Оценка степени загрязнения водоемов Зайсан-Иртышского бассейна по показателям зоопланктона в 2010 году

Водоемы Зайсан-Иртышского бассейна, особенно озеро Зайсан, горная часть Бухтарминского водохранилища и река Иртыш в пределах Восточно-Казахстанской области, испытывают весомую антропогенную нагрузку из-за загрязнения различными токсичными соединениями (тяжелые металлы, нефтепродукты) в результате интенсификации освоения месторождений металлов и притока загрязнителей по рекам Черный Иртыш, Бухтарма, Иртыш. Динамичность эколого-эпидемиологической ситуации на водоемах бассейна и ожидаемое усиление антропогенной нагрузки требуют комплексных исследований водоемов.

Цель наших исследований – оценка современного экологического состояния крупных рыбопромысловых водоемов Зайсан-Иртышского бассейна (озеро Зайсан, Бухтарминское, Шульбинское водохранилища, река Иртыш) методами биоиндикации по показателям зоопланктона.

Материал и методика. Исследования проводили на 4 водоемах, было обследовано 24 станции, отобрано 48 количественных проб зоопланктона. Зоопланктон отбирали сетью Джеди вертикальным протягиванием от дна до поверхности. Пробы обрабатывали в камере Богорова, просчитывали и измеряли все виды зоопланктеров [1]. Определение различных групп организмов вели по соответствующим определителям. Для расчета биомассы использовали уравнения, приведенные в работе Е.В. Балушкиной и Г.Г. Винберга [2]. Органическое загрязнение водной толщи оценивали по методу Пантле и Бука в модификации Сладечека [3, 4, 5]. Также использовали метод оценки загрязненности пресноводных экосистем по показателям развития зоопланктонных сообществ, который был разработан на основе результатов комплексных исследований на водоемах с различной загрязненностью в Российской Федерации [6]. Для оценки разнообразия зоопланктонных сообществ использовали информационный индекс Шеннона-Уивера [7]. Продуктивность водоема определяли по «шкале трофности» С.П. Китаева [8].

Таксономический состав зоопланктона. В результате изучения зоопланктона в 4-х водоемах Верхнее-Иртышского бассейна в 2010 г. было определен 44 таксона, из них коловратки – 24, ветвистоусые рачки – 16, веслоногие – 4. Наибольшее видовое разнообразие было отмечено в зоопланктонном комплексе Шульбинского водохранилища – 31 таксон.

При сравнении зоопланктонных ценозов оз. Зайсан, Бухтарминского, Шульбинского водохранилищ и р. Иртыш в пределах Восточно-Казахстанской области по методу Жаккара выделяется следующая закономерность: вниз по течению коэффициент Жаккара снижается (табл. 1).

Таблица 1. Коэффициент Жаккара (%) для водоемов бассейна Верхнего Иртыша в 2010 г.

Наибольший коэффициент Жаккара рассчитан для Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ – 55,9 % (см. табл. 1). Это говорит о том, что в данных водоемах видовой состав зоопланктона наиболее схож по сравнению с другими.

Также для сравнения видового состава зоопланктона определяли попарные меры включения [9]. Анализ орграфов бинарных отношений на множестве видового состава зоопланктона исследуемых водоемов показал значительную обособленность зоопланктоценозов р. Иртыш. Наибольшая степень сходства установлена между зоопланктоном Бухтарминского и Шульбинского водохранилищ (рис. 1).

Общими для всех сравниваемых водоемов было 9 видов, из них 5 коловраток (Polyarthra dolichoptera, Asplanchna priodonta, Keratella quadrata, K. cochlearis tecta, Filinia longiseta), из кладоцер – 2 таксона (Chydorus sрhaericus, Bosmina longirostris) и 2 таксона веслоногих рачков – Сyclops vicinus и Mesocyclops leuckarti. Все вышеперечисленные виды в Казахстане имеют широкое распространение.

а б

Рис. 1. Ориентированный мультиграф бинарных отношений на множестве мер включения видового состава зоопланктона исследуемых водоемов при пороге чувствительности

60% (а) и 70% (б)

Примечание: 1 – оз. Зайсан, 2 – Бухтарминское водохранилище, 3 – Шульбинское водохранилище, 4 – р. Иртыш

Каждый водоем обладает своими «специфическими» видами планктонных беспозвоночных. В 2010 г. только для оз. Зайсан было определено 5 таксонов планктонных беспозвоночных, которые не встречаются ниже по течению: это коловратка Brachionus calyciflorus spinosus, Notolcha acuminata и кладоцеры Simocephalus vetulus, Scapholeberis mucronata, Moina micrura. Для Бухтарминского водохранилища зарегистрирован 1 «специфичный» вид ветвистоусого рачка Acroperus harpae, для Шульбинского водохранилища являются «специфичными» 5 таксонов: коловратки Platyias quadricornis, кладоцеры Sida crystallina, Alonella excisea, Disparalona rostrata, Bythotrephes longimanus. Для р. Иртыша определен ветвситоусый рачок Macrothrix laticornis, не встретившийся в других водоемах Верхне-Иртышского бассейна.

