Определение органического загрязнения старичных озёр поймы реки Амур с помощью донных организмов

МБОУ Куропатинская СОШ

Тамбовский район

Амурская область

Определение органического загрязнения старичных озёр поймы реки Амур

с помощью донных организмов  

Выполнил:  Бернгард  Полина Алексеевна,

11 класс

Руководитель: Громова Наталья Александровна,

учитель биологии

с. Куропатино

2011 г.

Содержание

Введение                                                         3

1. Обзор литературы
2. Материалы и методики                                        7

1.  Методика изучения гидрохимических                                                 показателей воды                                        7
2.  Методика изучения кислотности воды                8
3.  Методика изучения запаха воды                        8
4.  Методика изучения прозрачности воды                8
5.  Методика изучения макробентоса озёр                8
6.  Методика оценки качества воды                        9

3. Результаты исследований                                        11

Выводы                                                                14

Литература                                                                15

Приложения                                                         16

Введение

Пойменные озера - ценные водные объекты, которые характеризует замедленный водообмен, значительные сезонные колебания уровня и специфический гидрохимический режим. Благодаря аккумуляции минеральных и органических веществ, на дне многих озер образуются полезные ископаемые (сапропель и торф). Вокруг этих водоемов складывается особый микроклимат, который оказывает заметное влияние на приозёрные экосистемы. Старичные озера, которые остаются на месте прежнего течения реки, после того как она меняет русло, являются не только важным звеном гидрографической сети региона, но и играют особую роль в поддержании биологического разнообразия. В озерах формируется целый комплекс водных и околоводных растений, в который входит ряд редких и охраняемых видов [1. с.23].  

Водная толща, дно и заросли растений служат местом обитания большого числа водных и околоводных животных - беспозвоночных, амфибий, насекомых, к озерам приурочены участки гнездования, остановки и кормления во время миграций многих видов птиц.

Как постоянный источник пресной воды, старичные озера используют для водопоя крупного рогатого скота, и, наконец, это излюбленное место отдыха людей. В пойме реки Амур, благодаря большой ширине поймы, их особенно много. Экосистемы малых озёр чутко реагируют на изменения в окружающих ландшафтах, в климате и в хозяйственной деятельности человека, благодаря чему их можно рассматривать как индикаторы динамики природных и антропогенных процессов [5. с.131]. Поэтому очень важно проводить мониторинг их состояния. 

Цель нашего исследования: определение степени возможного органического загрязнения  нескольких старичных водоёмов поймы   р.Амур.

Задачи:

1. Определить физические и некоторые химические свойства водоемов, в которых проводилось исследование.
2. Рассмотреть донные организмы и познакомиться с их разнообразием.
3. Определить  степень органического загрязнения и класс качества воды исследуемых озёр на основе олигохетного индекса Гуднайт-Уотлея.

1. Литературный обзор

По данным А.П. Садчикова  для анализа качества вод используются индикаторные организмы и специальные методы, среди которых наиболее популярной является система Кольквитца-Мерссона и ее модификации, Одигохетный индекс Гуднайт-Уотлея и некоторые другие.

Высшие водные растения как индикаторы изменения качества воды наряду с другими организмами находят широкое применение при биологическом анализе и проведении санитарно-гидробиологических  исследований [7. с.84].    

В своей статье А.Р. Ляндберг отмечает важность и значимость изучения пресного водоёма. Понятие "качество воды" подразумевает комплексную оценку, которая включает гидрохимические и гидробиологические характеристики. В настоящее время продолжает использоваться традиционный подход к оценке качества воды, основанный на определении только ряда химических показателей. Это не позволяет оценить изменения в водной экосистеме, оценить степень ее нарушенности, выяснить механизм нарушения и дать прогноз дальнейшего изменения в экосистеме. Такие задачи можно решить, используя методы биоиндикации.

