К ВОПРОСУ О ТАКСОНОМИЧЕСКОМ СОСТАВЕ ФИТОПЛАНКТОНА И КАЧЕСТВЕ ВОДЫ ЛЕНЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА И НИЖНЕТАГИЛЬСКОГО ГОРОДСКОГО ПРУДА
Е.Е. Марченко*, В.В. Кульнев**, Г.А. Анциферова**,
Н.Г. Тарасова***, Т.В. Еремкина****, Б. В. Михайлов *****
abt-vrn@yandex.ru
ООО НПО «Альгобиотехнология», г. Воронеж*
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж**
Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук,
г. Тольятти***
Институт комплексного использования и охраны водных ресурсов
(ФГУП РосНИИВХ), г. Екатеринбург****
ОАО ЕВРАЗ «Нижнетагильский металлургический комбинат»*****
Аннотация
Фитопланктон Леневского водохранилища насчитывает 154 таксона, Нижнетагильского городского пруда – 520 таксонов рангом ниже рода. Преобладающими группами являются диатомовые и зеленые водоросли. Наибольшее число видов принадлежит родам Scenedesmus, Nitzschia, Trachelomonas. Рассмотрены возможные причины значительных отличий результатов исследования флоры микроводорослей 2011 и 2014 года Леневского водохранилища. Отмечена тенденция к увеличению общего видового разнообразия водорослей Нижнетагильского городского пруда. Зафиксирована слабая и умеренная обратная корреляция между видовым разнообразием и величиной индекса загрязнения воды, рассчитанной по данным многолетнего мониторинга.
Ключевые слова: фитопланктон, видовое разнообразие, химический состав воды, загрязнение, водохранилище, мониторинг, Свердловская область.
Введение
Леневское водохранилище и Нижнетагильский городской пруд, как и многие водоемы Свердловской области, находятся под сильным антропогенным прессингом и являются весьма загрязненными. Основной источник загрязнения Нижнетагильского городского пруда – река Малая Кушва, в которую сбрасываются хозяйственно-бытовые стоки жилого массива Дзержинского района города, промышленные стоки Уралвагонзавода и Нижнетагильского металлургического комбината. Кроме того, пруд принимает в себя воды каскадного с ним Леневского водохранилища, испытывающего загрязнение тяжелыми металлами (медь, цинк) в результате поступления шахтных вод с заброшенного Левихинского рудника [9].
С 2010 по 2014 – на Нижнетагильском городском пруду, а в 2011 и 2014 годах Леневского водохранилища осуществлялась биологическая реабилитация методом коррекции альгоценоза.
Несмотря на особое экологическое состояние водоемов и на то, что они являются водными объектами многоцелевого использования, данные о флоре микроводорослей и гидрохимическом составе незначительные [12, 14,15,17].
Материалы и методы исследованияВ ходе проводимых исследований отбирались пробы воды для гидрохимического анализа и для качественной и количественной оценки фитопланктона из Нижнетагильского городского пруда на протяжении 2010-2014 гг., из Леневского водохранилища – в 2011 и 2014 гг. Отбор проб воды производился в соответствии с рядом нормативных документов [2,3,4,10,11].
На акватории Леневского водохранилища гидрохимические пробы отбирались с апреля по октябрь в 2011 году, а в 2014 году с июня по сентябрь в трех точках, привязанных к верховьям, и в двух точках, характеризующих низовья водоема. Общий объем обработанного материала составляет 55 проб.
В период с 2010 по 2014 год гидрохимические пробы отбирались на всей акватории Нижнетагильского городского пруда, в трех точках мониторинга. Всего отобрано и проанализировано 105 проб.
Общий объем обработанного материала фитопланктона по Леневскому водохранилищу составил 16 проб (Табл.1).
Таблица 1 – график сбора проб фитопланктона Леневского водохранилища
Точки забора | Периодичность или дата сбора | |
2011 | 2014 | |
Верховье | Ежемесячно VI–VIII | Ежемесячно V-IX |
Низовье | ||
Всего | 6 проб объемом 1 л | 10 проб объемом 1 л |
Общий объем обработанного материала фитопланктона нижнетагильского городского пруда составил 56 проб фитопланктона (Табл. 2), что позволяет выявить систематический и экологический состав сообщества низших водорослей и проследить особенности их развития.
