YMPÄRISTÖOPASБиологические методы исследования водоемов в Финляндии Редакция: Марья Руоппа и Пертти ХейноненSuomen ympäristökeskusДанная публикация содержит общее описание основных гидробиологических методов и стандартных методик исследований водоёмов, которые применяются в исследованиях на международном уровне и в Финляндии. В публикации приведено описание: - Методов оценки качества воды и состояния водоёмов - Биологических тестов - Методов экотоксикологических исследований- Методов исследований аккумуляции веществ в организмах - Методов исследования биологической деструкции веществ - Методов отбора проб - Вопросов контроля качества Цель публикации – общее описание методов исследований. Приведённые сведения помогут исследователям сделать свой выбор гидробиологической методики или стандартного метода. Suomen ympäristökeskusMyynti: Edita Publishing Oy PL 800, 00043 EDITA Asiakaspalvelu: puh. 020 450 05, faksi 020 450 2380 Edita-kirjakauppa Helsingissä: Annankatu 44, puh. 020 450 2566 ISBN 952-11-2449-0 (nid.)ISBN 952-11-240-4 (PDF)ISSN 1238-8602 (pain.)ISSN 1796-167X (verkkoj.)БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Helsinki 2006 SUOMEN YMPÄRISTÖKESKUS YMPÄRISTÖOPAS Биологические методы исследования водоемов в Финляндии Редакция: Марья Руоппа и Пертти Хейнонен
YMPÄRISTÖOPAS Suomen ympäristökeskus Taitto: Terttu Saari Kansikuva: Johanna Issakainen, koristelevä Micraterias Julkaisu on saatavana myös internetistä: www.ymparisto.fi/julkaisut Edita Prima Oy, Helsinki 2006 ISBN 952-11-2449-0 (nid.) ISBN 952-11-2450-4 (PDF) I SSN 1238-8602 (pain.) ISSN 1796-167X (verkkoj.)
Вступительное слово Данное издание является результатом сотрудничества российских и финских специалистов, работающих в области исследований состояния окружающей среды. Биологические методы изучения и мониторинга состояния водоемов уже в течение нескольких десятилетий активно применяются в России и Финляндии. В двух странах собрано достаточно много информации. Весьма актуальным вопросом является использование результатов биологических исследований в мониторинге, а также и их сопоставление с результатами физико-химических методов. Заметим, что в настоящее время лишь часть методик и тестов стандартизирована. В условиях особенностей законодательства Финляндии биологические методы имеют важное прикладное значение. Значение биологических методов увеличилось в связи с требованиями и реализацией положений Рамочной Директивы Европейского Союза по водной политике. В России также есть свои давние традиции в области гидробиологии. Есть надежда и на то, что методы мониторинга в России будут приближаться к европейским. Тогда у будущих исследователей появится возможность сравнивать материалы исследований водоемов в Республике Карелия и Финляндии. Перед Вами незначительно сокращенный перевод на русский язык публикации: Suomessa käy- tetyt biologiset vesitutkimusmenetelmät, (Toim. Marja Ruoppa ja Pertti Heinonen), Suomen ympäristö nro 682, 2004. Оригинальный текст можно найти в системе Интернет по адресу: www.ymparisto. fi/julkaisut. Подчеркнем, что данная публикация не является детальным описанием всех биологических методов исследований водоемов. Перед ней стояла более скромная задача – потребовалось выполнить краткое описание современных методик, а также и описать биологические тесты. Все, кто интересуются подробностями методик, тестов и стандартов могут воспользоваться многочисленными ссылками, приведенными в тексте. Все работы, связанные с переводом и изданием этой публикации, финансировало Министерство окружающей среды Финляндии. Исполнителями проекта со стороны Финляндии были Ханну Луотонен, Тимо Хокканен и Леена Лехикойнен из Центра окружающей среды Северной Карелии и Паули Хайми из Центра окружающей среды Юго-Восточной Финлядии. Координатором работ со стороны России был Евгений Иешко – заместитель председателя Президиума Карельского научного центра РАН. В подготовке издания приняли участие многие специалисты из Финляндии и России. Первый перевод на русский язык подготовила Татьяна Титова (Петрозаводск). 11.04.2006 в Карельском научном центре состоялось рабочее совещание, на котором было принято решение о продолжении сотрудничества по подготовке издания на русском языке. Много внимания было уделено обсуждению статуса методик и тестов. 4 Ympäristöopas Паули Хайми (Коувола) выполнил редакцию текста на русском языке. Российские специалисты полностью проверили содержание издания, а также дополнили его своими комментариями. В этой работе приняли участие: Наталия Калинкина, Мария Сярки, Александр Рябинкин, Андрей Шаров и Юлия Шарова – специалисты лаборатории гидробиологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН, а также Станислав Китаев и Сергей Комулайнен – ученые Института биологии КарНЦ РАН. Техническое и научное редактирование публикации на русском языке выполнили Л. В. Кабанова и М. А. Радостина, сотрудники редакционно-издательского отдела КарНЦ РАН. Вся работа по подготовке публикации была выполнена очень быстро – весной и летом 2006 года. Мы благодарим всех участников этого небольшого проекта. Надеемся, что публикация будет полезна специалистам и студентам-экологам. Хeльсинки 15.11.2006 Пертти Хейнонен Марья Руоппа Ханну Луотонен Евгений Иешко
