Сапробность
Сапробность — комплекс физиолого-биохимических свойств организма, обусловливающий его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, то есть с той или иной степенью загрязнения.
Историческая справка
В 1902 году ботаником Р. Кольквицем и зоологом М. Марссоном была предложена система биологического анализа качества вод, впоследствии ставшая классической. Исследователи предложили дать двум основным группам показательных организмов-антагонистов название сапробионты (от греч. sapros — гнилой) для обитателей сточных вод и катаробионты (от греч. katharos — чистый) для организмов, населяющих исключительно чистые воды. Под сапробностью авторы понимали способность организмов развиваться при большем или меньшем содержании в воде органических загрязнений. В 1908—1909 гг. Кольквиц и Марссон опубликовали обширные списки показательных растительных и животных организмов, которые в дальнейшем многократно пополнялись и уточнялись.
Группы сапробионтов и зоны загрязнения(по Кольквицу и Марссону)
Сапробионты были разделены на три группы:
Для оценки степени загрязнения водоемов органическими веществами авторы установили четыре зоны загрязнения: поли-, α-мезо, β-мезо и олигосапробную.
Из приведенных характеристик зон сапробности следует, что по мере ухудшения качества воды таксономический состав гидробионтов становится беднее, в то время как численность отдельных видов возрастает и в полисапробной зоне может быть огромной.
Критика подхода
Существующая ныне система индикаторных организмов не универсальна для всех материков, наиболее применима она в европейской части Палеарктики. Более того, первоначальный смысл термина «сапробность», как способность организмов обитать в загрязненных органическими веществами водах, утрачен из-за повсеместного преобладания промышленных загрязнений над бытовыми стоками, относительно которых изначально строилась система Кольквица-Марссона, но, несмотря на это, термин продолжает использоваться в смысле общего загрязнения.
Индекс сапробности
В.Ю. Захаров в «Методическом руководстве» (1997) приводит расчет сапробности по модифицированной формуле Пантле-Букк для нескольких рядов наблюдений (например, индексов сапробности для нескольких групп организмов из одного места сбора материала):
Цанер (1964) качество вод оценивает по величинам абсолютной численности Tubifex tubifex и видов р. Limnodrilus:
Зоны сапробности водоемов
О чистоте воды в поверхностных водоисточниках судят по флоре и фауне (гидробионтам), которые могут обитать в разных по степени загрязненности водах, что называется их сапробностью.
2.Альфа-мезосапробная – начинают протекать аэробные процессы окисления органических веществ, вследствие чего появляются соли аммония и поселяются сине-зеленые водоросли, но вода достаточно грязная.
3.Бета-мезосапробная – содержит много О2, поддерживающего процессы аэробного окисления. Микробов меньше, появляются инфузории, моллюски, некоторые виды рыб. Активные процессы самоочищения.
4.Олигосапробная – зона чистой воды, в которой есть продукты полного распада белка (нитраты), присутствуют только аэробы, появляются цветковые растения, раки, рыбы.
В 3 и 4 зонах можно устраивать водозабор для организации водопровода.
Оценка водоснабжения в полевых условиях.
Инженерная служба должна организовать и осуществить разведку водоисточников.
Химическая служба должна провести химическую и радиационную разведку водоисточников, осуществить дегазацию и дезактивацию местности, провести контроль качества воды.
Служба тыла должна провести разведку источников в тылу.
Медицинская служба должна осуществить контрольные функции и спец.мероприятия по улучшению свойств воды; принять участие в проведении санитарно-топографической, санитарно-технической и санитарно-эпидемиологической разведки; контролировать сан.состояние пункта водоснабжения и др.
Осн.требования к воде в полевых условиях:
-в качественном отношении – безвредность
-в количественном отношении – удовлетворение физиологических и хозяйственно-бытовых потребностей
Безвредность обеспечивается при отсутствии ядовитых (токсичных) химических соединений, радиоактивных в-в, патогенных бактерий и токсинов, колититр не менее 100. Безвредность достигается обеззараживанием (дезинфекцией) воды, обезвреживанием (дегазацией) и освобождением ее от радиоактивных в-в (дезактивацией).