Таблица 2 – график сбора проб фитопланктона Нижнетагильского городского пруда
Точки забора | Периодичность или дата сбора | ||||
2010 | 2011 | 2012 | 2013 | 2014 | |
«Монзино» | Ежемесячно IV-X | VI, VIII, X | Ежемесячно V-X* | Ежемесячно V-X | Ежемесячно V-IX |
«Фотеево» | VI, VIII, X | Ежемесячно V-X | Ежемесячно V-IX | ||
«Кушва» | Ежемесячно IV-X | Ежемесячно V-X* | |||
Объем обработанного материала | 14 проб объемом 1 л | 6 проб объемом 1 л | 14 проб объемом 1 л | 12 проб объемом 1 л | 10 проб объемом 1 л |
Примечание. *В июне пробы отбирались дважды: в начале и в конце месяца.
Для получения усреднения данных пробы отбирались на разном – от 20 до 500 м – расстоянии от берега.
Для учета встречаемости микроскопических водорослей применялась шкала, которая рассчитывает баллы, исходя из полученных значений процентного содержания отдельных таксонов. Значения обилия переводились в балльную шкалу Кордэ [5].
Аналитическая обработка гидрохимических данных проводилась с использованием индекса загрязнения воды (ИЗВ).
Определение наличия зависимости между показателями фитопланктона и уровнем загрязненности воды использован коэффициент корреляции Пирсона (r).
Результаты исследования и их анализ
Комплексная характеристика эколого-гидрохимического состояния Леневского водохранилища представлена на рисунке 1 (А – Г).
Рис. 1 – динамика изменения ИЗВ Леневского водохранилища в 2011, 2014 гг.
В 2011 году снижение индекса загрязнения воды отмечено в августе. В 2014 году резкое снижение ИЗВ наблюдалось в июле, менее выраженное в августе. В сентябре 2014 года тенденция не сохранилась из-за максимально высоких значений индекса загрязнения воды, обусловленных завершением сброса части воды из Леневского водохранилища.
Самые высокие значения ИЗВ (Таблица 3) выявлены в 2012 году, что обусловлено, скорее всего, влиянием залповых значений в отдельных точках.
Таблица 3 – значения индекса загрязнения воды Нижнетагильского городского пруда в 2010 – 2014 гг.
Наиболее низкие значения ИЗВ характерны для июля и августа. Межсезонное (июнь, сентябрь) увеличение индекса объясняется повышенным стоком поверхностных вод (талые воды, обильные осадки) в водоемы, в связи с чем их загрязненность возрастает.
В каждой точке наблюдения прослеживается тенденция на снижение ИЗВ, за исключением низовьев водоема в сентябре. Более или менее отчетливое снижение ИЗВ прослеживается с 2010 по 2013 гг. Из общей картины выпадают значения некоторых точек 2012 и 2014 годов. Причиной относительно высоких значений 2014 года является сброс воды в связи ремонтом плотины, так как в меньшем объеме воды находится большая концентрация поллютантов. Явной причины, обусловливающей залповые значения в 2012 году не обнаружено. Сентябрьское повышение ИЗВ в 2014 году возможно обусловлено спуском водоема в 2014 году в связи с ремонтом плотины.
Ведущими поллютантами в обоих водоемах являются сидерофильные и халькофильные тяжелые металлы, нефтепродукты и, в меньшей степени, биогенные компоненты.
На фоне значительного вклада в ухудшение качества воды тяжелых металлов и нефтепродуктов имеет место снижение концентрации прочих поллютантов, что, скорее всего, обусловлено интенсивным расходом кислорода (этот вывод сделан по увеличению значений ХПК и БПК), генерируемого большой биомассой фотосинтезирующих хлорококковых водорослей [6, 7].
