Оценка экологического состояния реки Клязьма методом биоиндикации

Оценка экологического состояния реки Клязьма методом биоиндикации

Федорова Дарья

Вступление

1. Актуальность работы: 

В связи с большой антропогенной нагрузкой, испытываемой природными комплексами в последнее время, становится актуальной разработка и апробация методик, позволяющих оценивать экологическое состояние природных природно-антропогенных ландшафтов. Так как все компоненты природы тесно и неразрывно взаимосвязаны между собой, то нарушения одного компонента вызывает изменение состояния всех остальных. Поэтому, оценивая состояния одного, можно предполагать и изменения других компонентов. Наиболее остро изменения окружающей природной среды отражаются на биотических компонентах, в том числе и на животном мире. 

В последнее время оказываются сильные антропогенные воздействия на поверхностные водоёмы. Это и различные сбросы промышленных и бытовых вод, и шумовое загрязнение, и нарушение структуры водоемов при механическом перемешивании слоёв воды, а также нарушение термического режима. Всё эти факторы приводят к различным изменениям в водных экосистемах, что отражается и на общем состоянии природы и на человеческом обществе.

Природа Подмосковья испытывает наиболее сильное отрицательное влияние человека, так как данная территория была заселена и освоена человеком достаточно давно. Здесь располагается огромное число промышленных предприятий и населённых пунктов. Именно поэтому состояние природных комплексов Подмосковья вызывает сильную озабоченность и большую тревогу.

К сожалению, не всегда есть возможность проводить комплексные научные исследования, требующие больших материальных затрат и специального оборудования. В таких случаях можно использовать метод биоиндикации, получивший в последнее время широкое признание и распространённость.

Однако целью данной работы является не только оценка биоразнообразия и устойчивости водных биоценозов, но и привлечение внимания школьников к данной проблеме, что особенно актуально в перспективе дальнейшего ухудшения экологической обстановки в московском регионе. Именно в школьном возрасте наиболее удачно можно привить внимание к проблемам охраны природы и бережного к ней отношения.

2. Цели и задачи

Исходя из поставленной проблемы были сформулированы цели и задачи работы. 

Цель: 

Оценка биологического разнообразия и устойчивости пресноводного биоценоза на примере реки Клязьма. 

Задачи: 

1. Описание биогеоценоза (экосистемы) на примере реки Клязьма.

2. Описание морфологических особенностей водоема.

3. Описание экологических групп водных организмов. 

4. Отбор проб и определение организмов. 

5. Описание трофической структуры биоценоза. 

Общее описание водоема

Клязьма – левый приток р. Оки. Его длина 686 км, площадь водосбора 41 699 кв. км. Речная система Клязьма включает 3 508 рек общей протяженностью 16 598 км. В пределах Московской области Клязьма течет на протяжении 245 км. В верховьях река протекает по южным склонам Клинско-Дмитровской гряды, от города Щелково, до поселка Городищи река течет по Мещерской низине. На Клязьме и ее притоках построены водохранилища. В пределах Мещеры долина реки широкая, до 9 км вместе с долинным и террасным комплексом. 

Пойма реки шириною до 2 км несет озера-староречья, дренажную сеть, местами сильно заболочена. Ширина русла изменяется от 40 до 95 м. Расход реки примерно равен 51,5 куб. м\сек. Температура воды в период исследований изменялась от +12 до +4 градусов Цельсия.

Рельеф Клязьминско-Московского района моренно-зандрово-равнинный, плоский с редкими островами моренно-холмистого рельефа. Междуречные пространства Приклязьминской Мещеры сильно заболочены и заторфованы. Клязьма имеет широкую долину с двумя террасами и поймой. Ширина долинного комплекса Клязьмы около 12 км. Обе террасы аккумулятивные, сложенные песками. Рельеф их плоский, местами всхолмленный, холмы – песчаные дюны. Террасы нередко заболочены. Пойма Клязьмы широкая (до 2 км), высотой до 3 м, с плоским рельефом. В излучинах развит гривистый рельеф, часто встречаются небольшие озера. (источник №8)

В районе проводимого исследования ширина реки составляет от 14 до 20 м, глубина – от 0,5 до 1,2 м. Длина исследуемого участка составляет около 500 м. 

