Исследование сезонной динамики массовых видов фитопланктона озера Смолино

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЗОННОЙ ДИНАМИКИ МАССОВЫХ ВИДОВ ФИТОПЛАНКТОНА ОЗЕРА СМОЛИНО

А.О. Гаязова, С. М. Абдуллаев

токсичный водоросль озеро фитопланктон

В последнее время большое внимание уделяется проблеме массового развития токсичных водорослей. Об этом свидетельствует факт создания под эгидой Международной океанографической комиссии ЮНЕСКО (Intergovernmental Oceanographic Commission of UNESCO) программы, координирующей исследования цветения морей и континентальных водоемов [1].

Цветение континентальных пресноводных водоемов умеренных широт обычно вызвано цианобактериями. Наиболее острой проблемой является влияние цианобактерий на качество воды в питьевых водохранилищах. ВОЗ разработаны принципы мониторинга водных объектов, направленные на заблаговременное выявление цветения водоема с целью предупреждения населения о потенциальной опасности [2].

Изучение альгофлоры озер Южного Урала показывает, что в наших водоемах присутствуют 10 из 15 родов токсичных водорослей, в том числе виды рода Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria [3-4]. Судя по количественным показателям, ориентировочный уровень токсичности -- 20 млн клеток цианобактерий на литр, установленный ВОЗ [5] в качестве третьего, самого низкого уровня опасности для водоемов, используемых в целях рекреации, в озерах Южного Урала практически не достигается, за исключением, может быть, озер М. Теренкуль и Табанкуль [4].

Однако в связи с неизученностью воздействия малых доз токсинов на организм человека в целях безопасности важно вести мониторинг водных объектов и прогнозировать возможное время наступления вспышки развития токсичных видов.

В данной статье на примере озера Смолино оценивается возможность прогноза массового развития потенциально токсичной водоросли

Microcystis aeruginosa по данным о параметрах среды и численности массовых видов фитопланктона.

Материалом для настоящей работы послужили сборы планктонных проб, проведенные летом 2009 г. на озере Смолино. Постоянное место отбора проб находилось вблизи западного побережья озера, к западу от столба на пляже поселка Береговой. Отбор проб осуществлялся из поверхностного слоя в 50 см, примерно в 10-15 м от уреза воды, с периодичностью 2-3 дня между 13.30 и 14.30 ч. в зависимости от условий погоды. Глубина озера в месте отбора проб -- 1-1,2 м.

За период с 6 июня по 20 октября 2009 г. в прибрежной части озера Смолино отобрано 39 проб по 2 л для анализа видового состава и численности массовых видов фитопланктона и 39 проб по 0,5 л для гидрохимического анализа.

В дневнике наблюдений фиксировались условия погоды: тип и балл облачности, осадки, температура воды, волнение в баллах (по шкале Бофорта), мутность, характер взвеси, наличие визуального проявления цветения. В лаборатории по стандартным методикам определялись минерализация, рН, концентрация нитрат-иона.

Для консервации проб фитопланктона использовался легкий фиксатор-раствор Люголя (25 мл на 2 л пробы). Пробы выстаивались в течение 20 дней в темном месте. После осаждения клеток вода из среднего слоя пробы медленно (по капле) сливалась до объема 500 мл [6]. Для этого использовалась трубка-сифон с оттянутым и загнутым на 2-3 см вверх концом. Затем пробы вновь выстаивались и в два этапа доводились до 10 мл, а в случае бедных проб -- до 5 или 2 мл.

Качественная и количественная обработка отобранных проб фитопланктона проводилась с использованием стандартных методик и определителей. Для подсчета клеток водорослей применялись методики, предложенные Садчиковым [6], Винбергом [7], Абакумовым [8].

Водоросли классифицировались при помощи ряда определителей. Для определения массовых видов отдела Cyanophyta, родов отделов Bacillariophyta и Chlorophyta использовалась система Р. Н. Беляковой и др. (2006) [9]. Кроме того, для отдела Chlorophyta дополнительно применялась система П. М. Царенко (1990) [10]. Для определения представителей отдела Dynophyta -- система Киселева (1954) [11]. Также привлекались данные иллюстрированной сводки планктонных водорослей Южного Урала [3].

В качестве основного объекта исследования выбран распространенный повсеместно, часто доминирующий при цветении водоемов Южного Урала высокотоксичный вид колониальной водоросли Microcystis aeruginosa.

В качестве второго объекта выбран наиболее простой для определения и широко распространенный вид зеленых хлорококковых водорослей Pediastrum duplex, часто встречающийся в эв- трофных пресноводных водоемах [12].

Третий объект мониторинга -- также широко распространенная в озерах умеренных широт динофитовая водоросль Ceratium hirundinella, которая, в отличие от P. Duplex, является индикатором чистоты воды [13].

Наблюдения за состоянием среды показали, что колебания минерализации воды незначительны. Водородный показатель свидетельствует об умеренно щелочных условиях среды и немного увеличивается от начала лета к осени.

