Водный биомониторинг

Бодо-Крик, Нигерия. Учёный, занимающийся оценкой воздействия на окружающую среду и биомониторингом, возвращается из экспедиции по отбору проб на месте разлива нефти на ручье Бодо в дельте реки Нигер.

Строительство плотины Шаста, Калифорния, США. Строительство и развитие инфраструктуры человеком могут оказывать влияние на многие аспекты водных экосистем.

Шампань, Франция. Сельское хозяйство и фермерство могут оказывать значительное влияние на близлежащие источники воды, как пресной, так и морской.

Шотландия, Британия. Личинки ручейников являются распространённым индикаторным организмом при определении здоровья пресноводных водоёмов.

Хорошо развитый головастик древесной лягушки. Амфибии на всех стадиях жизни являются важными индикаторными организмами.

Водный биомониторинг — наука о возможности сделать вывод об экологическом состоянии рек, озёр, ручьев и водно-болотных угодий путём изучения организмов (рыб, беспозвоночных, насекомых, растений и водорослей), которые в них обитают. Хотя водный биомониторинг является наиболее распространённой формой биомониторинга, таким образом можно изучать любую экосистему.

Цель

Водный биомониторинг является важным инструментом для оценки водных форм жизни и их среды обитания. Он может выявить общее состояние экосистемы, обнаружить экологические тенденции и воздействие различных стрессоров, а также может использоваться для оценки влияния различных видов деятельности человека на общее состояние водной среды[1][2]. Загрязнение воды и общие стрессы для водной жизни оказывают значительное влияние на окружающую среду. Основными источниками загрязнения океанов, рек и озёр являются антропогенные события или действия, такие как сточные воды, разливы нефти, поверхностный сток, мусор, добыча полезных ископаемых в океане и ядерные отходы.

Мониторинг водной флоры и фауны также может быть полезен для мониторинга и понимания прилегающих наземных экосистем. Быстрые изменения окружающей среды, такие как загрязнение, могут изменить экосистемы и сообщества, а также подвергнуть опасности виды, обитающие в воде или вблизи неё. Многие водные виды служат источником пищи для наземных видов, поэтому на них влияют размер и здоровье водных популяций.

Индикаторные организмы

Водные беспозвоночные, наиболее распространённые из которых — личинки ручейников, реагируют на изменение климата, низкий уровень загрязнения и изменение температуры[3][4]. В результате они имеют самую длительную историю использования в программах биомониторинга[5]. Кроме того, макроскопические виды: лягушки, рыбы и некоторые виды растений, а также многие формы микроскопической жизни, такие как бактерии и простейшие, используются в качестве индикаторных организмов в различных областях применения, в том числе в ливневых стоках[6].

Многие виды макроводорослей (включая цианобактерии, хотя технически они не являются настоящими водорослями[7]) также используются в биомониторинге как пресноводной, так и морской среды, поскольку их короткая продолжительность жизни делает их очень восприимчивыми к изменениям[8][9].

Распространённые методы

Для оценки биомониторинга необходим базовый набор данных, который в идеале определяет окружающую среду в её естественном или стандартном состоянии[10]. Затем эти данные используются для сравнения с любыми последующими измерениями с целью оценки возможных изменений или тенденций.

В некоторых случаях эти наборы данных используются для создания стандартизированных инструментов оценки качества воды с помощью данных биомониторинга, таких как индекс удельного загрязнения (SPI) и южноафриканский индекс диатомовых водорослей (SADI)[11].

Методы, используемые в водном биомониторинге

• мониторинг и оценка водных видов (включая растения, животных и бактерии)
• мониторинг поведения определённых водных видов и оценка любых изменений в поведении видов
• анализ биохимического состава водоёма и его потенциального влияния на виды, которые от него зависят[12]