Отсюда следует, что проведение биологической реабилитации водоемов методом коррекции альгоценоза интенсифицирует процессы самоочищения, приводя к улучшению качества воды по санитарно-гигиеническим параметрам. Это особенно важно для Уральского региона, в котором водоснабжение населения осужествляется преимущественно из поверхностных водоисточников.
Таким образом, самая неблагоприятная эколого-гидрохимическая ситуация складывается в низовьях обоих водоемов. Поэтому при продолжении биореабилитационных работ следует увеличить объем суспензии хлореллы, вселяемой в эту часть водоемов.
На настоящий момент фитопланктон Леневского водохранилища насчитывает 154 таксона рангом ниже рода (в том числе 149 видам). В составе фитопланктона Нижнетагильского городского пруда зарегистрировано 520 таксонов рангом ниже рода (491 вид, их подвиды, вариации и формы). Роль отделов в формировании видового состава альгоценозов неравноценна (Табл. 4).
Таблица 4 – видовое разнообразие отделов фитопланктона
№ | Кол-во видов Отдел |
Леневское водохранилище | Нижнетагильский городской пруд | ||
Абс. | Доля, % | Абс. | Доля, % | ||
1 | Cyanoprokariota | 21 | 13,64 | 44 | 8,46 |
2 | Chrysophyta | 9 | 5,84 | 28 | 5,38 |
3 | Bacillariaphytha | 42 | 27,27 | 182 | 35 |
4 | Xanthophyta | 2 | 1,3 | 6 | 1,15 |
5 | Cryptophyta | 7 | 4,55 | 15 | 2,88 |
6 | Dinophyta | 4 | 2,6 | 13 | 2,5 |
7 | Raphidophyta | 0 | 0 | 2 | 0,38 |
8 | Euglenophyta | 14 | 9,1 | 55 | 10,6 |
9 | Chlorophyta | 55 | 35,7 | 175 | 33,65 |
Итого | 154 | 100 | 520 | 100 |
В целом преобладающими группами являются диатомовые и зеленые водоросли, что типично для водоемов умеренной зоны, для зоны смешанных лесов Западной Сибири. Вторыми по видовому разнообразию являются цианобактерии и эвгленовые. Водоросли других отделов не играют заметной роли в структуре фитопланктона, они не создают высокой численности и представлены небольшим количеством видов.
В спектр пяти рангов ведущих родов альгофлоры обоих водоемов по видовому разнообразию вошли представители пяти отделов: Chlorophyta, Bacillariophyta, Euglenophyta, Cryptophyta и Chrysophyta (Табл.5).
Таблица 5 – спектр ведущих родов микроводорослей
Ранг | Леневское водохранилище | Нижнетагильский городской пруд | ||||
Название рода | Число видов | Доля во флоре, % | Название рода | Число видов | Доля во флоре, % | |
1 | Scenedesmus | 11 | 7.14 | Scenedesmus | 27 | 5.5 |
2 | Synedra | 8 | 5.19 | Nitzschia Navicula | 20 | 4.07 |
3 | Nitzschia | 7 | 4.54 | Euglena | 17 | 3.46 |
4 | Trachelomonas Dinobrion Cyclotella Monoraphidium |
5 | 3.25 | Trachelomonas | 16 | 3.26 |
5 | Euglena | 4 | 2.6 | Synedra Cryptomonas Phacus |
12 | 2.44 |
Общими чертами альгофлоры двух водохранилищ являются следующие: наиболее богатыми в видовом отношении среди зеленых водорослей является род Scenedesmus (Табл. 4), среди диатомовых наибольшим числом видов представлены роды Nitzschia и Synedra, среди эвгленовых – роды Trachelomonas и Euglena. Ранговое положение родов практически соответствует вкладу отделов, к которым они относятся, в суммарное видовое разнообразие альгофлоры. Ведущее положение зеленых водорослей как на уровне отделов, так и в родовом спектре свидетельствует об относительно невысокой степени эвтрофикации. Это подчёркивает срединное положение в спектре таких родов эвгленовых, как Trachelomonas и Euglena, ранговое положение которых прямо пропорционально отражает степень органического загрязнения.
