Введение

Водный биомониторинг – это наука об определении экологического состояния рек, озёр, ручьёв и водно-болотных угодий по видовому составу и состоянию организмов (рыб, беспозвоночных, насекомых, растений и водорослей), обитающих в них. Хотя водный биомониторинг является наиболее распространённой формой биомониторинга, подобным образом можно изучать любую экосистему.

Цель

Водный биомониторинг – важный инструмент для оценки водных организмов и их среды обитания. Он позволяет оценить общее состояние и статус экосистемы, выявить экологические тенденции и воздействие различных стрессоров, а также оценить влияние различных видов деятельности человека на здоровье водных сред. Загрязнение воды и общие негативные факторы, воздействующие на водные организмы, оказывают значительное влияние на окружающую среду. Основными источниками загрязнения океанов, рек и озер являются антропогенные факторы и виды деятельности, такие как сточные воды, разливы нефти, поверхностный сток, мусор, добыча полезных ископаемых в океане и ядерные отходы. Мониторинг водных организмов также может быть полезен для изучения и понимания состояния прилегающих наземных экосистем. Быстрые изменения в окружающей среде, например, загрязнение, могут изменять экосистемы и видовые сообщества, а также создавать угрозу для видов, обитающих в воде или вблизи нее. Многие водные виды служат источником пищи для наземных видов, которые, таким образом, зависят от численности и здоровья водных популяций.

Индикаторные организмы

Водные беспозвоночные, особенно личинки ручейников, чувствительны к изменению климата, низким уровням загрязнения и колебаниям температуры. Благодаря этому они имеют самую длительную историю применения в программах биомониторинга. Помимо этого, макроскопические виды – лягушки, рыбы и некоторые виды растений, а также множество форм микроскопической жизни, таких как бактерии и простейшие, используются в качестве индикаторных организмов в различных областях, в том числе для оценки стока ливневых вод. Многие виды макроводорослей (включая цианобактерии, хотя они и не являются водорослями в строгом смысле) также применяются в биомониторинге как пресноводных, так и морских экосистем, поскольку их короткий жизненный цикл делает их очень восприимчивыми к изменениям.

Общие методы

Для проведения оценки биомониторинга требуется исходный набор данных, который в идеале описывает состояние окружающей среды в ее естественном или исходном виде. Этот набор данных затем используется для сравнения с последующими измерениями с целью оценки возможных изменений или тенденций. В некоторых случаях эти наборы данных используются для создания стандартизированных инструментов оценки качества воды на основе данных биомониторинга, таких как Индекс специфического загрязнения (SPI) и Южноафриканский индекс диатомовых водорослей (SADI).

Общие инструменты экологических и биологических оценок

Биоанализы. Испытуемые организмы подвергаются воздействию определенной среды, и измеряется их реакция. Типичными организмами, используемыми в биоанализах, являются некоторые виды растений, бактерии, рыбы, дафнии (водные блохи), и лягушки. Оценка состояния сообществ. Также называется биоиндикацией. Проводится отбор проб всего сообщества организмов для определения сохранившихся таксонов. В водных экосистемах такие оценки часто фокусируются на беспозвоночных, водорослях, макрофитах (водных растениях), рыбах или амфибиях. В редких случаях могут рассматриваться и другие крупные позвоночные (рептилии, птицы и млекопитающие). Онлайн-системы биомониторинга. Один из примеров использует хеморецепторные клетки моллюсков и подобных животных для мониторинга состояния их прибрежных и пресноводных сред обитания. Для этих целей используются различные виды животных как в лабораторных, так и в полевых условиях. Изучение активности открытия и закрытия створок раковин моллюсков – пример одного из возможных способов мониторинга качества пресной и прибрежной воды непосредственно в естественной среде.

Качество воды

Качество воды оценивается как по внешнему виду – например, прозрачная, мутная, с обилием водорослей – так и по химическому составу. Крайне важно определять конкретные уровни ферментов, бактерий, металлов и минералов, содержащихся в воде. Некоторые загрязнители, такие как металлы и определенные органические отходы, могут быть смертельны для отдельных организмов и, в конечном итоге, привести к вымиранию определенных видов. Нерест лосося зависит от температуры: существует пороговое значение накопления тепла, которое необходимо достичь для начала вылупления. После вылупления лосось обитает в воде с определенным критическим температурным диапазоном, а воздействие температур за пределами этого диапазона может быть смертельным. Эта чувствительность делает их полезными индикаторами изменений температуры воды, что и обуславливает их использование в исследованиях изменения климата. Аналогично, популяции дафний показали отрицательную динамику под воздействием изменения климата, поскольку более ранние весны привели к рассогласованию сроков вылупления с периодом максимальной доступности пищи.

Состав Сообщества

Совокупности видовых сообществ и изменения в них могут помочь исследователям оценить изменения в состоянии экосистемы. В типичных незагрязненных умеренных ручьях Европы и Северной Америки преобладают определенные таксоны насекомых. Поденки (Ephemeroptera), ручейники (Trichoptera) и поденки-каменки (Plecoptera) – наиболее распространенные насекомые в этих нетронутых ручьях. В отличие от этого, в реках, подвергшихся воздействию урбанизации, сельского хозяйства, лесного хозяйства и других нарушений, преобладают двукрылые (Diptera), и особенно комары-звонцы (семейство Chironomidae).

Местная геология

На поверхностные воды может влиять местная геология, поскольку минералы, выщелачиваемые из подземных пород, могут попадать в поверхностные водоемы и изменять химический состав воды. Примером этого является река Вэри (Тигрэй, Эфиопия), где повышенные концентрации тяжелых металлов связаны с подстилающим сланцем, а также питьевые колодцы коренных общин вблизи Анкориджа, Аляска, где высокая концентрация мышьяка связана с геологическим образованием комплекса Мак-Хью.

Ограничения

Опора на точную идентификацию видов. При использовании визуальной идентификации в полевых условиях существует риск неправильной идентификации видов, что может привести к ошибочному анализу и выводам. Для снижения вероятности таких ошибок многие организации, занимающиеся мониторингом, используют лабораторную верификацию образцов в целях контроля качества. Специфичность видов. Сравнивать результаты может быть сложно, если в каждом исследовании не использовался один и тот же индикаторный организм, поскольку каждый вид имеет свою уникальную экологическую нишу и оптимальные условия для существования. Даже близкие виды (определяемые как по таксономии, так и по нише) могут по-разному реагировать на изменения и иметь различные пороговые значения. Внешние факторы. Изменения в численности или состоянии здоровья популяций, вызванные внешними факторами, могут быть ошибочно интерпретированы как результат изменений в окружающей среде. Например, сокращение численности популяции, вызванное заболеванием, но совпадающее с изменением условий окружающей среды, может быть неверно истолковано как следствие последнего. Недостоверные результаты. Выживание видов, обычно считающихся "чувствительными", может привести к заключению об отсутствии значительных изменений или загрязнения в среде обитания, что может быть неверным. Примером служат амфибии, которые традиционно считаются высокочувствительным классом к изменениям окружающей среды, однако некоторые исследования показывают, что это может быть справедливо только для фенолов, в то время как чувствительность амфибий к другим загрязнителям (например, тяжелым металлам) сопоставима с чувствительностью других водных таксономических групп, таких как двустворчатые моллюски.