Основы гидробиологии. Макробеспозвоночные

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова»

ИНСТИТУТ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК И МАТЕМАТИКИ

кафедра химии и геоэкологии

направление 44.03.05 Педагогическое образование

Профиль «Химия, биология»

Основы гидробиологии. Макробентос и его значение.

Абакан, 2024

ВВЕДЕНИЕ 3

ГИДРОБИОЛОГИЯ. ПРЕДМЕТ, МЕТОДЫ И ЗАДАЧИ ГИДРОБИОЛОГИИ 5

РАЗНООБРАЗИЕ МАКРОБЕСПОЗВОНОЧНЫХ 8

КОМПОНЕНТЫ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ. ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ. 11

УГРОЗЫ ДЛЯ МАКРОБЕСПОЗВОНОЧНЫХ 12

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ВОДОЕМА ПО ОРГАНИЗМАМ ЗООБЕНТОСА. 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 16

ПРИЛОЖЕНИЕ 17

Население Земли, образующее вместе с субстратом, в котором оно обитает, биосферу нашей планеты, сконцентрировано в газообразной оболочке — атмосфере, твердой — литосфере и жидкой — гидросфере, причем последняя представляет собой наиболее широкую арену жизни. Из общей площади поверхности нашей планеты, равной приблизительно 510 млн. /еж2, около 362 млн. км2, т. е. более 70,5%, приходится на долю водного зеркала, а если принять во внимание и подземные воды, распространенные почти повсеместно, то окажется, что водная оболочка практически покрывает всю Землю. Кроме того, в отличие от атмосферы и литосферы гидросфера заселена во всей своей толще, часто измеряемой сотнями и тысячами метров. Население гидросферы, или гидробиос, представленное водными организмами, или гидробионтами, их популяциями и сообществами, играет в жизни человека чрезвычайно важную роль, непрерывно возрастающую по мере освоения водоемов. Одни из гидробионтов широко используются промыслом или полезны в иных отношениях, другие приносят вред, будучи патогенными для человека и домашних животных или создавая помехи народному хозяйству, в частности водоснабжению, судоходству и эксплуатации гидротехнических сооружений. Поэтому по мере освоения пресных и морских водоемов все более необходимым становилось изучение их населения с целью повышения его положительной и снижения отрицательной роли в жизни человека. Задачу такого изучения населения водоемов взяла на себя возникшая в конце прошлого века наука гидробиология.

Бентос представляют собой достаточно большое сообщество беспозвоночных, обитающих в зоне воды и донных отложений, состоящее из различных таксонов. Макробентос -это организмы, обитающие на поверхности грунта и в его толще, размер которых варьируется от 2мл до 10мм. Из жи­вот­ных в не­го вхо­дят про­стей­шие, губ­ки, круг­лые чер­ви, ма­ло­ще­тин­ко­вые чер­ви, пи­яв­ки, мол­лю­ски, ра­ко­об­раз­ные и ли­чин­ки множества вод­ных на­се­ко­мых. Некоторые из них зарываются в грунт, другие обитают на его поверхности, а третьи – в придонном слое воды. Обитая на дне водоемов, где часто складывается наиболее напряженная ситуация, организмы зообентоса являются хорошими индикаторами сложившихся здесь условий. Донная фауна участвует в круговороте веществ в водоеме, являясь промежуточным звеном в пищевых цепях. Водные беспозвоночные являются важным элементом в экосистеме, так как они являются посредниками в процессах обмена веществом и энергии как внутри водных экосистем, так и между ними и наземными экосистемами. Бентосные биоценоз закреплены локально, поэтому лучше других сообществ характеризуют экологическое состояние конкретного биотопа. Донные беспозвоночные отличаются сравнительно длительными жизненными циклами и могут интегрировать эффекты внешних воздействий за долгий период, а также реагировать на происходящие изменения перестройками структуры. Изучение водных беспозвоночных, их биологии и роли в водных экосистемах, выявление биологических и географических закономерностей формирования водных биоценозов позволяют решать проблемные  вопросы зоологии, гидробиологии, экологии и биогеографии.

