, KMnO₄ или K₂CrO₄), идущее на окисление содержащихся в воде органических веществ. Метод перманганатной окисляемости дает представление о содержании в воде легко окисляющихся органических веществ. Обычно перманганатная окисляемость составляет 40-50 % от истинной окисляемости органических веществ, то есть полного окисления органического углерода до СО₂.