Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Перспективы использования малакофауны в биоиндикации состояния водных экосистем

03.00.16 - экология

На правах рукописи

Куранова Анна Петровна

Ульяновск - 2009

Работа выполнена на кафедре биологии, ветеринарной генетики, паразитологи и экологии Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Романова Елена Михайловна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Каменек Валерий Михайлович

доктор биологических наук, профессор Батлуцкая Ирина Витальевна

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится « 19 » февраля 2009 г. в « 10.00 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет по адресу: ул. Набережная р.Свияги, 106, корп.1, ауд.703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом - на сайте ВУЗа.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Управление научных исследований.

Автореферат разослан « » ______________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент С.В. Пантелеев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена перспективам развития метода биоиндикации применительно к оценке экологического состояния водных экосистем. Исследования выполнялись в 2005-2008 гг. в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии (по теме № 01.200.203527).

Актуальность темы. Экологические условия среды обитания определяют здоровье современного человека. Проблема загрязнения окружающей среды в целом и водных экосистем в частности является одной из актуальных в современном индустриальном обществе. Особенно остро она проявляется в густо заселенных человеком территориях, как правило, это городская среда (Королевская, 2005; Дроздовская, Евченко, 2006; Куриленко, Осмоловская, 2007; Kriel et al., 2006; Carew et al., 2007). На урбанизированных территориях сообщества многих организмов подвергаются сильному антропогенному прессу из-за изменений условий обитания (Денисов, 2005; Королевская, 2005; Зинченко, 2006; Андрианова, 2007). Это сказывается на видовом разнообразии экосистем, численности и структуре входящих в их состав популяций.

Состояние водных экосистем традиционно оценивается по химическим показателям, соотнесенными с ПДУ или ПДК (Абакумов, Сущеня, 1991; Булгаков и др., 2003). Более современные методы оценки качества природной среды по состоянию биоты основаны на биоиндикации (Баканов, 2000; Батлуцкая, 2004; Неверова, Еремеева, 2006; Чермных, 2007; Наход, Юрченко, 2007; Solak et al., 2007). Биоиндикация - оперативный, информативный и надежный метод диагностики, менее дорогостоящий и трудозатратный, по сравнению с химическим методом (Захаров, Кларк, 1993; Зинченко, 2006; Карташева, 2006; Никулина, 2006; Романова и др., 2006, 2007). Состояние биоты определяется всеми параметрами среды и в нем четко отражаются негативные воздействия любого происхождения (Криволуцкий, 1990; Шуйский, 1997; Засыпкина, 2006; Бахвалова, 2007).

Основным недостатком метода является то, что, адекватно отражая результат негативных воздействий в целом, биоиндикация не объясняет, какими именно факторами это обусловлено. Поэтому наиболее эффективным оказывается сочетание обоих подходов (Масленникова, Скорняков, 1993; Гольд и др., 2007).

В своих исследованиях, обосновывая биоиндикаторные возможности малакофауны, как объекта биоиндикации, мы контролировали направленность процесса химическими методами.

Моллюсков по комплексу критериев можно отнести к перспективным объектам для целей биоиндикации при оценке состояния водных экосистем (Бедова, Колупаев, 1998; Гордзялковский, Макурина, 2006; Лукашев, 2007; Макаренко, 2007; Golding еt al., 2006). Быстро размножающиеся сообщества моллюсков можно рассматривать как фактор, чутко отражающий все изменения водной среды под влиянием загрязнителей (Бурдин, 1985; Данилин, Павловская, 2006; Крупина, 2006). В водных экосистемах малакофауна доминирует по численности и, особенно, по биомассе среди донных организмов (Карнаухов, 1988; Бедова, Колупаев, 1998).

Малакофауна по своему видовому составу отличается по реакции на загрязнители (Карнаухов, 1988; Бедова, Колупаев, 1998). Для того чтобы оценить перспективность использования тех или иных видов моллюсков в качестве биоиндикаторов состояния водных экосистем, необходимо обладать информацией о влиянии загрязнителей на их популяционные характеристики, о стратегиях их выживания в среде с разным уровнем загрязнений. В настоящее время эти вопросы остаются неизученными.

Цель работы: исследование биоиндикационных возможностей региональной малакофауны в оценке экологического состояния водных объектов Ульяновской области.

В задачи исследования входило:

1. Исследовать физико-химические характеристики биотопов;

2. Охарактеризовать видовое разнообразие малакофауны р.Свияги и ее городских и пригородных биотопов.

3. Исследовать эколого-популяционные характеристики малакофауны в биотопах с разным уровнем загрязнений.

4. Определить содержание каротиноидов и тяжелых металлов в тканях моллюсков из биотопов с разным уровнем загрязнений.

5. Оценить информативность эколого-популяционных характеристик малакофауны для целей биоиндикации.

Научная новизна. Охарактеризовано видовое многообразие малакофауны, ее эколого-популяционные параметры в разных биотопах р.Свияги. Выявлены наиболее информативные для целей биоиндикации эколого-популяционные параметры малакофауны. Установлено, что содержание каротиноидов и тяжелых металлов в теле моллюсков отражает уровень загрязнения речных биотопов. Выявлено, что нарастание уровня загрязнителей сопровождается перераспределением видового состава малакофауны и представительства разных сапробных групп.