5 Ympäristöopas СОДЕРЖИМОЕ Оглавление...................................................................................................... 3 1 Введение.................................................................................................... 9 2 Биологические методы исследований и оценки состояния водоемов................................................................................. 10 2.1 Общие сведения ..............................................................................................10 2.2 ФИТОПЛАНКТОН (Лийса Леписто, Институт окружающей среды Финляндии)................................................................. 11 2.2.1 Анализ фитопланктона ........................................................................11 2.2.2 Отбор проб .............................................................................................12 2.2.3 Изучение проб под микроскопом ........................................................12 2.3 Определение концентрации хлорофилла «а» в воде................................14 2.4 Первичная продукция....................................................................................15 2.4.1 Общие сведения ....................................................................................15 2.4.2 Определение первичной продукции in situ .......................................16 2.4.3 Способность к первичной продукции ................................................16 2.5 Зоопланктон (Йоуко Сарвала, университет Турку)................................17 2.5.1 Общие сведения ....................................................................................17 2.5.2 Отбор проб .............................................................................................18 2.5.3 Обработка проб в лаборатории ...........................................................20 2.6 Перифитон.........................................................................................................24. 2.6.1 Общие сведения (Пертти Элоранта, Хельсинкский университет) ...........................................................................24 2.6.2 Определение перифитона на естественных субстратах ..............................................................................................25 2.6.2.1 Методы.............................................................................25 2.6.2.2 Принцип.............................................................................25 2.6.2.3 Область применения метода.........................................26 2.6.2.4 Макроскопические водоросли.........................................26 2.6.2.5 Микроскопические водоросли.........................................27 2.6.3 Диатомовые водоросли (Пертти Элоранта, Хельсинкский университет) ...............................................................29 2.6.3.1 Общие сведения ...............................................................29 2.6.3.2 Выбор места исследований ............................................31 2.6.3.3 Время проведения исследований ....................................32 2.6.3.4 Выбор субстрата ............................................................32 2.6.3.5 Отбор проб с камней ......................................................33 2.6.3.6 Лабораторная обработка .............................................34 2.6.4 Определение перифитона на искусственных субстратах (Сирпа Херве, Центр окружающей среды Центральной Финляндии, Пертти Хейнонен, Институт окружающей среды Финляндии) ................................................................................36
6 Ympäristöopas 2.6.4.1 Общие сведения ............................................................... 37 2.6.4.2 Оборудование ................................................................... 37 2.6.4.3 Инкубация ........................................................................39 2.6.4.4 Анализ проб ......................................................................39 2.6.5 Образование слизи на экспериментальной сети (Сирпа Херве, Центр окружающей среды Центральной Финляндии и Пертти Хейнонен, Институт окружающей среды Финляндии) ..................40 2.6.5.1 Общие сведения ...............................................................40 2.6.5.2 Оборудование ...................................................................41 2.6.5.3 Инкубация ........................................................................41 2.6.5.4 Анализ проб ......................................................................42 2.7 