Биотестирование окружающей среды

При качественном просмотре проб организмы можно учитывать по пятибалльной шкале. Наиболее принята шкала шестиступенчатая девятибалльная (1, 2, 3, 5, 7, 9). Однако качественная оценка субъективна, а также недостаточно точна, поэтому количественный учет применяют в счетных камерах. Если невозможно подсчитать каждый вид организмов в отдельности, то количественный учет организмов проводят по следующим счетным группам: нитчатые бактерии, губки, зооглеи, жгутиковые, амебы, свободноплавающие и сидячие инфузории, коловратки, черви, личинки насекомых, рачки и т. п. При взятии пробы пипеткой следует тщательно перемешивать жидкость.

При наличии активного ила с крупными организмами, что характерно для лабораторных установок, применяют стереоскопический микроскоп МБС с окулярами 10 – 12,5, тогда подсчет ведут в чашках Петри. В активном иле производственных сооружений обычно преобладают мелкие организмы, их просчитывают в камерах Кольтвица, Нажотта, Горяева и т.п. В активном иле на сооружениях с низкой нагрузкой или при стабилизации ила нужно применять увеличения микроскопа от 60 до 400 раз. В каждом случае после основного просчета дополнительно просматривают пробу как при большом, так и при меньшем увеличении, чтобы не пропустить очень редкие или очень мелкие организмы.

Количество организмов выражают в экземплярах или объемных единицах биомассы на 1 мл иловой смеси активного ила, а также на 1 г сухого вещества активного ила. При сравнении активного ила из разных сооружений – аэротенка и регенератора или двух аэротенков с разными дозами ила – лучше выражать содержание организмов на 1 г сухого вещества ила. Для этого одновременно с микроскопированием из той же пробы определяют дозу ила и затем делят число организмов на дозу ила в граммах. Поскольку организмы сильно отличаются между собой по размерам, правильнее выражать содержание организмов не в числе, а в их биомассе. Для этого вычисляют объем организмов, исходя из измерений их размеров с помощью окуляра-микрометра и приравнивая форму каждого организма к простейшему геометрическому телу. Плотность организмов принимают равной единице, получают биомассу в граммах. Например, биомасса отдельных видов инфузорий составляет для Tetrahymena 0,01 – 0,05 • 10-3мг; для Paramecium caudatum – 0,5 – 0,6 • 10-3 мг; для Spirostomum – 12,7 • 10-3 мг [18].

Результаты микроскопирования проб и количественного учета организмов активного ила записывают в рабочем журнале. Дают характеристику ила.

Перечень индикаторных организмов активного ила:

1 Нитчатые бактерии Cladothrix  dichotoma и Sphaerotilus часто встречаются в активном иле, особенно в углеводистых стоках (крахмально-паточных, гидролизных, текстильных и др.). Cladothrix усваивает азот из любых соединений, включая минеральные (нитраты), а Sphaerotilus растет только на органическом азоте. По морфологическим признакам Cladothrix отличается ложнодихотомическим ветвлением. Нитчатые бактерии образуют длинные нити при замедленном течении жидкости и, наоборот, мельчают при сильном механическом перемешивании в сооружениях. Массовые скопления нитчатых в аэротенке вызывают вспухание ила.

2 Нитчатые серобактерии (Beggiatoa, Thiothrix) встречаются в сточных водах, содержащих сероводород. Сначала сероводород окисляется до серы, которая откладывается капельками в клетках нитчатых. При недостатке кислорода окисление останавливается на этой фазе. При избытке кислорода сера окисляется до сульфатов, которые сильно подкисляют среду. Нити не имеют капель серы при недостатке сероводорода или избытке кислорода. Серобактерии встречаются также в виде отдельных клеток или их скоплений.

3 Плесневые грибы образуют ветвящиеся нити, разделенные на клетки, или отдельные клетки. Развиваются в широком диапазоне температур и при различной реакции среды, но чаще в кислой среде, в промышленных сточных водах, где отсутствуют другие организмы.

4 Зооглеи представляют собой желеобразную массу различной формы и консистенции, в которую вкраплены бактериальные клетки шаровидной и палочковидной форм. Размеры бактериальной клетки – от десятых долей микрометра до нескольких микрометров. Зооглеи встречаются в виде комковатых шаровидных скоплений, узких плотных тяжей или древовидного разветвления лопастей.

5 Корненожки (или амебы) (Arcella vulgaris) в хорошо работающем нормальном активном иле встречаются в значительных количествах, как и в нитрифицирующем иле, но отмечалось их присутствие и в плохом иле. Amoeba radiosa присутствует при хорошей работе сооружений.