Описание биотопов

Для изучения общего экологического состояния водоема было выбрано 6 точек отлова животных – биотопов. 

Биотоп 1. Данный биотоп представляет собой прибрежную зону, глубина которой составляет 0,5 м. у кромки берега и 1,0м. при удалении от него. Размер биотопа составляет около 10 метров в длину и 4-6 метров в ширину. Грунты представлены плотными глинистыми отложениями, что объясняется большой по сравнению с другими биотопами скоростью течения. Водная растительность практически отсутствует, так как высокая скорость течения препятствует её укоренению и разрастанию. Прибрежная растительность также выражена слабо.

Биотоп 2. Данный биотоп представляет собой мелководную прибрежную заводь, сильно заражённую сероводородом, чему способствует практически нулевая скорость течения, а также большое количество прибрежной растительности при неполном перегнивании которой и происходит выделение газа. Глубины в этой зоне невелики и колеблются от 0,05 до 0,2м. Длинна заводи около 20 метров, ширина около 3-5 метров. Грунты представлены илистыми отложениями мощностью 0,1 – 0,4 метра. Растительность представлена такими видами как рогоз узколистный, ряска, зюзник, в менее влажных местах в небольшом количестве присутствует таволга вязолистная; из деревьев ольха чёрная.

Биотоп 3. Данный биотоп представляет собой обширную прибрежную зону, находящуюся выше места впадения в реку ручья Овражий, что отражается на некоторых её особенностях. В устье ручья образуется конус выносы, состоящий из слоёв песка и ила, выносимых ручьём; этот процесс особенно активен весной в период половодья. На данном субстрате, обладающим значительным плодородием интенсивно разрастается прибрежная растительность, преимущественно рогоз. Выше конуса выноса скорость течения в реке замедляется, что приводит к более активному осадконакоплению и также интенсивному разрастанию растительности. Размер биотопа составляет около 35 метров в длину и 4-6 метров в ширину. Так как, скорость течения в данном месте невелика, можно предположить, что донные отложения будут представлены слоями песка и ила. Непосредственное описание отложений не представляется возможным из-за больших по мощности слоёв растительных остатков, перекрывающих их. Среди растительности доминирующим видом является рогоз остролистный. Глубины распределяются следующим образом: у кромки берега 0,1 – 0, 2 метра, при удалении от берега глубина быстро возрастает до 0,4 – 0,8 метра. Однако за счёт сплавины, образованной рогозом удалось произвести отловы на удалении от берега.

Биотоп 4. Данный биотоп представляет собой небольшой песчаный пляж длинной около 5-7 метров и шириной 2-4 метра. Глубина у кромки берега 0,05 метра, при удалении от берега постепенно возрастает до 0,3 – 0,4 метра. Скорость течения средняя. Грунт на дне – песок с небольшой пленкой ила у самой кромки берега. Прибрежная растительность средневыраженна небольшим количеством видов. Следует отметить, что биотоп наиболее подвержен антропогенному влиянию, особенно сильно в летнее время.

Биотоп 5. Данный биотоп по своим условиям является промежуточным между биотопом 1 и биотопом 4. и представляет собой небольшую заводь с песчано-илистым дном, средней скоростью течения. Растительность представлена небольшим количеством рогоза и тростника. Длинна облавливаемого участка 4-6 метров, ширина 1-3 метра. Глубина от 0,2 до 0,5 метров. 