Исследование водной растительности .......................................................43 2.7.1 Общие сведения ....................................................................................43 2.7.2 Методы ..................................................................................................44 2.8 Исследование зообентоса (Эса Коскенниэми, Центр окружающей среды Западной Финляндии, Марья Руоппа, Институт окружающей среды Финляндии) ............................................46 2.8.1 Общие сведения ...................................................................................46 2.8.2 Места отбора проб ...............................................................................47 2.8.3 Отбор проб ............................................................................................48 2.8.4 Лабораторные анализы ........................................................................49 3 Биологические тесты ................................................................................... 52 3.1 Общие сведения .............................................................................................52 3.2 Опыт инкубирования фитопланктона (Олли-Пекка Пиэтиляйнен, Институт окружающей среды Финляндии) .................52 3.2.1 Общие сведения ...................................................................................52 3.2.2 Опыт инкубирования в лабораторных условиях (тест AGP) ..........53 3.2.3 Опыт с добавкой питательного раствора ..........................................53 3.3 Определение биологически пригодного фосфора – тест с использованием водорослей (Петри Экхольм, Институт окружающей среды Финляндии) ............54 3.3.1 Общие сведения ....................................................................................54 3.3.2 Принцип теста .......................................................................................55 3.3.3 Оборудование для проведения теста ................................................56 3.3.4 Проведение теста .................................................................................56 3.4 Седиментация (Анна-Стийна Хейсканен, Институт окружающей среды Финляндии, Объединенный научный центр) ....57 3.4.1 Общие сведения ...................................................................................57 3.4.2 Метод ....................................................................................................58 3.4.3 Факторы, влияющие на результат ....................................................59 3.4.4 Трактовка результатов ........................................................................59 3.5 Метод исследования водного мха ...............................................................60 3.5.1 Общие сведения ...................................................................................60 3.5.2 Метод пересадки ..................................................................................61
7 Ympäristöopas 3.6 Метод исследования личинок ручейниц (водных бабочек) ............................................................................................62 3.6.1 Общие сведения ...................................................................................62 3.6.2 Методы ..................................................................................................63 4 Исследования токсичности – экотоксикология .....................................64 4.1 Введение ...........................................................................................................64 4.2 Краткосрочные тесты одного вида ............................................................65 4.2.1 Общие сведения ...................................................................................65 4.2.2 Тесты с использованием бактерий (Маарит Приха, Ekolab, Юкка Ахтиайнен, Институт окружающей среды Финляндии) ................66 4.2.2.1 Световой бактериологический тест ...........................66 4.2.2.2 Бактериологический тест Pseudomonas putida .........68 4.2.2.3 Снижение потребления кислорода в активном иле ....69 4.2.2.4 Снижение скорости размножения микроорганизмов. в активном иле ................................................................70 4.2.3 Тесты на беспозвоночных (Маарит Приха, Ekolab) .........................71 4.2.3.1 Тесты на дафниях / ветвистоусых рачках ..................71 4.2.4 Тесты с использованием водорослей (Маарит Приха, Ekolab) ......72 4.2.4.1 Тесты с использованием водорослей в пресных . водоемах ...........................................................................72 4.2.5 Тесты на рыбах (Тарья Накари, Институт окружающей среды Финляндии) ..........................................................................................73 4.2.5.1 Тест на рыбе Danio rerio ................................................73 4.2.6 Тест Lemna (Эйя Шульц, Институт окружающей