Количественные показатели зоопланктона. В соответствии с рыбохозяйственной классификацией М.Л. Пидгайко и др. [10], в 2010 г. оз. Зайсан по уровню развития зоопланктона относилось к среднекормным водоемам; Бухтарминское и Шульбинское водохранилища относились к категории водоемов с выше средней кормности; р. Иртыш - к малокормным водоемам. В целом, в 2009-2010 гг. по Верхне-иртышскому бассейну количественное развитие зоопланктона исследованных водоемов соответствовало удовлетворительным условиям питания молоди рыб и рыб-планктофагов.

Оценка степени загрязнения водоемов методами биоиндикации

Озеро Зайсан. Из 29 таксонов зоопланктонных организмов 19 являлись показателями сапробности. Отмечалось преобладание в зоопланктоне ο-β-мезосапробных видов. Индексы сапробности в течение вегетационного периода варьировали в пределах II – III класса от 1,29 до 1,66; воды чистые – умеренно загрязненные (табл. 2).

Таблица 2 – Индекс видового разнообразия Шеннона-Уивера и индекс сапробности, рассчитанные по зоопланктону для оз. Зайсан в 2010 г.

При анализе индексов сапробности зоопланктона по станциям Бухтарминского водохранилища видно, что на станциях «Волчий мыс», «Актюбек», «Карсакбай» качество воды соответствует III классу качества, индексы сапробности выше 1,50. Можно предположить, что данное явления связано с фиксирующимися элементами эвтрофирования на первом трофическом уровне. В целом, в 2010 г. среднее значение индекса сапробности по оз. Зайсан составило 1,48, что соответствует II классу качества, воды чистые. По сравнению с прошлым годом качество вод озера по показателям зоопланктона улучшилось, т.к. в 2009 г. среднее значение индекса сапробности в оз. Зайсан было 1,65 и соответствовало III классу качества вод, воды умеренно-загрязненные [1].

Динамику таксономического обилия зоопланктона по станциям выражает индекс видового разнообразия Шеннона-Уивера, отражающий количество информации, приходящейся на одну особь. Он был предложен для оценки структурированности биоценозов как степень упорядоченности (информированности) системы. Обычно негативное антропогенное воздействие приводит к уменьшению количества видов в сообществах (за счет исчезновения стенобионтов) и нарушает выравненность значений их популяционной плотности. Поэтому значение индекса Шеннона в условиях загрязнения, как правило, закономерно уменьшается. Так, в загрязненных водах индекс Шеннона менее 1,00, в очень грязных - менее 0,5, в чистых – от 2,00 до 3,00, в очень чистых – более 3,00 [7].

При анализе динамики значений индекса Шеннона можно сделать следующие выводы. Наиболее структурированные гидробиоцеозы на станциях «Волчий мыс» и «Камышзавод», индекс видового разнообразия – 2,86 (см. табл. 2). Среднее значение индекса Шеннона-Уивера составило 2,63, что соответствует категории «воды чистые».

Бухтарминское водохранилище. В течение последних трех лет значения численности и биомассы зоопланктона находятся примерно на одном уровне, что позволяет говорить о стабилизации. По системе экологических модификаций Абакумова, в настоящее время экосистема Бухтарминского водохранилища по показателям зоопланктона находится в состоянии экологической стабилизации [11].

Индексы сапробности, рассчитанные по зоопланктону, находились в пределах от 1,29 до 1,63, среднее значение составило 1,44, что соответствует олигосапробной зоне (табл. 3). Как и в прошлом 2009 г., качество вод Бухтарминского водохранилища оценивалось II классом, чистые.

При использовании индекса видового разнообразия Шеннона-Уивера, рассчитанного по численности, получили значения, которые позволяют охарактеризовать Бухтарминское водохранилище как олиготрофный водоем с качеством воды «чистая».