Что такое сапробность воды
В.И. Жадиным [1964] было предложено экспериментально обосновать и параллельно использовать сразу три шкалы индикаторных организмов: “Если для сапробных организмов, характерна реакция на гниющие органические вещества, то появление в воде токсических веществ (минеральных или органических ингредиентов) создает обстановку отравления организмов, не имеющую себе аналогов при органических источниках загрязнения. Поэтому необходимо принять и теоретически обосновать три шкалы степеней загрязнения и соответственно три шкалы показателей загрязнения: 1) шкалу сапробности (по Р. Кольквитцу и М. Марссону), 2) токсобности. и 3) сапротоксобности. Под токсобностью, – указывал далее Жадин, – мы понимаем свойство организмов существовать в водах, содержащих то или иное количество токсических веществ минеральной или органической природы, и способных использовать часть этих веществ себе в пищу или сорбировать на своей поверхности или внутри тела. В зависимости от степени загрязнения водоема токсичными веществами можно различать зоны токсобности: политоксобную, мезотоксобную и олиготоксобную, заселяемые организмами, выносящими соответственно сильную, среднюю и слабую степени токсического загрязнения водоема. В основу деления организмов по степени токсобности должны быть положены экспериментальные и полевые исследования в области водной токсикологии ” (подчеркнуто нами).
Наиболее широко в России применяется система сапротоксобности, разработанная для водоемов и водотоков Кольского Севера В.А. Яковлевым [1984, 1988, 1998]. Она учитывает характер загрязнений, вносимых разнопрофильными (в первую очередь, горнодобывающими) предприятиями региона. Составлен список видов-индикаторов сапротоксобности и отдельно список видов-индикаторов закисления водоемов [Яковлев, 1984,1988]. Индикаторное значение видов устанавливалось, с одной стороны, на основе индикации сапробности (т.е. органического загрязнения), с другой стороны – на высокой чувствительности отдельных видов животных к различного рода токсическим веществам. Предложенные методы рекомендованы и нашли свое широкое применение на водоемах Северо-Запада России как самостоятельно, так и в составе интегрального показателя Е.В. Балушкиной [1997].
Поиск новых форм классификаций водоемов, либо расширение классической системы имеют под собой серьезное фактологическое основание – в условиях смешанного загрязнения применение систем сапробности чрезвычайно затруднено в связи с изменением индикаторной значимости отдельных видов в присутствии токсических веществ. Однако, специфическую и, во многом, обоснованную негативную реакцию, типа «Причем же тут сапробность? » вызывают использованные новообразованные словоформы “токсобность” и “сапротоксобность”.
Во-вторых, как было показано в главе 3, не существует «токсичности вообще» (а следовательно, и «токсобности вообще»), а существуют сотни и тысячи химических веществ, попадающих в природные водоемы и обладающих различным и глубоко специфическим механизмом вредного действия на живые организмы. Это отмечал еще Ю. Одум [1975], когда формулировал положения, дополняющие принцип Либиха – Шелфорда: “организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого”. Имеются многочисленные полевые и экспериментальные доказательства того, что даже простейшие организмы, устойчивые к одному виду загрязнения или фактору среды, не обязательно будут устойчивыми по отношению к другим факторам [Хокс, 1977 Б ]. Большинство исследователей полагает, что индикаторные организмы не могут быть одинаково чувствительными ко всем типам загрязнения: биогенными веществами, нефтепродуктами, тяжелыми металлами, детергентами, пестицидами и т.п. [Washington, 1984 Б ]. Л.П. Брагинский [1985] приходит к выводу, что “принципиальные различия между «обычным» органическим загрязнением и токсическим не позволяет строить систему классификации токсичных вод как простой аналог системы сапробности, основанный на учете способности организмов существовать в токсичной среде, поскольку в такой среде большинство гидробионтов вымирает. Видов, предпочитающих токсические среды (особенно при загрязнении ксенобиотиками), в отличие от сапробных, в природе не существует”. Таким образом, речь может идти только об определенной степени резистентности отдельных видов к отдельным типам токсикантов.
