The diatom analysis of the reservoirs located on the Kalmius River

Full Text

Введение

Водохранилища представляют собой озеровидные антропогенные объекты, изначально созданные для нужд деятельности человека, позволяющие преобразовывать гидросферу и налаживать водные ресурсы в необходимом для общества направлении. Согласно классификации водных объектов стран СНГ [1, с. 15–20], к водохранилищам относят водоёмы, имеющие объём не менее 1 млн м³ [2, с. 8–9]. Исторически главная цель создания водохранилищ – это ирригация, однако на современном этапе развития человечества водохранилища выполняют ряд более значимых задач. Одна из них – это формирование единой природно-техногенной системы электростанций (ТЭС, ТЭЦ, АЭС, ГРЭС) и прилегающих водоёмов-охладителей.

Так, в северных регионах в соответствии с планом электрификации России в 1920–1930-х годах были созданы водохранилища на базе крупных рек для обеспечения промышленности и населения электроэнергией [2, с. 6–7]. После начала массовой электрификации количество водохранилищ увеличивалось в геометрической прогрессии. Также стоит упомянуть, что в северных регионах водохранилища строили преимущественно для судоходства, водного транспорта, лесосплава, рыбного хозяйства, рекреации и других целей [2, с. 8–9; 3, с. 414].

В южных районах России основной целью создания водохранилищ осталась ирригация, а также орошение земель, при этом водохранилища комплексно выполняют несколько задач: гидроэнергетика, рыбное, коммунальное хозяйство [4, с. 59].

Исторически сложилось так, что Донбасс крайне малообеспечен пресной водой среди регионов СНГ. На это повлияли запасы полезных ископаемых Донецкого угольного бассейна, способствовавшие развитию промышленности и притоку населения [5, с. 58]. На современном этапе водные ресурсы региона сформированы за счёт транзитного притока поверхностных вод по р. Северский Донец и основного притока по р. Кальмиус. Водный баланс рек образует основную часть гидрологических ресурсов, таких как пруды и водохранилища. Меньшую часть составляют отстойники угольных шахт и затопленные карьеры [5, с. 59]. На базе р. Кальмиус создан ряд водохранилищ. В верхнем участке реки близ истока расположено Верхнекальмиусское водохранилище, которое частично используется для питьевого водоснабжения г. Донецка. В среднем участке реки зарегулировано Нижнекальмиусское водохранилище, используемое для городского стока. Ниже в 30 км по течению расположено Старобешевское водохранилище, которое используется как водоем-охладитель Старобешевской ТЭС [6].

По состоянию на 2021 год в Донецком промышленном регионе свою деятельность осуществляли 397 водопотребителей [7, с. 27]. Использование водных ресурсов было распределено в следующей пропорции: промышленность – 126 предприятия (31%), сельское хозяйство – 63 предприятия (16%), в использовании рыбного хозяйства 87 предприятий (22%), коммунальное хозяйство – 33 предприятий (9%), другие отрасли – 88 предприятий (22%) от общего количества водопользователей по отраслям. Вовлечение сельского хозяйства является наиболее опасным для состояния водных ресурсов, т.к. приводит к накоплению в природных водоемах основных биогенов (азота и фосфора), что в свою очередь вызывает увеличение вегетации микроводорослей с прямо пропорциональным ростом органического вещества в воде.

Известно [8, с. 4; 9, с. 417], что биологический метод оценки состояния загрязнения органическими веществами водных экосистем основан на изучении динамики развития фитопланктона. Это позволяют оперативно решать задачи обнаружения разных типов антропогенного и естественного загрязнения [10, с. 18; 11, с. 13]. Органическое загрязнение является комплексным показателем, которое имеет гораздо большее воздействие, чем может быть отражено [12, p. 112].

Таким образом, целью работы является определение состояния водохранилищ по концентрации органического загрязнения в водохранилищах, расположенных на р. Кальмиус.

Материалы и методы

Для проведения исследований было установлено 9 точек отбора проб с разной степенью антропогенной нагрузки (рис. 1). Из них по уровню антропогенного воздействия выделено три участка. Точки, расположенные в г. Донецке на Нижнекальмиусском водохранилище (НК1–3) и средний участок р. Кальмиус (СУ1), точки, расположенные за городом ниже по течению (СУ2–3), и точки, расположенные на водоёме охладителе Старобешевской ТЭС (СТ1–3).

