СПОСОБ БИОИНДИКАЦИИ СРЕДЫ Российский патент 2003 года по МПК G01N33/24 G01N33/18 

Изобретение относится к экологии, а именно к мониторингу характеристик различных сред (почв, поверхностных вод и др.) методами биоиндикации, использующими в качестве группы индикаторов макробеспозвоночные организмы, с целью получения информации для восстановления качества почв и поверхностных вод.

Известен способ оценки качества воды малых рек и озер по биотическому индексу, включающий в себя взятие проб из водоема, извлечение из них макробеспозвоночных, определение их ключевых таксонов (видов индикаторов) и сопутствующих видов, подсчет их количества и определение биотического индекса, максимальное значение которого равно десяти (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. /Под редакцией Р.Шуберта./ - М.: Мир, 1988. - 350 с.).

Недостатком известного метода является то, что он не позволяет получить величины индивидуальной классовой значимости каждого вида организмов, определить класс чистоты и провести прогнозирование поведения диагностируемой среды с высокой точностью.

Также известен способ определения степени эвтрофикации водоемов с помощью индекса Гуднайта и Уотлея, включающий в себя сбор бентоносных организмов с определенной площади дна, разделение их на две группы, одна из которых - малощетинковые кольчецы, а вторая - все прочие виды, подсчет организмов в группах и определение процентного отношения численностей первой и второй групп организмов (Экологический мониторинг. /Под редакцией Т.А.Ашихминой, Из-во Агар, 1999 г.).

Недостатком известного способа биоиндикации является невысокая точность при определении классов чистоты среды вследствие объединения при анализе в качестве второй группы индикаторов большого числа видов организмов. Кроме того, дисперсия количественных показателей и индексов, получаемых на их основе, достигает больших значений, что снижает точность получаемых оценок.

Известен способ определения концентрации загрязнителя в почве методом скрининговой оценки токсичности почв, загрязненных нефтью или нефтепродуктами, с помощью биотестирования, при котором в качестве биотестов используют инфузории-туфельки. Использование биотестирования для экологической экспертизы загрязнений почвы нефтью или нефтепродуктами позволяет определить степень токсичности смесей неопределенного состава и различного происхождения. Инфузории-туфельки в качестве тест-объекта для оценки степени токсичности загрязненных нефтью или нефтепродуктами почв отвечают требованиям чувствительности, экспрессности получения информации, простоты культивирования, дешевизны, надежности, приемов снятия прижизненных параметров. (Патент RU 2151012, В 09 С 1/08, 1997 г.).

Недостатком данного способа биотестирования является то, что он не позволяет экстраполировать полученные результаты в условиях исследования природных экосистем.

Также известен способ биоиндикации среды, включающий в себя выбор группы индикаторов, извлечение элементов среды с индикаторами, обработку полученных данных и заключение о классе чистоты среды (А.В.Мокрушин. Биологический анализ качества вод. Из-во АН СССР, Ленинград, 1974, с. 46-47, с. 60). В соответствии с этим способом качество среды определяется по одной из ряда "показательных групп" или "таксонов" и числу всех "прочих групп" обнаруженных организмов.

Недостатками этого способа биоиндикации среды являются формализованный подход к оценке разнообразия обследуемых сообществ вследствие того, что не все гидробионты имеют индикаторную значимость, а также отсутствие оценки показательной значимости "прочих групп" организмов. Множество видов организмов способно существовать в условиях всего диапазона качества среды за исключением среды, имеющей крайнюю степень загрязнения. Вследствие этого данные организмы не могут быть выбраны в качестве индикаторных, и их учет в числе "прочих групп", завышая оценку разнообразия, приводит к искажению оценки диагностируемой среды в сторону повышения ее качества. Также к недостаткам способа относятся необходимость проведения высококвалифицированной диагностики видов организмов, увеличение объема обрабатываемой информации, времени на ее обработку и невозможность прогнозирования поведения диагностируемой среды с высокой точностью.

Также известен способ биоиндикации среды, включающий выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов, установление по каждому классу качества среды видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определение класса качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов (S_кз)k, определяемой соотношением
(S_кз)k=Nk(ne)^-1k•10²,
где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества "k" эталонной среды;
(ne)k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества "k" эталонной среды.

(Временные методические указания. Биоиндикация уровня загрязнения малых рек Ивановской области., Комитет водного хозяйства при СМ РФ, М., 1993 г., 56 с.).

Недостатком известного способа биоиндикации является невозможность проведения ретроспективного и проспективного анализа поведения диагностируемой среды, что не позволяет провести выбор вила и характеристик оптимального воздействия на среду, позволяющего обеспечить формирование среды с требуемыми характеристиками.