Общие инструменты экологической и биологической оценки

• Биотестирование. Тестовые организмы подвергаются воздействию окружающей среды и измеряется их реакция. Типичными организмами, используемыми в биопробах, являются определённые виды растений, бактерий, рыб, дафний и лягушек.
• Оценки сообщества. Также называются биологическими обследованиями. Для изучения сохранившихся таксонов отбирается целое сообщество организмов. В водных экосистемах эти оценки часто фокусируются на беспозвоночных, водорослях, макрофитах (водных растениях), рыбах или земноводных[13][14]. В редких случаях могут рассматриваться другие крупные позвоночные (рептилии, птицы и млекопитающие).
• Устройства для онлайн-биомониторинга. В одном из примеров используются хеморецепторные клетки моллюсков и подобных животных для мониторинга их прибрежных и пресноводных местообитаний. Для этой цели в лабораторных и полевых условиях используются различные виды животных. Изучение процесса открытия и закрытия створок моллюсков является примером одного из возможных способов контроля качества пресных и прибрежных вод на месте[15].

Учитываемые факторы

Качество воды

Качество воды оценивается как по внешнему виду, например: прозрачная, мутная, с водорослями, так и по химическому составу[16]. Определение конкретных уровней ферментов, бактерий, металлов и минералов, содержащихся в воде, имеет чрезвычайно важное значение. Некоторые загрязняющие вещества, такие как металлы и определённые органические отходы, могут быть смертельными для отдельных существ и, таким образом, в конечном итоге могут привести к вымиранию определённых видов[12]. Это может повлиять как на водные, так и наземные экосистемы и вызвать нарушения в других биомах и экосистемах.

Температура воды

Температура водоёма является одной из наиболее распространённых переменных, собираемых при водном биомониторинге. Температура на поверхности воды, в толще воды^[англ.] и в самых нижних слоях водоёма (бенталь) может дать представление о различных аспектах водной экосистемы. Температура воды напрямую зависит от изменения климата и может оказывать негативное воздействие на многие водные виды, такие как лосось[17][18]. Нерест лосося зависит от температуры: существует порог накопления тепла, которого необходимо достичь, чтобы произошло вылупление. После вылупления лосось живёт в воде в критическом диапазоне температур, а воздействие температур за пределами этого диапазона может быть потенциально смертельным[19]. Эта чувствительность делает их полезными индикаторами изменений температуры воды, поэтому их используют в исследованиях изменения климата. Аналогичным образом, было доказано, что популяция дафний подвергается негативному влиянию изменения климата, поскольку более ранние вёсны привели к тому, что периоды вылупления оторвались от пикового окна доступности пищи[20].

Состав сообщества

Видовые сообщества и изменения в них могут помочь исследователям сделать вывод об изменениях в здоровье экосистемы. В типичных незагрязнённых умеренных потоках Европы и Северной Америки преобладают определённые таксоны насекомых. Подёнки (Ephemeroptera), ручейники (Trichoptera) и веснянки (Plecoptera) являются наиболее распространёнными насекомыми в этих нетронутых ручьях. Напротив, в реках, нарушенных урбанизацией, сельским хозяйством, лесным хозяйством и другими факторами, преобладают двукрылые (Diptera) и особенно комары-звонцы (семейство Chironomidae).

Местная геология

На поверхностные воды может влиять местная геология, поскольку минералы, выщелоченные из подземных пород, могут попадать в поверхностные водоёмы и влиять на химический состав воды. Примерами этого являются река Верии (Тыграй, Эфиопия), где повышенные концентрации тяжёлых металлов связаны с подстилающим сланцем, и питьевые колодцы в коренных общинах около Анкориджа, Аляска, где высокие концентрации мышьяка связаны с подстилающим комплексом горных пород Макхью[21].