По мнению автора  водоемах с наиболее «чистой» водой, содержащей низкие концентрации биогенных и органических веществ, количество видов гидробионтов и их обилие обычно ниже, чем в тех водоемах, где органические вещества, соединения азота и фосфора присутствуют в умеренных концентрациях. Для многих водных организмов, обитающих в мезо- и эвтрофных водах, умеренный уровень загрязнения является нормальным состоянием среды обитания. Часть таких видов вполне может служить индикаторами загрязнения воды органическими и биогенными веществами. Другая часть видов, обитающих в узких пределах условий окружающей среды, не выдерживают даже небольшого загрязнения и исчезают – такие виды являются хорошими индикаторами низких уровней загрязнения. По мере поступления органических и биогенных веществ происходит постепенное изменение химического состава воды, видового состава гидробионтов, происходит перестройка структуры и функций экосистемы в целом. В начале процесса загрязнения изменения в экосистеме незначительны и обратимы. В дальнейшем экосистема увеличивает свою способность к переработке поступающих веществ, но до определенного предела. Его превышение приводит к деградации и полному разрушению экосистемы [3. с.48].    

Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д.  считают, что важнейшей комплексной характеристикой состояния водоема является уровень его сапробности. Сапробность – характеристика водоема, показывающая уровень его загрязненности органическими веществами и продуктами их распада. По нарастанию количества органических веществ различают водоемы олигосапробные (практически незагрязненные), бета-мезосапробные (слабо или умеренно загрязненные), альфа-мезосапробные (загрязненные) и полисапробные - сильно загрязненные органикой Как правило, высокие концентрации органических веществ в водоемах вызываются сбросом в них сточных вод бытового и сельскохозяйственного происхождения. Под сапробностью какого-либо вида животных или растений понимают его способность обитать в воде с соответствующим уровнем органического загрязнения.

Авторы считают, что от олигосапробной к полисапробной зоне ухудшаются многие важные для водных обитателей показатели: уменьшается содержание растворенного в воде кислорода, необходимого для дыхания гидробионтов, нитраты превращаются в более токсичные нитриты и аммонийные соединения. Сульфаты переходят в сульфиты и далее в сульфиды вплоть до образования сероводорода. При этом уменьшается количество видов живых существ, требовательных к содержанию кислорода, вплоть до полного их исчезновения. В то же время виды, способные выдержать изменение химического состава воды и недостаток кислорода, могут даже увеличить свою численность за счет притока питательных веществ и исчезновения конкурентов

Этот процесс называется антропогенным эвтрофированием водоема.

По мере дальнейшего загрязнения ситуация ухудшается: исчезает все больше видов, нарушаются пищевые связи, нарушаются круговороты веществ и использование энергии в системе. Снижается устойчивость экосистемы, ее способность к переработке веществ и "самоочищению", экосистема деградирует. По разнообразию отмеченных в водоеме видов-индикаторов и их обилию определяют уровень сапробности водоема [10. с.257] .  

СибагатуллинаА.М.,   в монографии  «Измерение загрязнённости речной воды» считает,  что биологические методы оценки – это характеристика состояния водной экосистемы по растительному и животному населению водоема. Рассматриваются различные типы населения водоемов – перифитон, бентос, планктон, нектон, макрофиты и др.

Специалисты многих стран при мониторинге рек используют бентосных макробеспозвоночных для оценки влияния на качество воды ряда антропогенных загрязнений.

Нужно помнить, что все  методы биоиндикации  имеют общие недостатки:

– численность большинства организмов имеет четко-выраженную сезонность, и зависит от погодных условий;

– для большинства методов требуются квалифицированные специалисты в определении видов живых организмов. Наряду с методами биоиндикации необходимо применение и метода биотестирования, для выявления и оценки действия факторов (в т. ч. и токсических) окружающей среды на организм, его отдельную функцию или систему организмов [8. с.47].