Проведена комплексная биоиндикационная оценка экологического состояния р.Свияги с использованием малакофауны. Получены новые данные о видовом составе малакофауны в районе г. Ульяновска и пригородной зоне.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты проведенных исследований вносят вклад в развитие теоретических основ биоиндикации, экологии водных объектов, факториальной экологии, эйдэкологии малакофауны на фоне поллютантов. Выявленное видовое разнообразие моллюсков отражает региональные особенности малакофауны Ульяновской области. Результаты исследований, характеризующие влияние загрязнителей на малакофауну, целесообразно использовать в системах экологического мониторинга и прогнозирования для разработки профилактических мероприятий, направленных на улучшение экологического состояния водных экосистем. Полученные результаты могут рассматриваться как базовые при экологической оценке водных объектов на территории Ульяновской области.

Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе на экологическом факультете Ульяновского государственного университета и факультете ветеринарной медицины Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Увеличение уровня загрязнения водных экосистем сопровождается изменением соотношения малакофауны разных классов и разных сапробных групп;

2. Содержание тяжелых металлов и каротиноидов в тканях двустворчатых моллюсков отражает степень загрязнения водной среды;

3. Эколого-популяционные параметры малакофауны могут быть эффективно использованы для биоиндикации состояния водных экосистем.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены научной общественности и обсуждались на Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека» (Ульяновск, 2007); на IV Всероссийской научной конференции «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах» (Анапа, 2007, 2008 - работа награждена дипломом второй степени). Была представлена на IX межрегиональной научно-практической конференции «Естественные исследования в Симбирском-Ульяновском крае» (Ульяновск, 2007); на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и образования» (Ульяновск, 2008), на II Международной научно-практической конференции «Наука и молодежь: новые идеи и решения» (Волгоград, 2008).

Публикации материалов исследований. По материалам диссертационного исследования опубликовано девять печатных работ, в т. ч. две в изданиях из списка журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 133 страницах, включает 23 рисунка, 10 таблиц. Состоит из введения, обзора литературы по изучаемой проблеме, описания объектов, материалов и методов исследований, результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов, практических предложений, библиографического списка из 362 наименований, в том числе 96 иностранных авторов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы, перечислены положения, выносимые на защиту, структура диссертации.

Глава I содержит обзор литературы по изучаемой проблеме и состоит из 5 подразделов, которые содержат информацию о многогранности подходов к биоиндикации качества окружающей среды в системах экологического мониторинга и перспективах использования малакофауны для этих целей.

Глава II посвящена материалам и методам исследований. В ней отмечено, что исследования выполнялись в 2005-2008 гг. в биотопах р.Свияги с разным уровнем антропопрессии. Биотопы 2 и 3 были расположены в районе г.Ульяновска, биотопы 1 и 4 в пригородной зоне.

Оценка физико-химических особенностей экотопов р.Свияги проводилась по уровню геомагнитного фона и химического загрязнения воды (по интегральному показателю загрязнения БПК5 и содержанию приоритетных загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, нефтепродукты, нитриты, СПАВ).

Оценку геомагнитного фона проводили по параметрам геомагнитного поля на берегу Свияги. Измеряли вариации трех составляющих вектора магнитной индукции поля Земли (X-comp, Y-comp, Z-comp) с помощью магнитометра MF-03-P. Методика и прибор разработаны и лицензированы Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН). Исследование и оценку геомагнитного фона проводили по ГОСТ 51724-2001.

Химический анализ воды проводили в соответствии со стандартными методами: БПК5 - ПНДФ 14.1:3:4.123-97, нитриты - ПНДФ 14.1:2.4.-95, СПАВ - РД 52.24.368-95, нефтепродукты - МУК 4.1 068-96. Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях определяли методом атомно-адсорбционной спектрофотометрии. Всего было отобрано 206 проб воды и донных отложений.

Объектом биоиндикационных исследований являлась малакофауна. Определение видового состава малакофауны было проведено по определителю пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР (Старобогатов, 1977).

В общей сложности было исследовано 1850 особей моллюсков. Состояние малакофауны оценивалось по видовому разнообразию, средней численности, средней биомассе. Для количественного учета моллюсков применяли метод площадок (Жадин, Гердт, 1961). В каждом биотопе определяли соотношение численности и биомассы двустворчатых и брюхоногих моллюсков, ранговое распределение видов по численности и биомассе, процентное соотношение моллюсков различных сапробных групп. Оценку возрастной структуры популяций Unio pictorum проводили методом подсчета годовых колец. Измерение размеров раковины проводилось с помощью штангенциркуля.

Оценку стабильности биоценозов проводили по методу Уорвика, основанному на сравнении ранговых распределений биомассы и численности видов (Уорвик, 1987).

Для оценки влияния уровня загрязнения среды обитания на малакофауну определяли содержание тяжелых металлов (280 образцов) и каротиноидов (282 образца) в мягких тканях моллюсков. Для оценки аккумулирующей способности моллюсков рассчитывали коэффициенты накопления тяжелых металлов в мягких тканях относительно донных отложений. Определение содержания каротиноидов в тканях моллюсков проводили по общепринятому методу (Карнаухов, 1988).

