The degree analysis of hydrobionts response to the content of chemicals in the water of the upper and middle reaches of the Belaya River (Republic of Bashkortostan)

Full Text

Введение

Качество воды р. Белая – крупного (протяженность 1420 км) левобережного притока р. Кама – формируется под влиянием сточных вод предприятий жилищно-коммунального хозяйства, черной металлургии, химической, нефтехимической, нефтедобывающей, лесозаготовительной, деревообрабатывающей, машиностроительной и металлообрабатывающей отраслей экономики, а также смывов с территорий предприятий, сельхозугодий и населенных пунктов Республики Башкортостан.

Контроль качества воды в р. Белой в настоящее время осуществляется в основном посредством химических и физико-химических методов в 10 пунктах, 21 створе, 25 вертикалях [1–7]. Но только такой подход не в состоянии дать полную характеристику вредного действия антропогенных факторов на водную биоту. Последнее обстоятельство требует внедрения в оценку качества природных вод биологических методов (биоиндикация и биотестирование), для реализации которых разработано большое количество индексов и приемов, хорошо проанализированных в работах [8–10] и в ряде других публикаций. Однако большинство из используемых показателей заканчиваются констатацией уровня загрязнения водного объекта по принципу – «чисто», «грязно» и т.д., но проблема влияния химических загрязняющих веществ на водную флору и фауну остается открытой. Решение этой проблемы, по-видимому, будет возможным лишь при объединении гидрологических, физико-химических и биологических подходов, используемых в ходе экологического мониторинга вод. Создание долговременных региональных баз данных не только по результатам гидрологических и гидрохимических, но и гидробиологических исследований в районах государственных водных постов (а не на произвольно выбранных участках рек) позволит выявить региональные индикаторные виды и степень их реагирования на сбрасываемые в воды химические вещества и их соединения.

Перспективными объектами для гидробиологического мониторинга являются водные моллюски [11–13], личинки Plecoptera [14], Ephemeroptera [15–17], Trichoptera [18–22] и высшая водная растительность [23]. Изучение постоянства гидробионтов в р. Белой в последнее время носило эпизодический характер, и, как следствие, результатами этих работ были относительно обобщенные сведения по индикационным качествам гидробионтов [24].

Цель данной работы – анализ степени реагирования водных беспозвоночных животных и представителей высшей водной растительности для биоиндикационных исследований в системе экологического мониторинга р. Белой (Республика Башкортостан).

В задачи исследования входило:

1) изучение встречаемости гидробионтов в районах 10 государственных водопостов, находящихся в верхнем и среднем течениях р. Белой;

2) сопряженный анализ связи динамики встречаемости изученной водной биоты с гидрохимическими показателями.

Материал и методы исследования

Исследования на р. Белой проводились в летнюю межень с 2005 по 2017 гг. в районах 10 государственных водопостов (створах) – районы ж/д станции «Шушпа» (С1: 54,09682705285799° с.ш., 58,4999227538037° в.д.) и ДО «Арский камень» (С2: 53,86115788200094° с.ш., 58,268351554870605° в.д.), выше (С3: 52,8538947271166° с.ш., 55,937232971191406° в.д.) и ниже (С4: 52,97880342779925° с.ш., 55,977959632873535° в.д.) города Мелеуза, выше города Салавата (С5: 53,32222881321969° с.ш., 55,99103808403015° в.д.), ниже города Ишимбая (С6: 3,446659922791845° с.ш., 56,01332187652588° в.д.), выше (С7: 53,625248198285° с.ш., 56,021175384521484° в.д.) и ниже (С8: 53,72393550850673° с.ш., 56,087104082107544° в.д.) города Стерлитамака, ниже поселка Прибельский (С9: 54,39540102929409° с.ш., 56,4561653137207° в.д.) и выше города Уфы (С10: 54,649889889274036° с.ш., 55,9978723526001° в.д.).

На каждом створе сбор гидробионтов осуществлялся в соответствии с [25] на 10-ти участках (расстояние между участками » 100–150 м). Определение видовой принадлежности водных организмов проводилось непосредственно на створах. Определение водных беспозвоночных проводилось по Определителю пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий [26–28]. Определение высшей водной растительности проводилось по Определителю высших растений Башкирской АССР [29; 30].

