Индикативные показатели эвтрофирования как элемент мониторинга водных экосистем

Полная исследовательская публикация _____________________ Калайда М.Л. и Хамитова М.Ф.

Размещено на http://www.allbest.ru/

162 _____________ http://butlerov.com/ _____________ ©--Butlerov Communications. 2017. Vol.49. No.3. P.156-162.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Индикативные показатели эвтрофирования как элемент мониторинга водных экосистем

Калайда Марина Львовна и Хамитова Мадина Фархадовна Кафедра «Водные биоресурсы и аквакультура» Казанский государственный энергетический университет

Аннотация

Выбор критериев оценки состояния водных экосистем давно является важным аспектом экологических и гидробиологических исследований. Представлены изменения средних многолетних значений показателей химического и биологического потребления кислорода, характеризующих условия степени эвтрофирования. Используя соотношение ПДК для ХПК и БПК₅ определено «нормативное» соотношения - 13.33%. Показано, что это соотношение на контрольных участках составило - 7.94-7.89%, в зоне смешения сточных вод с водами водохранилища соотношение - 14.97, в районе сброса сточных вод из первичного отстойника это соотношение было максимальным - 58.48%.

Поскольку уровень развития фитопланктона отражает уровень естественного эвтрофирования водных экосистем, проведен сравнительный анализ показателей качества вод по развитию фитопланктона. Показано, что рассчитанные индексы не отражают реальной экологической специфики участков.

На основе изучения компонент гидробиоценоза участка Волжского плеса в районе сбросов сточных вод Марийского целлюлозно-бумажного комбината показано, что в условиях антропогенного эвтрофирования отмечается значительная вариабельность характеристик гидробиоценоза, включая видовое разнообразие. Коэффициент вариации индексов видового разнообразия лучше отражает уровень эвтрофирования.

Предложен разработанный Индекс , отражающий соотношение основного комплекса видов зообентоса с разным типом дыхания: на участках наибольшего антропогенного эвтрофирования он представлен преимущественно формами насекомых, способных к атмосферному дыханию; при улучшении состояния в экотопе увеличивается разнообразие и представленность вторичноводных насекомых, причем группы, с дыханием растворенным в воде кислородом заменяют формы, потребляющие атмосферный воздух; на контрольных участках и в зонах восстановления преобладают первичноводные животные. Значения показателя могут варьировать от 100 при отсутствии в зообентосе насекомых до 0 в случае отсутствия зообентоса или представленности его исключительно приспособленными к дыханию атмосферным воздухом гидробионтами. Главным критерием состояния системы является отношение зообентонтов к кислороду в воде, поэтому данный индекс может рассматриваться как показатель эвтрофирования экосистемы. Чем ниже индекс, тем критичнее состояние водной экосистемы. Индекс, в отличие от других, является не индикатором идущего процесса эвтрофирования, а отражает уже состоявшееся негативное воздействие на водную экосистему и оценивает ее способность к восстановлению.

Ключевые слова: загрязнение окружающей среды, эвтрофирование, Куйбышевское водохранилище, сточные воды, индикация загрязнений, бентос.

Abstract

The choice of criteria for assessing the state of aquatic ecosystems has long been an important aspect of environmental and hydrobiological research. Changes in the mean multiyear values of the indices of chemical and biological oxygen consumption, characterizing the conditions of the degree of eutrophication, been shown. Using the ratio of MPC for COD and BOD5 defined "normative" ratio - 13.33%. It was shown that this ratio in control areas was 7.94-7.89%, in the zone of wastewater mixing with the water of the reservoir the ratio was 14.97, in the area of wastewater discharge from the primary settler this ratio was the maximum - 58.48%.

Since the level of phytoplankton development reflects the level of natural eutrophication of aquatic ecosystems, a comparative analysis of water quality indicators for the development of phytoplankton was conducted. It is shown that the calculated indices do not reflect the real ecological specifics of the sites.

Based on the study of the components of the hydrobiocenosis of the section of the Volga Reach in the area of wastewater discharges of the Mari Pulp and Paper Mill, it was shown that under the conditions of anthropogenic eutrophication, there is a significant variability in the characteristics of the hydrobiocenosis including species diversity. The coefficient of variation of the indices of species diversity better reflects the level of eutrophication.