Ограничения

• Опора на точную идентификацию видов — при использовании визуальной идентификации в полевых условиях существует вероятность неправильной идентификации видов, что может привести к некорректному анализу и выводам. Чтобы снизить вероятность таких ошибок, многие организации, осуществляющие мониторинг, используют лабораторную проверку образцов для целей контроля качества[22].
• Видоспецифичность — может быть сложно проводить сравнения между результатами, если в каждом исследовании не использовался один и тот же индикаторный организм, поскольку каждый вид имеет индивидуальную нишу и соответствующие идеальные условия. Даже схожие виды (определяемые либо таксономией, либо нишей) могут иметь разные реакции и разные пороги для изменений[23].
• Внешнее влияние — изменения численности или здоровья популяции, вызванные внешними факторами, могут быть неверно интерпретированы как результат изменений в окружающей среде. Например, сокращение численности популяции, происходящее из-за болезни, но совпадающее с изменением условий окружающей среды, может быть ошибочно истолковано как результат последнего изменения.
• Вводящие в заблуждение результаты — выживание видов, обычно считающихся «чувствительными», может привести к выводу о том, что окружающая среда претерпела незначительные изменения или подвеглась небольшому загрязнению, что может быть неверным. Примером этого являются амфибии, которые традиционно считаются высокочувствительным классом в отношении изменений окружающей среды. Однако некоторые исследования показывают, что это может быть справедливо только для фенолов, поскольку амфибии имеют такую же чувствительность к другим загрязняющим веществам (например, тяжёлым металлам), как и другие водные таксономические группы, например, двустворчатые моллюски[24].

См. также

• Портал:Экология
• Биоиндикация
• Биологическая целостность^[англ.]