Шульбинское водохранилище. В последние несколько лет на Шульбинском водохранилище отмечается интенсивная вегетация водорослей. По состоянию растительного планктона можно говорить о наличии элементов эвтрофирования. Как правило, эвтрофирование характеризуется сильным развитием фитопланктона и преобладанием в нем зеленых водорослей, обеднением видового состава зоопланктона, повышением в нем роли ветвистоусых. Таксономический состав зоопланктона за последние три года изменился незначительно. Численность зоопланктона по сравнению с 2008 г. уменьшилась в два раза, биомасса же находится примерно на одном уровне последние несколько лет. Как и в прошлые годы, основной вклад по биомассе вносили ветвистоусые рачки, что, возможно, и подтверждает процесс эвтрофирования, который может происходить от нескольких до десятков лет.

Таблица 3 – Индекс видового разнообразия Шеннона-Уивера и индекс сапробности, рассчитанные по зоопланктону для Бухтарминского водохранилища в 2010 г.

В течение последних трех наибольшее значение индекса сапробности, а, следовательно, и более низкое качество воды фиксируется в верхней части водохранилища. Это результат отрицательного влияния загрязненных вод р. Иртыш, впадающей в верхнюю часть Шульбинского водохранилища. В нижней приплотинной части водохранилища регистрировались наименьшие значения индексов сапробности, которые варьировали в пределах II класса качества вод – воды чистые. В 2010 г. значения индексов сапробности, рассчитанные по зоопланктону, находились в пределах от 1,28 до 1,61, среднее значение составило 1,47, что соответствует олигосапробной зоне (табл. 4).

При использовании индекса видового разнообразия Шеннона-Уивера, рассчитанного по численности, получили значения, которые позволяют охарактеризовать Шульбинское водохранилище как олиготрофный водоем с качеством воды «чистая», что не соответствует реальной ситуации на водоеме.

Нарушения экологического баланса водных экосистем можно оценить через изменения в развитии планктонного пелагического сообщества. В качестве критерия механизма адаптации используется изменение соотношения общей численности и общего числа видов. Графический способ обобщения информации позволил выделить на рисунке зоны, отождествляющие состояние экосистемы, и дать экологическую интерпретацию возможных природных модификаций экосистемы водоема в целом и отдельных его частей [6].

Таблица 4 – Индекс видового разнообразия Шеннона-Уивера и индекс сапробности, рассчитанные по зоопланктону для Шульбинского водохранилища в 2010 г.

Для Шульбинского водохранилища в целом характерно невысокое видовое разнообразие, среднее число видов составляет 10. Соотношение количества видов и численности зоопланктона указывает на уменьшение видового разнообразия сообщества за счет выпадения олигосапробных и преимущественного развития мезосапробных видов.

Проследим динамику состояния экосистемы Шульбинского водохранилища за последние 3 года (рис. 2).

Рис. 2. Веер векторов для Шульбинского водохранилища в 2008-2010 гг.

Характер расположения векторов позволяет отметить тенденцию к росту численности зоопланктона под воздействием эвтрофирования, о чем свидетельствует несколько точек, расположенных в верхней части графика.

Мы считаем, что эвтрофирование Шульбинского водохранилища обусловлено двумя определяющими факторами – температурным и трофическим. Расположение векторов в нижней части указывает на такое состояние экосистемы, для которой характерны низкий трофический потенциал и небольшое количество различных экониш, так как в течение всего исследуемого периода общее число видов не превышало десяти. Поэтому, скорее всего, ведущая роль принадлежит температурному фактору. Высокие и низкие численности обусловлены развитием небольшого числа видов, и в первую, очередь теплолюбивых.

Таким образом, по расположению векторов в декартовой плоскости можно заключить, что Шульбинское водохранилище это водоем со все еще богатыми компенсационными возможностями, но с признаками эвтрофирования.

Так, осенью 2008 г. в водоеме наблюдалась вспышка развития синезеленых водорослей. Такое «цветение» воды является ответной приспособительной реакцией экосистемы водохранилища и может рассматриваться как новый этап ее существования в изменившихся условиях среды. «Цветение является косвенным показателем ухудшения общего санитарного состояния водоема. С другой стороны, оно само является источником биологического загрязнения водоема.

Анализ многолетней гидробиологической информации показал, что отсутствие длительных рядов наблюдений фитопланктона не позволяют точно оценить скорость и масштаб процесса эвтрофирования. Поэтому необходимо возобновить исследования фитопланктона на водоемах Верхне-Иртышского бассейна.

Река Иртыш. В 2010 г. из 15 обнаруженных таксонов зоопланктонных организмов в р. Иртыш, 10 являлись показателями сапробности. Отмечалось преобладание в зоопланктоне ο-β-мезосапробных видов. Среднее значение индекса сапробности по р. Иртыш – 1,64, что соответствует III классу качества вод (табл. 5), воды умеренно-загрязненные [1].