По относительному обилию среди видов фитопланктона было выделено шесть групп, из которых три с максимальными балльными характеристиками («5», «7» и «9») были включены в комплекс доминирующих видов (Табл.6).
Таблица 6 – динамика видов доминирующего комплекса
Динамика Таксон (вид,форма, вариация) |
Частота доминирования | |||||||||||
Леневское водохранилище | Нижнетагильский городской пруд | |||||||||||
V | VI | VII | VIII | IX | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs | + | 1+ | 2+ | 1 | + | |||||||
Geitlerinema amphibia (Ag. ex Gom.) Anag. | + | 1 | + | + | 1 | + | 1 | + | ||||
Microcystis aeruginosa (Kutz.) Kutz. | 1 | + | + | 1 | + | 1+ | + | 1+ | 2 | 1+ | + | |
M. pulverea (Wood) Forti emend. Elenk. | + | 1 | ||||||||||
Planktothrix agardii Gomont | + | 1 | + | + | + | |||||||
Planktolyngbya limnetica (Lemm.) Kom.-Leg. et Gron. | + | + | + | 1 | + | |||||||
Limnothrix planctonica (Wolosz.) Meffert | 1 | + | + | + | + | |||||||
Phormidium bijugatum Kongiss. | 1 | + | ||||||||||
Pseudokephyrion schilleri Conr. | 1+ | + | + | 1 | ||||||||
1/td> | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
Chrysococcus biporus Skuja. | 1 | + | ||||||||||
Asterionella formosa Hassall | + | + | 1+ | + | 3 | 1 | ||||||
Aulacoseira italica (Ehr.) Sim. f. italica | + | 1 | + | 2 | + | |||||||
A. muzzanensis (Meist.) Krammer | 1 | 1 | ||||||||||
Fragilaria capucina Desm. var. capucina | + | + | + | 1+ | + | |||||||
F. construens (Ehr.) Grun. | + | + | 1+ | |||||||||
F. crotonensis Kitt. | + | 2+ | 1+ | 1+ | + | 1 | ||||||
Nitzschia palea var. debilis (Kutz.) Grun. | 1 | + | ||||||||||
N. paleaceae Grun. (N. holsatica Hust.) | 1+ | + | + | |||||||||
Synedra acus Kutz. | + | 1+ | + | + | + | + | ||||||
Synedra acus var. radians (Kutz.) Hust. | 1 | + | + | + | + | + | 2 | 1+ | + | + | 1 | |
S. tabulata (Ag.) Kutz. | 1 | 2 | 1 | 1 | + | 2+ | 1+ | + | 1+ | + | + | |
S. tenera W.Sm. | 1 | 1 | 1 | + | 1 | 1+ | + | + | ||||
Stephanodiscus binderanus (Kutz.) Krieg. | + | 1 | + | |||||||||
Stephanodiscus hantzschii Ehr. | + | + | 1+ | + | 2+ | 1+ | + | |||||
Trachelomonas intermedia Dang. | + | + | + | + | 1 | |||||||
T. volvocina Ehr. | 1 | + | ||||||||||
Chlorella vulgaris Beij. | 1+ | + | + | + | + | + | ||||||
Сhlorella sp. | 1 | 1 | + | + | + | |||||||
Gonatozygon kunahanii (Arch.) Rabench. | + | + | + | 1 | ||||||||
Сумма | 3 | 5 | 2 | 4 | 1 | 1 | 8 | 15 | 7 | 13 | 6 | 6 |
Примечание. Плюсами отмечено наличие вида в пробах периода с относительной численностью менее 10% от суммарной численности в пробе.
