Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность темы исследования предопределена современным состоянием окружающей среды. Металлургические предприятия, горнодобывающая промышленность, сельское хозяйство, огромные площади вырубленных лесов, транспорт, высокая скорость урбанизации, всё это в совокупности наносят колоссальный урон окружающей природной среде и гидросфере в частности. В процессе развития человеческой цивилизации города становились средой жизнедеятельности всевозрастающего числа людей. В России 73% населения сосредоточено в городах. В некоторых странах эта доля еще выше. И как общая тенденция развития и роста городов - прогрессирующее ухудшение в них условий жизни. Одна из величайших трагедий городов в том, что, будучи высшим достижением человеческой цивилизации, они становятся не только неудобными, но и в значительной степени опасными для жизни. Экологическое неблагополучие городов стало острейшей глобальной проблемой, требующей скорейшего решения.

Если бы вам дали стакан воды, только что набранной из речки, стали бы вы пить? Наверняка нет. Не нужно быть учёным, чтобы знать на сколько загрязнена вода в водоёмах в наше время. Но ведь ещё какие-то 20-30 лет назад наши родители, бабушки и дедушки, спокойно могли напиться из реки в жаркий день. В настоящее время загрязнение водных ресурсов является одним из основных последствий негативного антропогенного воздействия на окружающую среду. Питьевая вода - важнейший для всего живого природный ресурс, от качественного состояния которого, в значительной мере, зависит здоровье человека. В наше время становится всё сложнее воздействовать на поступление антропогенных загрязнений в водозаборные бассейны.

Единственное что бы можем сделать, это проводить многоуровневую отчистку воды, поступающей в дома жителей городов. Первым уровнем будет являться очистка на водоканалах. После очистки, проводится химический анализ проб воды на соответствие нормативным показателям согласно СанПиН 2.1.4.1074-01. Но химический анализ позволяет выявить в пробе ограниченный спектр загрязняющих веществ и занимает некоторое количество времени. В случае, если на водозабор прошла вода загрязнённая веществом, на который не проводиться химический анализ или, когда в воду попало большое количество какого либо вещества и результат о степени опасности данной воды необходимо получить незамедлительно, следует использовать другой метод анализа - биотестирование. Данный метод позволяет более быстро получить результаты о присутствии острых концентраций загрязняющих веществ в анализируемой воде и их воздействие на живые организмы.

В данной работе речь пойдёт о возможности биотестирования с помощью аквариумных рыб рода барбус, на аппаратеToxProtect64 (страна-производитель Германия).

Целью данного исследования является определение более чувствительного био-теста, из двух видов рода Barbus.

В рамках данной цели поставлены задачи:

- изучить литературу по биологии представителей данного рода

- определить какой из двух видов барбуса огненного Pethia conchonius (Hamilton, 1822) и барбуса суматранского Puntigrus tetrazona (Bleeker, 1855) более чувствителен к токсическим веществам, и может быть использован в качестве тест-организма для аппарата ToxProtect64.

- провести ряд экспериментов по определению степени чувствительности каждого из вида тест-организмов;

- сравнить степень чувствительности тест-организмов.



Глава 1. Природно-географические особенности Свердловской области

1.1 Географическое положение. Природно-климатические условия

В широтном отношении область находится между 56 и 62° с.ш. в средних широтах в пределах умеренного пояса. Избыточное увлажнение на большей части территории определяет зональные особенности природы Свердловской области. Основная часть территории области лежит в зоне тайги. Только на юго-востоке тайга сменяется зональными лесостепными ландшафтами. Есть они и на юго-западе, но связаны с барьерным воздействием Уфимского плато. В горной полосе прослеживаются высотно-поясные изменения климата, почвенно-растительного покрова и животного мира от пояса горной тайги до горных тундр и гольцов.

В азональном отношении область включает части трех крупных природных районов (физико-географических стран), отличающихся геологическим строением и рельефом. Крайний юго-запад области является частью Восточно-Европейской равнины (Уфимское плато). Западная половина относится к Уралу -- Уральской равнинно-горной стране, а восток области представляет собой часть Западно-Сибирской равнины.

Таким образом, наиболее важной особенностью физико-географического положения Свердловской области является ее положение на стыке крупных природных регионов -- природных комплексов разного типа: секторных, зональных и азональных (тектогенных) [1].

Свердловская область расположена в пределах Среднего и Северного Урала и на равнинах Западной Сибири, примыкающих к Уралу с востока. Западная граница области, протяженностью более чем 600 км, проходит на севере по осевым водораздельным хребтам Уральских гор, затем отклоняется к юго-западу, пересекает западные предгорья Урала и выходит в пределы Восточно-Европейской равнины. Наши западные соседи -- Республика Коми и Пермский край. На юге Свердловская область соседствует с Башкортостаном, Челябинской и Курганской областями. Граница с ними составляет свыше 500 км. Начинается она на западе, от Уфимского плато, пересекает предгорья Урала, Уральские горы, Зауральскую складчатую возвышенность, Туринскую равнину и выходит к нижнему течению реки Пышмы; затем поднимается на север, к низовьям Туры и Тавды -- здесь наша область граничит с Тюменской областью. На востоке граница проходит в основном по заболоченному междуречью Тавды и Конды. За ней, на северо-востоке простираются обширные пространства Ханты-Мансийского автономного округа [1].

Природное районирование

На юго-западе области расположена небольшая часть Восточно-Европейской равнинной страны. Она относится к таежной зоне и целиком входит в подзону широколиственно-хвойнотаежных лесов. Центральная часть Свердловской области относится к Уральской равнинно-горной стране. Практически полностью эта часть страны расположена в таежной зоне. Небольшие участки лесостепной зоны на юго-востоке (от Сысерти до Каменска-Уральского) и барьерные ландшафты Красноуфимской лесостепи можно рассматривать в составе этой области.