Техническим результатом от использования изобретения является возможность проведения ретроспективного и проспективного анализа поведения диагностируемой среды, высокая точность определения класса качества среды и оперативность получения заключения о характеристиках диагностируемой среды, что, в конечном итоге, позволяет выбрать вид и характеристики оптимального воздействия на нее, обеспечивающего формирование среды с требуемыми параметрами.

Технический результат обеспечивается за счет того, что в известном способе биоиндикации среды, включающем выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов, установление по каждому классу качества среды видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определение класса качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов (S_кз)k, определяемой соотношением
(S_кз)k=Nk(ne)^-1k•10²,
где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества "k" эталонной среды;
(ne)k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества "k" эталонной среды,
выделяют наибольшее после максимального значение суммарной классовой значимости индикаторов и прогнозируют самоочищение среды при его нахождении относительно максимального значения в области понижения классности качества среды или загрязнение - при его нахождении относительно максимального значения в области повышения классности качества среды.

Кроме того, при анализе почв в качестве группы индикаторов используют группы почвенных беспозвоночных - нематод, дождевых червей, клещей, пауков, муравьев, жуков, моллюсков, многоножек, мокриц, чешуекрылых, двукрылых, прямокрылых.

Способ биоиндикации среды состоит в том, что выбирают группу индикаторов, формируют эталонную среду с разбивкой ее по классам качества, определяют виды индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлекают из среды все возможные виды из группы индикаторов, устанавливают по каждому классу качества среды виды индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определяют класс качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов (S_кз)k, определяемой соотношением
(S_кз)k=Nk(ne)^-1k•10²,
где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества "k" эталонной среды;
(ne)^-1k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества "k" эталонной среды.

Также выделяют наибольшее после максимального значение суммарной классовой значимости индикаторов и прогнозируют самоочищение среды при его нахождении относительно максимального значения в области понижения классности качества среды или загрязнение - при его нахождении относительно максимального значения в области повышения классности качества среды. При анализе почв в качестве группы индикаторов используют группы почвенных беспозвоночных - нематод, дождевых червей, клещей, пауков, муравьев, жуков, моллюсков, многоножек, мокриц, чешуекрылых, двукрылых, прямокрылых.

На фиг. 1 представлены перечень индикаторов, содержащихся в различных классах качества воды, и значения индивидуальной классовой значимости индикаторов;
на фиг.2 - возможное распределение суммарной классовой значимости индикаторов для различных классов качества сред, соответствующее прогнозируемому самоочищению среды;
на фиг.3 - возможное распределение суммарной классовой значимости индикаторов для различных классов качества сред, соответствующее прогнозируемому загрязнению среды.

Способ биоиндикации среды реализуется следующим образом.

В качестве биоиндикаторов при анализе водотоков используют макробеспозвоночных донных сообществ: губки, трубочник в массе, плоские пиявки, червеобразные пиявки, перловица, беззубка, шаровка, затворки, веснянки (кроме Немуры), бокоплавы, водяной ослик, речной рак, водяной клоп, риакофила, нейреклепсис, моланна, брахицентрус, гидропсиха, анаболия, роющие и плоские личинки поденок, личинки стрекоз (красотка, плосконожка, дедки), личинки вискокрылки, вилохвостка, личинки мошки, мотыль в массе, крыска. Указанные макробеспозвоночные донных сообществ обладают максимальной показательной (индикаторной) значимостью вследствие того, что имеют длительные жизненные циклы и ведут малоподвижный образ жизни. Выбор индикаторных организмов базируется на предшествующем анализе макробентоса текучих водоемов. Предварительно подбирают (формируют) эталонные экосистемы, разбивая их по классам качества, и определяют находящиеся в ней виды индикаторов, формируя показатели их индивидуальной классовой значимости (округляя до ближайшего целого). Полученный ряд представляет собой ряд эталонных значений индивидуальной классовой значимости индикаторов (фиг.1). В зависимости от цели размещение обследуемых участков предполагает их привязку к источнику загрязнения (выше и ниже) или водоток обследуется на всем протяжении через равные интервалы, от истока до устья. На выбранных участках не должно быть затонов, которые характеризуются особыми физико-химическими свойствами и биологическими режимами. В случае загрязнения малых рек сточными водами, когда стоки распространяются по всему течению, обследование участка может быть проведено с одного берега (прибрежные биотопы и медиаль). На каждом участке за исключением мощных зарослей водной растительности обследуется все разнообразие биотопов речного ложа: отложения илов, песчаные, глинистые и в различной степени заиленные грунты, камни перекатов и зоны уреза воды, погруженные в воду древесные сучья и стволы, подводные части мостов и гидротехнических сооружений. В результате обследования диагностируемой среды извлекают все возможные виды из группы индикаторов и устанавливают по каждому классу качества среды виды индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды. Суммарная классовая значимость индикаторов (S_кз)k, определяется соотношением
(S_кз)k=Nk(ne)^-1k•10²,
где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества "k" эталонной среды;
(ne)k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества "k" эталонной среды.