Концентрация нитрат-иона отличается значительно большими колебаниями по сравнению с другими гидрохимическими показателями. Наиболее заметным явилось увеличение концентрации с 2,5 до 7 мг/л. Однако на численности исследуемых видов этот скачок не сказался.

На рис. 1 показано изменение численности M. aeruginosa в зависимости от значений pH (а) и концентрации нитрат-иона (б). Очевидно отсутствие тесной прогностической связи между численностью этого вида и гидрохимическими параметрами. Так, M. aeruginosa достиг максимальной численности в 6,5 млн кл./л только спустя месяц после скачка концентрации нитратов.

На первый взгляд, более значима когерентность между изменениями численности исследуемых водорослей. На рис. 2, а показаны изменения численности M. aeruginosa и P. duplex, на рис. 2, б -- M. aeruginosa и C. hirundinella.

Рис. 1. Изменение численности M. aeruginosa в зависимости от значений pH (а) и концентрации нитратов (б)

Рис. 2. Сравнение численности M. Aeruginosa, P. duplex (а) и C. hirundinella (б)

Графики иллюстрируют вероятные синфазные и противофазные колебания численности массовых видов, дающие повод к дискуссии о возможностях прогноза.

Коэффициент корреляции между численностью P. duplex и M. aeruginosa не очень высок (~ 0,3). В то же время замечено, что максимальная за сезон численность M. aeruginosa следует за максимальной за сезон численностью P. duplex и при сдвиге фаз выборок на 8-10 дней можно добиться коэффициента корреляции 0,7. Эта зависимость, вероятно, может служить иллюстрацией закономерной смены видов фитопланктона в течение вегетационного периода.

Из рис. 2, б видно, что максимальной численности C. hirundinella, как правило, соответствует минимальная численность M. Aeruginosa, и наоборот. Однако статистически значимой антикорреляции не наблюдается.

Прежде чем делать вывод о противофазных колебаниях численности видов, рассмотрим, возможно, более «прозаичное» объяснение такого явления. Обратимся к параметрам среды. На рис. 3 представлена динамика численностиM. aeruginosa в зависимости от температуры воды (а), ветрового волнения (б) и облачности (в), откуда видно, что водоросль достигает пиков своего развития при слабой скорости ветра и почти ясном небе (антициклональный тип погоды).

На рис. 4 а, б, в показана динамика численности C. hirundinella в зависимости от тех же параметров. Можно заметить, что высокая численность динофитовой водоросли, как правило, наблюдается в облачные дни при значительном ветровом волнении.

Эти явления, вероятно, можно объяснить следующим образом. M. аeruginosa при штилевой погоде занимает поверхностные горизонты, формируя пленки цветения, а при ветреной погоде цианобактерии распределяются равномерно во всем столбе воды [14], в связи с чем в пробах, отобранных в поверхностном слое в ветреные дни, количество водорослей значительно сокращается.

Рис. 3. Динамика численностиM. aeruginosa в зависимости от температуры воды (а), ветрового волнения (б) и облачности (в)

Популяции же динофитовой водоросли C. hi- rundinella концентрируются в зоне термоклина, где достаточно благоприятные световые условия и доступны питательные вещества [15]. Этой особенностью экологии вида, возможно, объясняется факт отсутствия C. hirundinella в пробах, отобранных при антициклональном типе погоды. Под влиянием ветра C. hirundinella выносится из слоя скачка и распределяется в водной толще равномерно. Поэтому он присутствует в пробах, отобранных в ветреные дни.

Вероятно, при антициклональном типе погоды экологические ниши C. hirundinella иM. aeruginosa расходятся. Однако при нарушении стратификации нарушается и распределение этих видов в пространстве.

Необходимо также отметить и другую гипотезу, объясняющую зависимость, представленную на рис. 3, б, в. Сине-зеленые водоросли, в том числе M. аeruginosa, обладают высокой плавучестью, легко переносятся слабыми потоками воды, образуя разнообразные по плотности скопления [16]. Учитывая специфику отбора проб (одна точка в прибрежной части озера), возрастание численности сине-зеленой водоросли в дни со слабым ветровым волнением можно объяснить и нагонными явлениями. Вероятно, так же объясняется и максимальная численность в 6,5 млн кл./л, отмеченная при достаточно высокой скорости ветра -- 5 баллов.

Рис. 4. Динамика численности C. hirundinella в зависимости от температуры воды, ветрового волнения и покрытия небосвода

Многие авторы [14; 16] также уделяют большое внимание чувствительности сине-зеленых водорослей к интенсивности солнечной радиации (в нашем случае -- облачности), отмечая, что в условиях низкой интенсивности солнечной радиации (высокой облачности) в сочетании с усиленным ветром и перемешиванием водной толщи прирост популяций цианобактерий ограничен, что в некоторой степени иллюстрируется зависимостями, представленными на рис. 3, б, в.

