Біоіндикаційний потенціал гідробіологічних та біофізичних методів оцінки стану

На відміну від лабораторних даних, отриманих на монокультурі рослинних організмів, натурні дані отримані в умовах складного видового складу та сукупної дії множини фізико-хімічних факторів. Через це залежності значень характеристик фітопланктону від значень фактора мають нефункціональний та «розмитий» вигляд. Такий вид даних накладає деякі вимоги до методів дослідження залежностей характеристик фітопланктону, що використовуються як біоіндикатор від дії факторів.

Одним із таких методів є метод локальних екологічних норм (метод ЛЕН). Метод ЛЕН [1, 2] дозволяє:

- Виявити суттєві для екологічного неблагополуччя фактори середовища,

- ранжувати їх за вкладом у частоту випадків неблагополуччя,

- Розрахувати величини меж класів якості для індикаторів та факторів, т.зв. меж норми індикаторів (ДПІ) та меж норми факторів (ДНФ),

- оцінити достатність програм спостереження потенційно небезпечними чинниками середовища,

- Зіставити індикаційний потенціал різних біологічних показників.

ДНФ відокремлює розраховані «неприпустимі» значення фактора від «допустимих», а ДПІ – «благополучні» значення індикатора від «неблагополучних». Таким чином, оцінку впливу факторів на індикатори можна проводити як по ДНФ, що відповідає гранично допустимим концентраціям (ГДК), отриманим для натурних даних, так і по ДПІ, ґрунтуючись на стані безпосередньо індикаторних організмів.

Порівняння індикаторів може бути здійснено за т.зв. біоіндикаційний потенціал, під яким ми розуміємо сукупність характеристик біологічного показника,забезпечує його як індикатора стану екосистеми, саме високу кількість істотних чинників середовища, тобто. тих, котрим показник є індикатором; велику середню за всіма істотними для індикатора факторами силу зв'язку між індикатором і факторами; значну частку випадків неблагополучних станів екосистеми, які відповідальні істотні для індикатора чинники.

Первинними характеристиками, що вимірюються, послужили:

Сольовий склад вод (Ca 2+ , Mg 2+ , Na + , K + , Cl - , SO4 2- , HCO3 - , сума іонів).
Зміст біогенних елементів (нітрити, нітрати, амоній, загальний азот, фосфати, фосфор).
Зміст органічних речовин (органічний вуглець у суспензії).
Фізичні характеристики (температура, електропровідність, кольоровість).
БПК5, ГПК (біологічне споживання кисню за п'ять діб та хімічне споживання кисню відповідно).
Кислотність та лужність.
Вміст нафтопродуктів.
Чисельність, обсяг та біомаса видів та відділів фітопланктону.
Фоновий та максимальний рівні флуоресценції.
Характеристики кривих індукції фотосинтезу (тільки 2011).

У всіх пробах визначали змінну флуоресценцію розчиненої органічної речовини (РВВ) та фітопланктону. Були виміряні та розраховані такі показники: F0 – фоновий рівень флуоресценції у пробі, Fm – максимальний рівень флуоресценції у пробі, FРОВ – рівень флуоресценції РІВ; F0 фіто = F0 - FРОВ – фоновий рівень флуоресценції фітопланктону, F m фіто = F m - F РІВ – максимальний рівень флуоресценції фітопланктону.

2011 року також знімали криві індукції флуоресценції.

Як індикатори стану фітопланктону також буливикористані такі величини:

-Середня швидкість зміни флуоресценції на всій кривій з підсвічуванням і без.

В якості біоіндикаційних показників розглядали загальну чисельність (Nобщ) і біомасу (Bобщ) водоростей в пробі, чисельність і біомасу відділів Cyanophyta, Bacillariophyta, Chlorophyta, Cryptophyta, Dinophyta, Chrysopyta, Euglenophyta, X. д.), індекс Сімпсона для всієї проби та відділів водоростей (індекс Сімпсона та індекс Сімпсона'), показники змінної флуоресценції.