Биотоп 6. Данный биотоп расположен в месте впадения в реку ручья Канальный, который образует в месте слияния с рекой небольшой по размеру, но довольно глубокий омут. Глубина омута составляет 1,2 – 1,8 метра, длинна 2-4 метра, ширина 1,5 – 2,0 метра. Вокруг омута глубины колеблются от 0,3 до 0,6 метра. Участок, на котором производились отловы, имеет размеры 8 – 10 метров в длину и 3 – 5 метров в ширину. У берега растительность представлена рогозом и тростником при удалении в некоторых местах единично встречаются другие виды. Донные отложения представлены песком, в прибрежной зоне на удалении до 1 метра – небольшой слой ила (1-2см). 

Биоценоз. Структура биоценоза

Биоценоз (от биос - жизнь и греч. koinos - общий) – это совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями, как между собой, так и с абиотическими факторами среды, длительное время сосуществующих в пространстве и образующих экологическое единство. 

Историческая справка: 

Термин «биоценоз» ввел в науку немецкий ученый Карл Мебиус в 1877 г. Изучая, как увеличить продуктивность устойчивого хозяйства на отмелях Северного моря, он обнаружил, что устрицы образуют вместе с другими видами морских животных тесные сообщества, которые приурочены к определенному грунту, солености и температуре воды. В этих сообществах происходит борьба за существования и регуляция численности видов.

Биогеоценоз – это исторически сложившаяся совокупность живых организмов (биоценоз) и абиотической среды вместе с занимаемым ими участком земной поверхности (биотопом). 

Все живые организмы по способу питания разделяются на две группы – автортрофов и гетеротрофов. 

Автотрофы используют неорганический углерод и синтезируют органические вещества из неорганических, это – продуценты. 

Гетеротрофы используют углерод органических веществ, которые синтезированы продуцентами, и вместе с этими веществами получают энергию. Гетеротрофы представлены тремя группами организмов.

Группа №1 – консументы. Это организмы, потребляющие живое органическое вещество. 

Группа №2 – детритофаги. Это организмы, потребляющие мертвое органическое вещество. 

Группа №3 – редуценты. Это организмы, которые так же питаются мертвым органическим веществом. В результате чего происходит разложение органического вещества до минеральных соединений, которые возвращаются в почвенный раствор и снова используются растениями. 

Водные биоценозы

Водная среда является особым местообитанием, так как жизнь в ней зависит от физических свойств воды, в первую очередь от ее плотности, количества кислорода и углекислого газа, растворенных в ней, прозрачности воды, что определяет распространение солнечного света в толще воды. Однако, наиболее важными экологическими факторами, влияющими на биологическое разнообразие и распределение видов, в пресноводных экосистемах являются следующие: температура воды, количество органики (кормовая база) и скорость течения.

Все организмы, которые обитают в водной среде делятся на несколько экологических групп: бентос, планктон, нейстон, нектон.

Бентос – (от греческого benthos – глубина), совокупность организмов, обитающих на грунте или в грунте дна водоёмов.

Планктон – (от греческого planktos – блуждающий), совокупность организмов, обитающих в толще воды и неспособных противостоять переносу течением (пассивное передвижение).

Нейстон – (от греческого neustos – плавающий), совокупность организмов обитающих у поверхностной плёнки воды (сверху или снизу от неё).

Нектон – (от греческого neustos – плавающий), совокупность активно плавающих организмов, обитающих в толще воды и способных перемещаться на значительные расстояния.

Список выловленных животных и их распределение по экологическим группам:



Трофическая структура водного биоценоза 

Организмы, входящие в состав того или иного биоценоза могут подразделяться на несколько трофических групп: продуценты, консументы первого порядка, консументы второго порядка, консументы третьего порядка, и т. д., редуценты. В водных биоценозах консументов второго порядка и выше объединяют в группу консументов высшего порядка. Организмы, входящие в одну группу занимают определённый трофический уровень. С одного трофического уровня на другой происходит передача вещества и энергии. 

Схему пищевых связей между организмами биоценоза можно представить в виде набора маршрутов, по которым вещество и энергия передаются от одного вида организмов к другому. 

В водной экосистеме солнечная энергия, усвоенная водорослями и высшими растениями, переходит к различным беспозвоночным, далее к мелким рыбам и, наконец, к крупным хищникам. 