среды Финляндии) ..........................................................................................74 4.2.7 Тесты на генотоксичность и мутагенность ......................................76 4.2.7.1 Тест Umu ..........................................................................76 4.2.7.2 Тест Salmonella ................................................................77 4.2.8 Наборы для проведения биотестов (Аннели Йоутти и Эйя Шульц, Институт окружающей среды Финляндии) .......................77 4.3 Долгосрочные тесты одного вида ..............................................................80 4.3.1 Общие сведения ...................................................................................80 4.3.2 Тест на размножение дафний (Хейкки Тансканен, Центр окружающей среды региона Северное Саво) ...................................81 4.3.3 Тест c использованием икры и мальков рыб (Тарья Накари, Институт окружающей среды Финляндии) .....................................82 4.3.3.1 Определение уровня токсичности путем . тестирования икры и мальков рыб ..............................82 4.3.3.2 Другие тесты ..................................................................83 4.3.4 Методы, основанные на изучении физиологии рыб (Юкка Тана; Марья Руоппа, Институт окружающей среды Финляндии) ...........84 4.3.4.1 Общие сведения ...............................................................84 4.3.4.2 Методики исследований .................................................84 4.3.4.3 Исследуемые параметры ...............................................84 4.3.4.4 О применении методов ...................................................85
8 Ympäristöopas 4.4 Тесты с использованием нескольких биологических видов – модельные экосистемы ......................................85 4.4.1 Общие сведения ...................................................................................85 4.4.2 Лабораторные анализы или микрокосмосы .....................................86 4.4.3 Крупные модели экосистем или мезокосмосы .................................86 4.5 Измерение токсичности донных отложений (Юсси Кукконен, университет Йоэнсуу) ..................................................87 4.5.1 Общие сведения ...................................................................................87 4.5.2 Отбор проб, их хранение, описание и обработка ............................87 4.5.3 Другие рекомендации по проведению теста ....................................89 5 Биоаккумулирование ...................................................................................90 5.1 Общие сведения .............................................................................................90 5.2 Тест на биоаккумулирование (Тарья Накари, Институт окружающей среды Финляндии) ...............................................................90 5.3 Коэффициент деления октанол / вода (Тарья Накари, Институт окружающей среды Финляндии) ...............................................................91 5.4 Метод выращивания двустворчатых моллюсков в садках (Сирпа Херве, Центр окружающей среды Центральной Финляндии) ............92 5.4.1 Общие сведения ..................................................................................92 5.4.2 Отбор моллюсков для опытов ...........................................................92 5.4.3 Очистка аквариумов и уход за моллюсками в лаборатории .........93 5.4.4 Полевой этап в разведении моллюсков ............................................94 5.4.5 Анализ моллюсков .............................................................................94 6 Разложение (деструкция) химических соединений в биологических процессах (Юкка Ахтиайнен, Институт окружающей среды Финляндии) ......................96 6.1 Общие сведения .............................................................................................96 6.1.1 Биологическое разложение .................................................................96 6.1.2 Принципы тестирования биологического разложения ...................98 6.1.3 Наиболее распространенные тесты .................................................100 6.1.3.1 Методы OECD – Организации по экономическому. сотрудничеству и развитию в Европе (1995) ..............100 6.1.3.2 ISO- standards....................................................................101 7 Отбор проб ....................................................................................................102 8 Контроль качества .....................................................................................104 Р e зю мe ...............................................................................................................................108
