Высшая водная растительность

Важное место в контроле качества вод занимают наблюдения за состоянием высшей водной растительности, которая чутко реагирует на изменение окружающей среды. Высшие водные растения являются наименее изученным звеном среди организмов-индикаторов, хотя имеют ряд преимуществ. Они представляют собой видимый невооруженным тазом и поэтому весьма удобный для наблюдения объект, а также дают возможность при рекогносцировочном гидробиологическом осмотре водоёмов в первом приближении визуально оценить их экологическое состояние. Макрофиты позволяют определить трофические свойства воды, а иногда и специфику её химизма, что имеет существенное значение при биоиндикации чистых вод.

Роль высшей водной растительности в формировании качества воды континентальных водоёмов велика. Зелёный пояс макрофитов вдоль берегов является первой полосой «обороны» водоёмов от поступающих с водосбора обогащённых биогенными элементами, соединениями тяжёлых металлов, синтетическими поверхностноактивными веществами загрязнённых вод. Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, прсвышающих фоновые значения, позволила использовать их в системе мониторинга и контроля за состоянием окружающей среды.

При антропогенном воздействии на водоёмы могут изменяться видовой состав, биомасса и продукция растений, возникать морфологические аномалии, происходить смена эдификаторов. Поэтому при контроле качества воды и донных отложений следует учитывать видовой состав высших водных растений, их обилие, фитомассу, экологические формы растений, продолжительность фенофаз и проектное покрытие (Абакумов, 1977).

Для индикации антропогенной нагрузки специалисты предлагают использовать плавающие на поверхности воды и погружённые гидрофиты: ряску, водокрас, кубышку, рдесты, элодею, роголистник и др. В зарослях макрофитов осаждается значительное количество приносимых с водой минеральных и органических взвесей. Таким образом, высшие растения являются хорошим естественным биофильтром (Мережко, 1973; 1979; Оксюк и др., 1978). Они предохраняют центральные водные массы от загрязнения и биогенных элементов, ограничивая чрезмерное развитие фитопланктона. Камыш, тростник, рогоз и некоторые другие виды водных растений используются для очистки и доочистки бытовых и технических сточных вод. Удивительной способностью — произрастать в водах, содержащих высокие концентрации загрязняющих веществ (особенно органического происхождения), обладают ряска маленькая и многокоренник. Они своей жизнедеятельностью способны вызывать детоксикацию этих веществ (Руководство по гидробиологическому…, 1992).

Высшие водные растения интенсивно поглощают минеральные и органические вещества, накапливают ионы тяжёлых металлов и радионуклиды, выступают в роли минерализаторов и детоксикантов пестицидов и нефтепродуктов. Высокая поглотительная способность водных растений делает их идеальными тестовыми объектами для определения антропогенных химических нагрузок на водоём. Поглощение растениями минеральных веществ характеризуется видовой специфичностью и может достигать довольно существенных величин. Так, для ряда водохранилищ содержание цинка в растениях составляло (максимальные значения; выражено в мг/кг сырого веса): камыш озёрный — 10, рогоз узколистный — 19, тростник обыкновенный —10, рдест блестящий — 22, рдест гребенчатый — 20, ряски — 192, нитчатые водоросли — 108, фитопланктон — 144 (Варенко, 1977). По другим данным содержание марганца в различных видах макрофитов составляет в среднем 485 мг на 1 кг воздушно-сухой массы с колебаниями от 6 до 2900 мг. Повышенной способностью накапливать марганец обладает водяной орех, рдест красноватый. Полностью погружённые растения содержат в 2−3 раза больше марганца, чем земноводные и надводные. Ряска малая особенно много накапливает бор, а харовыс водоросли — медь (Кокин, 1982).

По мнению Г. С. Гигевича с соавторами (2001) наибольшая аккумулирующая способность техногенных элементов отмечена у погружённых растений. На первом месте по интенсивности накопления стоят харовые водоросли, затем идут элодея, роголистник, рдесты, уруть. Погружённые растения накапливают тяжёлые металлы в 10 раз интенсивнее, чем прибрежно-водные (Gullizzoni, 1975). Некоторые растения избирательно аккумулируют эти соединения. 'Гак, ряска накапливает достаточно много бора, харовые водоросли — медь, тростник—ртуть (Eriksson, Mortimer, 1975). Интенсивность поглощения токсичных соединений зависит от времени года и развития растений; наибольшее содержание элементов наблюдается в период их интенсивного роста, а наименьшее — осенью.