 Среди объектов тестирования наряду с физическими свойствами очень важно знать содержание кислорода в изучаемых водоёмах. Контроль содержания кислорода - чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая  сельское хозяйство, медицину, биологию, рыбную и пищевую промышленность, службы охраны окружающей среды. Содержание растворённого кислорода определяют в незагрязнённых природных и в сточных водах после очистки. Прежде всего, растворённый кислород в водоёмах важен для живых организмов, обитающих в водной среде. Изменение концентрации может привести к изменениям в локальной экосистеме. Изменение его концентрации может быть вызвано как естественными факторами, так и антропогенными  [8. с.55].

2. Материалы и методики

Краткая характеристика исследуемых озёр.

Исследование было выполнено с 4 по 26 июля 2011 года группой учащихся школы села Куропатино Амурской области.

Для исследования были выбраны три озера-старицы, расположенные в пойме Амура. Эти озера малопроточные, водообмен в них очень слабый из-за существенного зарастания. Все озёра расположены близко к населенным пунктам и в разной степени испытывают антропогенное воздействие.

Озеро Аргузиха течет рядом с селом Куропатино. Из-за зарастания и заиливания используется населением незначительно: купаются маленькие дети и подростки только в одном месте, очищенном от береговой растительности. Рыба водится мелкая, сорная. В советские времена в озеро сливались стоки колхозной бани и отходы от содержания крупного рогатого скота на молочно-товарной ферме.

Озеро Косицино расположено в 2 км от села Куропатино. Значительная часть берегов этого озера не имеет растительности, так как в течение многих лет озеро используется для водопоя крупного рогатого скота.

Озеро Бородино расположено в 8 км от села Куропатино. В последние годы оно значительно  сузилось из-за сильного зарастания берегов. Это озеро с трёх сторон окружено пахотными землями, которые ежегодно засеваются.

Методика изучения гидрохимических показателей воды

Определение растворённого в воде кислорода проводилось по методу Винклера с использованием специального набора. За основу берется количество используемого раствора тиосульфата натрия. Количество раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, пропорционально концентрации растворенного кислорода [4. с.50]. Нами была составлена сравнительная шкала для определения содержания кислорода, [приложение 1]

В этом методе растворенный кислород количественно реагирует со свежеосажденным гидроксидом Мn(II). При подкислении соединения марганца (II) переходят в соединения Мn (IV), при этом высвобождает йод из раствора иодида в эквивалентных кислороду количествах.  Высвобожденный йод далее определятся титрованием тиосульфатом натрия с крахмалом, который используется в качестве индикатора [6.с.50-55].   Содержание кислорода определяется по формуле:

 ;

Методика изучения кислотности воды

Кислотность воды в озёрах измеряли при помощи универсальной индикаторной бумаги, спиртовых растворов лакмуса и метилового оранжевого.

Методика изучения запаха воды

Определение запаха воды проходило при 20 °С. по ГОСТ 3351-74

В колбу с притертой пробкой вместимостью 250 см отмерили 100 мл   испытуемой воды с температурой 20°С.  Колбу закрыли пробкой.  Содержимое колбы несколько раз перемешали вращательными движениями, после чего колбу открыли и определили характер и интенсивность запаха [4. с.76]

Методика изучения прозрачности воды

Прозрачность воды - характеристика, показывающая, насколько уменьшилась интенсивность света при его прохождении через слой воды определенной толщины.  Прозрачность воды измерялась при помощи диска Секки: его погружали в воду и фиксировали глубину, на которой он переставал быть виден  [2. с.25] 

Диск Секки, прибор для определения относительной прозрачности воды водоёма. Представляет собой белый диск диаметром 30 см, который на тросе опускают плашмя в воду и замечают глубину, на которой он перестаёт быть видимым. Эта глубина, выраженная в метрах, принимается за меру прозрачности воды. Назван по имени А.Секки, измерявшего в 1865 прозрачность морской воды таким методом  [2. с.25].