Метод локальних екологічних норм та основні розраховані величини

Метод ґрунтується на комп'ютерному аналізі взаємного розподілу біологічних та фізико-хімічних характеристик, а саме на пошуку таких ДНФ та ДПІ, щоб благополучні значення індикатора відповідали допустимим значенням фактора, а неприпустимі значення фактора – неблагополучним значенням індикатора. Для наявності як верхніх, і нижніх кордонів норми чинника, становище кордонів проілюстровано на рис. 1.

Рисунок 1. Класи значень індикатори та фактора за одночасного впливу кількох факторів середовища. Області "а", "b", "c", "d" позначають якісні класи на діаграмі: "а" - благополуччя індикатора при допустимих значеннях фактора, "b1", "b2" - благополуччя індикатора при неприпустимих значеннях фактора (занадто високих і надто низьких відповідно), "с" - неблагополуччя індикатора при допустимих значеннях фактора, "d1", "d2" - неблагополуччя індикатора при неприпустимих значеннях фактора (занадто високих і надто низьких відповідно).

Алгоритм методу ЛЕН полягає у переборі різних положень ДПІ та ДНФ на діаграмах сполученості між індикатором та фактором та виборі таких меж, за яких виконані умови «порожнечі»області «b», достатньої кількості всіх спостережень та спостережень в областях «a» та «d».

Для кожного фактора можна розрахувати повноту його вкладу в ступінь «неблагополуччя» значень індикаторної характеристики як частку спостережень «неприпустимих» за фактором і «неблагополучних» за індикатором серед усіх «неблагополучних» значень за індикатором (за будь-яких значень всіх факторів).

Для кожного індикатора можна розрахувати показник достатності програми спостережень за факторами, які потенційно могли б призвести до екологічного неблагополуччя. Що величина достатності програми спостережень, то вище частка чинників, включених у програму спостережень, серед причин екологічного неблагополуччя індикатора. Низька величина достатності свідчить про високому несприятливому впливі значення індикатора чинників, які у програмі спостережень.

Після первинної обробки, що включає в себе перевірку на нормальність розподілів і видалення значень, що випадають, видалення функціональних залежностей між значеннями індикатора і фактора, редукцію числа змінних методом кореляційного аналізу, перевірку однорідності даних за різні часові проміжки по відношенню до кліматичних характеристик і виявлення впливу обробки проб, дані були проаналізовані методом ЛЕН. Для встановлення належності значень індикаторів до груп, однорідним по відношенню до кліматичних характеристик, була проведена перевірка гіпотези про належність даних до єдиної вибірки за два роки за допомогою непараметричного критерію Манна-Уітні. За результатами застосування критерію було виділено три групи, що згодом аналізувалися окремо: дані за 2010 рік, дані за 2011 рік та дані за 2010 та 2011 роки спільнодля індикаторів та факторів, що належать до єдиної генеральної сукупності за два роки. Відповідно, результати розрахунків, такі як межі класів якості, певні суттєві для індикаторів фактори, повноти та ін. також скомпоновані у три групи. Наприклад розглянемо результати для групи 2011 року.

Розрахунки проводили у Програмі зі встановлення меж якісних класів [3], що реалізує алгоритми методу ЛЕН.

Знайдені для кожного з індикаторів суттєві фактори, межі норми, повноти факторів, довірча ймовірність результату для 2011 року наведено у таблиці 1 для різних груп часу. Чинники ранжовані по повноті, тобто. упорядковані в порядку спаду їхнього вкладу в загальне неблагополуччя досліджуваної екосистеми.

Отримані залежності легко інтерпретувати. Наприклад (табл. 1), високі значення флуоресценції фітопланктону (більше 0.62) спостерігаються при температурі води вище 24.5 про С, а низькі значення флуоресценції відповідають температурі нижче 24.5 про С, причому 50% неблагополучних спостережень можуть бути пояснені саме цим фактором 0.5) Іншими словами, метод ЛЕН дає строгу кількісну інтерпретацію кордонів якісних класів.