Характерно отсутствие явной зависимости численности M. aeruginosa от температуры

Максимальная численность вида зарегистрирована 15 сентября при температуре воды 17 ° С, тогда как в предыдущий период температура воды была на несколько градусов выше. Это не противоречит данным, полученным авторами [15]: M. aeruginosa является эвритермным видом, так как вегетирует в диапазоне температур от 7 до 25 °С и даже подо льдом.

Таким образом, рост численностиM. aeruginosa во многом определяется отсутствием ветрового волнения, а также интенсивностью солнечной радиации (облачностью), тогда как зависимость численности от других рассматриваемых нами факторов среды не обнаружена.

Прогнозирование массового размножения сине-зеленых водорослей -- сложная задача, поскольку их развитие зависит не только от комплекса параметров среды, но и от внутренней регулирующей способности фитопланктонного сообщества. Мы сделали вывод, что для подобного прогноза необходимы временные ряды данных о параметрах среды, численности и структуре фитопланктонного сообщества.

В статье показана значимость частого отбора проб для прогноза краткосрочных изменений альгофлоры. При частоте отбора проб два раза в неделю удалось выявить связь между некоторыми параметрами среды и колебанием численности массовых видов водорослей, в том числе потенциально токсичного вида M. aeruginosa, водорослей P. duplex и C. hirundinella. Эта зависимость позволяет говорить о вероятной возможности предсказания цветения водоемов по изменению численности массовых видов фитопланктона и сопутствующих гидрологических и метеорологических параметров.

Список литературы

1. Microscopic and molecular methods for quantitative phytoplankton analysis // Intergovernmental Oceanographic Commission, Manuals and Guides / ed. B. Karlson, C. Cusack, E. Bresnan. Paris : UNESCO, 2010. № 55. 110 pp.

2. WHO 2000 Monitoring Bathing Waters -- A Practical Guide to the Design and Implementation of Assessments and Monitoring Programmes. World Health Organization, Geneva.

3. Снитько, Л. В. Водоросли разнотипных водоемов восточной части Южного Урала / Л. В. Снитько, Р. М. Сергеева ; под ред. Т. В. До- гадиной. Миасс : ИГЗ УрО РАН : НИСО УрО РАН, 2003. 166 с.

4. Снитько, Л. В. Экология и сукцессия фитопланктона озер Южного Урала / Л. В. Снитько. Миасс : ИГЗ УрО РАН, 2009. 376 с.

5. Jones, W. W. Distribution and Abundance of Cylindrospermopsis raciborskii in Indiana Lakes and Reservoirs / W. W. Jones, S. Sauter // Office of Water Quality Indiana Department of Environmental Management. Indianapolis : IN, SPEA-Indiana University,

6. № 4. P. 1-54.

7. Садчиков, А. П. Методы изучения пресноводного фитопланктона : метод. руководство / А. П. Садчиков. М. : Университет и школа, 2003. 157 с.

8. Винберг, Г. Г. Методические указания по сбору и обработке материалов гидробиологических исследований на пресноводных водоемах. Фитопланктон и его продукция / Г Г. Винберг. Л. : ГосНИОРХ, 1984. 31 с.

9. Абакумов, В. А. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / В. А. Абакумов. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 319 с.

10. Белякова, Р. Н. Водоросли, вызывающие «цветение» водоемов Северо-Запада России / Р. Н. Белякова [и др.]. М. : Тов-во науч. изд. КМК, 2006. 367 с.

11. Царенко, П. М. Краткий определитель хлорококковых водорослей Украинской ССР / П. М. Царенко. Киев : Наук. думка, 1990. 208 с.

12. Киселев, И. А. Определитель пресноводных водорослей СССР: пирофитовые водоросли / И. А. Киселев. М. : Совет. наука, 1954. Вып. 6. 212 с.

13. Neustupa, J. Changes in shape of the coenobial cells of an experimental strain of Pediastrum duplex var. duplex (Chlorophyta) reared at different pH // J. Neustupa, L. Hodac. Praha : Preslia, 2005. № 77. P. 439-452.

14. Баринова, С. С. Биоразнообразие водорослей-индикаторов окружающей среды / С. С. Баринова, Л. А. Медведева, О. В. Анисимова. Тель- Авив : PiliesStudio, 2006. 498 с.

15. Анищенко, О. В. Изучение влияния метеорологических факторов на флуоресцентные показатели фитопланктона поверхностного слоя воды «цветущего» водоема / О. В. Анищенко, В. И. Кол- маков, М. И. Гладышев // Докл. Акад. наук. 2004. Т. 397, № 1. С. 124-127.

16. Трифонова, И. С. Экология и сукцессия озерного фитопланктона / И. С. Трифонова. Л. : Наука, 1990.

17. Литвинов, А. С. Экологические факторы пространственного распределения и перемещения гидробионтов : сб. науч. тр. / А. С. Литвинов [и др.] ; отв. ред. А. Г. Поддубный. СПб. : Гидро- метеоиздат, 1993. 333 с.

Размещено на Allbest.ru