Полученные в результате экспериментальных исследований данные подвергались биометрической обработке общепринятыми статистическими методами. Достоверность выявленных различий между средними показателями высчитывали по критерию Стьюдента. Для определения связи между отдельными параметрами вычислялись коэффициенты корреляции (Лакин, 1990).

Глава III включает 3 раздела и посвящена изложению и обсуждению собственных результатов, полученных в ходе исследования.

В разделе 3.1 дана характеристика физико-химических условий обитания малакофауны. Проведена оценка геомагнитного фона и химического загрязнения воды в исследуемых экотопах.

Естественные геомагнитные поля, являясь постоянно действующим и необходимым экологическим фактором, имеют большое значение в жизнедеятельности всех организмов, в том числе и человека. Большинство представителей живого мира планеты реагирует на самые незначительные изменения геомагнитной обстановки (Ossenkopp, 1994; Lohmann, Iohnsen, 2000). Геомагнитные поля обладают выраженной биологической активностью и, в частности, могут вызывать снижение устойчивости живых организмов к другим абиотическим факторам среды обитания (Писарева, 2000; Подковкин и др., 2000).

По мнению исследователей (Дмитриев и др, 1995), современные города являются крупными геофизическими аномалиями отрицательно влияющими на состояние животных разных уровней организации и человека. Особое беспокойство, по мнению исследователей (Дмитриев и др., 1995), вызывает техногенное воздействие на магнитное поле Земли. С развитием техносферы влияние электромагнитных полей значительно усилилось, возникла необходимость в мониторинге данного фактора окружающей среды.

Проведенные нами исследования особенностей геомагнитного фона экотопов р.Свияги выявили значительные превышения амплитуд вариаций геомагнитного поля в районе города (рис.1). Вариации геомагнитного поля в «городских» экотопах характеризовались как сильно возмущенные, их амплитуды достигали величины 850 нТл (рис.1). В норме вариации геомагнитного поля должны составлять 0,01-20 нТл. Вариации геомагнитного поля пригородной зоне не превышали 50 нТл, это более чем в 10 раз меньше, чем в городских экотопах.

К числу опасных экологических факторов, которым подвергается человек и другие живые организмы в условиях города, относится химическое загрязнение.

а)

б)

Рис.1. Вариации геомагнитного поля: а) пригородные экотопы, б) городские экотопы

Проведенный химический анализ проб воды показал, что содержание нефтепродуктов и нитритов не превышало норм предельно допустимых концентраций, установленных для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (ПДКв), однако было выше нормативов, установленных для рыбохозяйственных водоемов (ПДКвр) (табл. 1).

Превышение норм ПДКвр по нефтепродуктам в воде городских экотопов составило 2,4±0,2 ПДКвр; по содержанию нитритов - 5,7±0,1 ПДКвр. Уровень СПАВ не превышал установленных нормативов, но его концентрация в городских биотопах была достоверно выше.

К числу приоритетных загрязняющих веществ относятся тяжелые металлы. Исследование содержания тяжелых металлов в воде р.Свияги выявило, что содержание таких элементов как свинец, кадмий, медь и никель значительно превышало предельно допустимые концентрации (табл. 2).

Таблица 1. Содержание загрязняющих веществ (мг/л) в воде

Параметры	биотоп 1	биотоп 2	биотоп 3	биотоп 4	ПДК
					ПДКвр	ПДКв
Нефтепродукты	0,05± 0,001	0,13± 0,004	0,11± 0,004	0,06± 0,002	0,05	0,30
СПАВ	0,038± 0,001	0,052± 0,003	0,048± 0,002	0,020± 0,001	0,10	0,50
Нитриты	0,05± 0,002	0,10± 0,008	0,09± 0,005	0,07± 0,003	0,02	1,00

Содержание кадмия в воде составляло 2-6 ПДКв, свинца - 1,9-8,3 ПДКв, никеля - 1,6-3,0 ПДКв, для водоемов культурно-бытового назначения. Содержание цинка, меди и хрома в воде р.Свияги по данному нормативу было в норме во всех биотопах (табл. 2). Соотношение результатов исследования содержания тяжелых металлов в воде с нормативами предельно допустимых концентраций для рыбохозяйственных водоемов выявило превышение содержания всех исследованных элементов. Максимальные концентрации тяжелых металлов отмечены в биотопах городской зоны, минимальные - в биотопах пригородной зоны.

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов (мг/л) в воде

Биотоп	Тяжелые металлы
	Zn	Cu	Pb	Cd	Ni	Cr
1	0,44±0,03	0,22±0,03	0,07±0,004	0,002±0,0002	0,13±0,004	0,021±0,001
2	0,72±0,05	0,45±0,02	0,18±0,006	0,006±0,0005	0,25±0,008	0,039±0,003
3	0,70±0,02	0,35±0,02	0,14±0,004	0,005±0,0003	0,29±0,010	0,033±0,002
4	0,59±0,02	0,28±0,01	0,11±0,003	0,004±0,0003	0,21±0,005	0,027±0,002
ПДКв	1,00	1,00	0,03	0,001	0,10	0,05
ПДКвр	0,01	0,001	0,01	0,001	0,01	0,02

Тяжелые металлы относятся к консервативным загрязняющим веществам, которые не разлагаются в природных водах, а только меняют формы своего существования (Бингам и др., 1993). Донные отложения водоемов являются активными накопителями тяжелых металлов, вследствие чего содержание в них микроэлементов на несколько порядков превышает концентрацию в воде. Благодаря сорбционным процессам происходит очищение воды от соединений тяжелых металлов. Однако в определенных условиях (изменение рН, наличие разнообразных комплексообразующих веществ) происходит десорбция металлов и их переход в растворенном состоянии в толщу воды, т.е. донные отложения превращаются в источники вторичного загрязнения водных объектов.

