1.4 Биологические и бактериологические показатели качества воды

1.4.1 Характеристика водоема по биологическим показателям

В воде находится огромное количество макро- и микроорганизмов животного и растительного происхождения. Это объясняется благоприятными для поддержа­ния жизни физическими и химическими свойствами воды (медленное изменение температуры, уменьшение плотности при замерзании, что предохраняет водоем от полного промерзания зимой, высокая растворяющая способность и т. д.).

Мир организмов, населяющих водные пространства, очень разнообразен. Каждому водоему присуща своя фауна и флора. Большое значение для развития животных и растительных организмов имеет состав растворенных в воде ве­ществ, наличие углерода, азота, фосфора, серы, железа и других элементов, являющихся материалом для построения плазмы живой клетки. Сочетаниями этих так называемых органогенных элементов определяются разновидность и численность фауны и флоры.

Организмы, населяющие водоем, характеризуют его загрязнение и протека­ющие в нем процессы. Поэтому биологическая характеристика водоемов яв­ляется важным дополнением при оценке качества природной воды.

В зависимости от места обитания все водные организмы делятся на две основные группы: обитающие в толще воды или на дне бассейна. Первая группа в свою очередь подразделяется на планктон, нектон и нейстон: вто­рая называется бентосом. В толще встречаются также взвешенные вещества, относящиеся к так называемому ложному (мертвому) планктону, например мертвые организмы, древесина, уголь, обрывки тканей, кожи и т. д.

К истинному планктону относятся организмы со слабо развитыми органа­ми движения, которые обычно пассивно переносятся течением (бактерии, водоросли, веслоногие, ветвистоусые, ракообразные, коловратки и др.), к нектону — все организмы с сильно развитыми органами движения (рыбы, киты, дельфины, головоногие, моллюски), к нейстону — организмы, обита­ющие в тонком поверхностном слое воды (бактерии, жгутиковые и простейшие). Бентосом называются организмы, живущие на дне водоемов и на поверхности различных предметов, встречающихся в них (камней, растений, свай, плотин, судов и др.). Бентос, состоящий из бактерий, водорослей, высших растений и беспозвоночных животных, делится на ряд биоценозов (биоценоз — устойчивая группировка организмов, объединенных общностью мест оби­ тания и признаков, возникающих в процессе приспособления этих организмов к условиям внеш­ней среды). Среди организмов, относящихся к бентосу, различают несколько биологических групп: организмы прикрепленные, закапывающиеся, свободно лежащие и т. д.

Наряду с бактериями, указанные выше группы организмов играют большую роль в биологических процессах самоочищения водоемов. Водоросли, выделяя в процессе фотосинтеза кислород, способствуют процессам окисления. Ракообраз­ные и коловратки поедают бактерии, жгутиковых, мелкий органический дет­рит, который содержится в большом количестве в загрязненных водах (Органическим детритом называются остатки гниющих растений, животных и бактери­ альная микрофлора). Личин­ки хирономид, малощитинковые черви и другие организмы, питающиеся дон­ным илом, способствуют минерализации нерастворимых органических веществ.

Каждому виду для нормального существования необходимы в определенном сочетании: физико-химические (рН, газовый режим, температура, содержание солей) и биологические факторы. В связи с этим организмы, населяющие водо­емы, служат своего рода индикаторами, т. е. показателями вида и характера загрязнений. В настоящее время таких индикаторных организмов извест­но более тысячи.

Все микроорганизмы, являющиеся показателями загрязнения воды, по классификации Кольквитц — Марссона (1908 — 1909) делятся на катаробов и сапробов. Катаробы — микроорганизмы, населяющие чистые ключевые воды, сапробы — организмы, живущие во всех пресных водах с различной степенью загрязненности. Сапробные организмы в свою очередь подразделя­ются на полисапробные, мезосапробные (а и ) и олигосапробные.

Полисапробная зона

i- Мезосапробная зона

 - Мезосапробная зона

. Олигосапробная зона

Растворенный кислород

Чист видов

Рис. 8. Графическое изображение характеристики сапробных зон.