A developed Index Y is proposed that reflects the ratio of the main complex of zoobenthos species with different types of respiration: in areas of the greatest anthropogenic eutrophication, it is represented mainly by insect species capable of atmospheric respiration; when the state in the ecotope is improved, the diversity and representation of the secondary-water insects increases, and the groups consuming oxygen dissolved in water replace forms that consume atmospheric air; primary-water animals predominate in the control areas and in the restoration zones. The values of the indicator can vary from 100 if there are no insects in the zoobenthos to 0 in the absence of zoobenthos or if it is represented exclusively by hydrobionts, which are adapted to breathing atmospheric air.

The main criterion for the state of the system is the ratio of zoobenthons to oxygen in water, therefore this index can be considered as an indicator of eutrophication of the ecosystem. The lower the index, the more critical the state of the aquatic ecosystem. The index, unlike the others, is not an indicator of the ongoing process of eutrophication, but reflects the already negative impact on the aquatic ecosystem and assesses its ability to restore.

Keywords: environmental pollution, eutrophication, Kuibyshev reservoir, wastewater, pollution indication, benthos.

фитопланктон гидробиоценоз дыхание вода

Введение

Сохранение водных экосистем как сообществ не только обеспечивающих биоразнообразие, но и главных участников обеспечения качества вод - одна из важнейших задач современности [1-3]. Выбор критериев оценки состояния водных экосистем давно является важным аспектом гидробиологических исследований. В связи с развитием аквакультуры и воспроизводства водных биологических ресурсов в Республике Татарстан вопросам качества вод не может не уделяться значительное внимание. На качество воды оказывает влияние перенос загрязненных вод, связанных со сбросом недостаточно очищенных сточных вод от промышленных предприятий. Проведенное исследование компонент гидробиоценоза в уникальных условиях вторичного отстойника Марийского целлюлозно-бумажного комбината (ОАО «МЦБК»), расположенного в Волжском плесе Куйбышевского водохранилища, позволяет оценить индикаторные характеристики, используемые для оценки качества вод.

1. Экспериментальная часть

Материалом для данной статьи послужили результата анализов химического состава воды и гидробионтов Куйбышевского водохранилища в районе Лопатинской Воложки на участке воздействия сточных вод ОАО «МЦБК» по общепринятым методикам: контроль - выше сброса (500 м), в зоне смешения вод и ниже сброса (500 м) [4-7]. Индекс разнообразия Шеннона - безразмерный показатель, применяемый в биологии для определения степени равномерности распределения признаков объектов выборки. Двойственным понятием для разнообразия является понятие однородности или концентрации. Меры разнообразия являются унарными мерами близости [8].

2. Результаты и их обсуждение

В табл. 1 представлено изменение средних многолетних значений показателей химического и биологического потребления кислорода, характеризующих условия степени эвтрофирования. Эти показатели используются для нормативной оценки качества воды в природных водоёмах. ПДК для ХПК для водоёмов питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения установлена на уровне 15 мг/л, для водоёмов рекреационного водопользования и находящихся в черте населённых пунктов - 30 мг/л (определяется бихроматным методом).

БПК₅ отражает соотношение количества кислорода, израсходованного на аэробное биохимическое окисление бактериопланктоном нестойких органических соединений и, как правило, в течение 5 суток происходит окисление около 70% легкоокисляющихся органических веществ. Для водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях БПК₅ не должно превышать 2 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования - 4 мг/л.

Табл. 1. Изменение средних многолетних значений показателей химического и биологического потребления кислорода

Используя соотношение ПДК для ХПК и БПК₅ можно определить «нормативный» показатель соотношения - 13.33%. Как видно из приведенных в табл. 1 данных соотношение на контрольных участках составило - 7.94-7.89%. В зоне смешения сточных вод с водами водохранилища соотношение - 14.97. В районе сброса сточных вод из первичного отстойника это соотношение было максимальным - 58.48%. Обращает на себя показатель соотношения на участке в заливе вторичного отстойника - 1.61±0.02. С одной стороны, на данном участке исследования отмечено высокое содержание органических веществ, а с другой стороны, на аэробное биохимическое окисление бактериопланктоном нестойких органических соединений израсходовано малое количество кислорода, свидетельствующее о снижении количественной представленности бактериопланктона на данном участке по сравнению с выше расположенными по течению сточных вод участками, где этот показатель был выше более чем в 28 раз.

Уровень развития фитопланктона определяет уровень естественного эвтрофирования водных экосистем. Сравнительный анализ показателей качества вод по развитию фитопланктона представлен в табл. 2.