Таблица 3

Содержание тяжелых металлов в воде и донных отложениях (ДО)

Тяжелые металлы	Биотоп 1	Биотоп 2	Биотоп 3	Биотоп 4
	Вода мг/дм3	ДО мг/кг	вода мг/дм3	ДО мг/кг	Вода мг/дм3	ДО мг/кг	Вода мг/дм3	ДО мг/кг
Zn	0,44± 0,03	14,93± 0,85	0,72± 0,06	19,70± 0,96	0,70±0,03	21,47± 1,12	0,59±0,03	21,90± 1,13
Cu	0,722± 0,003	9,43± 0,75	0,44± 0,02	11,83± 1,03	0,35± 0,02	12,90±0,90	0,280±0,015	11,55± 1,13
Pb	0,070± 0,004	6,93± 0,71	0,180± 0,006	8,03± 0,86	0,140± 0,004	9,20± 1,15	0,100±0,003	8,85± 0,80
Cd	0,002± 0,0002	0,27± 0,04	0,006±0,0002	0,45± 0,09	0,005± 0,0002	0,60± 0,12	0,004± 0,0003	0,52± 0,10
Ni	0,130± 0,004	4,47± 0,27	0,231±0,008	5,72± 0,33	0,290± 0,010	6,83± 0,44	0,210±0,005	7,80± 0,38
Cr	0,021± 0,001	0,65± 0,03	0,039±0,002	0,85± 0,09	0,033± 0,002	1,21± 0,10	0,027±0,002	1,35± 0,06

Результаты наших исследований показали (табл.3), что содержание тяжелых металлов в донных отложениях было многократно выше их содержания в воде.

Так, содержание цинка в донных осадках в среднем оказалось в 32,8 раза выше по сравнению с содержанием данного металла в воде, содержание меди - в 35,4 раза, свинца - в 33,5 раз, кадмия - в 50,0 раз, никеля - 29,6 раз и хрома - в 33,8 раза.

Результаты, полученные в ходе исследования, показали, что количественное распределение тяжелых металлов в донных отложениях отражало их распределение в воде с запаздыванием на один шаг, т.е. осаждение тяжелых металлов в донных отложениях происходило ниже по течению реки по сравнению с источником их поступления (рис. 2).

Результаты проведенного химического анализа по интегральному показателю качества воды - БПК5 показали, что загрязнение воды р.Свияги было достоверно выше в городских биотопах, с более высоким уровнем антропогенной нагрузки, по сравнению с биотопами, расположенными в пригородной зоне (табл. 4). Сравнение полученных результатов с нормативами показало, что исследуемый показатель качества воды БПК5 превышал нормы ПДКв в городских биотопах примерно в 1,2 раза и был в пределах нормы в пригородных биотопах.



Рис. 2. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях р.Свияги

При оценке качества среды по нормативам, установленным для рыбохозяйственных водоемов (ПДКвр) интегральный показатель качества среды - БПК5 составлял 2,4 ПДКвр, 2,3 ПДКвр и 1,2 ПДКвр в биотопах 2, 3 и 4 соответственно. По уровню БПК5 биотопы пригородной зоны относятся к категории «умеренно загрязненные», а городские - к категории «грязные».

Таблица 4. Оценка загрязненности воды биотопов по БПК5

Биотоп 1	Биотоп 2	Биотоп 3	Биотоп 4	ПДКвр	ПДКв
1,44±0,11	4,84±0,41	4,68±0,38	2,40±0,13	2,00	4,00

В разделе 3.2 охарактеризованы эколого-популяционные характеристики малакофауны в биотопах с разным уровнем загрязнений.

Важнейшим показателем видовой структуры сообщества служит его видовое разнообразие (Булгаков, 2002).

В результате проведенных исследований было установлено, что видовое разнообразие малакофауны исследованных биотопов р. Свияги представлено 13 видами, относящихся к классам Gastropoda (4 вида) и Bivalvia (9 видов).

Класс Gastropoda

Сем. Viviparidae Gray, 1847

1. Viviparus viviparus (Linne, 1758)

Сем. Bithyniidae Gray, 1840

2. Bithynia tentaculata (Linne, 1758)

Сем. Lymnaeidae Rafinesque, 1815

3. Lymnaea stagnalis (Linne, 1758)

Сем. Bulinidae Herrmansen, 1846

4. Planorbarius corneus (Linne, 1758)

Класс Bivalvia

Сем. Unionidae Rafinesque, 1820

5. Unio pictorum (Linne, 1758)

6. Unio longirostris (Rossmaessler, 1836)

7. Unio tumidus (Philipsson, 1788)

8. Unio limosus (Nilsson, 1822)

9. Anodonta piscinalis (Nilsson, 1823)

Cем. Sphaeriidae

10. Sphaerium corneum (Linne, 1758)

11. Sphaerium rivicola (Lamark, 1818)

12. Amesoda solida (Normand, 1844)

Сем. Dreissenidae

13. Dreissena polymorpha (Pallas, 1771)

По числу видов самым крупным явилось семейство двустворчатых моллюсков Unionidae (5 видов).