Существуют различные экологические группы прибрежно-водных растений основанные на их способности аккумулировать радиоактивные изотопы: наибольшее количество аккумулируют погружённые растения, далее идут виды с плавающими листьями, а меньше всего — воздушноводные. Некоторые виды водных растений обладают высокой аккумулирующей способностью. Так, у элодеи коэффициент накопления ⁵⁷Со в течение суток составляет 1500 (по другим данным 4000), a «Sr — 1400. Высокой способностью накапливать радиоизотопы отличаются харовые водоросли, которые извлекают из воды до 60% сумма радиоактивности. Они могут служить индикаторами на радиоактивности загрязнение водоёмов (Кокин, 1982). Технология очистки водной среды с применением растений намного экономичнее других способов. Причём освобождение от радионуклидов может сочетаться с очисткой воды от других загрязняющих веществ.

Так что, прибрежно-водная растительность может аккумулировать из природных и сточных вод многие химические элементы и, тем самым, способствует снижению их концентрации в среде. Поэтому признаётся рациональным их культивирование в водоёме или в системе очистки загрязнённых вод с последующим удалением (выкашиванием) (Францев, 1961). Удаление и дальнейшая переработка растений позволит утилизировать многие токсичные и радиоактивные соединения.

Биомасса гидрофитов и индекс сапробности, рассчитанный по индикаторному весу погружённых растений, могут служить показателями качества воды и степени эвтрофирования водоёмов (Садчиков, Кудряшов, 2004). При хорошем водообмене оптимальным для состояния экосистем водоёмов считается зарастание акватории на 15−20% при значении фитомассы растений около 1,5 кг/м². Чрезмерное развитие растительности неблагоприятно для водоёма и может быть причиной вторичного загрязнения (Руководство по гидробиологическому…, 1992).

Высшие водные растения обладают довольно широкими географическими и экологическими ареалами, причем в различных физикогеографических условиях одни и те же виды могут встречаться в водоёмах различного трофического уровня и могут иметь разное индикаторное значение. Поэтому при разовых наблюдениях по присутствию или отсутствию какого-либо вида нельзя давать оценку качеству среды. Кроме того, для определённого географического района, группы водоёмов или даже отдельного водоёма необходимо выбирать виды, проявляющие индикаторные свойства в конкретных условиях (Макрушин, 1974). Трудность выявления видов-индикаторов у водных растений связана ещё и с тем, что недостаточно сведений об экологии и физиологии многих видов водных растений.

Антропогенное эвтрофирование водоёмов приводит к структурной перестройке сообщества гидрофитов, в результате изменяется видовой состав доминирующего комплекса, появляются или исчезают индикаторные виды. Высшие водные растения развиваются в основном в олигосапробной и (5-мсзосапробной зонах (Садчиков, Кудряшов, 2004). Ксенобиотиками являются только некоторые водные мхи и папоротники, имеющие достаточно высокое индикаторное значение (3−5) (Приложение 3).

По мере возрастания трофности водоёма олигосапробные виды уступают место p-мезосапробным, которые, в свою очередь, заменяются а-мезосапробными видами. К олигосапробам относятся рдест блестящий, уруть очередноцветковая, к олиго-р-мезосапробам — мох Fontinalis antipyretica, p-мезосапробами являются элодея канадская, ряски, рдесты плавающий и гребенчатый, кубышка жёлтая, роголистник погружённый, водяной лютик. Рдест гребенчатый указывает и на а-мезосапробность.

Известна группа видов высших водных растений, которые можно считать индикаторами определённого состояния водной среды.

Наличие в водоёмах полушника озёрного (Isoetes lacustris), полушника иглистого (/. echinospora), лобелии Дортманна (Lobelia dortтаппа), а также урути очередноцветковой (MyriopHyllum alternifloгит) указывает на чистоту и олиготрофию вод.

Массовое развитие рясковых говорит о неблагополучии в водной экосистеме. Представители семейства рясковых являются самыми маленькими цветковыми растениями в мире. В результате гидрофильной эволюции они достигли крайней степени редукции всех органов, поэтому по простоте строения занимают первое место среди цветковых растений. Это — водные, свободно плавающие, многолетние травянистые растения. Вегетативное тело рясковых называется листецом. Листецы одиночные или собраны в небольшие группы с помощью гиалиновой нити — тонкого выроста мембраны. Листсцы состоят из паренхимных клеток хлоренхимы, разделённых большими межклеточными полостями, заполненными воздухом. Проводящая система неразвита. Корни развиты слабо и не достают грунта, по строению простые, одинарные (у многокоренника их число составляет от 3 до 10), отходят от брюшной поверхности листеца, зелёные, поскольку содержат хлорофилл. Рясковые — растения космополиты, распространены по всему свету. Вегетативное тело по виду напоминает крошечный плавающий лист или слоевище низших растений, поэтому длительное время их считали водорослями. Листецы рясковых либо одиночные, либо соединены в небольшие группы. Форма листецов может быть почковидной или шаровидной. Цветение у рясок наблюдается крайне редко. Плоды хорошо видны невооружённым глазом, они чуть больше макового зёрнышка. Ряску называют «экологической дрозофилой». Особенности морфологического строения, высокая скорость размножения, чувствительность к среде обитания — всё это сделало ряску удобным объектом для биологического тестирования. Семейство рясковых содержит более 40 видов, из них в России обитает только 5 видов (Lemna minor L., L. trisulcaL.,

