Biomonitoring w ekosystemach wodnych…

Problem zanieczyszczenia środowiska staje się coraz bardziej aktualny i złożony. Przyczyn narastającego problemu jest bardzo wiele. Jedną z nich jest intensywnie przebiegająca w ostatnich latach intensywnie przebiegająca urbanizacja małych środowisk bytowania ludzi (osady, wioski), a także ciągle postępujący rozwój przemysłowy i zła gospodarka odpadami. Do powietrza, wód powierzchniowych i gleb dostaje się coraz szersza gama zanieczyszczeń pochodzących ze źródeł antropogenicznych. Jednocześnie na skutek takich procesów jak transport i przemiany chemiczne, fotochemiczne i biochemiczne dochodzi do zróżnicowania poziomu stężeń określnych zanieczyszczeń w poszczególnych elementach nieożywionej części środowiska (abiotycznej). Z niej szkodliwe związki chemiczne dostają się do roślin, organizmów zwierzęcych i ostatecznie do organizmów ludzkich. Obecnie poważnym problemem, z którym boryka się Polska i inne kraje, jest degradacja ekosystemów wodnych.

Podstawowym źródłem zanieczyszczenia wód powierzchniowych w ostatnich latach są ścieki gospodarczo-bytowe, opadowe i przemysłowe. Do pierwszych zaliczamy mieszaninę ścieków fekalnych oraz wód pochodzących m.in. z kuchni, łazienek, pralni, które zawierają znaczące ilości różnych środków chemicznych, w których znaczący udział mają detergenty. Detergenty są syntetycznymi mieszaninami substancji powierzchniowo czynnych oraz organicznych i nieorganicznych substancji pomocniczych. Działają one szkodliwe na organizmy wodne (zwłaszcza ryby) poprzez zaburzenia w przepuszczalności błon komórkowych (wskutek rozpadu wiązań lipoproteidów), które prowadzą do zaburzeń w oddychaniu, wymianie gazowej, a także uszkodzeniem skrzeli. Ścieki opadowe (deszczowe, burzowe) zawierają wysoką ilość zanieczyszczeń spłukiwanych z terenów użytkowych znajdujących, które trafiają do znajdujących się w sąsiedztwie cieków wodnych (rzek), a także do jezior i stawów. Szczególnie niebezpieczne dla jakości wód i organizmów żywych są spływy z okolic wysypisk śmieci. Natomiast odpady przemysłowe zagrażające ekosystemom wodnym pochodzą zazwyczaj z zakładów przemysłu spożywczego m.in. cukrowni, rzeźni, masarni, mleczarni. Zawierają one z reguły znaczne ilości substancji organicznych, które ulegając łatwo rozkładowi mogą doprowadzić do deficytu tlenu w wodzie. Także duży problem ekologiczny stanowią pestycydy pochodzące z przemysłu rolniczego i ogrodniczego.

W ekosystemach wodnych , występujących mniej lub bardziej licznie w każdym rejonie Polski, w warunkach naturalnych występuje zazwyczaj bogaty wachlarz gatunków flory wodnej oraz wysoka różnorodność organizmów wodnych reprezentujących różne grupy taksonomiczne. W tzw. „urządzeniach wodnych” (stawy, baseny, sadze itp.) zazwyczaj przy wykorzystaniu wód z naturalnych cieków prowadzony jest chów i hodowla ryb kompsumpcyjnych. Duże nagromadzenie szkodliwych substancji w naturalnych i sztucznych ekosystemach wodnych może skutkować obniżeniem bioróżnorodności, a także poważnymi problemami w wielu gałęziach przemysłu np. rybactwie. Przez zanieczyszczenie środowiska istnieje możliwość wyginięcia gatunków objętych ścisła ochrona gatunkową. Istnieje zatem konieczność oceny skutków i prognozowania zmian środowiska wodnego pod wpływem antropopresji. 

Tematem realizowanej pracy doktorskiej są: „Sezonowe zmiany w poziomie hormonów steroidowych i ekspresja ich receptorów u wybranych taksonów ryb karpiowatych Cyprinidae i kozowatych Cobitidae”. W związku z tym w prezentowanej pracy postaram się przybliżyć sposoby kontroli jakości wód powierzchniowych przy pomocy organizmów wodnych.

Do badania jakości wody używa się metod biologicznych i chemicznych. W biologicznych metodach (Ryc. 1.) możemy wyróżnić dwa podstawowe kierunki: analizę wpływu zanieczyszczeń na materiał biologiczny oraz biomonitoring.