Гидробиология – от греческих слов hydor – вода;  вios – жизнь; logos – слово. По определению С.Н. Складовского, гидробиология – наука изучающая закономерности биологических процессов, происходящих в водоемах, исследуя связи и взаимоотношения между водными организмами и окружающей их средой как живой, так и мертвой. Аналогичное определение дает и С.А. Зернов в 1934 г. в книге «Общая гидробиология»: Гидробиология – это наука, изучающая причинную связь и взаимоотношения между водными организмами и окружающей их средой, как живой, так и мертвой. В 1979 г. А.С. Константинов говорит об общей гидробиологии как о науке экологической, которая изучает население гидросферы во взаимосвязи с окружающей средой и биологические явления в водоемах, возникающие в результате взаимодействия различных живых компонентов друг с другом и с неживой природой. В современном представлении гидробиология – это наука, которая изучает состав, структуру и функционирование гидробиологических систем. Таким образом, в развитии гидробиологии выделяются три основных направления:  1) Описание состава Это направление было заложено в отечественной гидробиологии С.А. Зерновым. Наибольшее внимание уделяется в нем экологическому изучению особей отдельных видов. А.С. Константинов называет его аутоэкологической гидробиологией. Это направление исследований сохранилось и в настоящее время, однако все современные исследования лишь дополняют уже имеющиеся данные. В связи с этим это направление в гидробиологии занимает подчиненное положение. В рамках аутоэкологических исследований изучается взаимодействие гидробионтов с окружающей средой без изучения морфологии и физиологии самих организмов. 2) Изучение структуры – это демэкологические (популяционные) и синэкологические (биоценотические) исследования – т.е. изучение популяций и биоценозов как надорганизменных форм жизни, обладающих определенной структурой, функциями и характером  взаимодействия с окружающей средой. Одним из классиков этого направления гидробиологии является В.С. Ивлев, разработавший экспериментальные принципы исследований взаимоотношений. Он разработал все первые уравнения по интенсивности обмена веществ у гидробионтов 3) Функционирование системы В современной гидробиологии особенно интенсивно изучаются водные экосистемы – структурно-функциональные единицы биосферы, отличающиеся друг от друга по своим физико-химическим характеристикам, составу населения и особенностям внутрисистемных взаимодействий. Выдвижение на первый план биоценологических исследований резко усилило в гидробиологии системный подход с использованием возможностей и всех средств системного анализа. Системное направление рассматривает общие проблемы организации биосистем в гидросфере, их поведение, самоорганизацию и управление, разрабатывает моделирование как специфический подход к изучению и описанию биосистем, прогнозу их состояния при различных изменениях окружающей среды. В рамках этого направления работают гидробиологи школы Винберга – это продукционное направление гидробиологии. Созданы различные типологии водоемов по продуктивности. Так как гидробионты обитают в различных водоемах – участках гидросферы Земли, то гидробиология тесно сотрудничает с такими науками, как гидрохимия, гидрофизика,  гидрология и гидрогеология, наконец, экология. При изучении гидробионтов используются и знания многих биологических дисциплин, таких как зоология, ботаника, микробиология, физиология, гистология, биогеография. Предметом изучения науки гидробиологии является экосистема водоема, а  главным   методом    гидробиологии    является   качественный и количественный учет различных групп гидробионтов и оценка их функциональной роли в водной экосистеме. Учет   численности и биомассы отдельных экземпляров, видов и форм гидробионтов позволяет изучить их взаимоотношения с различными факторами среды, выявить приуроченность к определенному биотопу, отношение к тому или иному фактору среды и т.д.  По биомассе различных групп населения водоема судят о структуре биоценоза, динамике состояния отдельных видов и групп гидробионтов. Для оценки функциональной роли отдельных групп гидробионтов в экосистеме устанавливается их значение в трансформации веществ и энергии. С этой целью используются физиологические, микробиологические,  токсикологические, гистологические и многие другие методы. К основным задачам гидробиологии относятся: – Повышение биологической продуктивности водоемов методами аквакультуры, получение наибольшего количества ценного биологического сырья (водорослей, ракообразных, моллюсков, рыбы, млекопитающих и т.д.); – Создание хозяйств для целей аквакультуры, искусственного производства рыбы и гидробионтов, рекреационного использования водоемов; – Поиск мер обеспечения людей «чистой» водой: 1) оптимизация экосистем, создаваемых для промышленной очистки питьевых и сточных вод; 2) решение проблемы теплового загрязнения водоемов, особенно, в условиях глобального потепления; 3) разработка систем замкнутого водооборота, включая задачи космонавтики; – Экспертная оценка экологических последствий зарегулирования, перераспределения и переброса стока рек, антропогенного изменения гидрологического режима озер и морей; – Гидробиологическая экспертиза, оценивающая значение влияния на водные экосистемы промышленных, сельскохозяйственных и других предприятий. Разработка методов оценки ущерба, наносимого рыбным запасам хозяйственной деятельностью человека. В соответствии с задачами выделились и некоторые специальные разделы: продукционная, санитарная, техническая, сельскохозяйственная, навигационная гидробиология. Продукционная гидробиология формирует представления о трофических связях  и биотическом круговороте в водных экосистемах; изыскивает перспективные пути увеличения и качественного улучшения сырьевой базы промысла водных организмов, разрабатывает методы прогнозирования продуктивности водоемов и ее повышения за счет направленного изменения условий существования гидробионтов и направленного формирования гидробиоценозов, создает основы рационального ведения аквакультуры. Санитарная гидробиология исследует биологические процессы, ответственные за формирование качества воды и возможные пути управления этими процессами в различных интересах человека (охраны здоровья человека, создании замкнутых циклов водооборота в производственных целях и т.п.). Техническая гидробиология занимается разработкой мер по борьбе с биообрастаниями трубопроводов, каналов, промышленных установок, особенно объектов энергетики; изучает возможности борьбы с биологической коррозией металлов, находящихся в воде, с древоточцами и камнеточцами. Сельскохозяйственная гидробиология изучает формирование водного населения на затопленных участках   возделывания полуводных культур, в первую очередь риса, выясняет пути управления этим процессом в интересах повышения урожайности сельскохозяйственных культур и рыборазведения, разрабатывает приемы рыбосевооборотов. Навигационная гидробиология изучает биологические явления в воде, с которыми сталкивается судоходство: биолюминисценция, биологические преграды, искажение данных эхолокации и других измерений из-за присутствия гидробионтов. Кроме практических задач современная гидробиология решает отдельные актуальные научные проблемы: Трофологическое направление – исследует питание и пищевые взаимоотношения гидробионтов, причинные связи и механизмы продукционного процесса в их динамике. Энергетическое направление – изучает энергетический поток в водоемах; биологическую трансформацию энергии. Токсикологическое направление – определяет критерии токсичности и предельно допустимые для гидробионтов концентрации отдельных токсикантов и механизмы их действия. Этологическое направление – занимается исследованием закономерностей поведения гидробионтов и их популяции. Радиоэкологическое направление – исследует пути миграции, процессы накопления и выведения радионуклидов, их влияние на гидробионтов. Палеогидробиология – занимается выявлением истории населения водоемов. Системное направление – приложение общей теории систем и ее методов к водной экологии. Это направление одно из молодых. Оно рассматривает общие проблемы организации биосистем в гидросфере, их поведение, самоорганизацию, саморегуляцию и управление, разрабатывает моделирование как специфический подход к изучению и описанию биосистем, прогнозу их состояния при различных изменения окружающей среды.