Большое количество организмов, находящихся на одном трофическом уровне служит гарантией того, что в случае исчезновения какого либо вида его место в структуре пищевой цепи займёт другой вид и передача вещества и энергии не будет прервана. 



Материалы и методы

Для выполнения работы использовалось сочетание теории с практикой. 

Практическая часть (отлов организмов и их определение) выполнялась на базе Московского полевого учебного центра ассоциации "ЭКОСИСТЕМА". Её можно разбить на несколько этапов.

1. Отбор проб

На этом этапе были выбраны 6 биотопов на небольшом участке реки Клязьма. В течение нескольких дней с помощью сачка на биотопах были отловлены животные (от 6 до 11 видов в каждом). Для отлова животных использовались также: кювет, стеклянные банки с крышками, ложки. 

Сачок опускается в воду и скребком тщательно проводится по дну несколько раз. Также при помощи сачка отлавливаются животные в толще и верхних слоях воды. Содержимое сачка выкладывается в кювет с небольшим количеством воды; затем из массы донных осадков и растений ложкой выбираются водные беспозвоночные, которые помещаются в отдельную банку с водой, набранной в данном биотопе. 

В каждом биотопе проводилось не менее 5 отловов. 

2. Определение организмов

С помощью специальных определителей и бинокуляров на базе учебного центра отловленные виды распознаются. Для этого необходимо внимательно рассмотреть каждое животное в бинокуляр, выделить отличительные признаки и по ним при помощи определителя идентифицировать отловленные организмы. 

В определении выловленных организмов может быть погрешность, так как не все выловленные организмы могли быть определены до вида. Это связано с отсутствием качественных определителей и владением методикой работы с определителем на определенном уровне. Поэтому, общее число выловленных видов в действительности несколько выше.

3. Описание организмов

После определения с помощью учебной литературы составляются таблицы, в которых все отловленные виды распределяются на экологические группы и по трофическим уровням.

В теоретической части работы можно выделить несколько этапов:

1. Составление схемы экологических взаимосвязей обитателей водного биоценоза на примере реки Клязьма. 

Для этого на листе бумаги вычерчивалась схема вертикальной структуры водоёма, на которой показывалось распределение отловленных видов по экологическим группам. Стрелками обозначались трофические взаимосвязи обитателей данного биоценоза.

2. Составление схемы пищевой цепи в водном биоценозе на примере реки Клязьма.

Для этого на листе бумаги выстраиваются трофические уровни, в которые вносятся виды в соответствии с данными отловов. Построить пищевые цепи с указанием в них места каждого из отловленных организмов оказалось невозможно из-за большого количества пересечений видов между собой в разных пищевых цепях.

3. Оценка экологического состояния исследуемого водоёма методом биоиндикации. 

Для оценки экологического состояния водоема использовался метод расчета биотического индекса (БИ), разработанный Ф. Вудивиссом в 1964 г. С помощью специальной шкалы для определения биотического индекса, основанной на наличии в водоёме индикаторных групп организмов, по наличию или отсутствию той или иной индикаторной группы определяется биотический индекс водоема. Чем выше показатель БИ, тем благоприятнее условия обитания организмов в данном водоёме в целом или его отдельных биотопах в частности. По данному показателю можно судить об относительной чистоте воды применительно к водным обитателям. Показатель БИ может изменяться от 1 (наименее благоприятные экологические условия) до 10 (наиболее благоприятные экологические условия).

Таблица 1. Список обнаруженных (пойманных) организмов по биотопам



Комментарии к таблице №1 (Список отловленных видов)

Исходя из полученных данных видно, что наименьшее количество видов встречено в первом биотопе. Это объясняется несколькими причинами. Из-за большой скорости течения многие организмы сносятся вниз по реке. Высокая скорость течения не дает накапливаться органическому веществу, что сказывается на количестве корма. Также из-за сильного течения и практически полного отсутствия органического вещества на дне произрастание прибрежной и водной растительности сильно затруднено. Это создаёт дополнительные трудности водным организмам с точки зрения наличия укрытий и дополнительных поверхностей для закрепления в пределах данного биотопа. Небольшое количество видов может объясняться трудностями при проведении отловов. Большая глубина не позволила качественно обловить биотоп в разных частях. Основное количество видов было выловлено на небольшом удалении от берега. Однако абиотические условия практически не отличаются у кромки берега и на удалении от него, что позволяет предположить высокую степень объективности полученных данных. 