В-третих, даже в условиях четырех зон для выяснения вопроса, какая сапробная валентность подходит отдельным видам, никаких точных ориентиров не существует. Иногда один и тот же вид животных разными авторами характеризуется в диапазоне от олиго- до полисапробного [Полищук с соавт., 1984 Б ]. Выделение же зон, аналогичных сапробным, по каждому отдельному химическому компоненту (а в идеале – и для различных комбинаций ингредиентов) приведет к тому, что систем классификации будет никак не меньше, чем самих гидробиологов. В конечном итоге, все больше сторонников окажется у другого крайнего мнения: » Тут вообще нет никакой системы «.
Оценка зон сапробности по показательным организмам.
В имеющейся библиографии видное место занимает основополагающая работа В. Сладечека [1973], содержащая наиболее полный список, включающий около 2000 видов и обобщивший результаты исследований С. Обра [Obr, 1956 М ], Х. Диттмара [Dittmar, 1959 М ], М. Зелинки, П. Марвана и Ф. Кубичека [Zelinka et al., 1959 М ; Zelinka, Marvan, 1961 М ; Zelinka, Sladecek, 1964 М ], А. Сладечковой [Sladeckova, Sladecek, 1966 М ], А.Н. Смирновой [1965 М ], Г. Бикка и С. Кунце [Bick, Kunze, 1971 М ] и других исследователей. Варианты списков видов-индикаторов даны в сборниках, изданных в ГДР и СЭВ [Ausgewalte, 1972 М ; Унифицированные методы. 1977], указателе А.В. Макрушина [1974] и др. Дополнения и видоизменения систем индикаторов сапробности вод предлагаются в работах Л.А. Кутиковой [1976], В.Н. Никулиной [1976], Т.В. Хлебович [1976], Н.П. Финогеновой [1976], А.Г. Охапкина и Г.В. Кузьмина [1978], Е.В. Пастуховой [1978], П.А. Цимдиня [1979], И.К. Тодераша [1984], Е.В. Балушкиной [1987].
Результаты биологического анализа, представленные в форме списков индикаторов, всегда, в большем или меньшем количестве, содержат виды, относимые к разным зонам сапробности, что осложняет однозначную оценку качества вод. Для преодоления этого затруднения предложены методы, позволяющие оценить среднюю сапробность биоценоза и облегчающие понимание результатов биологического анализа.
Мем № 23 : “ Следует отметить и то, что индексы сапробности описывают степень загрязнения среды лишь в качественных категориях. Правда, внешне индексы выглядят количественными характеристиками, но это достигается лишь путем обозначения качественных состояний условными величинами, которые трудно интерпретируются при математическом моделировании ” А.С. Константинов [1981].
Графо-аналитический метод Г. Кнеппе
На графике легко может быть получена кривая «среднего балла», соединяющая точки, соответствующие центрам тяжести фрагментов фигуры и показывающая, по мнению Кнеппа, к какой ступени сапробности следует отнести тот или иной участок реки. Согласно принципу псевдокомпенсации (см. раздел 1.5) средний балл по Кнеппу с большой вероятностью гарантирует отнесение практически любой реки к одной из двух мезосапробных зон.
Рис.4.4. Пример диаграммы Г. Кнеппе – биологический разрез качества воды р. Майн в июле I954 г.
Г. Кнепп рекомендует для углубленного анализа изменения качества воды по участкам водоемов использовать графики двух индексов, выражающих относительную долю видов индикаторов, причисляемых к двум смежным зонам сапробности:
Система координат С. Головина [Golowin, 1968 М ]
Этот метод основан на векторном способе нахождения средней сапробности обследуемой пробы c помощью специальной диаграммы, условно названной автором “системой координат” (см. рис. 4.5).
Рис.4.5. Графическое изображение “системы координат” осей и границ сапробного спектра по С. Головину
Диаграмма представляет собой полуокружность, на которой каждой зоне сапробности отводится сектор размером p /4 (негласно предполагается, что разные зоны сапробности равны между собой). При этом диапазоны угловых координат и биссектрисы секторов для каждой зоны сапробности имеют следующие значения:
Полисапробная зона
Олигосапробная зона
Само по себе графическое сложение векторов путем соотнесения площадей равнобедренных треугольников, относящихся к разным ступеням сапробности, представляет собой достаточно кропотливую работу, для проведения которой С. Головин приводит специальную расчетную таблицу.