Измельчители:

Измельчители питаются крупнозернистым органическим веществом из наземного опада листьев. Используя свой ротовой аппарат, они измельчают органическое вещество для получения корма и при этом взвешивают более мелкие частицы в толще воды. Примеры включают двукрылых (например,  журавлиная муха) и плоскокрылых (например, таллаперлу).

Рисунок 1. Журавлиная муха

Рисунок 2. Таллаперла

Травоядные:

Т равоядные используют скребущие ротовые аппараты для соскабливания биопленки и водорослей со скал и затопленной водной растительности, включая Ephemeroptera (например, Баэтиды). Их выпас влияет на биомассу водорослей в водных экосистемах и, следовательно, на первичную продукцию в водных экосистемах.

Рисунок 3. Баэтиды

Собиратели:

С обиратели в основном собирают мусор в ручьях или на дне озер в поисках отложившегося мелкодисперсного органического вещества и мертвых организмов. Они играют роль в биотурбации и ресуспендировании органического вещества и включают двукрылых (например, Chironomidae).

Рисунок 4. Хирономидовые

Фильтраторы:

Фильтраторы-различные водные животные, которые питаются мелкими плавающими организмами или органическими остатками, отфильтровывая их из воды. Фильтраторы принадлежат к самым разным разным типам царства животных, среди них могут быть как беспозвоночные (насекомые, моллюски)

Рисунок 5. Обыкновенный прудовик

Хищники:

Хищники потребляют ткани животных и, следовательно, оказывают прямое нисходящее воздействие на пищевую сеть. Некоторые виды хищников включают личинок Odonata и Plecoptera, которые используют хватательные ротовые аппараты для нападения на добычу из засады.

Рисунок 6.Бабка металлическая

КОМПОНЕНТЫ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ. ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.