Двустворчатые моллюски видов U. pictorum, A. piscinalis и V. viviparus встречались повсеместно (табл. 5).

Виды S. rivicola, A. solida и U. limosus были обнаружены только в биотопах за пределами города. Виды P. corneus, S. corneum и B. tentaculata были зарегистрированы только в городских биотопах.

Таблица 5. Видовой состав малакофауны биотопов р.Свияги

Сапробность	Вид	Биотоп 1	Биотоп 2	Биотоп 3	Биотоп 4
олигосапробы	U. pictorum	+	+	+	+
	U. longirostris	-	+	-	-
	A. piscinalis	+	+	+	+
	D.polymorpha	-	+	+	+
	A. solida	+	-	-	+
	U. limosus	+	-	-	+
?-мезосапробы	U. tumidus	-	+	+	+
	S. rivicola	+	-	-	+
	V. viviparus	+	+	+	+
	L. stagnalis	-	+	+	+
	P. corneus	-	+	+	-
	B. tentaculata	-	+	+	-
?-мезосапробы	S. corneum	-	+	+	-
Средняя численность, экз./м2	30,2±1,5	33,2±2,5	44,5±2,9	55,3±2,3
Средняя биомасса, г/м2	370,9±10,8	107,5±8,4	146,7±13,3	271,4±15,8

Сравнительный анализ степени видового сходства биоценозов был проведен использованием индекса Жаккара (Денисова, 1999). Анализ видового сходства малакофауны биотопов р.Свияги выявил наибольший коэффициент сходства между биотопами, расположенными в черте города (табл. 6).

Таблица 6

Коэффициенты видового сходства малакофауны биотопов р.Свияги

	биотоп 2	биотоп 3	биотоп 4
биотоп 1	0,23	0,25	0,67
биотоп 2	1	0,9	0,46
биотоп 3	-	1	0,50

Анализ видового сходства малакофауны выявил наибольший коэффициент сходства между биотопами 2 и 3, расположенными в городской черте. Сходство между биотопами пригородной зоны 1 и 4 было выражено в меньшей степени. Наибольшие различия наблюдались между пригородным биотопом 1 и городскими биотопами. Можно полагать, что сложившийся видовой состав малакофауны является отражением экологического состояния исследуемых биотопов. Результаты исследований численности и биомассы моллюсков показали, что в биотопах с большим уровнем загрязнения наблюдалось снижение биомассы малакофауны. Наиболее высокий показатель биомассы отмечен в биотопе 1, а наименьший - в биотопе 2, наиболее высокий показатель численности был выявлен в биотопе 4, а наименьший - в биотопе 1.

Таким образом, результаты исследования выявили, что с увеличением загрязнения происходит снижение общей биомассы малакофауны.

Известно, что моллюски значительно отличаются по своим размерам и массе в зависимости от видовой принадлежности. Полученные нами результаты динамики численности в зависимости от уровня загрязнения среды обитания позволяют сделать вывод, что различные виды моллюсков по-разному реагируют на загрязнение среды обитания. Одни виды реагируют снижением численности популяций, другие же, напротив, реагируют на загрязнение увеличением численности популяций. Их соотношение в биотопах и определяет общую тенденцию изменения показателя численности и биомассы в биотопах с разным уровнем загрязнения. В связи с этим, были исследованы соотношения моллюсков различных сапробных групп и различных классов по биомассе и численности в биотопах с разным уровнем загрязнения (рис. 3).

В биотопах пригородной зоны выявлено 9 видов моллюсков, из которых 8 относились к классу Bivalvia и 1 - к классу Gastropoda. Из 9 выявленных видов моллюсков 4 являлись обитателями олигосапробной зоны (табл. 5). В биотопах городской зоны выявлено 10 видов моллюсков, при этом только 5 видов принадлежали к классу Bivalvia. Из 10 видов, обнаруженных в городских биотопах, 6 видов являлись обитателями ?-мезосапробной зоны и 1 вид - ?-мезосапробной зоны. Доля моллюсков олигосапробов в пригородных биотопах по биомассе составляла 73±6%, в городских - 27±3%, т.е. в 2,5 раза ниже (рис. 3).

а)

б)

Рис. 3. Соотношение малакофауны различных сапробных групп в биотопах, отличающихся уровнем загрязнений: а - по биомассе, б - по численности

малакофауна биоиндикационный моллюск загрязнение

а)

б)

Рис. 4. Соотношение классов Gactropoda и Bivalvia в биотопах 1-4: а) по численности б) по биомассе

Таким образом, с увеличением загрязнения в водных биоценозах возрастает численность и биомасса моллюсков, обитающих в ?- и ?-мезосапробных зонах и снижается доля моллюсков-олигосапробов.

Высокие значения коэффициентов корреляции между интегральным показателем загрязнения воды БПК5 и долей моллюсков-олигосапробов (r<-0,9), ?- и ?-мезосапробов (r>0,9), а также вариациями геомагнитного поля и долей моллюсков-олигосапробов (r?-1,0), ?- и ?-мезосапробов (r?1,0), свидетельствуют, что данное распределение отражает степень загрязнения среды обитания.