Наибольшее количество видов во втором биотопе может объясняться: 

1. большим количеством органического вещества, являющимся пищей;

2. практически полным отсутствием скорости течения.

С другой стороны биотоп сильно заражён сероводородом, что должно было отрицательно сказаться на видовом разнообразии. Также нельзя полностью исключить и человеческий фактор. Биотоп №2 наиболее удобен для проведения отловов. Поэтому нельзя считать результаты, полученные во втором биотопе аномальными и, скорее всего они объясняются наиболее качественными отловами в данном месте.

Примерно равное количество встреченных видов в других биотопах объясняется сравнительно благоприятными экологическими условиями обитания в них организмов. В каждом из вышеуказанных биотопов имеется достаточная глубина для нормального обитания организмов, характер донных отложений также достаточно благоприятен, даже в четвёртом биотопе бедные, с точки зрения трофности, песчаные отложения компенсируются достаточным количеством прибрежной и водной растительности. Только в шестом биотопе сильная струя воды, образующаяся при впадении ручья через трубу, может быть неблагоприятным фактором обитания организмов.

Видовое разнообразие – очень важное свойство экосистем. С ним связана устойчивость систем к неблагоприятным воздействиям. Разнообразие обеспечивает «подстраховку», дублирование устойчивости. Вид, присутствующий в числе единичных экземпляров, при неблагоприятных условиях для широко представленного вида, в том числе и доминантного, может резко увеличить свою численность и таким образом заполнить освободившееся пространство (экологическую нишу), сохранив экосистему как единое целое.



Комментарии к схеме пищевых цепей

Как уже говорилось выше, любая экосистема включает несколько трофических уровней (звеньев пищевой цепи). Взаимосвязанный ряд трофических уровней представляет цепь питания или трофическую цепь. 

Из материалов исследования видно, что выловленные организмы распределяются по следующим трофическим уровням: 

- консументы первого порядка (13 видов), 

- консументы высшего порядка (12 видов), 

- редуценты (4 вида). 

Продуцентами в водных биоценозах, также как и в наземных экосистемах, являются зеленые растения. Это могут быть как фитопланктон, так и донные растения.

Также как и в наземных экосистемах, пищевые цепи в водных биоценозах могут начинаться с мертвого органического вещества – детрита. Некоторые организмы могут относиться к сразу двум группам по типу питания, например, моллюск большой прудовик является и консументом первого порядка и редуцентом. Важно подчеркнуть, что цепь питания не всегда может быть полной. В ней могут отсутствовать растения (продуценты). Такая цепь называется детритной. 

Исходя из положения: «разнообразие – синоним устойчивости», можно заключить, что экосистемы с более длинными и разветвленными пищевыми цепями питания характеризуются повышенной надёжностью и будут более устойчивы.

Большое количество организмов, находящихся на одном трофическом уровне служит гарантией того, что в случае исчезновения какого либо вида его место в структуре пищевой цепи займёт другой вид и передача вещества и энергии не будет прервана. 

Таблица 4. Оценка экологического состояния реки по биотическому индексу



Комментарии к таблице №4 (оценка экологического состояния водоёмов по биотическому индексу).

Прежде, чем давать оценку экологического состояния водоёмов, необходимо пояснить суть данной методики. Исходя из того, что разные группы водных беспозвоночных организмов по-разному реагируют на изменения экологической обстановки в проточных водоёмах, английский учёный Вудивисс подобрал индикаторные группы организмов, реагирующих на изменения, происходящие в водной среде обитания. Каждой группе организмов было присвоено определённое количество баллов. Чем больше балл, тем благоприятнее условия, в которых находятся данные организмы. Чем больше индикаторных групп присутствует в обследуемом водоёме, и чем выше балл каждой из них, тем выше благоприятность условий обитания организмов в данном водоёме.