В пределах таежной ландшафтной области выделяется 5 природных районов: Западный предгорный, Североуральский среднегорный, Среднеуральский низкогорный, Восточный предгорный (подгорный), Зауральский равнинный.

Восточную половину области занимает часть Западно-Сибирской равнинной страны. Зональной границей, проходящей вдоль рек Ирбит -- Ница, она делится на таежную и лесостепную зоны. В пределах таежной области по основным различиям в геологическом строении и рельефе выделяют 3 природных района: Северо-Сосъвинский равнинный, Туринский равнинный, Пелымо-Тавдинский равнинный низменный. Лесостепная ландшафтная область представлена одним природным районом -- Пышминским равнинным. Во всех природных районах области проявляются подзональные различия [2].

Климатические особенности

Климат Свердловской области, как и любой другой территории, формируется под действием трех основных климатообразующих факторов: солнечной радиации, циркуляции воздушных масс и влияния подстилающей поверхности.

Солнечная радиация. Свердловская область расположена в умеренных широтах между 56° и 62° с.ш. Суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) распределяется по территории в целом широтно, т.е. зонально. На севере области суммарная радиация составляет 80, а на юге 95 ккал на 1 кв. см в год. На севере области различия в количестве солнечной радиации по сезонам года более резки. Летние длинные дни (период белых ночей) способствуют ее увеличению, а зимой она резко сокращается. Именно поэтому летние различия в количестве поступающей солнечной радиации и в температурном режиме севера и юга области меньше чем зимние.

Часть суммарной радиации отражается от земной поверхности, а остальная радиация поглощается и расходуется на нагрев. Потери радиации в результате отражения зависят от характера подстилающей поверхности. Как известно, снежный покров отражает до 80% суммарной радиации, лес -- около 20%, распаханный чернозем еще меньше -- лишь 10--15%.

Распределение температур воздуха зависит от солнечной радиации, циркуляции атмосферы, рельефа и сильно меняется по сезонам года.

Анализ хода изотерм января показывает, что на формирование зимних температур основное влияние оказывает частое поступление воздушных масс с запада. Наблюдается понижение температуры к востоку, северо-востоку от -16° до -18°-19°С. Изотермы -16° и -17°С проходят меридионально. Лишь на севере области изотерма -19°С приближается к субширотному простиранию.

Июльские изотермы на равнинах Западной Сибири направлены субширотно. На летний температурный режим определяющее влияние оказывает солнечная радиация. Самые высокие температуры на юго-востоке области -- +18°С, на севере -- +17°С.

По восточным и западным предгорьям Урала изотерма +17°С опускается к южным границам области. Это означает, что на распределение летних температур оказывает влияние рельеф. В горах происходит понижение температуры с высотой. В среднегорьях на вершинах Северного Урала июльские температуры понижаются до +10°+12°С. Зимой в межгорных котловинах может застаиваться холодный воздух, что приводит к температурным инверсиям: на дне котловин температура воздуха ниже, чем на склонах гор [3].

Почвенные особенности

Основные почвообразовательные процессы. В пределах Свердловской области почвообразование характеризуется развитием двух основных процессов: подзолистого и дернового. Для условий избыточно-влажного климата типичен подзолистый процесс, который представляет собой вымывание органических и минеральных соединений из верхней части почвенного профиля в нижнюю. Под действием промывного режима формируется горизонт вымывания -- подзолистый (элювиальный), с повышенным содержанием кремнезема. Свое название он получил за сходство с золой: при высыхании подзолистый горизонт становится белёсым, светлым до белого цвета [4].

Влияние климатических факторов, рельефа и горных пород на формирование почвенного покрова. Основные процессы почвообразования: подзолистый и дерновый. Зональные типы почв области на равнинах: глеево-подзолистые, подзолистые, дерново-подзолистые, болотно-подзолистые, серые-лесные, черноземы оподзоленные и выщелоченные. Интразональные почвы равнин: торфяно-болотные, пойменные (аллювиальные), солонцы и солоди.

Горные почвы: горно-лесные подзолистые и дерново-подзолистые, горно-лесные буроземовидные, горно-луговые и горно-тундровые [5].

Лесорастительные условия

Лесорастительные условия области в целом благоприятны для произрастания среднепроизводительных лесных насаждений основных лесообразующих пород таёжной зоны.

Леса занимают около 2/3 территории Свердловской области и выполняют важные водоохранные, почвозащитные, санитарно-гигиенические, рекреационные и другие функции, являясь при этом основным источником древесных ресурсов для промышленных предприятий, сельского хозяйства и населения.

Распределение лесов по территории области неравномерное. Наиболее лесиста северо-западная часть и наименее юго-восточная часть, где сельхозугодия занимают существенную часть земель. На основной части области леса типично таёжные. Только на юго-востоке области, на небольшой площади преобладают сосново-берёзовые колочные леса, характерные для лесостепной зоны.

В структуре лесов преобладают хвойные насаждения. В центральной и восточной части области сосновые, на западе, в пределах горного Урала - еловые насаждения.

В лесах на землях лесного фонда преобладают хвойные насаждения - 57,2%, мягколиственные составляют 42,8%, насаждения с преобладанием твердолиственных пород представлены единично - менее 0,005%.

Основными лесообразующими породами являются сосна и берёза. Хвойные породы представлены сосной (34,1%), елью (15,9%), кедром (5,6%), пихтой (1,3%) и лиственницей. Мягколиственные породы представлены берёзой (35,5%), осиной (6,6%), липой, ольхой чёрной и серой, ивой древовидной и тополем. Твердолиственные породы представлены дубом, клёном и ильмовыми.