Наш комментарий. Эту работу можно вполне облегчить, если воспользоваться аналитическим выражением для сложения векторов, известным из начального курса высшей математики, которое легко преобразуется к следующей простой формуле:
(4.13)
В. Сладечек видоизменил метод С. Головина применительно к своей биологический схеме качества вод, представленной в табл. 4.4, в результате чего 180° делятся не на 4, а на 9 ступеней сапробности.
Индекс сапробности по Р. Пантле и Г. Букку [Pantle, Buck, 1955 М ; Pantle, 1956 М ].
Тогда для каждой произвольной гидробиологической пробы по всем видам, встретившимся в справочниках, можно вычислить средневзвешенный индекс сапробности, характеризующий степень загрязнения в точке измерения:
(4.14)
Зона сапробности для биоценоза оценивается по S так же, как s i – числом от 1 до 4 с округлением до ближайшего значения.
Для статистической достоверности результатов необходимо, чтобы в пробе содержалось не менее двенадцати индикаторных организмов с общим числом особей не менее тридцати.
В. Сладечек, расширивший систему Кольквитца–Марссона, предложил несколько изменить значение индекса для зон сапробности и принять его значения для наиболее загрязненных (эусапробных) вод от 4.51 до 8.5, а для чистых, ксеносапробных вод от 0 до 0.5 (см. табл. 4.4).
Неоднозначны взгляды различных авторов на оценку показателя обилия h i :
Модификация расчета индекса сапробности М. Зелинкой и П. Марваном
(4.15)
Извлечение из описка индикаторов сапробности М. Зелинка и П. Марвана (закрашено) и пример расчета средневзвешенных сапробных валентностей
При подстановке в формулу (4.15) показатель относительной численности индикаторных видов h i может быть выражен в абсолютном числе экземпляров, относительных уровнях обилия в баллах или в процентных отношениях.
Представленный метод является наиболее усовершенствованной модификацией системы Кольквитца и Марссона, в результате чего стало общепринятым приводить списки индикаторов сапробности с указанием сапробных валентностей и индикаторного веса видов. Однако считается, что возможность широкого применения метода ограничена тем, что сапробные валентности и индикаторный вес могут быть различны в разных районах, а сами по себе цифры, характеризующие сапробные валентности недостаточно надежны.
Вряд ли такая аргументация логична, поскольку предметом метода является сам метод (т.е. техника расчетов), а не готовые таблицы индикаторных видов, полученные 40 лет назад на реках Средней Европы. Без сомнения, при изменении пространственно-временного аспекта эти таблицы претерпевают серьезные модификации: появляются новые виды-индикаторы, либо коренным образом изменяется индикаторная роль уже имеющихся видов. Поэтому понятно стремление исследователей-гидробиологов, накопивших значительный массив экспедиционных данных, провести самостоятельные расчеты индикаторных валентностей с учетом региональных особенностей гидробионтов, характера загрязнений и типологии водоемов. Как проделывается эта работа, описано, например, П.Я. Цимьдинем [Гидробиологический, 1981]. Им предложена формула вычисления сапробных валентностей для произвольного вида с использованием его численности N и встречаемости D i в основных зонах сапробности ( o-p ) :
(4.16)
где встречаемость D i = m i / M ; m i – число проб, в которых был найден вид i ; M – общее число проб.
Модификация индекса сапробности по Дж. Ротшейну
Дж. Ротшейн [Rotschein, 1959 М ], предложил формулу, отличающуюся от механизма расчета средневзвешенной сапробности по Р. Пантле и Г. Букку, тремя следующими особенностями:
где S Р 2 является наивысшей из частных сумм S Р i ;
В этой модификации индекса сапробности прослеживается вполне здравая идея, которая в математической статистике трактуется как “отбраковка выбросов”, позволяющая не учитывать при оценке некого глобального среднего очевидные артефакты, порожденные случайностью.