Компоненты водных экосистем функционально не отличаются от главных компонентов наземных экосистем. В биологическом сообществе естественно присутствуют три главные группы организмов: продуценты, консументы и редуценты. Продуценты (фитопланктон и фитобентос) ассимилируют энергию Солнца и создают органическое вещество, служащее источником жизни для них и остальных компонентов экосистемы. Консументы (зоопланктон, зообентос, нектон) это вещество преобразуют в биомассу своего тела. Редуценты (бактериопланктон и бактериальное население дна водоема) выполняют важнейшую часть работы – минерализацию экскретов и трупов консументов и продуцентов и переведение их в неорганическую форму с тем, чтобы сделать их доступными продуцентам для повторения цикла. Основные процессы жизнедеятельности гидробионтов те же, что и у любых других организмов. Это – питание, которое может быть автотрофным или гетеротрофным, а при совмещении этих типов – миксотрофным. В гидробиосе при трансформации энергии, круговороте веществ и передаче информации происходят все те же процессы, что и в наземных экосистемах. Ряды, в которых можно проследить пути расходования изначальной дозы энергии, называют цепями питания. Место каждого звена в цепи питания называют трофическим уровнем. Первый трофический уровень – это всегда продуценты, создатели органической массы (фототрофы и хемотрофы); растительноядные консументы относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные, живущие за счет растительноядных форм, – к третьему; потребляющие других плотоядных – соответственно к четвертому и т.д. Таким образом, различают консументов первого, второго и третьего порядков, занимающих разные уровни в цепях питания. Основную роль при этом играет пищевая специализация консументов. Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называют цепями выедания (или пастбищными, или цепями потребления), а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, – детритными цепями разложения. Энергетические затраты на поддержание всех метаболических процессов условно называют тратой на дыхание, так как общие их масштабы можно оценить, учитывая выделение СО2 организмом.

УГРОЗЫ ДЛЯ МАКРОБЕСПОЗВОНОЧНЫХ

Макробеспозвоночные сталкиваются с рядом угроз, которые могут негативно сказаться на их численности и разнообразии. Эти угрозы включают:

Загрязнение. Загрязнение воды является одной из основных угроз для макробеспозвоночных. Загрязняющие вещества, такие как пестициды, удобрения и сточные воды, могут быть токсичными для макробеспозвоночных или нарушать их жизненные циклы. Например, пестициды могут убивать насекомых, которые являются важным источником пищи для многих макробеспозвоночных.

Эвтрофикация. Эвтрофикация - это процесс обогащения водоемов питательными веществами, что приводит к чрезмерному росту водорослей. Водоросли могут затенять макробеспозвоночных, снижая их способность питаться и размножаться. Кроме того, разложение водорослей может привести к снижению уровня кислорода в воде, что может быть вредным для макробеспозвоночных.

Изменение климата. Изменение климата также представляет угрозу для макробеспозвоночных. Повышение температуры воды может нарушить жизненные циклы макробеспозвоночных и сделать их более уязвимыми для болезней. Кроме того, изменение климата может привести к изменению гидрологического режима водоемов, что может повлиять на среду обитания макробеспозвоночных.

Инвазивные виды. Инвазивные виды - это неместные виды, которые были завезены в новую среду обитания и стали доминирующими. Инвазивные виды могут конкурировать с местными макробеспозвоночными за пищу и среду обитания, а также могут быть переносчиками болезней. Например, инвазивная зебра мидия может фильтровать воду и удалять из нее планктон, который является важным источником пищи для многих макробеспозвоночных.

Уничтожение среды обитания. Уничтожение среды обитания является еще одной серьезной угрозой для макробеспозвоночных. Развитие прибрежных районов, строительство плотин и изменение русла рек могут разрушить или фрагментировать среду обитания макробеспозвоночных. Например, строительство плотин может нарушить миграционные пути макробеспозвоночных и изолировать популяции.

Влияние на экосистему Угрозы для макробеспозвоночных могут иметь каскадный эффект на экосистему водоемов. Макробеспозвоночные являются важным звеном в пищевых цепях, и их сокращение может привести к снижению численности хищников, таких как рыбы и птицы. Кроме того, макробеспозвоночные играют важную роль в разложении органического вещества и улучшении качества воды. Их сокращение может привести к накоплению органического вещества и ухудшению качества воды.

Оценка качества воды по биотическому индексу.