В городских биотопах по численности и биомассе преобладали моллюски класса Gastropoda (рис. 4); от 40 до 60% биомассы моллюсков составляли представители вида V. viviparus. Преобладание гастропод в биотопах с более высоким уровнем загрязнений можно объяснить особенностями их дыхательной системы, которая приспособлена к среде с пониженными содержанием кислорода, а также морфофизиологическими и биохимическими особенностями их организации (Карнаухов, 1988).

Проведенные фаунистических исследования показали, что из всех выявленных нами видов, наиболее перспективными для целей наших исследований явились среди двустворчатых - моллюски рода Unio; среди брюхоногих - моллюски V. viviparus. Они были широко распространены и обладали оптимальными размерами и массой для решения поставленных задач.

При анализе состояния сообществ в качестве инструмента были использованы ранговые распределения - модели зависимости численности вида в сообществе от его ранга в ранжированном по убыванию численностей ряду и ABC-метод, основанный на сравнении распределений биомассы и численности видов (Уорвик, 1987).

Ранговые распределения являются инструментом анализа состояния сообществ. Непосредственным объектом анализа является форма кривой рангового распределения, или при неизменной общей форме, -- количественные значения его параметров. Ввиду того, что одинаковые значения целостных характеристик сообществ (общая численность, число видов, индексы разнообразия) могут быть обусловлены разными ранговыми распределениями, последние являются более тонким и чувствительным инструментом оценки состояния экосистем.

Согласно методу Уорвика, основанному на сравнении ранговых распределений биомассы и численности видов (Уорвик, 1987), в стабильных сообществах на графике с логарифмической зависимостью кривая биомассы лежит выше кривой численности. Пересекающиеся кривые характеризуют состояние неустойчивого равновесия и стресса.

В биотопах с меньшим уровнем загрязнений преобладали крупные двустворчатые моллюски родов Unio и Anodonta (U.pictorum и A.piscinalis) (рис.5). В водных биотопах городской зоны - более мелкие брюхоногие моллюски V.viviparus. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что гидробиоценозы р.Свияги в черте города менее стабильны, нежели в пригородной зоне. Это можно объяснить интенсивностью действия комплекса негативных факторов среды.

Пресноводные моллюски обладают большой экологической пластичностью, вследствие чего они заселяют биотопы с разным уровнем загрязнений, которые и определяют структуру популяций пресноводных моллюсков.

Одной из наиболее важных характеристик популяций пресноводных моллюсков является их возрастная структура, определяющая репродуктивную стратегию и динамику численности (Дашинин и др., 1998; Soroka, 2000). Усиленное влияние загрязнителей приводит к отрицательным изменениям в структуре популяций гидробионтов, перераспределению численности разновозрастных групп (Картавых, 2003).

а)в)

б)г)

Рис. 5. Ранговое распределение биомассы и численности малакофауны биотопов р.Свияги: а, б - пригородная зона; в, г - городская зона

По результатам наших исследований (рис. 6) в биотопах, с более высоким уровнем химического загрязнения и возмущенными характеристиками геомагнитного поля выявлено снижение численности молодых особей. Наиболее полно возрастная структура представлена в биотопе 1, расположенном выше по течению реки. В биотопах с более высоким уровнем химического и физического загрязнения популяция моллюсков представлена тремя возрастными группами, с доминирующей группой 3-5-летних особей (рис. 6). В данных биотопах сеголетки присутствовали в следовых количествах, равно как и моллюски старших возрастных групп. По данным источников литературы, сеголетки моллюсков высокочувствительны к химическим загрязнителям (Коробов, Ковригина, 1999). Не менее чувствительны они к действию геомагнитных полей, которые снижают их репродуктивные функции (Подковкин, Картавых, 2004).

Можно заключить, что химическое загрязнение среды обитания на фоне повышенного электромагнитного фона негативно сказывается на репродуктивных функциях моллюсков класса Bivalvia и продолжительности их жизни.

В разделе 3.3 приведены результаты исследований содержания тяжелых металлов и каротиноидов в мягких тканях моллюсков.

С целью выявления участия разных органов двустворчатых моллюсков в накоплении тяжелых металлов исследовали их суммарное содержание в тканях U. pictorum. Наибольшее суммарное содержание тяжелых металлов характерно для жабр (30,0±1,7%). Внутренностный мешок и мантия аккумулировали тяжелые металлы примерно одинаково (25,2±1,0% и 24,8±1,2% соответственно). Наименьшее содержание поллютантов было обнаружено в ноге (20,0±1,0%).

Рис. 6. Возрастная структура популяций U. pictorum в биотопах с разным уровнем загрязнений

Результаты наших исследований выявили различия по уровню распределения тяжелых металлов в органах.

Zn: жабры (17,95±0,80%) < мантия (22,99±1,00%) < нога (28,00±1,30%) < внутренностный мешок (31,06±1,50%).

Cu: внутренностный мешок (17,56±0,50%) < нога (20,36±0,93%) < мантия (26,53±1,00%) < жабры (35,55 ±1,50%).

Ni: нога (17,29±0,62%) < мантия (24,14±1,10%) < жабры (28,38±1,30%) < внутренностный мешок (30,19±1,53%).