Молодняки составляют 24,2% от площади покрытых лесной растительностью земель, средневозрастные - 33,5%, приспевающие - 12,6%, спелые и перестойные -29,7%. Общий запас древесины насаждений на землях лесного фонда составляет 2016727 тыс. м³, в том числе хвойных насаждений - 1229076,5 тыс. м³ (60,9%). Запас спелых и перестойных насаждений - 743035,50тыс. м³, (36,8% от общего запаса) [6].

1.2 Особенности гидрографии

Территория Свердловской области принадлежит бассейнам семи основных рек: Тавда, Тура, Пышма, Исеть, Чусовая, Уфа, Сылва. Гидрографическая сеть на территории области представлена 18 414 реками общей протяжённостью более 68 тыс. км, в том числе 17 370 рек длиной до 10 км с общей протяжённостью 34 тыс. км; 1 027 рек длиной от 10 до 200 км с общей протяжённостью 8,15 тыс. км.

Естественные водные ресурсы поверхностного стока рек области в год 50 % обеспеченности составляют 30,07 км³, в том числе на территории области формируется 29,1 км³.

В маловодный год 95 % обеспеченности, расчётный для водоснабжения, объём годового стока рек снижается до 14,9 км³. Естественные эксплуатационные ресурсы поверхностных вод области составляют 16,5 км³/год.

Водные ресурсы области отличаются значительной неравномерностью распределения не только во времени, но и по территории. Так, на бассейны рек Исеть и Пышма с наибольшей концентрацией населения и промышленности (33 % населения области) приходится всего лишь 5 % стока рек, а на бассейн р. Тавды, где проживает 3 % населения области, - 53 % стока рек.

В целом по области водохозяйственный баланс рек положительный. Однако низкие величины минимального стока на большинстве рек и повышенное загрязнение отдельных участков рек обусловили дефицит водных ресурсов необходимого качества (до 30-80 % объёма) в городах области: Екатеринбурге, Нижнем Тагиле, Первоуральске, Кировграде [7].

Для покрытия дефицита построен целый ряд водохранилищ и прудов, а также производятся внутрибассейновые и межбассейновые переброски стока.

Внутрибассейновые переброски стока рек: Ревдинское водохранилище на реке Ревде - Волчихинское водохранилище на реке Чусовой (годовой объём переброски в 2015 г. составил 2,12 млн. м³).

Межбассейновые переброски стока рек: Нязепетровское водохранилище на реке Уфе - река Западная Чусовая (в 2015 г. переброска не велась); Волчихинское водохранилище на реке Чусовой - реке Решётке (приток реки Исеть) - Верх-Исетское водохранилище на реке Исеть (объём подачи воды за 2015 г. - 39,62 млн. м³).

В Свердловской области эксплуатируется 129 водохранилищ объёмом более 1 млн. м³ с суммарным объёмом 2,26 км³. В том числе 39 водохранилищ объёмом более 10 млн. м3, из них 7 водохранилищ объёмом более 100 млн. м³, 19 водохранилищ, расположенных на разных реках области, осуществляют многолетнее регулирование стока, 317 водоёмов (прудов и водохранилищ) имеют объём менее 1 млн. м³.

По состоянию на 01.01.2016 г. на территории Свердловской области учтено 536 гидротехнических сооружений (далее - ГТС), в том числе 446 плотин с образованными ими водохранилищами, 68 накопителей сточных вод, 21 защитная противопаводковая дамба и 1 канал. Из них 390 ГТС находится в муниципальной собственности, 8 ГТС - в федеральной собственности, 1 ГТС - в областной собственности, 2 ГТС - в собственности физических лиц, 133 ГТС принадлежат предприятиям различных форм собственности и назначения и 2 ГТС - бесхозяйные [7].

Самые старые водохранилища - Невьянское и Алапаевское (1696-1700 годы). В XVIII веке построены Сысертское, Нижне-Тагильское, Полевское, Северское, Ревдинское, Верх-Исетское, Староуткинское, Сылвинское, Сергинское. В середине XIX века - 4 водохранилища: Верхне-Сысертское, Заводоуспенское, Михайловское, Глубочинское. За годы войны - 2: Волчихинское и Краснотурьинское. За период с 1960 по 1990 годы - 12 крупных водохранилищ: Белоярское, Мало-Рефтинское, Рефтинское, Верхне-Выйское, Ново-Мариинское, Верхне- и Нижне-Качканарские, Верхне-Макаровское, Нязепетровское, Андрюшинское, Леневское. Призмы сработки подавляющего большинства водохранилищ незначительны от 1 до 3 м. Большие призмы сработки имеют водохранилища: Ново-Мариинское на р. Ревда (15 м), Нижне-Качканарское (15 м), Верхне-Выйское (14 м), Нижне-Салдинское (7 м), Краснотурьинское (8 м), Верхне-Макаровское (8 м) и другие. Крупнейшими по общему объему является Белоярское водохранилище (V=265 млн куб. м) и Рефтинское (142 млн куб. м).

Большинство водоемов имеют площадь зеркал 4-8 кв. км, наибольшая площадь у Белоярского - 38 кв. км, не считая зарегулированных верховых озер. На территории области имеются три крупных озера, которые когда-то в прошлом были зарегулированы плотинами в истоках, вытекающих из них рек (Аятское, Черноисточинское, Исетское), оз. Таватуй соединено протокой с искусственным Верх-Нейвинским водохранилищем.

Суммарная полезная отдача водохранилищ в год 95% обеспеченности составляет 1616,8 млн куб. м. Крупнейшими по полезной отдаче являются новые - Верхне-Макаровское (2,4 куб. м/сек), Ново-Мариинское (2,65 куб. м/сек) и старые - Нижне-Тагильское (0,84 куб. м/сек), Черноисточинское (около 1,6 куб. м/сек), Михайловское (3,29 куб. м/сек) водохранилища. Увеличение полезных отдач действующих водохранилищ за счет изменения подпорных отметок, как правило, невозможно, так как эти отметки лимитируются отметками гарантированной работы водозаборов или застроенностью прилегающих к водохранилищам территорий [7].