6 Жгутиковые бесцветные (Bodo, Proteus) в больших количествах встречаются в перегруженных илах; единственные экземпляры – в нормально работающем иле. Жгутиковые имеют размеры около 10 мкм, поэтому хорошо видны в микроскоп только при большом увеличении.

7 Инфузории (Infusoria) почти всегда присутствуют в созревшем иле. Характерным является состояние ресничной зоны организма: в хорошем иле ресничная зона раскрыта, движения ресничек активные; при неблагоприятных условиях ресничная зона замкнута. При увеличении нагрузки оперкулярия сжимается и инцистируется.

8 Vorticella microstoma развивается в перегруженном иле с недостаточным содержанием растворенного кислорода.

9 Epistylis, Carchesium развиваются в заметном количестве в нитрифицирующем иле.

10 Vorticella convallaria –характерный представитель хорошего ила, при регенерации встречаются скоплениями; чувствительны к токсичным условиям. При недостатке растворенного кислорода вортицеллы отрываются от стебелька и образуют особую, свободно плавающую форму с венчиком ресничек на заднем конце.

11 Aspidisca – распространенная, почти всегда присутствующая в иле брюхоресничная инфузория. Чаще всего является положительным признаком для оценки качества ила. Вынослива к изменениям условий среды.

12 Paramecium caudatum –одна из форм, наиболее выносливых к недостатку кислорода; характерна для плохого ила. Как и другие крупные свободно плавающие инфузории встречается при большом количестве бактерий, находящихся во взвешенном состоянии при разложении ила.

13 Сосущие инфузории (Podophrya, Tokophrya) находятся в условиях недогрузки сооружений. Представлены формами, паразитирующими на других инфузориях.

14 Круглые черви (Nematoda) часто находятся на биофильтрах, а на аэротенках встречаются в заметных количествах в недостаточно аэрируемом иле, с зонами залежей. Единичные экземпляры могут быть в нормальном иле аэротенков.

15 Малощетинковые черви (Oligochaeta) в заметных количествах могут развиваться в илах с устойчивой нитрификацией, на биофильтрах.

16 Коловратки (Philodina, Monostyla, Notommata и др.) находятся в активном состоянии при достаточном обеспечении растворенным кислородом в нитрифицирующем иле, но оказываются в сжатом состоянии при неблагоприятных условиях.

17 Водные клещи (Hydracarina) встречаются на биофильтрах, а в аэротенках – в голодающем иле при низкой температуре.

18 Личинки насекомых (Psichoda) обычно находятся на биофильтрах.

Рачки (Crustacea) отсутствуют в обычном иле, развиваются в заметных количествах только в голодающем иле при низкой нагрузке.

Характеристика ила по индикаторным видам:

1 Удовлетворительно работающий (хороший) ил. Большое разнообразие простейших по видовому составу при небольшом количественном преобладании какого-либо из видов. Постоянное наличие Aspidisca, Zoogloea. Все виды достаточно активны. Ил оседает в виде крупных тяжелых хлопьев. Вода над илом прозрачная.

Ил из регенератора:

а) при хорошей регенерации – количественное преобладание прикрепленных инфузорий Vorticella convallaria, Epistyllis над свободно плавающими инфузориями; увеличение количества прикрепленных инфузорий и зооглей по сравнению с илом в аэротенке; организмы подвижные; хлопок ила крупный, хорошо осаждается, вода над илом прозрачная; исчезает сера в клетках нитчатых серобактерий;

б) при глубокой регенерации – преобладание крупных свободноплавающих инфузорий, увеличение размеров Vorticella и Opercularia; распад хлопка ила на более мелкие хлопья, вода над илом имеет мелкую неоседающую муть.

2 Голодающий ил. Мелкие размеры простейших, организмы становятся прозрачными, пищеварительные вакуоли исчезают, частично инфузории превращаются в цисты. Коловратки образуют цисты позже, чем инфузории. Зооглей и хлопья ила прозрачные. Вода над илом мутная.

3 Нитрифицирующий ил. Постоянно присутствуют в заметных количествах коловратки: Philodina, Callidina и другие виды. Количественно преобладают прикрепленные инфузории: Vorticella convallaria, Carchesium, крупные амебы Arcella. Возможно присутствие в больших количествах малощетинковых червей Aeolosoma. Ил рыхлый, всплывает после осаждения.

4 Перегруженный ил. Малое количественное разнообразие видов, преобладают два-три. Большое количество бесцветных жгутиковых, мелких амеб, Litonotus и других мелких инфузорий. Присутствуют в заметных количествах Podophrya, Chilodon, Vorticella microstoma, Opercularia, иногда нитчатые бактерии. Ил загрязнен многочисленными включениями: органикой, мышечными волокнами, мусором и т.д. Хлопья ила темные, плотные. Вода над илом с опалесценцией.