Możliwość bytowania organizmów w zmieniających się ekosystemach określa ich tolerancja, czyli zdolność organizmu do przystosowania się do zmian danego czynnika ekologicznego ( np. temperatury, światła itp.). Zakres tolerancji to przedział wartości czynnika, w którym organizm jest zdolny utrzymać procesy życiowe. Możliwości bytowania organizmów określają skrajne wartości (tzw. ekstrema) danego czynnika: minimum i maksimum. Mówi o tym prawo tolerancji Shelforda. Poprzez różne zakresy tolerancji możemy wyróżnić dwie podstawowe grupy organizmów: stenobionty (wykazujące wąski zakres tolerancji) oraz eurybionty ( szeroki zakres tolerancji). Gatunki o wąskim zakresie tolerancji na określone warunki środowiska to gatunki wskaźnikowe nazywane biowskaźnikami lub bioindykatorami. Ich obecność ( lub brak), a także liczebność w danym biotopie świadczy o właściwościach abiotycznych danego ekosystemu. Ponadto organizmy wskaźnikowe powinny spełniać kilka dodatkowych kryterium: posiadać szerokie rozmieszczenie geograficzne, występować w środowisku w dużych liczebnościach, posiadać długi cykl życiowy powinny być łatwo rozpoznawalne (w tym także ograniczony poziom zmienności osobniczej). Metody oceny jakości wód powierzchniowych na podstawie pasywnych metod monitoringu opiera się głównie na: systemie saprobowym oraz systemie skupiającym się na makrobezkręgowcach bentosowych.

System saprobowy został opublikowany przez Kolkwitza i Marssona w 1902 roku i określa stopień zanieczyszczenia organicznego. Autorzy wydzielili trzy głowne strefy: polisaprobową (najbardziej zanieczyszczoną), mezosaprobową (wody nieznacznie zanieczyszczone) oraz oligosaprobową (strefa wód czystych). Opiera się na tolerancji organizmów wskaźnikowych z wielu grup m.in. bakterii, glonów, pierwotniaków i wrotków, chociaż brane są pod uwagę także rośliny naczyniowe, makrobezkręgowce i ryby. W każdej strefie występowały określone biowskaźniki. Celem analizy biologicznej jest określenie składu biocenoz w wodach i ustalenie zmian jakościowych i ilościowych, jakie zaszły tym składzie pod wpływem określnych ścieków (wymienionych na początku pracy). Wynikiem tej analizy jest indeks saprobowy, który opiera się na obecności gatunków biowskaźników, z których każdy ma przypisaną wartość saprobowości, w zależności od zakresu tolerancji na zanieczyszczenia. System te posiada jednak wiele wad, do których możemy zaliczyć: ogromną ilość gatunków wskaźnikowych, konieczność pobrania prób z kilku podzespołów (sestony, bentosu i peryfitonu), brak możliwości stosowania do wszelkich zanieczyszczeń ( np. organicznych i nieorganicznych; radioaktywnych i nieradioaktywnych itp.) oraz brak zastosowania listy gatunków i ich indeksów saprobowych do wód z różnych stref geograficznych.