9 Ympäristöopas1 Введение Оценка состояния водоемов предполагает проведение обширного комплекса исследований и наблюдений. Методы, применяемые в лимнологии, подразделяются на гидрохимические, биологические и микробиологические. С помощью биологических методов исследований изучают биологические явления и процессы, происходящие в водной экосистеме. Физико-химические методы позволяют получить сведения об абиотической / неживой части экосистемы, а результаты многочисленных микробиологических методов характеризуют санитарно-гигиеническое состояние водоемов. Руководство, представленное читателю на русском языке, является сокращенной версией издания на финском языке [Методы исследования водоемов, используемые в Финляндии (составители: М. Руоппа и П. Хейнонен) Suomen ympäristö 682, 2004]. При сокращении текста были удалены некоторые моменты, касающиеся исключительно особенностей Финляндии, а также ссылки на некоторые издания на финском языке. В руководстве представлены наиболее важные и широко используемые в Финляндии методы и стандарты, а также биологические методы, пока не прошедшие процедуру стандартизации. Подробности методик следует искать в текстах утвержденных стандартов, а также и в соответствующих литературных источниках. Именно поэтому уже используемые стандартные методики не описаны в данном руководстве в деталях. Особое внимание привлечено к методам, пока не имеющим статуса стандартных. The Finnish Environment Institute (SYKE) : www.ymparisto.fi The Finnish Institute of Marine Research (FIMR): www.fimr.fi HELCOM: www.helcom.fi OECD: www.oecd.org CEN: www.cenorm.be ISO: www.iso.ch 10 YmpäristöopasБиологические методы исследований и оценки состояния водоемов 2.1 Общие сведенияНесколько директив Европейского Союза определяют систему мероприятий по охране поверхностных водоемов в настоящее время. В отношении качества воды наиболее важной является директива Европейского Парламента и Совета Европы – «Рамочная директива по водной политике», вступившая в силу в декабре 2000 года (Water Frame- work Directive/WFD). В приложении номер V «Рамочной Директивы по водной политике» указаны биологические факторы и параметры, принимаемые во внимание при оценке состояния водоемов: • При классификации рек учитываются следующие биологические факторы и параметры: - видовой состав водной флоры, параметры и соотношения численности видов; - видовой состав, параметры и соотношение численности видов зообентоса, а также видовой состав, параметры численности видов и возрастной состав рыб. • При классификации озер учитываются следующие параметры, связанные с качеством воды: - видовой состав, параметры и соотношения численности видов и биомасса фитопланктона; - видовой состав, параметры и соотношения численности видов другой водной флоры; - видовой состав, параметры и соотношения численности видов зообентоса, а также видовой состав, параметры и соотношения численности видов, возрастной состав видов рыб. 2 11 Ympäristöopas • При классификации речных эстуариев необходимо учитывать следующие факторы и параметры: - видовой состав, параметры и соотношения численности видов и биомасса фитопланктона; - видовой состав, параметры и соотношения численности видов другой водной флоры; - видовой состав, параметры и соотношения численности видов зообентоса, а также видовой состав, параметры и соотношения численности видов и возрастной состав видов рыб. • При классификации морских прибрежных акваторий учитываются следующие параметры: - видовой состав, параметры и соотношения численности и биомасса фитопланктона; - видовой состав, параметры и соотношения численности другой водной флоры, а также видовой состав, параметры и соотношения численности видов зообентоса. Далее приведено описание методов исследований и мониторинга экологического состояния водоемов, применяемых в Финляндии. 2.2 Фитопланктон Лийса Леписто, Институт окружающей среды Финляндии (liisa.lepisto@ymparisto.fi) 2.2.1 Анализ фитопланктона В Финляндии, начиная с 1950-х годов, ведутся работы по классификации качества воды водоемов на основе результатов анализа видового состава и биомассы фитопланктона. Фитопланктон является основным биологическим звеном водоема, которое «несет ответственность» за продукцию органических веществ, за формирование режима кислорода, является источником питания для других обитателей водоема. Фитопланктон – важнейший элемент в микробиологическом цикле веществ. Период жизни видов фитопланктона является относительно непродолжительным, поэтому фитопланктон быстро реагирует на изменения качества воды. В случае изменений в условиях состояния окружающей среды изменения можно зафиксировать в видовом составе фитопланктона, в численности и биомассе, а также и в параметрах разнообразия видов. В худшем варианте указанные отклонения могут проявиться в виде массового цветения