Доминирующий комплекс фитопланктона Леневского водохранилища составляют восемь видов из трех таксонов: цианобактерий, диатомовых и эвгленовых водорослей. Наиболее постоянным компонентом комплекса является вид диатомовых Synedra tabulata, предпочитающий ?-мезосапробные воды. Следует отметить, что среди преобладающих по численности видов он предпочитает самые загрязненные воды
В Нижнетагильском городском пруду 26 видов из шести крупных таксонов микроводорослей преодолевали 10%-ный порог от суммарной численности фитопланктона в пробах одного месяца. Один вид – Synedra acus – представлен двумя доминирующими вариациями. Большинство видов комплекса (13 видов) являются представителями диатомовых водорослей. Небольшое число видов принадлежит цианобактериям (семь видов), зеленым (три вида), золотистым (два вида) и эвгленовым водорослям (один вид). По сапробной характеристике большинство видов являются ?-мезосапробными и олиго-?-мезосапробными.
Судя по сумме частот доминирования, в фитопланктоне обоих водоемов наибольшее число видов-доминантов регистрируется в июне и августе (Табл.5). В мае, июне среди доминантов встречаются и ?-мезосапробные виды. Тогда как в июле и августе они либо отсутствуют, либо доля от общего числа видов-доминантов крайне низка. Это объясняется сезонным колебанием уровня загрязненности водоемов.
Изучение динамики показателей общего разнообразия видов фитопланктона (Рис.2) позволяют сделать ряд выводов.
Рис. 2 – динамика видового разнообразия планктонной альгофлоры Леневского водохранилища
Результаты изучения альгофлоры Леневского водохранилища двух лет значительно отличаются. Практически на порядок отличается число обнаруживаемых видов. Индекс неопределенности (Шеннона) в 2011 в среднем за месяц меньше единицы (Рис.23), а в июльской пробе, взятой в низовьях водохранилища, даже равен нулю, так как обнаружен всего один вид Synedra tenera. Значительно выше индекс в последний год исследований. В июне 2014 года снижение Н` обусловлено массовым развитием небольшого числа видов, например, таких как цианобактерий Geitlerinema amphibia, Limnotrix planctonica и вида диатомовых Synedra tabulata, на долю которых в сумме приходится около 75% от общей численности фитопланктона. В августе 2014 года около 56,5% от общего обилия приходится на цианобактерии Geitlerinema amphibi, Microcystis aeruginosa, Planktolyngbya limnetica и ту же, что и в июне, диатомовую водоросль Synedra tabulata.
Различные результаты двух лет исследования флоры микроводорослей Леневского водохранилища могут объясняться рядом причин: естественными колебаниями численности, столь характерными для мелких и быстро размножающихся организмов, таких как большинство видов фитопланктона, охватом разных этапов процессов самоочищения водохранилища, различными временными промежутки с момента сброса загрязненных вод с рудника или иных источников до забора проб [8], интенсивностью вселения зеленой водоросли Chlorella vulgaris ИФР-111 [6,7].
Общее видовое разнообразие водорослей Нижнетагильского городского пруда, регистрируемых одновременно, возрастает с 2010 по 2013 года, сохраняясь на достигнутом уровне в 2014 году (Рис.3).
Рис. 3 – динамика видового разнообразия планктонной альгофлоры Нижнетагильского городского пруда
Наибольшее число видов приходится в основном на пробы летнего периода: на начало лета (2012 и 2013 гг.), на конец лета (2010 и 2011 гг.). Динамика числа видов фитопланктона в 2014 году отличается наличием двух максимумов: первый пик зафиксирован для конца мая, второй для середины лета (Рис.3), что, вероятно, является следствием влияния температуры: снижение температур в июле [13] повлекло за собой снижение численности, а, соответственно, и вероятности обнаружения в пробе летних теплолюбивых видов. Также понижением значений температур в 2014 году по сравнению с двумя предыдущими годами можно объяснить стагнацию числа видов в этом году.
Наименьшее число видов зарегистрировано в 2011 году, что, возможно, является следствием аномально жаркого лета 2010 г, в течение которого большинство фоновых видов не смогло оставить для обычного возобновления достаточное количество спор (акинет, гетероцист и т.п.).