Pb: нога (16,19±0,58%) < мантия (20,94±1,11%) < внутренностный мешок (31,43±1,48%)? жабры (31,44±1,52%).

Cd: мантия (17,02±0,72%) < внутренностный мешок (19,15±0,58%) < жабры (25,53±1,19%) < нога (38,30±1,67%).

Cr: нога (16,37±0,53%) < мантия (24,18±1,21%) < внутренностный мешок (25,38±1,35%)? жабры (34,07±1,63%).

Анализ содержания тяжелых металлов в органах показал следующие ряды убывания их концентрации:

жабры	Cu>Zn>Ni>Cr>Pb>Cd
мантия	Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd
нога	Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd
внутренностный мешок	Zn>Cu>Ni>Cr>Pb>Cd

В ходе исследования нами были выявлены различия в содержании тяжелых металлов в мягких тканях моллюсков, обитающих в биотопах с разным уровнем загрязнений (табл. 7).

Таблица 7. Содержание тяжелых металлов в двустворчатых моллюсках U.pictorum в биотопах пригородной и городской зон

Биотоп	Тяжелые металлы, мг/кг сухой массы
	Zn	Cu	Pb	Cd	Ni	Cr
1	51,6±4,7	26,9±1,6	2,59±0,14	0,32±0,01	10,5±0,6	1,23±0,09
2	77,1±5,7	39,5±4,1	4,82±0,36	0,49±0,03	26,6±2,9	2,85±0,18
3	85,3±7,9	33,1±3,8	4,9±0,41	0,48±0,03	30,0±3,5	3,59±0,25
4	67,2±6,2	29,8±1,8	4,68±0,34	0,43±0,02	20,8±1,7	1,36±0,10

Наибольший уровень тяжелых металлов выявлен у моллюсков из биотопов 1 и 4, расположенных в городской черте (табл. 7). Это связано с поступлением широкого спектра поллютантов со стоками с городских территорий. У моллюсков в биотопах пригородной зоны концентрация тяжелых металлов достоверно ниже.

Проведенный корреляционный анализ выявил сильную положительную связь (r0,9) между концентрацией тяжелых металлов в воде и их содержанием в мягких тканях моллюсков.

Рассчитанные коэффициенты накопления тяжелых металлов в моллюсках по отношению к их содержанию в донных отложениях показали следующие результаты (табл. 8).

Таблица 8. Коэффициенты накопления тяжелых металлов в тканях двустворчатых моллюсках U.pictorum по отношению к их содержанию в донных отложениях

Тяжелые металлы	Zn	Cu	Pb	Cd	Ni	Cr
Коэффициенты накопления	3,1	2,5	1,8	2,8	3,5	2,1

Используя значения коэффициентов накопления (К), рассчитанные по отношению к содержанию тяжелых металлов в донных отложениях, водные организмы можно подразделить на следующие группы: макроконцентраторы (К>2), микроконцентраторы (1<K<2), и деконцентраторы (K<1) (Никаноров, Жулидов, 1991). На основании полученных данных можно сделать вывод, что двустворчатый моллюск U.pictorum является макроконцентратором по отношению к цинку, меди, кадмию и никелю и хрому и микроконцентратором по отношению к свинцу.

По данным литературы (Карнаухов, 1988; Бедова, Колупаев, 1998), для оценки уровня загрязнения водных экосистем используют содержание каротиноидов в тканях гидробионтов. Каротиноиды играют важную роль в приспособлении гидробионтов к неблагоприятным условиям среды и пониженному содержанию кислорода (Карнаухов, 1988; Бедова, Колупаев, 1998).

Нами было исследовано содержание каротиноидов в тканях моллюсков двух наиболее массовых видов - U.pictorum и V. viviparus (рис. 7).

Рис. 7. Содержание каротиноидов в мягких тканях моллюсков

По нашим данным у обоих видов моллюсков содержание каротиноидов было достоверно выше (p<0,05) в биотопах с более высоким уровнем загрязнения.

У моллюсков U.pictorum, обитающих в биотопах пригородной зоны, среднее содержание каротиноидов составило 0,24 ±0,01 мг/100 г сырого веса, в городских биотопах содержание каротиноидов у представителей данного вида было в 1,5 выше и составило 0,37±0,02 мг/100 г сырого веса.

Вместе с тем, результаты исследований показали (рис. 7), что у моллюсков V.viviparus, представителей класса Gastropoda, уровень каротиноидов был достоверно выше по сравнению с моллюсками U.pictorum - представителями класса Bivalvia.

Среднее содержание каротиноидов у моллюсков V.viviparus, обитающих в биотопах пригородной зоны составило 0,91±0,05 мг/100 г сырого веса, а в биотопах города было в 1,4 раза выше и составило 1,37±0,08 мг/100 г сырого веса.

По данным литературы, для моллюсков, численность которых уменьшается при загрязнении среды, характерен низкий уровень каротиноидов. Виды моллюсков с высоким содержанием каротиноидов реагируют на загрязнение увеличением плотности популяций (Карнаухов, 1988; Бедова, 1998). В результате проведения наших исследований было выявлено, что с увеличением загрязнения в биотопах возрастала доля брюхоногих моллюсков, которые имеют более высокое содержание каротиноидов, по сравнению с двустворчатыми.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что двустворчатые моллюски U.pictorum являются более чувствительными к загрязнению по сравнению с брюхоногими моллюсками V.viviparus. Этим можно объяснить повышение численности моллюсков класса Gastropoda и снижение численности моллюсков Bivalvia в биотопах с нарастанием уровня загрязнений.