В качестве гидрохимических показателей использовались данные по среднегодовому содержанию в речных водах соединений марганца (Mn), никеля (Ni) и железа (Fe), нефтепродуктов (Н/п), фенолов (Фен), азота аммонийного (NH₄), меди (Cu), цинка (Zn). Все вышеуказанные гидрохимические показатели ежегодно публикуются в Государственном докладе «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан» (2006–2017).

Для статистической обработки материала использовалась прикладная программа Microsoft Excel. Нормальность распределения показателя встречаемости гидробионтов на створах проверялась по критерию Шапиро – Уилки в программе Statistica 10. Сила связи между встречаемостью гидробионтов и показателями содержания в водах химических веществ и их соединений оценивалась по коэффициенту корреляции Пирсона. Проведение регрессионного анализа и интерпретация осуществлялись на калькуляторе онлайн-сервиса сайта Математического форума Math Help Planet [31]. Все статистические расчеты проводились при уровне значимости 0,05 (95%).

Результаты исследований и их обсуждение

В ходе исследований было использовано 30 видов водных беспозвоночных животных и 12 видов высших водных растений (ВВР) (табл. 1), легко определяемых визуально и включенных в компьютеризированную базу данных [32]. Анализ динамики встречаемости видов переднежаберных моллюсков на биотопах р. Белой с 2005 по 2016 годы выявил, что относительным постоянством на изученных створах характеризуются B. troschelii и B. inflate, что говорит о приспособлении этих гидробионтов к экологическим условиям на участках реки с разным качеством воды.

Встречаемость других видов гастропод, а особенно V. pulchella и V. piscinalis, характеризуется значительной динамикой по годам исследований (рис. 1).

Таблица 1 – Систематическая принадлежность гидробионтов, использованных в ходе исследования

Рисунок 1 – Динамика среднего постоянства видов Gastropoda на створах (1–10) р. Белой за период с 2005 по 2016 гг.

Изучение динамики постоянства личинок веснянок на биотопах верхнего и среднего течений р. Белой с 2005 по 2016 годы показало, что относительно постоянна лишь личинка L. nigra, что свидетельствует об адаптации этого вида к разным экологическим условиям. Встречаемость личинок C. apicalis, T. nebulosa, N. pictetii, N. cinerea, L. fusca и S. burmeisteri динамична по годам исследований (рис. 2).

Рисунок 2 – Динамика среднего постоянства видов Plecoptera на створах (1–10) р. Белой за период с 2005 по 2016 гг.

Анализ динамики встречаемости личинок поденок в верхнем и среднем течении р. Белой за период с 2005 по 2016 годы показал, что относительным постоянством на изученных створах обладает лишь C. dipterum. Исходя из этого можно сделать вывод, что данный вид является космополитом в характеризуемом регионе. Встречаемость же личинок других видов поденок (S. linnaeanus, S. aestivalis, C. luteolum, B. tricolor, E. venosus, H. sulphurea) обладает значительной динамикой по годам исследований (рис. 3), что, по-видимому, можно объяснить влиянием на личинок этих видов экологических условий в изученных районах р. Белой.

Рисунок 3 – Динамика среднего постоянства видов Ephemeroptera на створах (1–10) р. Белой за период с 2005 по 2016 гг.

Исходя из анализа динамики постоянства личинок ручейников на изученных створах р. Белой с 2005 по 2016 годы, можно отметить, что относительным постоянством характеризуются лишь H. interpunctatus и A. soror. Другие виды ручейников, а особенно S. pallipes, обладают значительной динамикой постоянства по годам исследований (рис. 4).

При анализе реагирования высшей водной растительности на качество воды р. Белой в ее верхнем и среднем течениях можно отметить, что относительно стабильное постоянство на всех изученных створах за годы исследований было характерно лишь для L. minor (рис. 5).

Рисунок 4 – Динамика среднего постоянства видов личинок Trichoptera на створах (1–10) р. Белой за период с 2005 по 2016 гг.