Методика изучения макрозообентоса озёр

В каждом из озер были отобраны пробы бентоса. Сбор материала проводили с помощью гидробиологического скребка длиной 2 м, из мелкоячеистого тюля с диаметром ячеи 1 мм. При взятии пробы скребком срезали верхний слой грунта вместе с находящимися в нём живыми организмами. После извлечения грунта из воды его сразу промывали в сачке с целью отсеивания мелких частиц. Затем из оставшегося грунта выбирали живые организмы, разбирали по трофическим группам и отсаживали в отдельные склянки [2. с.15, 4. с.33].

Определение донных организмов осуществлялось в основном до семейства. Для этого использовался определитель М. В. Чертопруда  и Г. Н. Горностаева  [9. с.91].

Пробы бентосных организмов при помощи дночерпателя или банки отбираются  вдоль  береговой линии. Отбор проб в глубоких местах водоема сложен: для этого нужно иметь лодку и тросовый дночерпатель. Но для прибрежной зоны обычно характерна более разнообразная фауна бентоса, поэтому для оценки состояния водоема достаточно отобрать пробы на небольших глубинах  [9. с.6].

Метод отбора проб должен исключить (или, при невозможности исключить, свести к минимуму) возможные изменения определяемого показателя в процессе отбора. С учетом целей исследований проводится отбор точечных проб или объединенной (составной) пробы. Точечная проба получается путем однократного отбора всего требуемого количества исследуемого объекта. Точечная проба предпочтительнее в случаях непостоянства значений определяемых показателей во времени, в потоке воды. При отборе точечной пробы имеет место оценка состава и свойств исследуемого объекта в данном месте и в данный момент времени. При отборе проб воды не допускается взмучивание осадка донных отложений. Рекомендуемая глубина отбора проб поверхностных вод составляет 0,5 метра [10. с.228]

Оценка качества воды

Для оценки качества воды был использован олигохетный индекс. [приложение 3.4] Классический вариант олигохетного индекса (ОИ) впервые был предложен Гуднайтом и Уотлеем в 1961 г. Эта простая, но надёжная методика биоиндикации используется только для определения загрязнения водоёма органическими веществами. Для определения значений олигохетного индекса годятся только материалы дночерпательных проб [9. с.6]. ОИ рассчитывается как отношение численности олигохет к общей численности организмов в пробе. При этом состояние реки считается хорошим, если ОИ меньше 60%, сомнительным при ОИ в пределах 60-80%, река тяжело загрязнена, если ОИ превышает 80%. По показателю обобщенного индекса судят о степени эвтрофикации водоема. Преимущества этой методики состоит в том, что никаких животных не нужно определять с точностью до вида. Значение индекса,  а равно отношению количества обнаруженных в пробе олигохет (малощетинковых червей) к общему количеству организмов (включая и самих червей) в процентах по формуле:

     [8.с.31].

В нашей работе нам оказывали консультативную помощь ученые московского научно-исследовательского гидрологического института Краснова Елена Дмитриевна и Власова Светлана Николаевна.

Результаты исследований

Анализ изученной литературы показывает, что  биоразнообразие  водных беспозвоночных животных может быть индикатором качества воды. Беспозвоночные в малопроточных речках представлены большим количеством ракообразных групп организмов, но самые удобные  при тестировании вод – это, так называемые, организмы макробентоса.   Эти организмы обитают в водной среде, которая  имеет  свои характеристики  и существенным образом отличается от наземно-воздушной и почвенной среды обитания [2. с.14, 3. с.33].

С целью изучения условий обитания водных беспозвоночных,  нами были определены  физические и некоторые химические свойства озёр, в которых проводилось исследование.    Изучаемые характеристики для всех озёр сильно различались.

Анализ  проведенных  исследований  показал,  что  наиболее  прозрачная  вода в  озере Бородино. Диск Секки был виден до глубины 146 см, в этом озере оказалась самая низкая температура - 20°С  и самое высокое содержание кислорода в воде  14,4 мг/дм3  (2 балла).