Отличительная особенность регулирования стока основных рек нашей области - каскадное расположение водохранилищ. Так, на р. Исети размещено 7 водохранилищ, на р. Нейве - 5, на р. Чусовой и Ревде с притоками - 15. Из 128 водохранилищ многолетнее регулирование осуществляется на 20, наиболее высокий коэффициент регулирования имеет Нижне-Качканарское водохранилище на р. Вые.

Помимо пресных подземных вод питьевого и технического назначения на территории Свердловской области достаточно широко распространены минеральные воды для бальнеолечения, а также для питьевого лечебного и лечебно-столового использования. Выделяются следующие основные группы:

- сероводородные бромные хлоридные натриевые, а также хлоридно-сульфатные кальциевые воды Восточно-Европейского сложного артезианского бассейна (западная часть области);

- радоновые и кислые рудничные воды Уральской сложной гидрогеологической складчатой области (центральная часть Свердловской области);

- хлоридные натриевые воды с локальным развитием щелочных хлоридно-гидрокарбонатных и слаботермальных йодо-бромных вод Западно-Сибирского сложного артезианского бассейна [7].

1.3 Экологическая ситуация в Свердловской области

Свердловская область занимает площадь 194300км². Население - 4,7 млн. человек, в основном городское - 87%. Оно сосредоточено в 45 городах и 95 поселках городского типа. Города и поселки области связаны железными дорогами протяженностью 2099 км и автомобильными - длиною около 19530 км. В области более 3,5 тысяч промышленно-хозяйственных организаций, из них около 600 крупных и средних промпредприятий, оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую природную среду.

Ряд природных факторов снижает возможности области для поддержания экологического равновесия. Среди них - низкий уровень водообеспеченности территории, отсутствие крупных речных систем, частые засухи, распространение низкоплодородных почв, большая изрезанность рельефа в предгорьях, определяющая эрозию почвы, своеобразный режим воздухообмена, обуславливающий "смоговые" ситуации в атмосфере [8].

Интенсивное развитие в области горнорудной и металлургической промышленности, большие масштабы лесозаготовок и другие факторы привели к Истощению ее минеральных и лесных ресурсов. Использование экстенсивных методов в промышленности обусловило высокий уровень загрязненности природной среды вредными ингредиентами, достигшего критического значения в большинстве промышленных центров области.

Состояние атмосферного воздуха

По данным Государственного доклада о состоянии и охране окружающей среды Свердловской области в 2015 году, уральский экономический регион по количеству вредных выбросов в атмосферу стоит на первом месте среди других регионов России, а на Свердловскую область приходится около трети всех выбросов Урала, поэтому в большинстве городов области сложилась неблагоприятная экологическая обстановка, а такие города, как Асбест, Екатеринбург, Каменск - Уральский, Кировград, Краснотуринск, Первоуральск, Ревда, Серов близки к чрезвычайной экологической ситуации. Самый загрязненный город в Свердловской области - Нижний Тагил - объявлен зоной чрезвычайной экологической ситуации. В этот список может попасть и Новоуральск в ближайшие 5-7лет. Загрязняющие вещества (окись углерода, окислы азота, сероводород, фенол, соединения металлов и другие) выбрасывают в атмосферу области более 1500 предприятий. Среди них основная доля выбросов приходится на предприятия металлургии (около 50%) и теплоэнергетики (около 30%). Это Нижне-Тагильский металлургический комбинат, Высокогорское рудоуправление, Качканарский ГОК, Богословский алюминиевый завод; Среднеуральский, Кировградский и Красноуральский медеплавильные комбинаты; Рефтинская, Верхне-Тагильская и Серовская ГРЭС. Когда ветер направлен в сторону Новоуральска, то более 20% загрязняющих веществ из этих городов через 2-4 дня доходят до города. Стационарные источники пока остаются основным загрязнителем воздушного бассейна в малых городах областного подчинения. Это связано, во-первых, с большой плотностью промышленных предприятий в этих городах, и, во-вторых, с малым количеством населения, имеющим личный автотранспорт. Исключение составляет Новоуральск. Вклад в загрязнение от автотранспорта здесь составил в 2002 году 49,77% от валового выброса. Это связано с тем, что Новоуральск в стороне от главной автомагистрали. Автотранспорт, загрязняющий воздушный бассейн Новоуральска, в основном загрязнение атмосферы выбросами от автотранспорта становится основным бедствием для населения многих городов, поэтому снижение их стало основной экологической проблемой, над которой сегодня работают специалисты различных предприятий и организаций, природоохранных учреждений области [8].

Атмосферный воздух, которым дышит человек, всегда несет на части своих молекул электрические заряды. Процесс возникновения заряда на молекуле называется ионизацией, а заряженная молекула - легким ионом или аэроионом. Если ионизированная молекула осела на частице жидкости или пылинке, то такой ион называется тяжелым [8].

Ионы воздуха бывают двух зарядов - положительным и отрицательным. В деревенском или горном воздухе число легких аэроионов обоих зарядов в солнечный день доходит до 800-1000 в 1 см³, на некоторых курортах их число поднимается до нескольких тысяч. Обратите внимание, что в чистом воздухе тяжелые ионы совершенно отсутствуют. А что происходит там, где живет человек? В воздухе городов число легких ионов может упасть до 50-100, а тяжелых - возрасти до десятков тысяч в 1 куб. см. Тяжелые ионы вредны для здоровья человека, а легкие, особенно отрицательные, обладают благотворным и целебным действием.