1. Полисапробные организмы характерны для очень загрязненных вод, в которых содержится много белковых веществ, сероводорода, метана и углекислоты. Растворенный кислород в таких водах отсутствует. В этой группе организмов отдельных видов немного, но каждый вид развивается очень интенсивно. В основном группа включает бактерии (миллионы в 1 мл воды), инфузории, бесцветные жгутиковые, серные бактерии. В донных отло­жениях много органического детрита; водные цветковые растения отсутствуют. Для полисапробной зоны характерны восстановительные процессы гниения и распада.

2. -Мезосапробные организмы характерны для более чистых, но еще достаточно загрязненных вод, в которых обычно содержится в большом количестве углекислота, сероводород, присутствуют аммиак и его производ­ные. Данные организмы представлены немногими видами при интенсивном развитии отдельных форм. В -мезосапробной зоне содержится меньше бакте­рий, чем в предыдущей (сотни тысяч в 1 мл воды), появляются зеленые жгути­ковые организмы, грибки и др. В донных отложениях находится много орга­нического детрита.

-Мезосапробной зоне присущи окислительно-восстановительные процессы. Водные цветковые растения либо вовсе отсутствуют, либо их очень мало. Обычно в проточных водоемах эта зона располагается по течению за полиса­пробной.

3. -Мезосапробные организмы обитают в относительно чистых водах, в состав которых, наряду с аммиаком, входят нитриты и нитраты. Такие воды содержат мало сероводорода и углекислоты, имеют свободный кис­лород и почти не загнивают. В них наблюдается интенсивное размножение отдельных видов и повышается разнообразие видового состава организмов. Основные формы -мезосапробных организмов следующие: бактерии (десятки тысяч в 1 мл воды), инфузории, зеленые водоросли, ракообразные, рыбы. В донных отложениях отмечается значительное содержание органического детрита. Водные цветковые растения присутствуют, хотя и в незначитель­ном количестве. В этой зоне протекают в основном окислительные процессы. Располагается она в водоемах по течению за а-мезосапробной зоной.

4. Олигосапробные организмы характерны для чистых вод, в кото­рых отсутствует аммиак, нитриты, сероводород, но содержится немного углекис­лоты. Благодаря большому количеству растворенного кислорода вода не за­гнивает. Бактерий здесь мало (десятки или сотни в 1 мл воды). В донных от­ложениях отмечается незначительное содержание органического детрита. Широко распространены цветковые растения. Наблюдается большое разно­образие видов: зеленые водоросли, хризомонады, коловратки, ракообразные, рыбы и др.

Для характеристики водоемов большое значение имеют также населяющие их насекомые, моллюски и пр. Схематическое представление о химических и биохимических процессах, протекающих в зонах сапробности водоемов, дают рис. 8 и табл. 3. Современная классификация зон сапробности мало от­личается от классификации Кольквитц — Марссона. Преимуществом ее является наличие количественной оценки при определении степени загрязненности водоемов. В схему в качестве показателей введены состав и количество организмов, оцениваемые в баллах по соответствующей формуле и определяю­щие принадлежность источника к той или иной группе сапробности.

Таблица 4. Характеристика сапробных зон водоема

Показатель
Степень ми­нерализации органических веществ	Белковые ве­щества	Аммиак, амино­кислоты, амиды	NH, N2O3> NA	N2O5 (азотная кис­лота)
Кислородные условия	Анаэробные	Полуанаэробные	Аэробные	Аэробные Окислительные
Характер био­химических процессов	Восстанови­тельные	Восстановительно-окислительные	Окислительные	Окислительные Мало
Угольная кислота	Много	Довольно много	Немного	Мало
Сероводород	»		Мало	Нет FeA
форма соеди­нений железа	FeS	FeS, Fe2O3	FeA	FeA
Проба на за-гниваемость	Загнивает	Загнивает	Не загнивает	Не загнивает
Источники кислорода	Диффузия	Диффузия	Диффузия и асси­миляция	Диффузия и асси­миляция
Содержание бактерий в 1 мл	Сотни тысяч, миллионы	Сотни тысяч	Десятки тысяч	Сотни, десятки
Интенсив­ность разви­тия отдель­ных форм	Обычно высо­кая	Очень высокая	Значительная	Нередко высокая
Разнообразие видов	Очень малое	Небольшое	значительное	Очень большое
Смена сооб­ществ	Часто мгновен­ная	Часто мгновенная	Довольно медленная	Довольно медлен­ная
Водные цвет­ковые расте­ния	нет	Нет, мало	Немного	Много
Бентос и его представители	Значительный налет серных бактерий, бак­териальные зооглеи, боль­шие обраста­ния нитчатыми бактериями и грибами, в иле много червей	Налета серных бактерий нет, бак­териальные зоо-глеи, обильные об­растания нитчаты­ми бактериями, грибами и сидячи­ми инфузория­ми, значительные осциллярииные на­леты, в иле много червей и личинок комаров	Интенсивные об­растания нитчаты­ми водорослями и диатомеями	Умеренные обрас­тания зелеными водорослями и диатомеями. В иле слабое развитие червей и личинок комаров
Планктон, нектон, нейстон	Серные бакте­рии, инфузо­рии, бесцвет­ные жгутико­вые	Преобладают жи­вотные организмы, хорошо перенося­щие недостаток кислорода и устой­чивые к углекис­лоте. Много бес­цветных жгутико­вых	Разнообразные растительные и животные орга­низмы, в том чис­ле коловратки, ракообразные, ры­бы	Разнообразные растительные и животные организ­мы, в том числе коловратки, губ­ки, мшанки, рако­образные, рыбы
Потребность организмов в кислороде	Ничтожная	Слабая	Большая	Очень большая