В озере Косицино вода оказалась самая мутная,  диск Секки не был виден уже на глубине 28 см. В этом озере самая кислая среда из всех изученных, температура воды 21°С, содержание кислорода относительно достаточно высокое 11,2 мг/дм3  (3 балла).

Вода в озере Аргузиха тоже мутная, ниже глубины 31 см предметы не различаются, оно хорошо прогревается - температура воды составила 28 °С, и в ней содержание кислорода низкое  7,2 мг/дм3  (2 балла).

Организмы, обитающие на дне водоема, в толще донных осадков или в придонном слое воды, менее динамично реагируют на быстрые изменения уровня загрязнённости. Но, благодаря продолжительному жизненному циклу многих донных животных, их сообщества надёжно характеризуют изменения водной среды за длительные периоды времени. Олигохеты - это малощетинковые черви из типа кольчатых. Большинство олигохет питается растительным детритом, который поглощают с грунтом. Олигохеты играют важную роль в круговороте веществ в водоёмах и почвах, определяя темпы илообразования и минерализации осадков в пресных водоёмах, а в почвах влияя на их структуру и гумусообразование. Олигохеты имеют большое значение для процессов самоочищения загрязнённых водоёмов; служат пищей рыб [5. с.118].

Животные из донного осадка исследуемых озёр.

При дночерпательных пробах в озере Бородино нами были собрано наибольшее  разнообразие видов организмов, всего 15 особей  (мальки рыб, прудовики, взрослые насекомые и их личинки, икра в ленте, малощетинковые черви). Личинок стрекоз мы не обнаружили.  Из общего числа особей олигохет было 3.

 В озере Косицино было собрано наименьшее число видов организмов (мальки рыб, личинки стрекоз, личинки комаров, малощетинковые черви), всего 19 особей. Среди донных организмов мы не нашли прудовиков, взрослых насекомых, икры.  Из общего числа особей олигохет было 10.

 В озере Аргузиха нами было обнаружено самое большое число особей – 24.  Но во взятых пробах этого озера личинок стрекоз мы также не обнаружили. Из общего числа особей олигохет было 12.

Анализ собранных организмов показывает, что меньше всего олигохет было в озере Бородино, где индекс Гуднайт-Уотлея составил 20 %, что позволяет отнести воду данного озера к 1-2 классу качества (отсутствие органического загрязнения).

В озере Аргузиха индекс Гуднайт-Уотлея был 42 %, что соответствует незначительному органическому загрязнению и 3-му классу качества.

Из исследованных озер самое высокое значение олигохетного индекса Гуднайт-Уотлея 63 %  зарегистрировано  в  озере  Косицино,  что  соответствует  умеренному  загрязнению органическими веществами и 4 классу качества воды.

Степень загрязнения и класс качества воды дает возможность определить состояние водоёма и степень сапробности.  Сапробность - это характеристика водоёма, которая отражает количество органических веществ и продуктов их распада  [6.  с.84].   Класс качества воды говорит о том, что озеро Бородино можно отнести к олигосапробной зоне, озеро Аргузиха   можно   отнести   к   бетамезасапробной   зоне,   озеро   Косицино   относится   к  альфамезосапробной зоне.

При комплексном исследовании  старичных озёр параллельно проходило изучение прибрежной  растительности как буферной зоны для органических веществ, стекающих в озеро  и как индикатора  органического загрязнения водоёмов.  Выводы о степени органического загрязнения исследуемых озёр на основе прибрежной растительности полностью совпали с результатами, полученными при изучении степени органического загрязнения озёр на основе изучения донных организмов.

Выводы

Поведенные исследования позволяют сделать выводы.

1. Изученные свойства озёр говорят о том, что озеро Бородино имеет самую холодную и прозрачную воду с высоким содержанием кислорода 14,4 мл/л, что согласуется наименьшей антропогенной нагрузкой на этот водоем. Вода в озёрах Аргузиха и Косицино непрозрачная и содержит значительно меньше кислорода:  7,2 мл/л и 11,2 мл/л соответственно.