Качество хозяйственно - питьевого водоснабжения.

Из поверхностных источников области вода забирается 49 водопроводными системами, обеспечивающими водой около половины населения. Значительное загрязнение питьевых водоемов органическими соединениями, металлами и прочими отходами отрицательно влияет на качество питьевой воды. Так, в Волчихинском водохранилище - основном источнике водоснабжения Екатеринбурга - обнаружены нитраты, медь, марганец, цинк и другие вредные вещества, а также микробные загрязнения. Из-за неэффективной очистки воды на фильтровальных станциях и плохого состояния водопроводной сети в отдельные периоды в питьевой воде содержание хлороорганических веществ превышает допустимые уровни до 10 раз [8].

Водопроводная вода в Свердловской области признана технической и перед употреблением в пищу подлежит локальной доочистке. Подобные недостатки в хозпитьевом водоснабжении наблюдаются в городах Верхней Салде, Полевском, Первоуральске, Ревде, Нижнем Тагиле, Каменске-Уральском, Сухом Логу, Краснотуринске. Поэтому проблема улучшения качества питьевого водоснабжения Свердловской области в последние годы стала наиболее острой и неотложной.

Промышленные и коммунальные отходы

На начало 2000 года в хранилищах и на территории промпредприятий области накоплено 34 млрд. т отходов, около 3,9 млн. штук отработанных ртутных ламп, более 30 млн. куб. м бытовых отходов. Значительная часть отходов производства и вскрышных пород складируется в отвалах, занимающих большие площади и являющихся источниками вторичного загрязнения природной среды. В общем объеме промышленных отходов - 35 млн. куб. м. токсичных отходов.

В результате недостаточных природоохранных мер, слабого внедрения малоотходных технологий, отсутствия упорядоченной системы сбора, транспортирования, обезвреживания и складирования отходов производства, вокруг промышленных центров появляются неорганизованные свалки мусора, которых в области насчитывается сотни. Утилизируется и перерабатывается отходов очень мало - около 15%.



Глава 2. Литературный обзор. Биоиндикация и биотестирование пресноводных экосистем

2.1 Система пресноводных экосистем на глобальном уровне

В настоящее время очень остро стоит вопрос о состоянии пресноводных водоёмов на территории не только Свердловской области, но и практически во всём мире. Исмагилов Роман Равильевич в журнале «Молодой учёный» в статье «Проблема загрязнения водной среды и пути ее решения» пишет «Это ухудшение связано с социально-экономическим развитием в пределах бассейна реки, но атмосферный перенос загрязнителей на далекие расстояния теперь изменил эту картину: даже удаленные районы могут быть подвергнуты непрямому загрязнению.

Кроме того, автор указывает, что средневековые отчеты и жалобы о неправильном удалении продуктов жизнедеятельности, грязи и зловонии в реках, протекающих в перенаселенных городах, и других сходных проблемах были ранним проявлением городского загрязнения вод. В первый раз четкая причинная связь между плохим качеством воды и воздействиями на здоровье человека была установлена в 1954 г., когда Джон Сноу проследил, что вспышка эпидемии холеры в Лондоне имеет отношение к определенному источнику питьевой воды. С середины двадцатого столетия и происходя одновременно с ускорением промышленного роста, различные типы проблем загрязнения вод претерпели быструю смену стадий [9].

О глобальных проблемах загрязнения воды, о том что, она является проблемой, которая затрагивает практически все страны мира, пишут многие авторы. Если надлежащие шаги не будут предприняты, чтобы контролировать эту угрозу, это приведет к катастрофическим последствиям в ближайшем будущем [10].

Самыми загрязнёнными, на данный момент, являются водоёмы Азиатских стран. В сравнение с развитыми странами, содержание свинца превышено в 20 раз. А наличие в реках бактерий в 3 раза превышает показатели по всему миру в целом.

В Ирландии, химические удобрения и сточные воды являются основными загрязнителями воды. Около 30% рек в этой стране загрязнены.

Загрязнение подземных вод является серьезной проблемой в Бангладеш. Мышьяк, является одним из основных загрязнителей, который влияет на качество воды в этой стране. На около 85% общей площади Бангладеш загрязнены грунтовые воды. Это значит, что более 1,2 миллиона граждан этой страны подвергаются вредному воздействию загрязненной мышьяком воды.

Король -- река в Австралии - Муррей, является одной из самых загрязненных рек в мире. В результате 100 000 различных млекопитающих, около 1 миллиона птиц и некоторых других существ погибли из-за воздействия кислой воды, присутствующей в этой реке.

Ситуация в Америке по отношению к загрязнению воды не сильно отличается от остальной части мира. Отмечено, что около 40% рек в США загрязнены. По этой причине нельзя использовать воду из этих рек для питья, купания или любой подобной деятельности. Эти реки не способны поддерживать водную жизнь. Сорок шесть процентов озер в США, являются непригодными для поддержания водной жизни [10].

Согласно Рамочной Директивы по воде (РДВ) общей целью является установление охранного режима для внутренних поверхностных вод Европы, межграничных, морских прибрежных и грунтовых вод. Природоохранной целью РДВ, в свою очередь, является достижение «хорошего статуса» для всех грунтовых и поверхностных вод, самое позднее к 2015 г. [10].

В указанный выше документ было внесено понятие-«хороший статус» - это понятие, которое, с одной стороны, обеспечивает глобальную охрану всех водоемов, а с другой стороны, интегрирует стандарты качества для определенных водоемов с другим законодательством, например, с Директивами по питьевой воде и качеству воды для купания (для пляжных зон). Для поверхностных вод данная Директива содержит ряд общих требований по экологической защите («хороший экологический статус»), и общие минимальные требования по химическим параметрам («хороший химический статус»).