L. gibba L., Spirodelapolyrrhiza L., Wolffia arrhiza L).

Ряска малая (Lemna minor L.) — растение, плавающее на воде. Размер листецов 2−4 мм. Число жилок — 3. Листецы плоские, образуют группы из 3−6 растений. Встречается в стоячих водах. Корни длинные, но не достигают грунта, а выполняют, главным образом, функцию якоря, предотвращая переворачивание растений в воде. Встречается чаще всего в стоячих водах. Рясковые размножаются преимущественно вегетативно, отдельный лист может пройти 10 делений за период 7−10 суток. Рясковые могут удваивать свою массу за время от 10 ч до 2 суток при оптимальных температуре, освещении и питании.

Высокий показатель обилия ряски трёхдольной (Lemna trlsulca) говорит о богатстве биогенными веществами водной среды. Обилие ряски маленькой (L. minor) и многокоренника (Spirodelapolyrhiza), помимо эвтрофирования, может свидетельствовать о промышленном и сельскохозяйственном загрязнении. Многокоренник способен развиваться на концентрированных стоках животноводческих комплексов, активно участвуя в самоочищении и детоксикации загрязнённых вод. Ряска маленькая обладает такими же свойствами, как и многокоренник, и в дополнение к этому способна произрастать в воде с высокой концентрацией органических токсичных веществ и способствовать их детоксикации. Локальное интенсивное развитие рясковых может указывать на места поступления биогенных веществ в водоёмы с водосбора (Руководство по гидробиологическому…, 1992).

О наличии антропогенного воздействия на водную экосистему свидетельствует пышное развитие группировок стрелолиста обыкновенного (Sagittaria sagittifolia), частухи подорожниковой (Alisma planlago-aqualica), а также элодеи канадской (Elodea canadensis), телореза алоэвидного (Stratiotes aloides), роголистника погружённого (CeratopHyllutn demersum) и урути колосистой (Myriophyllum spicatum) (Руководство по гидробиологическому…, 1992).

При индикации трофности водной среды с помощью отдельных видов растений могут быть использованы признаки жизненного состояния растения (развитие нормальное, выше или ниже нормального) и общий облик растения. Чрезмерное развитие или угнетённое состояние растений свидетельствует о необходимости обратить внимание на состояние качества воды. Наблюдения за динамикой развития водных растений в водоёмах Беларуси позволили Г. С. Гигевичу, Б. П. Власову и Г. В. Вынаеву (2001) установить несколько иную индикаторную значимость гидрофитов (табл. 28) по сравнению с видами-индикаторами, представленными в Приложении 2.

Наибольшей устойчивостью по отношению к возрастающей антропогенной нагрузке характеризуются озёра с развитой погружённой растительностью (в основном элодея, рдесты, роголистник, уруть и др.). Озера этой группы имеют самый богатый и в то же время однородный состав гидрофитов (индекс видового сходства Жаккара 50−75). Индекс сапробности составляет 1,6−1,8.

Таблица 28

Индикаторная значимость основных видов гидрофитов (по Г. С. Гигевичу, Б. П. Власову, Г. В. Вынаеву, 2001).

Менее устойчивыми к увеличению антропогенной нагрузки являются водоёмы с преобладанием в растительном покрове харовых водорослей. Это, как правило, слабо минерализованные озёра с признаками олиготрофии (индекс сапробности 1,5−1,6; коэффициент видового сходства 25−50%).

Слабо минерализованные озёра с доминированием олигосапробных видов (полушник озёрный, водные мхи) отличаются бедностью и специфичностью видового состава растений (индекс сапробности низкий — 1,2, а коэффициент видового сходства до 25%).

С увеличением биогенной нагрузки (среднегодовая концентрация общего фосфора в пределах 0,05−0,15 мг Р/л) фитопланктон способен конкурировать с погружёнными гидрофитами и вызывает «цветение» воды. Это приводит к уменьшению прозрачности, и в результате — исчезновению отдельных видов растений и сокращению площади зарастания. Удельный вес погружённой растительности снижается до 20−40% массы гидрофитов. Индекс сапробности возрастает до 1,8−2,0 за счёт исчезновения p-мезосапробных видов (роголистника, урути, элодеи, широколистных рдестов) и появления а-мезосапробных видов (штукении гребенчатой, рдеста курчавого и др.). В таких озёрах преобладает воздушно-водная растительность и растения с плавающими листьями.