1. Дночерпательные пробы показали разнообразие организмов изучаемых водоёмов. В пробах были обнаружены мальки рыб,  прудовики, насекомые и их личинки, икра в ленте, малощетинковые черви. Количество и биоразнообразие животных из донного осадка исследуемых озёр имеют существенные отличия.
2.   Олигохетный индекс Гуднайт-Уотлея показал разную степень загрязнения  воды озёр органическими веществами. В озере Бородино органическое загрязнение отсутствует (олигосапробная зона).  В озере Аргузиха присутствует незначительное органическое загрязнение (бетамезасапробная   зона). В воде озера Косицино отмечено умеренное загрязнение органическими веществами (альфамезосапробная зона).  

Таким образом, степень загрязнения воды исследуемых озёр органическими веществами незначительная или умеренная, что является допустимым  и пригодным для жизни водных и околоводных организмов.

Полученные нами данные представляют собой предварительные оценки степени загрязнения малопроточных озёр поймы реки Амур.  Для получения более точных данных требуется большая работа специалистов. Но даже на основе данных, полученных нами, можно сказать, что в перспективе, возможно медленное зарастание озер, полная смена биоценоза. Восстановлению прежнего вида стариц могло бы способствовать промывание озер во время наводнений, но это невозможно из-за регулирования сброса воды Зейской и Бурейской ГЭС.

В ближайшее время антропогенное воздействие на озера, прилегающие к селу, будет продолжаться, следовательно, будет наблюдаться медленная сукцессия.

С проведенными исследованиями ознакомлена администрация села Куропатино. Работа в данном направлении будет продолжена.

Литература

1. Ахтямов,М.Х., Морзова Г.Ю.  Муравьевский парк. Природные условия и растительность / М.Х. Ахтямов, Г.Ю. Морозова. - Владивосток: ДВО РАН, 2002. – 39 с.
2. Вшивкова, Т.С. Биоиндикация качества пресных вод с использованием водных беспозвоночных / Т.С. Вшивкова,  Д.Н. Мороз. – Владивосток: Наука, 2006. – 25 с.
3. Ляндсберг, А.Р.   Биоиндикация  состояния  пресноводного   водоёма  с  помощью донных организмов  / А.Р. Ляндсберг. - С-Петебург: Наука, 2004. -48 с.
4. Коробейникова, Л.А. Комплексная экологическая  практика школьников и студентов / Л.А.Коробейникова.- Санкт-Перербург: «Крисмас+», 2002. – 50 -76 с.

1. Кривенко, В.Г.       Водно-болотные       угодия       России / В.Г.Кривенко. – М.: Наука, 1998. Т.1. – 220 с.
2. Новиков, Ю. В. Методы исследования качества воды водоёмов / Ю. В. Новиков, К. О. Ласточкина,З.  Н. Болдина / под ред. А. П. Шицковой. - М.: Медицина, 1990. - 50 – 55 с.
3. Садчиков,А.П., Экология прибрежно-водной растительности / А.П. Садчиков, М.А. Кудряшов. - НИА-Природа, РЭФИА, 2004. – 84 с.
4. Сибагатуллина, А.М., Измерение загрязнённости речной воды / А.М. Сибагатуллина. -  М. Издательство «Академия  естествознания», 2009. – 47 с.
5. Чернопруд   М.В.   Биоиндикация   качества   водоёмов  по  составу   сообществ беспозвоночных/ М.В. Чернопруд. - М:МГСЮН, 2007.-91с.
6. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации/ В.К. Шитиков, Г.С.Розенберг,  Т.Д. Зинченко. – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. – 463 с.

Приложения

Таблица 1. Шкала для определения кислорода в воде.

Таблица 2. Количество кислорода, содержащегося в пробах воды исследуемых озёр.

Таблица 3. Олигохетный индекс Гуднайт-Уотлея

Таблица 4. Характеристика биологической оценки загрязнения вод