Хороший экологический статус определяется биологическими, гидрологическими и химическими характеристиками. Контроль допускает лишь незначительное отклонение от биологических требований в условиях с минимальным антропогенным воздействием, таким образом учитывается экологическое разнообразие для разных видов вод. Хороший химический статус определяется соответствием всем европейским стандартам качества для всех видов химических веществ.

Для грунтовых вод РДВ руководствуется методом предосторожности и определяет «хороший статус» как одновременные химическую чистоту и баланс между естественными убываниями и пополнениями. Прямые сбросы как правило запрещены. Для контроля за косвенными сбросами существует требование по мониторингу грунтовых вод для выявления изменений в химическом составе и предотвращению загрязнения. Кроме того, Директива также рассматривает вопрос о количестве грунтовых вод. Ежегодно лишь малая доля грунтовых вод самовозобновляется; какое-то количество этих вод необходимо для поддержания связанных экосистем (будь это поверхностные водоемы или наземные системы, как например водно-болотные территории). Существует система единой европейской водной политики ЕС, которая представлена в Кратком путеводителе для стран-партнеров по Европейской политике добрососедства, и России [11].

Особое внимание во всём мире уделяется управлению речными бассейнами. Новый поход к управлению водными ресурсами требует управления на уровне речных бассейнов, а не на основе административных, географических или политических границ. Такой подход позволяет оценить всю деятельность, способную повлиять на водные ресурсы, а также контролировать эту деятельность при помощи мер, специфических для условий определенного речного бассейна. Планы Управления Речными Бассейнами должны быть составлены для каждого речного бассейна, причем крупные бассейны могут подразделяться на более мелкие единицы. Определение создание приемлемых институциональных структур для достижения управления водными ресурсами на уровне речных бассейнов представляет собой одну из наиболее сложных задач, с которой столкнулись страны-члены. Ниже приведены некоторые варианты:

* Использование существующих региональных структур, но организованных и адаптированных для обеспечения координации функций, относящихся к речным бассейнам;

* Назначение центрального наблюдательного органа с подразделениями на основе речных бассейнов или учреждениями, организующими и осуществляющими ежедневную деятельность в бассейнах рек;

* Создание индивидуальных учреждений для прямого управления деятельностью каждого речного бассейна.

Для бассейнов рек, пересекающих границы государств, необходима международная координация [11].

2.2 Система пресноводных экосистем на федеральном уровне

Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире, суммарные естественные ресурсы пресных вод РФ оцениваются в 7770,6 км³/год [12]. Однако отдельные авторы указывают что, в настоящее время по причине загрязнения около 70% рек и озёр утратили свои качества как источника питьевого водоснабжения [13].

Основным источником загрязнения и засорения водоёмов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий [14]. В реках и других водоёмах происходит процесс самоочищения естественным путём. Однако он протекает медленно заявляют Вишневецкй В. Ю. и Вишневецкий Ю. М. [15].

Конечно, основными причинами загрязнения водоёмов в России являются промышленные и коммунальные сточные воды, сельско-хозяйственная деятельность, выбросы тяжёлых металлов в атмосферу и их рассеивание, большое количество автотранспорта, сосредоточенного в крупных городах. Но также серьёзной проблемой является неправильное распределение обязанностей по регулированию, надзору и охране водных объектов. В своей статье Долженко В. А. обращает внимание на проблему распределения государственного контроля за использованием и охраной водных объектов в РФ. Охрана объектов окружающей среды была распределена между несколькими федеральными органами исполнительной власти, что привело к новым экологическим проблемам. Взаимодействие органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации с многочисленными территориальными органами министерств и ведомств также чрезвычайно затруднено [16].

Вильдяев В. М. в статье «Об эффективности управления водными объектами РФ» высказывается так: «В сложившейся системе управления водными объектами в России лица, принимающие решение, как правило, не являются специалистами в вопросах использования и охраны водных объектов. Фактически, целая область жизненно важной для населения и экономики части управления природными ресурсами, к которой относятся водные ресурсы, находятся в такой ситуации, когда решения принимаются лицами, профессионально не состоятельными в данной области и при отсутствии соответствующей информационной и интеллектуальной поддержки [17].

2.3 Состояние пресноводных экосистем Свердловской области

Надзор за безопасностью гидротехнических сооружений на территории Свердловской области согласно постановлению Правительства Российской федерации от 27.10.2012 № 1108 «О федеральном государственном надзоре в области безопасности гидротехнических сооружений» осуществляет Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (далее - Уральское управление Ростехнадзора). Гидротехнических сооружений, поднадзорных другим ведомствам, на территории области нет, но согласно вышеуказанному постановлению Уральскому управлению Ростехнадзора поднадзорны только те ГТС, которые подлежат декларированию. Среди таких ГТС водохранилищ - 133, накопителей жидких отходов - 32, дамб водозащитных - 6.

На 01.01.2016 г. на территории Свердловской области учтено 163 ГТС, поднадзорных Уральскому управлению Ростехнадзора, аварии на которых могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации [7].

Анализ надзорной работы, проведенной в 2015 г., показывает, что основными нарушениями (как и ранее), выявленными в результате проведенных проверок, являются:

в муниципальных образованиях отсутствует (не предусмотрен) эксплуатационный штат, своевременно не проводятся текущие и капитальные ремонты, что приводит к ускоренному разрушению ГТС;

отсутствуют (не разработаны в установленном порядке) правила эксплуатации ГТС;

отсутствуют (своевременно не разрабатываются) декларации безопасности ГТС, находящихся в муниципальной собственности, и разрешения на эксплуатацию ГТС;

не в полной мере обеспечен контроль (мониторинг) за показателями состояния сооружений; отсутствует документ, регламентирующий порядок расследования причин инцидентов на ГТС.