Рисунок 5 – Динамика среднего постоянства видов высшей водной растительности на створах (1–10) р. Белой за период с 2005 по 2016 гг.

Данное обстоятельство, по-видимому, связано с повышенным содержанием биогенных веществ в данном водотоке.

Анализ корреляционных связей между встречаемостью гидробионтов показал, что с повышением содержания поллютантов в воде на некоторых изученных участках р. Белой наблюдалось увеличение встречаемости ряда видов.

Так, при повышении содержания меди увеличивалась встречаемость V. piscinalis (р-н ж/д станции «Шушпа»), фенолов – B. troschelii (ниже г. Мелеуз) и P. bipunctata (р-н ДО «Арский камень» и ниже г. Ишимбай), соединений марганца – B. troschelii (выше г. Салавата) и V. macrostoma, личинок S. pallipes (район ж/д станции «Шушпа»), C. apicalis и B. tricolor и H. interpunctatus (ниже г. Ишимбай), соединений железа – C. burmeisteri и C. apicalis (ниже г. Ишимбай и выше г. Стерлитамака, соответственно), S. aestivalis (выше г. Стерлитамака), A. soror (ниже г. Ишимбай) и C. villosa (выше г. Стерлитамака), на P. perfoliatus, N. marina и L. minor (ниже г. Стерлитамака), нефтепродуктов – C. luteolum (ниже п. Прибельский), S. pallipes (ниже п. Прибельский), B. umbellatus, C. demersum (р-н ДО «Арский камень») и P. lucens (ниже г. Ишимбай).

Снижение же встречаемости отмечалось для B. leachii, N. cinerea, N. pictetii, S. aestivalis, A. soror, P. bipunctata, P. pectinatus и M. spicatum при повышении содержания фенолов (ниже г. Мелеуз), нефтепродуктов (ниже г. Стерлитамака, ниже п. Прибельский, ниже г. Ишимбай и выше г. Уфы) (табл. 2).

Как уже было выше отмечено, постоянство видов ВВР, а особенно E. canadensis и S. pectinate, в р. Белой обладает значительной динамикой. Такие виды ВВР, как S. sagittifolia, B. umbellatus, P. natans, P. perfoliatus, P. crispus, S. pectinalis, C. demersum и S. polyrhiza, можно охарактеризовать с позиций добавочных видов в реке (рис. 6). Такой вид, как M. spicatum, на ряде створов можно охарактеризовать с позиций добавочного и случайного вида, что также, по-видимому, связано с экологическими условиями на изученных створах (грунт, скорость течения, химическое загрязнение и т.п.).

А.П. Садчиков и М.А. Кудряшов [33] отмечают, что N. marina и P. pectinalis характерны для хлоридных вод. Массовое же развитие рясковых, по их мнению, указывает на неблагополучие в экосистеме. Обилие таких растений, как L. minor и S. polyrhiza, помимо эвтрофирования, свидетельствует о сельскохозяйственном загрязнении поверхностных вод, а многокоренник способен развиваться на концентрированных стоках животноводческих комплексов. О наличии антропогенного воздействия на водные экосистемы свидетельствует и пышное развитие S. sagittifolia, E. canadensis, C. demersum и M. spicatum.

По результатам корреляционного анализа связей между постоянством видов ВВР и содержанием в водах загрязняющих веществ можно отметить, что в основном отмечается стимуляция (r = 0,7–0,9) увеличения встречаемости водных растений при увеличении концентрации ряда поллютантов, содержащихся в воде на ряде изученных участках р. Белой (табл. 2).