Суждение о действительном классе качества среды выносят по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов. Т.е., если максимальное значение суммарной классовой значимости индикаторов находится в графе, соответствующей 4-му классу, то это означает, что класс качества среды является четвертым. При обработке результатов биоиндикации выделяют наибольшее после максимального значение суммарной классовой значимости индикаторов и с учетом его расположения относительно максимального значения осуществляют ретроспективный и проспективный анализ поведения среды. Так, прогнозируют самоочищение среды при нахождении наибольшего после максимального значения относительно максимального значения в области понижения классности качества среды (фиг. 2) или загрязнение - при его нахождении относительно максимального значения в области повышения классности качества среды (фиг.3). Наличие в ряду суммарной индикаторной значимости минимума, находящегося между максимальным и наибольшим после максимального значениями, указывает на недостаточность информации по видам и количеству биоиндикаторов. В этом случае производят дополнительное извлечение индикаторов из среды. Представление о качестве водотока в целом получают путем сопоставления классности вод нескольких обследованных участков. При анализе почв в качестве группы биоиндикаторов используют почвенные беспозвоночные: нематоды, дождевые черви, клещи, пауки, муравьи, жуки, моллюски, многоножки, мокрицы, чешуекрылые, двукрылые, прямокрылые. Анализ результатов биоиндикации позволяет провести ретроспективный и проспективный анализ поведения диагностируемой среды и выбрать вид и характеристики оптимального воздействия на нее, обеспечивающего формирование среды с требуемыми параметрами. Воздействие на почвы может представлять собой, например, различные физические поля, введение в почвы питательно-рекультивирующей смеси, биологических агентов, их совокупности с характеристиками, обеспечивающими достижение заданных параметров почв.

С учетом экологически оптимальной стратегии в качестве управляющего воздействия на среду могут быть использованы микроорганизмы-деструкторы или организмы-коммуляторы элементов.

Предложенный способ биоиндикации позволяет идентифицировать классность качества реальных сред. Практическое значение способа биоиндикации заключается в том, что он может быть использован как экспресс-метод при разовом обследовании и для проведения мониторинга сред, обладает кратковременностью сбора биоиндикаторов, малой стоимостью, возможностью сопоставления информации об экологической полноценности и хозяйственной значимости обследованных сред. При этом ценность информации, полученной с использованием способа биоиндикации, будет со временем возрастать, являясь в дальнейшем основой для констатации изменения параметров сред и принятия обоснованных решений по сохранению и восстановлению качества почв и поверхностных вод.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано при мониторинге характеристик различных сред, таких, как почва, поверхностные воды и др. , методами биоиндикации, использующими в качестве группы индикаторов беспозвоночные организмы. Способ биоиндикации включает выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов. По каждому классу качества среды устанавливают виды индикаторов, способные существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определяют класс качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов. Осуществляют оценку возможности самоочищения среды путем дополнительных извлечений индикаторов из среды и определений суммарной классовой значимости индикаторов до момента расположения максимального значения суммарной классовой значимости и наибольшего после него значения в соседних областях классности качества среды. О возможности самоочищения судят при расположении наибольшего значения относительно максимального в области понижения классности среды. Способ может быть использован как экспресс-метод при разовом обследовании и для проведения мониторинга сред, обладает кратковременностью сбора биоиндикаторов, малой стоимостью, возможностью сопоставления информации об экологической полноценности и хозяйственной значимости обследованных сред. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ биоиндикации среды, включающий выбор группы индикаторов, формирование эталонной среды с разбивкой ее по классам качества, определение видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, извлечение из среды всех возможных видов из группы индикаторов, установление по каждому классу качества среды видов индикаторов, способных существовать в диапазоне классов качества эталонной среды, и определение класса качества среды по максимальному значению суммарной классовой значимости индикаторов (S_кз)k, определяемой соотношением
(S_кз)k= Nk(ne)^-1k•10²,
где Nk - количество видов индикаторов, извлеченных из среды и способных существовать в классе качества "k" эталонной среды,
(ne)k - количество видов индикаторов, существующих в классе качества "k" эталонной среды,
отличающийся тем, что осуществляют оценку возможности самоочищения среды путем дополнительных извлечений индикаторов из среды и определений суммарной классовой значимости индикаторов до момента расположения максимального значения суммарной классовой значимости и наибольшего после него значения в соседних областях классности качества среды, а о возможности самоочищения судят при расположении наибольшего значения относительно максимального в области понижения классности среды. 2. Способ биоиндикации среды по п. 1, отличающийся тем, что при анализе почв в качестве группы индикаторов используют группы почвенных беспозвоночных - нематод, дождевых червей, клещей, пауков, муравьев, жуков, моллюсков, многоножек, мокриц, чешуекрылых, двукрылых, прямокрылых.