Как видно из данных табл. 2, по индексу разнообразия Шеннона по фитопланктону воды на участке Волжского плеса Куйбышевского водохранилища характеризуются от «чистой» (в заливе вторичного отстойника) до «грязной» в сбросном канале. При этом контрольная станция Волжского плеса и район сбросов сточных вод оцениваются одинаково - как «загрязненные» участки. По индексу трофности район сбросов сточных вод оценивается как олиготрофный, а контрольные участки Волжского плеса - эвтрофные. Для индексов видового разнообразия и трофности, рассчитанным по фитопланктону для вод вторичного отстойника наблюдалась сильная вариативность, так индекс Шеннона в один и тот же период времени варьировал на станциях отстойника от 0.35 до 3.63, а трофический индекс от 23.5 до 106.0. Рассчитанные индексы не отражают реальной экологической специфики участков.

Таким образом, в условиях сильного антропогенного эвтрофирования гидробиологические методы оценки качества вод часто не применимы.

Табл. 2. Показатели качества вод рассчитанные по фитопланктону в районе сброса сточных вод ОАО «МЦБК» в период максимального развития

Одной из основных характеристик изменения гидробиоценозов является высокая вариабельность характеристик. Коэффициент вариации индексов видового разнообразия лучше отражал состояние экосистемы (рис. 1).

Рис. 1. Коэффициенты вариации индексов видового разнообразия Шеннона зоопланктона и зообентоса в Волжском плесе

Поскольку наиболее часто используемые индексы качества вод в условиях вторичного отстойника оказались неприменимыми, то по результатам анализа зообентоса нами предложен Индекс (Y), способный отразить процесс участия бентосных форм в восстановлении качества вод. Структура основного комплекса видов зообентоса на участках наибольшего воздействия представлена преимущественно видами и формами насекомых способных к атмосферному дыханию. При улучшении состояния в экотопе увеличивалось разнообразие и представленность вторичноводных насекомых, причем группы, с дыханием растворенным в воде кислородом заменяли формы, потребляющие атмосферный воздух. На контрольных участках и в зонах восстановления преобладали первичноводные животные. Исходя из полученных данных, нами предложена зависимость соотношения этих групп гидробионтов, позволяющая оценить состояние донного биоценоза по среднесезонным показателям.

 = Р_ПВ + 0.5 Р_ДРК / Р_ДАВ + 1

где, Р_п.в - доля (%) от общей численности зообентоса первичноводных организмов не относящихся к насекомым; Р_дрк - доля (%) дышащих растворенным кислородом в воде от общей численности вторичноводных насекомых; Р_дав - доля (%) дышащих атмосферным воздухом насекомых (личинок насекомых) от общей численности зообентоса (табл. 3, рис. 2).

Табл. 3. Зависимость значений индекса от состояния донного гидробиоценоза

Рис. 2. Значения показателя состояния донного гидробиоценоза (Y)

Значения показателя могут варьировать от 100 при отсутствии в зообентосе насекомых до 0 в случае отсутствия зообентоса или представленности его исключительно приспособленными к дыханию атмосферным воздухом гидробионтами. Значение показателя изменяется не линейно, а по гиперболе (рис. 2). Показатель состояния донного гидробиоценоза (индекс ) позволяет проводить оценку в условиях разной степени заиления грунтов, и в тех случаях, когда общепринятые методы не применимы. Главным критерием состояния системы является отношение зообентонтов к кислороду в воде, поэтому данный индекс может рассматриваться как показатель эвтрофирования экосистемы. Чем ниже индекс, тем критичнее состояние водной экосистемы. Индекс, в отличие от других, является не индикатором идущего процесса эвтрофирования, а отражает уже состоявшееся негативное воздействие на водную экосистему и оценивает ее способность к восстановлению. В случае, когда зообентос представлен одной группой - олигохетами или гаммаридами и т.п. индекс равен 100, донный гидробиоценоз рассматривается как однородный, а антропогенное воздействие рассматривается как сильное однонаправленное. Например, в условиях свеже намытых песчаных грунтов после работы земснарядов складываются однородные (корофиумные или гаммаридные) псаммофильные биоценозы. Численность Corophium curvispinum на этих участках возрастает с 20-240 экз/м² до 1800-2100 экз/м² (Калайда, 2003).

Для проверки рабочей модели оценки показателя состояния донного гидробиоценоза (индекса ) рассчитаны его значения для участка Волжского плеса Куйбышевского водохрани-лища в районе сбросов сточных вод ОАО «МЦБК» (рис. 3). Анализ данных рис. 3 подтверждает возможность применения индекса Y для оценки состояния гидробиоценозов.

Аналогичные проверки возможности применения индекса Y проведены и для других участков: для малых родниковых водотоков индекс Y составил 50, на участке у родника - 76.7, а в Тетюшском плесе Куйбышевского водохранилища - 87. Для контрольных участков р. Казанка индекс Y составил 46.7-57.5. На контрольном участке Волжского плеса индекс Y составил 40.8-90.6.