В 2015 г. прошли проверку на знание правил, норм и инструкций, регламентирующих безопасную эксплуатацию гидротехнических сооружений, в территориальной аттестационной комиссии (ТАК) 75 специалистов, занимающихся эксплуатацией ГТС.

Не изменилась ситуация по ГТС Нижне-Выйского, ГТС Верхне-Синячихинского, ГТС Камышевского водохранилищ, ГТС Восточно-Шишимского пруда, ГТС Кушвинского водохранилища, которые имеют значительный износ, оборудование этих сооружений физически и морально устарело и требует срочного ремонта. Особые опасения вызывает состояние металлоконструкций механического оборудования, а также бетонных конструкций. Не закончены работы по реконструкции ГТС Староуткинского водохранилища. При обследовании сооружений в 2015 г. выявлена необходимость проведения ремонтных работ ГТС Сылвинского водохранилища и ГТС Полевского водохранилища.

Не ведется реализация проекта на ремонт ГТС и очистку Бобровского пруда. Не проведена очистка Арамильского водохранилища.

По информации Министерства природных ресурсов и экологии Свердловской области в целом по области анализ состояния ГТС показал, что нормальный уровень безопасности имеют 208 (38,8 %) ГТС, пониженный уровень безопасности имеют 238 (44,4 %) ГТС, неудовлетворительный уровень безопасности - 50 (9,4 %) ГТС, опасный уровень безопасности -11 (2%) ГТС, 29 (5,4 %) водохранилищ спущены.

Забор воды из природных водных объектов в 2015 г. по Свердловской области составил 1 198,19 млн. м³/год, в том числе транзитной воды 49,43 млн. м³/год (в 2014 г. забор воды для перераспределения стока составлял 46,84 млн. м³/год). По сравнению с 2014 г. забор воды из природных водных объектов по области уменьшился на 89,59 млн. м³/год (7 %), что объясняется постоянным уменьшением забора воды для использования.

В Свердловской области основные потребности населения и промышленности удовлетворяются за счет поверхностного, в основном зарегулированного стока. Забор воды из поверхностных водных объектов составил 776,21 млн. м³ (65 % от общего забора воды) и уменьшился по сравнению с 2014 г. На 37,9 млн. м³ (4,7 %). Уменьшение забора воды из поверхностных водных объектов связано с экономией воды и установкой приборов учета. Забор воды из подземных водных объектов в 2015 г. составил 421,98 млн. м³, что на 51,69 млн. м³ (11 %) меньше, чем в 2014 г. [7].

Водные ресурсы Свердловской области отличаются значительной неравномерностью распределения не только во времени, но и по территории. Среднемноголетний сток рек, формирующийся на территории области, составляет 29,1 куб. км, из сопредельных областей поступает в среднем ежегодно около 1,0 куб. км. Объем годового стока в маловодный год 95% обеспеченности снижается до 14,9 куб. км.

По общему ресурсному потенциалу сток рек Свердловской области позволяет покрыть потребности населения и экономики в воде. Наибольшее количество ресурсов речного стока сосредоточено на восточной границе области, в то время как основной промышленный потенциал и подавляющее большинство городов сконцентрировано в истоках рек. В целом по области водохозяйственный баланс рек положительный. Однако низкие величины минимального стока на большинстве рек и повышенное загрязнение отдельных участков рек обусловили дефицит водных ресурсов необходимого качества в таких городах области, как Екатеринбург, Нижний Тагил, Первоуральск, Кировоград. В указанных условиях использование зарегулированного стока является единственной альтернативой гарантированного обеспечения водопотребления населения, промышленности и сельского хозяйства. Для покрытия дефицита построен целый ряд водохранилищ и прудов, а также производятся внутрибассейновые и межбассейновые переброски стока.

Преобладающая часть гидротехнических сооружений в Свердловской области относится ко II классу капитальности (Белоярское - I класс). Пропускная способность водосбросов большинства водохранилищ соответствует классу капитальности. Наибольшую пропускную способность (более 500 куб. м/сек) имеют следующие водохранилища: Волковское - 940 куб. м/сек; Михайловское - 730 куб. м/сек; Алапаевское - 600 куб. м/сек; Нижне-Салдинское - 570 куб. м/сек; Нижне-Тагильское - 528 куб. м/сек; Режевское - 515 куб. м/сек. [15].

Учет забора и сбросов воды находится в ведении энергетических служб предприятий. В Отдел водных ресурсов по Свердловской области Нижне-Обского бассейнового водного управления поступает оперативная информация по 48 водохранилищам, по которым выполняются воднобалансовые расчеты с определением приточности воды. Напоры на большинстве старых плотин от 5 до 10 м. Большие напоры на новых: Ново-Мариинском - 27 м, Белоярском - 20 м, Рефтинском - 22 м. Внутрибассейновые переброски стока рек: Ревдинское водохранилище на р. Ревде - Волчихинское водохранилище на р. Чусовой и Нижне-Сысертское водохранилище на р. Сысерти - г. Каменск-Уральский.

Основная межбассейновая переброска стока включает Нязепетровское (р. Уфа), Верхне-Макаровское (р. Чусовая), Волчихинское (Чусовая), Верх-Исетское водохранилища, объединенные трактами каналов и трубопроводов и руслами рек Западная Чусовая и Решетка. Другая действующая система объединяет Аятское водохранилище на р. Аяти и Верх-Нейвинское водохранилище на р. Нейве.

Многие водохранилища используются одновременно как источники питьевого, промышленного водоснабжения и в целях рекреации. Подавляющее большинство водохранилищ непосредственно как источник водоснабжения, то есть на них расположены водозаборные сооружения. Во второй половине XX века построено 3 больших водохранилища (Верхне-Макаровское, Ново-Мариинское, Леневское), которые работают в компенсационном режиме, т. е. осуществляют специальные попуски для транзита к местам расположения водозаборов.