В озёрах, подверженных антропогенному эвтрофированию, погружённая растительность почти полностью отсутствует. Средняя концентрация общего фосфора в них превышает 0,15 мг Р/л, что приводит к интенсивному развитию фитопланктона. Индекс сапробности, рассчитанный по гидрофитам, составляет 2,0−2,3 (Гигевич, Власов, Вынаев, 2001).

Большими по сравнению с отдельными видами растений индикаторными возможностями обладают растительные сообщества, так как они своим ограниченным экологическим ареалом способны отражать всякие, даже незначительные изменения в условиях среды (Виноградов, 1964).

Наблюдения при контроле качества воды по состоянию растительности сходны с наблюдениями за динамикой растительности водоёмов, при которых учитываются флора, строение основных растительных сообществ и фитомасса. Сеть обсерваторий и станций, которые проводят гидробиологические наблюдения, все время расширяется.

Для этих наблюдений характерны регулярность (проводятся через определённые интервалы времени) и, что особенно важно, долговременность (ведутся в течение ряда лет).

Высшая водная растительность более консервативна, чем сообщества фитои зоопланктона и бентоса, поэтому показателем изменения качества воды служат изменения в видовом составе, проективном покрытии зарослей макрофитов и в их фитомассе за длительный период.

Успешное применение находят дикорастущие фитотесты в частности из семейства рясковых. Рясковые — самые мелкие цветковые растения, при благоприятных условиях размножаются круглогодично (преимущественно вегетативно). Интенсивность фототаксиса хлоропластов в листецах ряски, оцениваемая по изменению количества хлоропластов в эпистрофном положении, можно рассматривать как чувствительный показатель, свидетельствующий о степени загрязнения элементов агроландшафта. Явление отрицательного фототаксиса и послужило основой метода фитотестирования.

Благодаря этим преимуществам ряску можно назвать «экологической дрозофилой». Ряска малая (Lemna minor L.) и ряска тройчатая (Lemna trisulcs L.), чувствительны к загрязнению воды, при содержании в ней до 10 мкг/мл ионов Ва, Си, Mg, Fe, Со.

На каждый загрязнитель у видов рясок проявляется специфическая реакция. На медь (0,1−0,25 мг/мл) — листецы реагируют полным рассоединением из групп и изменением окраски с зелёной на голубую; реакция проявляется через 4 часа после воздействия. На цинк (0,025 мг/мл) реакция заключается в изменении окраски листеца: с насыщенно-зелёной до бесцветной; где зелёными остаются только точки роста; барий (0,1−0,25 мг/мл) вызывает полное рассоединение листецов, отпадание корней и изменение окраски с зелёной на молочно-белую; кобальт (0,25−0,0025 мг/мл) — полную приостановку роста и потерю окраски.

При рекогносцировочном гидробиологическом осмотре водных объектов, проводимом с целью экологически обоснованного размещения постоянных пунктов наблюдений и контроля экологического состояния пресноводных экосистем наиболее существенно значение макрофитов, выполняющих важную роль в процессах формирования качества поверхностных вод (Мережко и др., 1975; Горидченко, 1981). В прибрежно-водной растительности выявляется исключительно легко поддающаяся учёту доминантная флора. При этом подтипу водной растительности, представленной гидромезофитами, гидрофитными и гидротофитными видами, отводится принципиальная роль в оценке загрязнения водной среды, тогда как подтипу прибрежной растительности, представленной гидрофитными, мезофитными и ксеромезофитными видами, определяющее значение придаётся при оценке загрязнения донных отложений малорастворимыми и малоподвижными токсичными веществами. При загрязнении водоёмов изменяется видовой состав, биомасса и продукция макрофитов, возникают морфологические аномалии, происходит смена эдификаторов — доминантных видов, обусловливающих особенности контролируемого ценоза (Руководство по гидробиологическому…, 1992).

Весьма показательно изучение подземной биомассы и подземной структуры фитоценоза прибрежно-водной растительности, но оно слишком трудоёмко и потому не может найти широкого применения в системе гидробиологического контроля состояния пресноводных экосистем. При использовании макрофитов как биоиндикаторов экологического состояния водоёмов и водотоков необходимо учитывать их большую устойчивость к кратковременному загрязнению (Руководство по гидробиологическому…, 1992).