Рис. 3. Значения показателя состояния донного гидробиоценоза (индекс Y) в Волжском плесе и во вторичном отстойнике ОАО «МЦБК»

Выводы

В условиях сильного антропогенного эвтрофирования отмечается значительная вариабельность характеристик видового разнообразия. Коэффициент вариации индексов видового разнообразия лучше отражает уровень эвтрофирования. Для оценки способности водной экосистемы к самоочистке может использоваться разработанный Индекс Y, который отражает соотношение основного комплекса видов зообентоса с разным типом дыхания: на участках наибольшего антропогенного эвтрофирования он представлен преимущественно формами насекомых, способных к атмосферному дыханию; при улучшении состояния в экотопе увеличивается разнообразие и представленность вторичноводных насекомых, причем группы, с дыханием растворенным в воде кислородом заменяют формы, потребляющие атмосферный воздух; на контрольных участках и в зонах восстановления преобладают первичноводные животные.

Литература

1. Калайда М.Л. Обеспечение качества вод в Республике Татарстан - глобальный гражданский долг каждого современного человека /Хартия земли - практический инструмент решения фундаментальных проблем устойчивого развития: сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 15-летию реализации принципов Хартии Земли в Республике Татарстан. Казань: Татар.кн.изд-во. 2016. С.148-152.

2. Калайда М.Л. Аквакультура как основа для улучшения качества вод в Республике Татарстан. Вестник НЦ БЖД. 2016. №3(29). С.115-122.

3. Калайда М.Л., Аль-Бачри Валид Сами Джавад Нормирование и контроль качества вод как важная составляющая обеспечения здоровья населения. Экологические проблемы и здоровье населения сборник статей Всероссийской научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГСХА. 2016. С.34-38.

4. Калайда М.Л., Хамитова М.Ф. Возможности применения эйхорнии в доочистке вод целлюлозно-бумажного комбината. Часть 1. Особенности химического состава воды в Волжском плесе Куйбышевского водохранилища. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.44. №11. С.97-103. ROI: jbc-01/15-44-11-97; M.L. Kalayda, M.F. Khamitova. The possibilities of application of eichornia in the purification of the waters of pulp and paper mill. Part 1. The specificity of chemical composition of the water in the Volga reach of the Kuibyshev reservoir. Butlerov Communications. 2015. Vol.44. No.11. P.97-103. ROI: jbc-02/15-44-11-97

5. Калайда М.Л., Хамитова М.Ф. Возможности применения эйхорнии в доочистке вод целлюлозно-бумажного комбината. Часть 2. Особенности химического состава донных отложений в Волжском плесе Куйбышевского водохранилища. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.44. №11. С.104-112. ROI: jbc-01/15-44-11-104; M.L. Kalayda, M.F. Khamitova. The possibilities of application of eichornia in the purification of the waters of pulp and paper mill. Part 2. The specificity of chemical composition of bottom sediments in the Volga reach of the Kuibyshev reservoir. Butlerov Communications. 2015. Vol.44. No.11. P.104-112. ROI: jbc-02/15-44-11-104

6. Калайда М.Л., Хамитова М.Ф. Возможности применения эйхорнии в доочистке вод целлюлозно-бумажного комбината. Часть 3. Особенности химического состава Eichornia crassipes. Бутлеровские сообщения. 2015. Т.44. №11. С.113-121. ROI: jbc-01/15-44-11-113; M.L. Kalayda, M.F. Khamitova. The possibilities of application of eichornia in the purification of the waters of pulp and paper mill. Part 3. The specificity of chemical composition of Eichhorniacrassipes. Butlerov Communications. 2015. Vol.44. No.11. P.113-121. ROI: jbc-02/15-44-11-113

7. Калайда М.Л., Хамитова М.Ф., Новоточинов С.И. Изменение химического показателя кислорода при альголизации вод хлореллой. Бутлеровские сообщения. 2016. Т.48. №10. С.143-149. ROI: jbc-01/16-48-10-143; M.L. Kalayda, M.F. Khamitova, S.I. Novotochinov. Results of algolization of wastewater contaminated with organic substances, unicellular algae Chlorella vulgaris. Part 1. Change of сhemical oxygen density due to algolizing water by chlorella. Butlerov Communications. 2016. Vol.48. No.10. P.143-149. ROI: jbc-02/16-48-10-143

8. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН. 2003. 463с.

Размещено на Allbest.ru