Значения индекса видового разнообразия Шеннона-Уивера, рассчитанные по численности зоопланктона, варьировали в пределах 1,14-2,40. Значения индекса Шеннона в затонах Чуриков и Орленок были выше 2,00, что указывает на высокую структурированность зоопланктонных сообществ и соответствует 2 классу – воды чистые. В протоке Зевакино среднее значение индекса Шеннона составило 1,79 – 3 класс качества, умеренное загрязнение. В з. Кобелевский по индексу видового разнообразия Шеннона (1,14) качество воды соответствует 4 классу – загрязненные, по индексу сапробности (2,03) – 3 классу, умеренное загрязнение.

Таблица 5 – Средние значения индекса видового разнообразия (ИВР) и индекса сапробности (ИС) в протоках и затонах р. Иртыш в 2010 г.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы.

1) В 2010 г., по сравнению с 2009 г., состояние водных экосистем исследованных водоемов по показателям зоопланктона улучшилось. На всех трех водохранилищах качество воды соответствовало II классу, чистые. Качество поверхностных вод р. Иртыш оценивалось III классом, умеренное загрязнение.

2) Индекс видового разнообразия Шеннона-Уивера на водохранилищах всегда был выше 2,50, что указывает на высокую структурированность сообществ планктонных беспозвоночных.

3) По результатам исследований 2009-2010 гг., Шульбинское водохранилище по показателям сапробности – олигосапробный водоем. Но, учитывая интенсивную вегетацию мелкоклеточных сине-зеленых водорослей, которые присутствовали в пробах зоопланктона, можно говорить о наличии элементов эвтрофирования. Такие разные результаты по фито- и зоопланктону можно объяснить следующим. Эвтрофирование неодинаково проявляется на разных трофических уровнях. На уровне автотрофов изменение экологической ситуации водоема сказывается быстрее, т.к. водоросли являются более уязвимыми к действию загрязнителей, в отличие от планктонных животных. Вследствие того, что автотрофы (фитопланктон) являются первым звеном в трофической цепи, естественно, они и будут первыми реагировать на изменения окружающей среды. На первом уровне гетеротрофов (зоопланктон) негативное антропогенное влияние сглаживается, кроме того, организмы-фильтраторы аккумулируют часть веществ.

В целом, преобладание определенного биоценотического комплекса и ο-β и β-сапробных форм позволяет нам выделить акваторию водоемов Верхне-Иртышского бассейна в ο-β-сапробную зону.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред. В.А. Абакумова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 318 с.

2. Балушкина Е.В., Винберг Г.Г. Зависимость между массой и длиной тела у планктонных животных //Общие основы изучения водных экосистем. – Л.: Наука, 1979. – С.169-172.

3. Унифицированные методы исследования качества вод. Методы биологического анализа вод. – М.: Изд. СЭВ, 1976, – Часть III. – 185 с.

4. Унифицированные методы исследования качества вод. Индикаторы сапробности. – М.: Изд. СЭВ, 1977, – Приложение 1. – 88 с.

5. Унифицированные методы исследования качества вод. Атлас сапробных организмов. – М.: Изд. СЭВ, 1977, – Приложение 2. – 227 с.

6. РД 52.24.565-96. Методические указания. Охрана природы. Гидросфера. Метод оценки загрязненности пресноводных экосистем по показателям развития зоопланктонных сообществ. – М.: Госстандарт., 1996, – 16 с.

7. Шуйский В.Ф., Максимова Т.В., Петров Д.С. Биоиндикация качества водной среды, состояния пресноводных экосистем и их антропогенных изменений // Сб. научн. докл. VII междунар. конф. «Экология и развитие Северо-Запада России» - С.-Петербург, 2-7 авг. 2002 г. – СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2002 г.

8. Китаев С.П. О соотношении некоторых трофических уровней и «шкалах трофности» озер разных природных зон //Тез. докл. V съезда ВГБО, ч. II. – Куйбышев, 1986. – С. 254-255.

9. Андреев В.Л. Классификационные построения в экологии и систематике. – М.: Наука, 1980. – 142 с.

10. Пидгайко М.Л. Зоопланктон водоемов Европейской части СССР. М., 1984.

11. Абакумов В.А. Экологические модификации и развитие биоценозов / В.А. Абакумов // Экологические модификации и критерии экологического нормирования: Труды международного симпозиума. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – С. 18-40.