Вся водохозяйственная система области сформировалась в целях комплексного решения водохозяйственных проблем. Основными потребителями воды являются население Свердловской области и предприятия энергетических и оборонных отраслей промышленности. На балансе энергетических компаний находятся 10 сооружений, среди них Верхотурское, Верхне-Тагильское с Вогульским, Волковское, Исетское, Рефтинское и другие [18].

Самыми крупными промузлами являются Екатеринбургский и Нижне-Тагильский. На сегодняшний день крайне актуальной является проблема перспективного водообеспечения Екатеринбургского промузла. В «Генеральном плане развития МО г. Екатеринбурга на период до 2025 года» использование Верхне-Араслановского водохранилища в качестве перспективного источника хозяйственно-питьевого водоснабжения Екатеринбургского промузла не рассматривается. Для устойчивого водоснабжения г. Екатеринбурга в Генплане предложены пути энергосберегающих технологий, т.е. снижения удельного водопотребления, в том числе за счет оптимизации систем подачи и распределения воды, снижения потерь заменой изношенных участков сети, создания резервных источников водоснабжения на базе подземных вод и т.п.

Было бы целесообразным продолжение работы в направлении поиска независимого источника питьевого водоснабжения на территории Свердловской области, результаты которой могли бы позволить оценить всевозможные варианты и принять к реализации наиболее приемлемый. На современном уровене наиболее дефицитным по водообеспеченности является Нижне-Тагильский промузел. Так, величина водозабора из Нижне-Тагильского водохранилища за 2007 год (3,85 куб. м/с) превышает суммарную полезную отдачу 95% обеспеченности каскада водохранилищ на р. Тагил (3,55 куб. м/с) [18].

Начиная с 2000 года на территории области обустроено 3 тысячи 228 источников нецентрализованного водоснабжения, в том числе 815 родников, 2200 колодцев, 213 скважин [18].

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01:

- «Питьевая вода должна быть безопасной в эпидемиологическом и радиационном отношении, безвредной по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства» (статья 19, п. 1).

- «Индивидуальные предприниматели и юридические лица, осуществляющие эксплуатацию централизованных, нецентрализованных, домовых распределительных, автономных систем питьевого водоснабжения населения и систем питьевого водоснабжения на транспортных средствах, обязаны обеспечить соответствие качества питьевой воды указанных систем санитарным правилам» (статья 19, п. 2).

- «На территории Российской Федерации действуют федеральные санитарные правила, утвержденные и введенные в действие федеральным органом исполнительной власти, уполномоченным осуществлять государственный санитарно-эпидемиологический надзор в порядке, установленном Правительством Российской Федерации (статья 39, п. 1).

- «Соблюдение санитарных правил является обязательным для граждан, индивидуальных предпринимателей и юридических лиц» (статья 39, п. 3) [40].

- 

Глава 3. Методы биоиндикации

3.1 Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем. Общие положения биоиндикации

В настоящее время всё большую популярности приобретают различные методы биоиндикации.

Биоиндикация - это определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ, что в полной мере относится ко всем видам антропогенных загрязнений (Криволутский Д. А. и др., 1988г). Применение биологических методов для оценки качества среды подразумевает, выделение видов животных или растений, чутко реагирующих на тот или иной тип воздействия.

В настоящее время биоиндикация становиться практически не заменимым методом в мониторинге пресноводных экосистем. Использование живых объектов даёт преимущества перед физико-химическими методами, в связи с простотой, скоростью реакцией и экономичностью.

Преимущества биоиндикационных методов связанны с особенностями отдельных экологических факторов, а именно:

1. Факторами, которые не могут быть измерены. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Факторами, которые трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Факторами, которые легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на других живых существ. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена, как было сказано выше, простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания [19].

В основном, контроль за соблюдением установленных нормативов производится химико-аналитическими методами. Однако одновременное присутствие множества веществ даже в концентрациях, не превышающих ПДК, может порождать биологические эффекты, которые невозможно предсказать на основе частных химических определений. Таким образом, тест-объект выступает в роли прибора, выявляющего интегральный биологический эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы. Но не один из тест-объектов не может служить универсальным индикатором, в равной степени чувствительный ко всем экологическим факторам, из-за видовой избирательности действий потенциальных токсикантов [20].

Биотестирование и биоиндикация состояния водных объектов. Изучение последствий антропогенного воздействия на окружающую среду невозможно без применения методов биологической индикации, которая дает прямую информацию о реакции организмов на стрессовые факторы.

3.2 Основные методики различных видов биоиндикации и особенности биотестирования пресноводных экосистем

Методы биоиндикации и биотестирования позволяют определить присутствие загрязняющего вещества или другого стрессового фактора по наличию или состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки, и осуществить оценку их воздействия на окружающую среду [21].

Они основаны на использовании биотестов - живых организмов, выделенных в лабораторную культуру. Критерием токсичности среды служит подавление основных жизненных функций тест-организмов: гибель, снижение темпов роста и размножения, изменение морфологии клетки, снижение активности ферментов и т.п.

Для применения методов биотестирования, как правило, не требуется больших площадей и дорогостоящего оборудования.

Токсические эффекты, регистрируемые методами биотестирования, включают комбинированное (одновременное или последовательное действие на организм нескольких ядов при одном и том же пути поступления), сочетанное (одновременное воздействие нескольких химических и физических факторов) и комплексное (одновременное поступление вредных веществ несколькими путями) воздействие всех химических, физических и биологических факторов, содержащихся в исследуемом объекте и неблагоприятно влияющих на физиологические, биохимические и генетические функции тест-объектов [22].