Примечания

1. Vandewalle1 de Belo2 Berg3, M.1 F.2 M.P.3 (September 2010). "Functional traits as indicators of biodiversity response to land use changes across ecosystems and Organisms" (PDF). Biodivers Conserv. 19 (10): 2921–2947. doi:10.1007/s10531-010-9798-9. S2CID 9567019.
2. Why Biological Monitoring?  (неопр.) Monitoring and Assessment. Augusta, ME: Maine Department of Environmental Protection. Дата обращения: 27 марта 2020.
3. Justin E. Lawrence; Kevin B. Lunde; Raphael D. Mazor; Leah A. Bêche; Eric P. McElravy; Vincent H. Resh. "Long-Term Macroinvertebrate Responses to Climate Change: Implications for Biological Assessment in Mediterranean-Climate Streams". Journal of the North American Benthological Society.
4. "Vulnerability of stream biota to climate change in mediterraneanclimates: a synthesis of ecological responses and conservation challenges". Hydrobiologia. doi:10.1007/s10750-012-1244-4. hdl:2445/48186. S2CID 17658477.
5. Barbour1 Gerritsen2 Snyder3 Stribling4, M.T.1 J.2 B.D3 J.B4 (1999). "Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers: Periphyton, Benthic Macroinvertebrates and Fish". U.S. Environmental Protection Agency (EPA); Office of Water.
6. Jeng1 England2 Bradford3, Hueiwang C.1 Andrew J.2 Henry B.3 (2005). "Indicator Organisms Associated with Stormwater Suspended Particles and Estuarine Sediment". Journal of Environmental Science and Health. 40 (4): 779–791. Bibcode:2005JESHA..40..779J. doi:10.1081/ESE-200048264. PMID 15792299. S2CID 217506461.
7. Stanier, R Y; Kunisawa, R; Mandel, M; Cohen-Bazire, G (June 1971). "Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales)". Bacteriological Reviews (англ.). 35 (2): 171–205. doi:10.1128/br.35.2.171-205.1971. ISSN 0005-3678. PMC 378380. PMID 4998365.
8. Why Biological Monitoring? -- Monitoring and Assessment, Bureau of Land and Water Quality, Maine Department of Environmental Protection  (неопр.). www.maine.gov. Дата обращения: 24 февраля 2023.
9. Phillips, David J.H. (December 1979). "The Use of Biological Indicator Organisms to Monitor Trace Metal Pollution in Marine and Estuarine Environments--A Review". Environmental Pollution. 20 (4): 281–317. doi:10.1016/0013-9327(77)90047-7.
10. Burrows, Justin M.; Clawson, Chelsea M. (September 2020). Baseline Aquatic Biomonitoring for the Anarraaq and Aktigiruq Prospects near the Red Dog Mine, 2019 (PDF) (Report). Fairbanks, AK: Alaska Department of Fish and Game. Technical Report No. 20-06.
11. Harding, W. R. The South African Diatom Index (SADI) : a preliminary index for indicating water quality in rivers and streams in southern Africa : report to the Water Research Commission. — [Gezina] : Water Research Commission, 2011. — ISBN 978-1-4312-0172-3.
12. Water Quality Monitoring: A Practical Guide to the Design and Implementation of Freshwater Quality Studies and Monitoring Programmes. — CRC Press, 1996. — ISBN 978-0419217305.
13. Karr, James R. (1981). "Assessment of Biotic Integrity Using Fish Communities". Fisheries. 6 (6). American Fisheries Society: 21–27. doi:10.1577/1548-8446(1981)006<0021:AOBIUF>2.0.CO;2.
14. Burger, Joanna; Snodgrass, Joel (June 2001). "Metal Levels in Southern Leopard Frogs from the Savannah River Site: Location and Body Compartment Effects". Environmental Research. 86 (2). Elsevier: 157–166. Bibcode:2001ER.....86..157B. doi:10.1006/enrs.2001.4245. PMID 11437462.
15. MolluScan Eye  (неопр.). Environnements et Paléoenvironnements Océaniques et Continentaux..
16. Biomonitoring  (неопр.). Water Quality Monitoring & Assessment. Troy, NY: New York State Department of Environmental Conservation. Дата обращения: 16 марта 2021.
17. Van Vliet, Michelle T.H.; Wietse, H.P. Franssen; Yearsley, John R.; Ludwig, Fulco; Haddeland, Ingjerd; Letenmaier, Dennis P.; Kabat, Pavel (April 2013). "Global river discharge and water temperature under climate change". Global Climate Change. 23 (2). Elsevier: 450–464. doi:10.1016/j.gloenvcha.2012.11.002.
18. Jonsson, B.; Jonsson, N. (January 2010). "A review of the likely effects of climate change on anadromous Atlantic salmon Salmo salar and brown trout Salmo trutta, with particular reference to water temperature and flow". Journal of Fish Biology. 75 (10). The Fisheries Society of the British Isles: 2381–2447. doi:10.1111/j.1095-8649.2009.02380.x. PMID 20738500.
19. Jonsson, B.; Jonsson, N. (December 2009). "A review of the likely effects of climate change on anadromous Atlantic salmon Salmo salar and brown trout Salmo trutta, with particular reference to water temperature and flow". Journal of Fish Biology (англ.). 75 (10): 2381–2447. doi:10.1111/j.1095-8649.2009.02380.x. PMID 20738500.
20. Winder, Monika; Schindler, Daniel E. (August 2004). "Climate Change Uncouples Trophic Interactions in an Aquatic Ecosystem". Ecology. 85 (8): 2100–2106. doi:10.1890/04-0151. ISSN 0012-9658.
21. Haftu, Zelealem; Estifanos, Samuel (12 мая 2020). "Investigation of physico-chemical Characteristics and Heavy Metals Concentration Implying to the Effect of Local Geology on Surface Water Quality of Werii Catchment, Tigray, Ethiopia". EQA - International Journal of Environmental Quality (англ.). 40: 11–18. doi:10.6092/issn.2281-4485/10602. ISSN 2281-4485.
22. CABIN laboratory methods : processing, taxonomy, and quality control of benthic macroinvertebrate samples.. — Gatineau, QC, 2020. — ISBN 978-0-660-37046-0.
23. Landres, Peter B.; Verner, Jared; Thomas, Jack Ward (December 1988). "Ecological Uses of Vertebrate Indicator Species: A Critique". Conservation Biology (англ.). 2 (4): 316–328. doi:10.1111/j.1523-1739.1988.tb00195.x. ISSN 0888-8892.
24. Kerby, Jacob L.; Richards-Hrdlicka, Kathryn L.; Storfer, Andrew; Skelly, David K. (January 2010). "An examination of amphibian sensitivity to environmental contaminants: are amphibians poor canaries?". Ecology Letters (англ.). 13 (1): 60–67. doi:10.1111/j.1461-0248.2009.01399.x. PMID 19845728.

Ссылки

• Biological Assessment of Water Quality — US EPA
• US Bioassessment and Biocriteria Programs for Streams and Wadeable Rivers — US EPA