Таблица 2 – Корреляционно-регрессионные связи между постоянством гидробионтов и гидрохимическими показателями р. Белой в районах исследования

Исходя из проведенных исследований с учетом коэффициента детерминации (R²), составлен индикационный ряд встречаемости гидробионтов по степени убывания силы влияния поллютантов, содержащихся в воде р. Белой: L. minor (соединения железа ниже г. Стерлитамак, R² = 0,77) → P. bipunctata (фенолы ниже г. Ишимбая, R² = 0,71) → C. demersum (нефтепродукты в районе ДО «Арский камень», R² = 0,69) → C. hirtus (медь в районе ж/д станции «Шушпа, R² = 0,65) → P. pectinatus (соединения железа ниже г. Ишимбая, R² = 0,62) → К. testudo (нефтепродукты ниже г. Мелеуза, R² = 0,61) → B. umbellatus (нефтепродукты в районе ДО «Арский камень», R² = 0,59) → B. angularis (нефтепродукты ниже п. Прибельский, R² = 0,58) → P. lucens (нефтепродукты ниже г. Ишимбай), N. marina (соединения железа ниже г. Стерлитамака), M. spicatum (соединения железа выше г. Уфы) (R² = 0,57) → P, bipunctata и A, soror (фенолы и азот нитритный в районе ДО «Арский камень»), B. troschelii (фенолы ниже г. Мелеуза), X. apicalis (соединения марганца ниже г. Ишимбая), S. burmeisteri (соединения железа ниже г. Ишимбая), S. aestivalis и C. villosa (соединения железа выше г. Стерлитамака), L. bulla и N. cinerea (нефтепродукты ниже г. Стерлитамака), C. luteolum и P. bipunctata (нефтепродукты ниже п. Прибельский) (R² = 0,56).

Для остальных изученных на предмет встречаемости в р. Белой гидробионтов – S. pallipes, V. piscinalis (район ж/д станции «Шушпа»), B. leachii (ниже г. Мелеуз), B. troschelii (выше г. Салават), B. tricolor, H. interpunctatus, A. soror, V. macrostoma (ниже г. Ишимбай), X. apicalis (выше г. Стерлитамак), A. soror, P. perfoliatus (ниже г. Стерлитамак), N. pictetii, S. aestivalis, S. pallipes (ниже п. Прибельский) в зависимости от содержания в воде химических веществ и их соединений коэффициент детерминации находился в диапазоне R² = 0,53–0,48, что, очевидно, связано с влиянием неучтённых факторов.

Заключение

Таким образом, результаты исследований показали, что 23 вида из использованных в ходе исследований 30 видов беспозвоночных животных и 8 из 12-ти видов высшей водной растительности проявили ответную реакцию (динамика встречаемости) (r > 0,7) на загрязнение р. Белой в ее верхнем и среднем течениях. На основании этого и с учетом коэффициента детерминации впервые составлен индикационный ряд гидробионтов по степени снижения их реагирования на содержание химических веществ в воде реки Белой.

Результаты исследования, очевидно, позволят проводить индикацию содержания в воде р. Белой химических веществ и осуществлять прогноз их содержания по показателю встречаемости гидробионтов. Так, например, по показателю встречаемости L. minor » 0,1 в р. Белой ниже г. Стерлитамака можно прогнозировать содержание соединений железа по лимитирующему рыбохозяйственному признаку вредности на уровне 1 ПДК (0,3 мг/л).

Исходя из проведенных биоиндикационных исследований, можно предположить, что такой подход позволит выявить наиболее влияющие на гидробионтов химические вещества и их соединения, что очень важно для принятия технологических решений по очистке сточных вод, сбрасываемых в реку Белую, протекающую по территории Республики Башкортостан.

About the authors

Boris Yuryevich Chaus

Author for correspondence.
Email: chaus-str@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Biology Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 - Dynamics of the average constancy of Gastropoda species at sections (1–10) r. White for the period from 2005 to 2016

Download (63KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 - Dynamics of the average constancy of Plecoptera species at sections (1–10) r. White for the period from 2005 to 2016

Download (85KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 - Dynamics of the average constancy of Ephemeroptera species at sections (1–10) of the r. White for the period from 2005 to 2016

Download (87KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 - Dynamics of the average constancy of species of larvae of Trichoptera at sections (1–10) r. White for the period from 2005 to 2016

Download (57KB)

Indexing metadata

6. Figure 5 - Dynamics of the average constancy of species of higher aquatic vegetation at sections (1–10) of the r. White for the period from 2005 to 2016

Download (111KB)

Indexing metadata