Индекс сапроботоксобности по В.А. Яковлеву [1984,1988]
Этот индекс математически ничем не отличается от средневзвешенного индекса сапробности по Пантле–Букку:
Принципиальные отличия концепции сапроботоксобности лишь в том, какой набор гидрохимических показателей является основанием для деления водоемов на четыре класса: по В.А.Яковлеву следует учитывать не только БПК 5 и содержание кислорода, но и широкий набор неорганических поллютантов.
Модификация индекса сапробности по М.В. Чертопруду [2002]
(4.19)
Наконец, вместо показателя обилия h i в формулу Пантле–Букка М.В. Чертопруд включил индикаторный вес таксона J i :
(4.20)
где s i – сапробность каждого найденного в пробе индикаторного организма (от 0 до 4). Предложенная модификация метода, по свидетельству автора, оказалась более адекватной на располагаемой обучающей выборке, чем выполненные параллельно расчеты с использованием «классических» индексов сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека.
Сапробность и биоиндикация качества воды
Категории Гидробиология | Под редакцией сообщества: Биология
Сапробность (от греческого sapros – гнилой) – физиолого-биохимические свойства организма (сапробионта), обусловливающего его способность обитать в воде с тем или иным содержанием органических веществ, поступающих в водоем преимущественно с хозяйственно-бытовыми стоками (Макрушин, 1974).
По мере возрастания антропогенной загрязненности водоемов увеличивались и усилия по исследованию этого явления. Появилась потребность в более или менее универсальном показателе загрязнения – причем таком, который поддавался бы относительно простой оценке и при этом имел бы прогностическую ценность – то есть отражал реальное качество воды и пригодность ее для различных хозяйственных целей. Ни один химический показатель не годится для этой цели, поскольку загрязнители воды весьма многообразны, и химические реакции на них в водоемах также нелинейны. Наиболее корректный химический показатель – содержание в воде растворенного кислорода. Большинство загрязнителей воды имеют органическую природу, в водоемах они подвергаются разложению микроорганизмами, при этом быстро расходуется кислород (вплоть до его полного исчерпания в воде). Однако, на практике измерять содержание кислорода очень неудобно, главным образом в силу высокой изменчивости этого показателя (он зависит от времени суток, погоды, расстояния до поверхности воды и многих других динамичных факторов).
Наиболее практичный критерий предложили биологи, показавшие, что водные организмы, как правило, реагируют на уровень загрязнения в целом, независимо от конкретных источников загрязнения. Уже в 1908-1909 гг. Кольквитц и Марссон разделили ряд изученных ими гидробионтов по степени чувствительности к загрязнению, а сами водоемы – на классы загрязненности, соответствующие определенным группам обитателей. Сама мера загрязнения (и мера чувствительности гидробионта к нему) получила название сапробности.
Биологический смысл понятия сапробности заключается примерно в следующем. При нарастании органического загрязнения водоема в толще воды и особенно на дне параллельно возрастает содержание мертвого органического вещества (как правило, легко разлагаемого) и понижается содержание кислорода (именно из-за гниения органики); то есть сдвигается органико-кислородный баланс. Сапробность и есть мера этого баланса. Повышение сапробности угнетает одни организмы (из-за недостатка кислорода), но благоприятно для других (требовательных к большому количеству пищи), то есть вызывает смену состава водных сообществ. Дело в том, что и в природе (без всяких антропогенных загрязнений) разные водоемы имеют разный естественный фон сапробности, и их обитатели также приспособлены к разным условиям. Одни водоемы (горные и северные озера, горные реки и ручьи) несут очень мало органических веществ и всегда насыщены кислородом – олигосапробны. Другие (большинство равнинных рек и озер) имеют умеренный фон органического питания (мезосапробны). Наконец, многие мелкие стоячие водоемы (пруды и болота), особенно в теплых и засушливых районах, перенасыщены разлагающейся органикой и почти лишены растворенного кислорода (полисапробны). Соответственно, коренные обитатели этих зон называются олиго-, мезо- и полисапробами. Было замечено также, что полисапробные организмы обычно лучше переносят и химические загрязнения (например, ядохимикатами или тяжелыми металлами), а также повышенную температуру и минерализацию воды. Это дает возможность применять сапробность и для оценки промышленных загрязнений водоемов.