Таблица 5. Критерии сапробности водоемов

символы	Сапробность	Число клеток в 1 мл,	Коли-индекс, меньше	мг/л, боль-	H2S. мг/л, меньше	БПК5, мг/л О2, меньше	Дополнительные характеристики
К	Катаробность	500	20	Варьирует	0	0
	Лимносапробность:
Х	ксеносапробность	1000	10000	8	0	1(2)	—
О	олигосапробность	10000	50000	6	0	2,5 (4)	—
β	β-м	50000	100000	4	0	4(6)	—
а	а-β	250000	100000	2	0	7(9)	Е = 200 мВ
Р	полисапробность	2000000	20000000	0,5	Следы	40 (80)	Е > 200 мВ
i	Эвсапробность: изосапробность	10000000	3 • 109	Следы	1	40—400 (600)	Е = 50 — 200 мВ Е < 60 мВ
m	метасапробность	20000000	10 • 109	0	100	200—700	-
h	гиперсапробность	50000000	1 • 106	0	10	500—1500	-
n	ультрасапробность	10	0	0	0	(2000) 1000—60000
	Транссапробность:
o	антисапробность	0	0	Варьирует	0	0	Токсические
							вещества или
r	радиосапробность	Варьирует	Варьирует	То же	Варьирует	Варьирует	нуклеиды
c	криптосапробность	0 или	0 или	» »	0	0 или	Неорганические
		варьирует	варьирует			варьирует	вещества

Обе классификации пригодны для оценки водоемов, загрязняемых лишь бытовыми сточными водами. Промышленные стоки как очищенные, так и неочищенные, поступающие в больших количествах в водные бассейны, вносят существенные коррективы в состав населяющих их организмов. В связи с этим предложена более общая градация сапробности водоемов. Критерии сапробности водоемов приведены в табл. 4. В зависимости от степени загряз­нения водоемы относятся к одному из трех видов сапробности: лимносапробности, эвсапробности или транссапробности.

Лимносапробность характеризует степень загрязнения водо­емов, в которые сбрасываются преимущественно хозяйственно-бытовые сточ­ные воды.

Эвсапробность определяет уровень загрязнения водоемов, принимающих большое количество промышленных вод.

Наличие в сточных водах токсических и радиоактивных компонентов приводит к катастрофическому нарушению биологических процессов, пол­ному подавлению жизни водоемов или глубоким изменениям гидробиологи­ческих процессов. Такие водоемы характеризуются транссапроб­ностью.

При санитарной оценке водоемов необходимо учитывать различное зна­чение двух существующих категорий биоценозов - бентоса и планктона. В реках, где планктон проносится мимо мест загрязнения, бентос правильнее отражает загрязнение воды. В стоячих водоемах показательные значения со­става планктона и бентоса близки. Планктон и бентос играют важную роль и как показатели загрязнения воды радиоактивными веществами благодаря способности аккумулировать эти вещества даже при их небольшой концентра­ции и быстром продвижении загрязнения по течению.

Из приведенного следует, что систематические биологические исследования позволяют наблюдать за колебаниями состава воды в водоеме и своевременно принимать меры против его загрязнения.