Od połowy lat 70-tych większość krajów UE zastąpiła system saprobowym na korzyść indeksów biotycznych oraz systemach punktacji. Metody indeksów biotycznych łączy w sobie ilościowe pomiary różnorodności gatunkowej z jakościową informacją o ekologicznej tolerancji poszczególnych taksonów. Jest to swoistym połączeniem określonych elementów pochodzących z koncepcji saprobów i bioróżnorodności. Różnica pomiędzy systemem biotycznym a wcześniej wymienianą punktacją polega na uwzględnieniu liczebności. Punktacja uwzględnia liczebność organizmów w próbce, podczas gdy przy obliczaniu indeksu liczebność jest pomijana. Metod oceny jakości wody jest prawie tak wiele jak krajów. Niemal każdy kraj stosuje własne systemy wypracowane przez swoich naukowców. Także w przypadku indeksów biotycznych występuje bardzo dużo odmian. W Polsce (wg Rozporządzenia Ministra Środowiska z 11.02.2004roku) badanie wód powierzchniowych opiera się na określeniu wartości indeksu saprobowości fitoplanktonu i peryfitonu, a w przypadku zoobentosu indeksu bioróżnorodności oraz indeksu biotycznego. Nie wskazuje jednak, które dostępne wskaźniki powinny być stosowane. Wskaźnikami, które najlepiej sprawdzają się w polskich warunkach jest Polski Indeks Biotyczny (BMWP-PL ang. Biological Monitoring Working- Pl) oparty na różnicowaniu makrobezkręgowców oraz wskaźnik różnorodności gatunkowej. Zastosowanie znalazł także indeks IBI ( Indeks Integralności Biotycznej, ang. Index of Biotic Integrity), który opracowano na postawie obserwacji zastosowaniem zespołów ryb jako wskaźników zmian jakości wody. Ocena dokonywana jest w 3 kategoriach: bogactwa składu gatunkowego, złożoności zależności troficznych i ogólnej obfitości i kondycji (choroby, deformacje kręgosłupa). Bo bioindykacji wód w Polsce często wykorzystuje się skorupiaki z rodzaju rozwielitka, glony z rodzaju Chlorella, pałkę szerokolistną i pałkę wąskolistną, a z ryb- gupika. W celu ujednolicenia badań w skali światowej organizacje międzynarodowe ustalają zasady postępowania przy badaniu toksyczności oraz podają wykazy organizmów wskaźnikowych. Dla kontroli stanu wód w Europie Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) zaleca stosowanie ryb bardzo wrażliwych na zanieczyszczenia, np.: pstrąga potokowego, płoci, sandacza, oraz ryb średnio wrażliwych, np. okonia, karpia, uklei. Pełnią one rolę wskaźników kumulacyjnych i bioindykatorów wrażliwości. Warto tutaj podkreślić, że wszystkie wymienione przez WHO ryby wskaźnikowe występują w poszczególnych zbiornikach i ciekach wodnych Olsztyna, co świadczy, że w Naszym mieście mamy do czynienia z czystymi lub słabo zanieczyszczonymi wodami powierzchniowymi. Pierwszym objawem niekorzystnie zmieniających się warunków środowiska są zmiany w zachowaniu się gatunków organizmów wrażliwych o niskiej tolerancji – stenobiontów. Dla przykładu pstrągi mogą rejestrować w ośrodkach węchowych mózgu znikome ilości szkodliwych substancji i gdy ich stężenie przekracza wartość progową reagują ucieczką. Podobnie w ocenie jakości wody znalazły zastosowanie małże słodkowodne, które cechują się wrażliwością na podwyższoną w wodzie zawartość żelaza, azotu amonowego, chloru oraz reagują na skażenie niektórymi metalami ciężkimi (np. miedź, rtęć, kadm), formaldehydem oraz środkami ochrony roślin. Reagują one natychmiastowym zamknieciem muszli na czas zależny od siły czynnika stresowego. W niektórych układach, np. z miejscach gdzie ocenia się zdatność wody do picia zachowanie małży jest monitorowane elektronicznie. Aby ocenić stopień toksyczności wód stosuje się także aktywne metody biomonitoringu, które polegają na hodowli ryb przez 2-20 dni, a następnie określa się poziom śmiertelności, bada przebiegu procesów biochemicznych i fizjologicznych oraz zmiany w sposobie poruszania się i zachowaniu osobników. Biomonitoring to także bardzo ważne narzędzie, dzięki któremu istnieje możliwość wykrycia organizmów inwazyjnych (obcych) w danym ekosystemie. Gatunki obce często powodują wypieranie rodzimych gatunków co skutkuje czasem nieodwracalnymi zmianami w danym ekosystemie. Wczesne wykrycie napływu gatunku obcego daje możliwość oceny zagrożenia i ewentualne przeciwdziałanie rozprzestrzenianiu się obcych gatunków. Dzieki biomonitoringu w ten sposób zaobserwowano pojawienie się obcego gatunku- ryb z rodziny babkowatych (np. Babka bycza) w Zatoce Puckiej.

Podsumowując pełen obraz skutków narażenia organizmów żywych na zanieczyszczenia wody oraz efektów negatywnych na biocenozę można uzyskać jedynie poprzez odpowiedni dobór metod testowych oraz organizmów wskaźnikowych. Podstawowym założeniem takich badań powinno być uwzględnienie wpływu zanieczyszczeń na przedstawicieli poszczególnych poziomów troficznych biocenozy wodnej. Ponadto uzyskane rezultaty powinny obejmować prognozę skutków oddziaływania na organizm człowieka (z uwagi na jego pozycję w łańcuchu troficznym), a także ocenę ryzyka środowiskowego (degradacja ekosystemów). Z kolei analiza biocenozy, identyfikacja gatunków wskaźnikowych, wsparte badaniami z wykorzystaniem organizmów monitorowych obserwacjach długoterminowych pozwalają na określenie trendu zmian zachodzących w środowisku wodnym oraz na prognozowanie jego zdolności do samooczyszczenia.

Wbrew pozorom biomonitoring to metoda, którą każdy może zastosować w swoim otoczeniu. Często nie potrzeba specjalistycznego sprzętu. Wystarczy wiedza i chęci… A dzięki temu każdy z nas może wpływać na monitorowane zmian jakie zachodzą w naszym otoczeniu, w ekosystemach wodnych, które są dla każdemu ważnym miejscem zarówno rekreacyjnym, jak i gospodarczym (gospodarka rybacka i wędkarska). Pomyślmy co by było gdyby zabrakło czystych akwenów wodnych…? Próba przeciwdziałania, gdy problem będzie bardzo nasilony będzie jak walka z wiatrakami i wtedy może być już za późno. Będąc studentką biotechnologii doskonale zdawałam sobie sprawę jak ważne jest dla każdego organizmu środowisko i ekosystemy wodne. Jednak pewną pasją do biomonitoringu zaraziłam się w trakcie trwania „Letniego Kursu Ichtiologii Morza”, podczas którego mogłam na własnej skórze zobaczyć jak taki biomonitoring (pasywny) może przebiegać. Jak cudownym uczuciem jest obserwacja organizmów wodnych w ich naturalnym środowisku. Dlatego zachęcam wszystkich to obserwacji swojego otoczenia (środowiska), które czasem potrafi nam powiedzieć więcej niż większość badań chemicznych.

Anna Przybył 
Doktorantka I roku, Katedra Zoologii