Альгофлора Леневского водохранилища отличается большей численностью Staurastrum tetracerum Ralfs в июле и S. chaetoceros (Schrod.) G.M. Smith в августе. Развитие этих водорослей обусловлено их способностью к активной вегетации в ацидофильных условиях [16], характерных для водохранилища в связи с попаданием в него кислых вод заброшенных рудников [8,9]. Влиянием кислых вод Леневского водохранилища можно объяснить многочисленность ацидофильного олиго-?-мезосапротрофного вида Staurastrum gracile Ralfs во флоре Нижнетагильского городского пруда, причем в основном в низовьях водохранилища (точка отбора №1), в месте впадения реки Тагил, принимающей воды Леневского водохранилища.
Таким образом, за исследуемый период состояние водоемов в целом улучшается. При сопоставлении результатов гидрохимических и фитопланктонных исследований для большинства из них зафиксирована слабая и умеренная обратная корреляция между числом видов, реже индексом Шеннона, и величиной ИЗВ. Наиболее отличительные показатели как по фитопланктону, так и по индексу загрязненности воды в 2012 году; значения корреляции между показателями видового богатства и ИЗВ положительные.
Литература
1. Vinebrooke R.D, Graham M.D. Periphyton assemblages as indicators of recovery in acidified Canadian Shield lakes // Can. J. Fish. Aquat. Sci. – 1997. – 54, № 7. – P. 1557–1568.
2. ГОСТ 17.1.3.07-82 Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков.
3. ГОСТ 17.1.3.07-82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков.
4. ГОСТ Р 51592-2000. «Вода. Общие требования к отбору проб»;
5. Кордэ Н. В. Методика биологического изучения донных отложений озер (полевая работа и биологический анализ)// Жизнь пресноводных вод СССР. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1956, Т4, ч 1. – С. 383-413.
6. Отчет о проведенных работах по биологической реабилитации Леневского водохранилища в 2014 году методом коррекции альгоценоза с целью снижения концентрации загрязняющих веществ// ООО НПО «Альгобиотехнология», г. Воронеж, 2014 г
7. Отчет о проведенных работах по биологической реабилитации Нижнетагильского городского пруда в 2014 году методом коррекции альгоценоза с целью снижения концентрации загрязняющих веществ// ООО НПО «Альгобиотехнология», г. Воронеж, 2014 г.
8. Оценка влияния затопленных медноколчеданных рудников на водные объекты Среднего Урала Л.С. Рыбникова, П.А. Рыбников, О.В. Тютков //Водное хозяйство России. – № 6, 2014. – С. 77-91 с.
9. Проблемы инженерной защиты гидросферы при отработке и ликвидации рудников среднего Урала (на примере Левихинского рудника) /Л.С. Рыбникова, А.Л. Фельдман, П.А. Рыбников //Водное хозяйство России.– №2, 2011. – С. 58-71.
10. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем/ Под ред. В. А. Абакумова. - СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. – 284 с.
11. Садчиков А.П. Методы изучения пресноводного фитопланктона. – М.: Университет и школа. 2003. – 157 с.
12. Техногенное воздействие горнодобывающих предприятий Урала на состояние гидросферы / Л.С. Рыбникова //Водное хозяйство России. – № 1, 2012. – С.74-91.
13. Погода и климат Екатеринбурга и Свердловской области. Путь доступа: http://www.meteonova.ru/klimat/66/Sverdlovskaya%20Oblast/
14. Водохранилища Урала. Справочник. ЦБНТИ Минводхоза СССР, Москва, 1988. – 195 с.
15. Водные ресурсы Свердловской области / Под науч. ред. Н. Б. Прохоровой; ФГУП РосНИИВХ. – Екатеринбург, 2004 – С. 128-130.
16. France R.L., YungY.-K., Welbourn P.M. Identification of metaphytic Zygnemataceaen algae in acid-sensitive Canadian Shield Lakes // Algol. Stud. – 1992. – 66. – P. 99 –103.
17. Степень изученности видового состава водорослей некоторых водоемов Среднего и Южного Урала / Еремкина Т. В., Ярушина М. И./ Материалы II всероссийской конференции (Сыктывкар, 5-9 октября 2009 г.). – Сыктывкар: Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, 2009. – С. 186-189. – Режим доступа: http://ib.komisc.ru/add/conf/algo_2009/, свободный.