12 Ympäristöopas водорослей, которое сопровождается образованием токсичных соединений, а также приводит к изменениям вкусовых качеств рыбы и воды. Изучение видового состава и биомассы фитопланктона в рамках государственного мониторинга качества воды в Финляндии началось в 1963 году. С тех пор количество станций или мест отбора проб воды увеличилось от 90 до 400. Сегодня результаты исследований фитопланктона могут быть с успехом использованы при изучении процесса эвтрофирования водоемов, а также при определении токсичного воздействия сточных вод, сбрасываемых в водоемы. 2.2.2 Отбор проб Пробы фитопланктона отбирают на достаточном удалении от берега для того, чтобы избежать попадания водорослей из прибрежной зоны. Как правило, пробы отбирают в глубоководной части озера, чаще всего – на открытом водном пространстве. Пробу отбирают с разных бортов лодки или катера, например, батометром Руттнера. Пробы фитопланктона во внутренних водоемах отбирают в слое воды от 0 до 2 м (в некоторых исследованиях 0–4 м), при этом 50-сантиметровым батометром последовательно с разной глубины поднимаются четыре пробы. Параллельно с отбором проб измеряют и фиксируют температуру в указанных слоях воды. Интегральная (суммарная) проба воды помещается в большую пластиковую емкость. Рекомендуется использовать пластмассовое 20–30-литровое ведро с крышкой. Крышка защитит пробы от воздействия прямого солнечного света. Пробы перемешивают ковшом и разливают в стеклянные колбы с узким горлышком, куда заранее наливают раствор Люголя (0,5 мл/ 200 мл пробы). Рекомендуется использовать именно стеклянные колбы, так как применяемый в качестве фиксатора раствор Люголя испаряется из пластиковых бутылок. Прозрачное стекло для колб предпочтительнее темного: сквозь него можно следить за наличием фиксатора. Для более надежного закрепления в пробы добавляют по 2 мл 16%-ного формалина на каждые 200 мл. Колбы с образцами хранят в темноте при температуре ниже 18 °C. Если во время хранения проба обесцвечивается, то в нее добавляют раствор Люголя. Из указанной интегральной пробы отбирают воду и для определения концентрации хлорофилла «а». Для проверки видового состава рекомендуется пропустить остатки пробы (около 20 мл) через планктонную сеть (ячейка 10–20 µm). Когда речь идет об отборе пробы для мониторинга, она из планктонной сети фиксируется раствором Люголя (1 капля на 20 мл пробы). 2.2.3 Изучение проб под микроскопом Образцы можно анализировать на трех уровнях в зависимости от цели применения. Два первых уровня применяются в случае мониторинговых работ и тогда определяют количество и качество (видовой состав) фитопланктона. Третий уровень анализа
13 Ympäristöopasприменяют при таксономических исследованиях. Данная методика была разработана в результате сотрудничества специалистов северных стран. Уровни определений: • Уровень I = зафиксированные раствором Люголя пробы для определения биомассы (количественная проба). В этом случае специальных исследований видового состава не выполняют. • Уровень II = используются две пробы: одна – для определения биомассы, зафиксированная раствором Люголя, и другая – зафиксированная формалином и отобранная с помощью планктонной сети. Ее можно использовать в специальных препаратах для определения основных видов под обычным /оптическим микроскопом. • Уровень III = живой материал, которым дополняют пробы для определения биомассы. В этом случае делают все возможные препараты, а также и дополнительные определения видов с использованием электронного микроскопа и в случае необходимости выполняют посев некоторых видов фитопланктона. На I и II-м уровнях живой материал не используют, поэтому не всегда удается выполнить полный анализ видого состава. В некоторых случаях требуется составить только список видов, тогда говорят, что пробы исследуются качественным и полуколичественным методом. В этом случае количество отдельных видов характеризуется по шкале от «очень бедный / малочисленный» (1) до «очень богатый / многочисленный» (5). Пробы, отбираемые для программ мониторинга, обязательно следует консервировать, так как их, как правило, перевозят на большие расстояния. Зафиксированный образец изучается под световым микроскопом с применением прибора Утермеля. Перед началом исследования образец тщательно встряхивается, а затем, в зависимости от количества пробы, отстаивается в течение 1–24 часов в темноте. Изучение пробы начинают с проверки видового состава. После отстаивания образец исследуют под микроскопом дважды с различным увеличением. Проба нанопланктона (размер ячейки 20–50 µm) оценивается под световым микроскопом при увеличении x 800–x 1200 с 50–100 зрительных позиций / секторов в кювете. При данном увеличении размер определяемых видов изменяется от 2–20 до 50 µm. Более крупные, ранее незамеченные виды, изучаются при увеличении x 200, чаще всего по нескольким зрительным позициям. Можно исследовать и всю поверхность кюветы, тогда будут учтены самые крупные таксоны, например Ceratium. 14 Ympäristöopas Литература Blomqvist, P. and Herlitz, E. 1998. Methods for quantitative assessment of phytoplankton in freshwaters,
перейти в каталог файлов
|