Сапробность и биоиндикация качества воды

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.

Чертопруд М.В.