Строгого соответствия между сапробностью и гидрохимическими показателями воды нет и быть не может. На качественном уровне еще Кольквитц и Марссон описывали химические градации сапробности следующим образом:
Олигосапробная зона – чистые воды, соединения азота в форме нитратов, вода насыщена кислородом; углекислоты в воде мало, сероводорода нет.
β-мезосапробная зона – соединения азота в форме солей аммония, нитритов и нитратов; кислорода обычно много, но возможны заморы у дна и ночью из-за прекращения фотосинтеза, сероводород иногда в небольшом количестве, характер биохимических процессов окислительный.
α-мезосапробная зона – присутствуют амино- и амидо- кислоты, условия среды полуанаэробные, характер биохимических процессов востановительно-окислительный; присутствует сероводород.
Полисапробная зона – в воде разлагающиеся белки, условия среды анаэробные, характер биохимических процессов восстановительный, в воде много сероводорода.
Предложенная концепция сапробности стала основой для биоиндикации – оценки качеств (и загрязнения) воды и водоемов (главным образом пресных) в целом по составу обитающих там организмов. В 1955 г. Пантле и Букк предложили так называемый индекс сапробности для оценки уровня загрязненности вод.
Индекс сапробности Пантле-Букка вычисляется по формуле:
где s – сапробность каждого индикаторного вида, найденного в пробе, h – обилие этого вида, выраженное в баллах от 1 до 5 (случайные находки – 1, частая встречаемость 3, массовое развитие – 5). Таким образом, сам индекс – это среднее значение сапробности всех найденных видов, с учетом их обилия. Была принята следующая числовая шкала для сапробности (как организмов, так и водоемов): олигосапробы – 1, β-мезосапробы – 2, α-мезосапробы – 3, и полисапробы – 4.
Дальнейшие модификации индекса сапробности Пантле-Букка сводились главным образом к изменению списка индикаторных таксонов. Эти списки стали разрабатываться раздельно для разных экологических групп гидробионтов (фитопланктона, зоопланктона, зообентоса, макрофитов и рыб). Наибольшую известность получила модификация Сладечека, разработанная для оценки загрязнения водотоков Западной Европы (Sladecek, 1973). В ряде модификаций вместо индикаторных видов используются роды или даже семейства гидробионтов. Эти таксоны гораздо легче в определении и имеют более широкие ареалы (что очень удобно), но нередко включают виды с несколько различной сапробностью (что снижает точность оценки).
На самом деле даже многие индикаторные виды встречаются в водах нескольких смежных зон сапробности, что дает погрешность при установлении сапробности водоема в целом. В этой связи Зелинка и Марван в 1961 году предложили понятие сапробной валентности – распределения встречаемости каждого вида по зонам сапробности. Для учета сапробной валентности при вычислении индекса сапробности авторы ввели так называемый индикаторный вес (J) в баллах от 1 до 5, показывающий специфичность вида к определенно сапробной зоне. Виды с индикаторным весом 5 наиболее строго приурочены к какой-то сапробной зоне, а с весом 1 – часто встречаются в нескольких зонах.
Изложенные выше положения стали базовыми для целой области знаний, в которой разработано множество (не менее нескольких десятков) разных способов оценки качества воды и их модификаций (обзор см. Макрушин, 1974; Семенченко, 2004). Они требуют различного уровня определения (и подготовки специалистов), несколько разных методов сбора проб, рассчитаны на применение в разных регионах или для определенных типов водоемов, но практически все прямо или косвенно связаны с концепцией сапробности.
Литература:
Макрушин А.В., 1974. Биологический анализ качества вод. Л.: Зоол. ин-т АН СССР. 59 с.
Семенченко В.П., 2004. Принципы и системы биоиндикации текучих вод. Минск: Изд-во «Орех». 124 с.
Sladecek V., 1973. System of water quality from the biological point of view // Arch. Hydrobiol. Ergeb. Limnol. №3. 218 p.
Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.