Проведенный корреляционный анализ выявил наличие сильной положительной связи между содержанием каротиноидов в тканях моллюсков и физико-химическими характеристиками среды обитания: интегральным показателем загрязнения воды БПК5 (r?0,9) и вариациями геомагнитного поля (r>0,8).

На основании этого уровень каротиноидов у моллюсков можно рассматривать как один из информативных показателей при оценке экологического состояния водоема.

Выводы

1. Для городских биотопов р.Свияги характерны возмущенные вариации геомагнитного поля и повышенные уровни содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях. Содержание тяжелых металлов в донных отложениях всех биотопов многократно превышало их содержание в воде.

2. Малакофауна р.Свияги в районе г.Ульяновска и пригородной зоне представлена 13 видами моллюсков классов Gastropoda: V.viviparus, B.tentaculata, L.stagnalis, P.corneus, и Bivalvia: U.pictorum, U.longirostris, U.tumidus, U.limosus, A.piscinalis, S.corneum, S.rivicola, A.solida, D.polymorpha

3. С усилением загрязнения р.Свияги увеличивается численность и биомасса моллюсков класса Gastropoda, а также доля - и -мезосапробов. Выявлена сильная положительная корреляция (r>0,9) между интегральным показателем загрязнения воды БПК5 и долей - и -мезосапробных моллюсков и обратная (r<-0,9) связь между БПК5 и долей олигосапробных моллюсков.

4. В биотопах пригородной зоны преобладали крупные виды двустворчатых моллюсков родов Unio и Anodonta (по показателям биомассы и численности); в биотопах, расположенных в черте города, преобладали более мелкие виды рода Viviparus.

5. Повышенный уровень загрязняющих веществ в воде и высокие амплитуды вариаций геомагнитного поля искажают возрастную структуру популяций U.pictorum, в сторону увеличения представительства групп среднего возраста (3-5 лет) и снижения численности наиболее молодых (1-2-летних) и старых особей (старше 7 лет).

6. Содержание каротиноидов в тканях моллюсков коррелирует с интегральным показателем загрязнения воды БПК5 (r?0,9) и вариациями геомагнитного поля (r>0,8). Содержание тяжелых металлов в мягких тканях моллюсков коррелирует с их содержанием в речной воде (r?0,9) и донных отложениях (r?0,9).

7. К числу информативных эколого-популяционных параметров, отражающих загрязненность водных экосистем, можно отнести соотношение численности и биомассы моллюсков классов Bivalvia и Gastropoda, а также преобладание доли олигосапробов по отношению к моллюскам других сапробных групп.

Список публикаций по теме диссертации

Куранова А.П. Двустворчатые моллюски как биомониторы загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами / Е.М. Романова, О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Вестник ТВГУ, 2008. - №2. - С. 163-168.

Куранова А.П. Структура геомагнитных и техногенных электромагнитных полей в густонаселенных районах г. Ульяновска, расположенных в зоне геотектонического разлома / В.В. Романов, А.П. Куранова, А.В. Артемова // Вестник РУДН: Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности», 2008. - №2. - С. 98-105.

Куранова А.П. Аккумулирование ионов тяжелых металлов двустворчатыми моллюсками / Е.М.Романова, О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Тр. IV Всерос. науч. конф». - Т.1. - Краснодар, 2007. - С. 50-52.

Куранова, А.П. Использование моллюсков для биомониторинга водоемов на примере р. Свияга / О.А. Индирякова, А.П. Куранова, Г.Б. Шемятихина // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Тр. IV Всерос. науч. конф. - Т.I. - Краснодар, 2007. - С. 103-105.

Куранова А.П. Биоиндикация водоемов с использованием моллюсков / О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Медико-физиологические проблемы экологии человека: Материалы Всерос. науч. конф. с международным участием. - Ульяновск, 2007. - С. 214-215.

Куранова А.П. Моллюски как биоиндикаторы экологического состояния водных экосистем / Е.М. Романова, О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Природа Симбирского Поволжья: Сб. науч. тр. - Вып. 8. - Ульяновск, 2007. - С. 27-33.

Куранова А.П. Оценка загрязнения водных экосистем по уровню каротиноидов у брюхоногих моллюсков / А.П. Куранова, А.В. Артемова, Е.Г. Недвига // Вестник УГСХА, Ульяновск, 2008. - С193-195.

Куранова А.П. Информативность популяционных параметров моллюсков в оценке уровня загрязнения среды обитания / Е.М. Романова, О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах: Тр. V Всерос. науч. конф. - Т.I. - Краснодар, 2008. - С. 25-28.

Куранова А.П. Оценка загрязнения водных объектов по концентрации каротиноидов в тканях двустворчатых и брюхоногих моллюсков / Е.М. Романова, О.А. Индирякова, А.П. Куранова // Наука и молодежь: новые идеи и решения: Мат. II Междунар. научно-практ. конф. - Ч.I. - Волгоград, 2008. - С. 45-47.

Размещено на Allbest.ur