По полученным в ходе исследования данным видно, что во всех биотопах биотический индекс одинаков, и условия обитания в них можно считать вполне удовлетворительными (БИ = 5).

Однако данная методика не позволяет судить о чистоте воды в привычном для нас понимании, так как не показывает наличие в воде каких либо химических и/или биологических загрязнителей и тем более их количественного значения. Полученные данные свидетельствуют только об "экологической чистоте" водоёма, но не о его санитарной безопасности. Это объясняется тем, что многие виды загрязнений, неблагоприятные для человека, относительно спокойно переносятся водными организмами, и наоборот. Благоприятность условий обитания определяется также скоростью течения, температурой воды, содержанием кислорода. Большую роль играет наличие органического вещества в водоёме, так как для многих бентосных организмов оно является пищей. Также от органического вещества начинаются детритные пищевые цепи, а наличие разнообразных пищевых цепей обуславливает устойчивость биоценоза. 

В заключении необходимо отметить, что полученные результаты позволяют утверждать, что все исследуемые биотопы вполне благоприятны для обитания водных организмов, как и сам обследуемый участок реки Клязьма. Относительно невысокий показатель биотического индекса может объясняться сезонными особенностями экологии водных беспозвоночных организмов, а также тем, что отловы проводила ученица 10 класса при минимальном наборе необходимого оборудования. Возможно, при профессиональных отловах результат мог быть несколько иным, однако значение биотического индекса скорее увеличилось бы, так как при более качественных отловах количество индикаторных групп возрастает.

Тем не менее, при экологических исследованиях данные, дающие более низкие результаты, чем есть на самом деле, нельзя рассматривать как недостоверные, так как они не позволяют с излишним спокойствием наблюдать за изменениями окружающей природной среды, а дают возможность заблаговременно принимать решения, направленные на изменения сложившейся экологической ситуации. 

Выводы к работе

Результаты, полученные в ходе работы, позволяют сделать следующие выводы:

Обследуемый водоём не испытывает сильных антропогенных нагрузок в районе проведения исследований. Это подтверждается большим числом встреченных видов, так как биоразнообразие является одним из основных показателей устойчивости естественных экосистем. 

Нахождение в водоёме нескольких индикаторных групп является подтверждением того, что условия обитания водных организмов вполне благоприятны. 

Разветвлённые пищевые цепи с большим числом взаимозаменяемых видов также служит показателем нормального состояния исследуемого участка водоёма.

Список литературы

1. «Гидробиология», Н.А. Березина Москва, 1984

2. Определитель пресноводных беспозвоночных европейской части СССР Ленинград, 1977

3. Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий (том 5 «Высшие насекомые») Санкт-Петербург, 2001

4. Определитель насекомых по личинкам Москва, 1972

5. Методы исследований зообентоса и оценки экологического состояния водоемов (методическое пособие) Ассоциация «ЭКОСИСТЕМА» Москва, 1997

6. Методика рекогносцировочного обследования малых водоемов (методическое пособие) Ассоциация «ЭКОСИСТЕМА» Москва, 1998

7. «Краткий определитель пресноводной фауны», профессор Е.М. Хейсин Москва, 1951

8. «Очерки экологии Подмосковья» (учебное пособие), под ред. В.И. Зубова Москва, 1998

9. «Экология России» (учебник), Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова Москва, 1995

10. «Экология» (учебник), Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник Москва, 2003

11. «Основы экологии» (учебник), Н.М. Чернова, В.М. Галушин, В.М. Константинов Москва, 2003

12. «Основы общей экологии» (учебник), Н.М. Мамедов, И.Т. Суравегина, С.Н. Глазачев Москва, 1998