Гидробиологический контроль качества воды – важнейшая составная часть экологического мониторинга поверхностных вод. Гидробиологический метод, позволяет обнаружить последствия загрязнения, так как исходит из состояния сообществ гидробионтов, существующих при определенном качестве среды. Видовой состав и численность обитателей водоема зависят от свойств воды. Главная идея биомониторинга состоит в том, что гидробионты отражают сложившиеся в водоеме условия среды. Те виды, для которых эти условия неблагоприятны, выпадают, заменяясь новыми видами с иными потребностями. Биоценозы начинают изменяться вследствие вымирания чувствительных организмов и замены их малочувствительными. Методы биоиндикации применимы только к водоёмам, имеющим собственную биоту. Они учитывают реакцию на загрязнение целых сообществ водных организмов или же отдельных систематических групп. При этом исследователи непосредственно на водоёме учитывают факт присутствия в нём индикаторных организмов, их обилие, наличие у них патологических изменений. Несмотря на то, что и естественные условия водоёмов, и виды загрязнений очень разнообразны, можно выделить несколько универсальных реакций сообществ водных организмов на ухудшение качества воды.

Индекс Майера, основанный на приуроченности различных групп водных беспозвоночных к водоемам с определенным уровнем загрязненности. По значениям индекса Майера оценивают степень загрязненности водоема: более 22 баллов — водоем чистый и имеет 1-й класс качества; 17-21 баллов — 2-й класс качества; 11-16 баллов — умеренная загрязненность, 3-й класс качества; менее 11 — водоем грязный, 4-7-й класс качества.

Таблица 1.Индекс Майера .

Количество найденных групп из первого раздела необходимо умножить на 3, количество групп из второго раздела – на 2, а из третьего – на 1. Получившиеся цифры складывают: S = X*3 + Y*2 + Z*1 По значению суммы S (в баллах) оценивают степень загрязненности водоема: - более 22 баллов - водоем чистый и имеет 1 класс качества; - 17-21 баллов - 2 класс качества; - 11-16 баллов - умеренная загрязненность водоема, 3 класс качества; - менее 11-водоем грязный, 4-7 класс качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Кульский Л. А., Даль В. В. Проблемы чистой воды / Кульский Л. А., Даль В. В. — Киев: Наукова думка., 1974 — 232 c.

Баева Ю. И., Черных Н. А. Оценка экологического состояния прибрежных вод черного моря методами биоиндикации / Баева Ю. И., Черных Н. А. // Киберленика. — 2020. — № . — С. 22-31.

Бентос/ [Электронный ресурс] // Большая российская энциклопедия 2004–2017 : [сайт]. — URL: https://old.bigenc.ru/biology/text/1858890 (дата обращения: 10.03.2024).

Обыкновенный Прудовик / [Электронный ресурс] // Inaturalist : [сайт]. — URL: https://www.inaturalist.org/taxa/61770-Lymnaea-stagnalis (дата обращения: 20.04.2024).

Индекс Майера / [Электронный ресурс] // Студопедия : [сайт]. — URL: https://studopedia.su/16_80584_indeks-mayera.html (дата обращения: 28.04.2024).

Скворцов, В. Э. Атлас определитель. Стрекозы Восточной Европы и Кавказа [Текст] / В. Э. Скворцов. Москва: Товарищество научных изданий КМК, 2010 — 623 c.

Попова, А. Н. Личинки стрекоз фауны СССР [Текст] / А. Н. Попова. Ленинград: Московская академия наук СССР, 1953 — 120 c.

Хохуткин И. М., Винарский М. В., Гребенников М. Е. Моллюски Урала и прилегающих территорий [Текст] / Хохуткин И. М., Винарский М. В., Гребенников М. Е. — 2-е изд.. — Екатеринбург: Российская государственная библиотека (РГБ), 2013 — 183 c.

Константинов, А. С. Общая гидробиология [Текст] / А. С. Константинов — 4-е изд.. — Москва: Высшая школа, 1986 — 472 c.

Жадин В. И. Методы гидробиологического исследования [Текст] / В. И. Жадин— Москва: Высшая школа, 1960 — 192 c.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Что такое гидробиология?

2. Какие основные направления гидробиологии указаны в тексте?

3. Макробеспозвоночные-это…

4. Перечислите виды макробеспозвоночных?

5. Типы питания макробентоса

6. Виды угроз для макробентоса и их определения.

7. Вычислить класс качества озера Фыркал, если известно Зообентос представляет собой 11 групп донных беспозвоночных: олигохеты, пиявки, моллюски, амфиподы, клещи, личинки жуков, ручейников, поденок, гелеид, хирономид, и гусеницы бабочек.

8. В чем состоит главная идея биомониторинга?

9. Роль макробеспозвоночных в экологии.

10. Перечислить типы питания гидробионтов.