5 Ил при сбросе промышленных стоков, неадаптированный. Уменьшение разнообразия видов, преобладают один-два. Измельчение организмов, особенно, V. convallaria и Opercularia при увеличении их общего количества или при резком уменьшении общего количества в зависимости от степени токсичности стока. Неподвижное состояние ресничных инфузорий, гибель Flagellata, преобладание коловраток и червей.

Ил мелкий, загрязнен включениями промышленных стоков, осаждается плохо, может иметь цветные частицы. Вода над илом мутная.

6 Ил при недостатке кислорода. Vorticella раздувается в виде шара, некоторые представители рода лопаются и исчезают. Opercularia с замкнутым ресничным диском, неподвижные. Коловратки неподвижные, застывшие в вытянутом состоянии, отмирающие. Большое количество разнообразных жгутиковых. Из инфузорий почти исключительное господство Paramecium caudatum как очень выносливой формы к недостатку кислорода, способной оживленно плавать в гниющем иле. Хлопья ила распадаются. Вода над илом мутная [17].

 

3.3 Оценка трофических свойств водоема с использованием высших растений

 

Высшие водные растения являются наименее изученным звеном среди организмов-индикаторов, хотя имеют ряд преимуществ. Они представляют собой видимый невооруженным глазом и поэтому весьма удобный для наблюдения объект, а также дают возможность при рекогносцировочном гидробиологическом осмотре водоемов в первом приближении визуально оценить их экологическое состояние. Макрофиты позволяют определить трофические свойства воды, а иногда и специфику ее химизма, что имеет существенное значение при биоиндикации чистых вод [19].

Принцип метода основан на учете видового разнообразия представителей водной макрофлоры и их индикаторной значимости. В прибрежно-водной растительности выявляется исключительно легко поддающаяся учету доминантная флора. При этом подтипу водной растительности, представленной гидромезофитными, гидрофитными и гигрофитными видами, отводится принципиальная роль в оценке загрязнения водной среды. Подтипу прибрежной растительности, представленной гигрофитными, мезофитными и ксеромезофитными видами, определяющее значение придается при оценке загрязнения донных отложений малорастворимыми токсическими веществами.

При ботанической индикации стоячих водоемов целесообразно учитывать следующие показатели при визуальном осмотре водного объекта: степень покрытия его макрофитами, флористическое разнообразие растений, отклонения в развитии и росте. При последующих лабораторных исследованиях, в случае необходимости, определяется ряд количественных характеристик: величины фитомассы и продукции, высота и масса стебля, химический состав растений [20].

Большую роль при индикации вод играет наличие определенных видов-индикаторов. Но выявление таких растений встречает ряд трудностей вследствие того, что многие из них обладают широкими экологическими и географическими ареалами. Более того, в различных физико-географических условиях данные растения-индикаторы могут встречаться в водоемах неодинакового трофического статуса и иметь соответственно различное индикаторное значение. Лимитирующим фактором при выявлении индикаторных видов является также ограниченность сведений об экологии и физиологии большинства видов макрофитов.

По общепринятой классификации стоячие водоемы (озера, естественные пруды, и т.д.) делятся на ацидотрофные, дистрофные, олиготрофные, мезотрофные и эвтрофные. Кроме того, имеется ряд переходных стадий (таблица 7). Для расчета общей трофности каждому типу водоема присуждается номер: ацидотрофные – 0, дистрофные – 1, олиготрофные – 2, мезотрофные – 3 и эвтрофные – 4.

 

Таблица 7 – Определение экологического типа водоема

 

Признаки	Тип водоема
	Олиготрофный	Мезотрофный	Эвтрофный	Дистрофный	Ацидотрофный
Котловина	Общирная, глубокая	Сотни, тысячи га	Различных размеров	Десятки, сотни га, глубина до 2-4 м	Небольшая, глубокая
Прибрежные грунты	Песчано- каменистые	Песчано- каменистые	Заиленные пески, ил	Илистые	Торфянистые
Цвет воды	Голубой	Зеленый, желто-зеленый	Зеленовато-желтый, желтый	Буровато-желтый	Бурый
Прозрачность воды	До 10 м и более	До 4-6 м	До 2-3 м	До 1,5 м	Менее 1,5 м
Содержание кислорода, мг/л	Высокое, больше 8	Среднее, 7-8	Пониженное, 5-7	Низкое, меньше 4	Низкое, меньше 4
Кислотность рН	7	6-7	6-7	5-6	Меньше 5
Минерализация, мг/л	Низкая, меньше 50	Средняя, пониженная, 51-99	Умеренная, 100-99	Пониженная, 51-99	Низкая, меньше 50
Жесткость воды, моль Са2+; Mg2+ /л	Мягкая, меньше  1,5		Умеренно жесткая, 1,5-3,0	Мягкая, меньше 1,5