Рисунок 1 – Карта-схема расположение точек отбора проб. НК – Нижнекальмиусское водохранилище; СУ – Средний участок р. Кальмиус; СТ – Старобешевское водохранилище

Определение качественного состава фитопланктона проводили в препаратах раздавленной капли с помощью светового микроскопа МБИ-3, Primo Star Carl Zeiss. Количественные показатели водорослей были установлены в специальной счётной камере Горяева объемом 1 мм³ [13, с. 186–187]. Для изучения видового состава фитопланктона было проведено сгущение проб с помощью насоса Комовского. Фиксацию проводили 4%-раствором формальдегида [13, с. 177].

В работе проводили расчёт индекса DAIpo для каждой точки отбора, после чего полученные данные были сведены в таблицу 1. Отбор проб осуществляли по общепринятой методике согласно ГОСТ 51592-2000 в 2019 г. [14, с. 68]. Биоиндикационные исследования загрязнения вод основаны на изучении диатомовых водорослей впервые были предложены японским учёным Ватанабе [15, p. 36; 16, p. 383–385; 17, p. 210–211; 18, p. 49–53]. Метод получил название DAIpo (diatom assemblage index to organic water pollution). Ряд ученых на территории СНГ используют комплексный подход к методу биологического анализа качества вод [1, с. 34; 10, с. 17–23; 11, с. 14; 12, p. 107–112].

Таблица 1 – Индекс DAIpo в бассейне р. Кальмиус, %

Примечание. В таблице показано процентное соотношение основных показательных видов для 9 точек отбора р. Кальмиус.

Метод биоиндикации Ватанабе [1, с. 30; 15, p. 36; 16, p. 383–385; 17, p. 210–211; 18, p. 49–53] основан на шкале устойчивости диатомовых водорослей к органическому загрязнению, что выражается индексе толерантности – D (чем меньше D, тем больше организм имеет устойчивость к наличию органического загрязнения). Стандартная шкала имеет три группы устойчивости: 0 < D < 29 – сапрофилы (sp); 30 < D < 74 – эврисапробы или индифференты (es); 75 < D < 100 – сапроксены (sx). Следовательно, чем меньше DAIpo, тем более загрязнён исследуемый объект.

Индекс DAIpo рассчитывали по следующей формуле:

$DAIpo=\left(50+\frac{1}{2}\sum _{i-1}^p{X}_i-\sum _{j-1}^q{S}_i\right)$,

где: $\sum _{i-1}^p{X}_i$ – сумма относительной встречаемости видов сапроксенов в точке отбора проб, %; p – число сапроксенов в точке отбора $\sum _{j-1}^q{S}_i$; сумма относительной встречаемости видов сапрофилов в точке отбора проб, %; q – число сапрофилов в точке отбора.

Для бассейна р. Кальмиус индекс DAIpo изменялся в широком диапазоне. Начало шкалы устойчивости к органическому загрязнению была определена для вида Nitzschia palea (D = 0), конец шкалы для Cymbella verticosa (D = 100) [16, p. 383–385].

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования альгофлоры диатомовых водорослей показали, что в водохранилищах бассейна р. Кальмиус идентифицировано 130 видов и внутривидовых таксонов, а систематическая структура включает 3 класса 12 порядков и 16 семейств. Распределение видов по исследуемым участкам р. Кальмиус было неоднородным (рис. 2). Так, максимальное количество идентифицированных видов было определено для Старобешевского водохранилища (точки СУ), что, вероятнее всего, связано с увеличенным вегетационным периодом вследствие притока темных вод из Старобешевской ТЭС.

Рисунок 2 – Распределение диатомовых водорослей по точкам отбора на р. Кальмиус

Флора диатомовых водорослей р. Кальмиус и водохранилищ, расположенных на ней, имеет высокое видовое разнообразие (индекс Шеннона–Уивера составляет от 1,98 до 4,65 бит/экз.), однако виды, имеющие массовое распространение, незначительны. По уровню встречаемости можно выделить 11 представителей диатомовых водорослей: Fragilariа intermedia, Synedra acus, Synedra ulna, Diatoma vulgare, Nitzschia longissima, Nitzschia sigmoidea, Cymbella lata, Navicula viridis, Nitzschia pupula, Stephanodiscus hantzschii var. hantzschii, Melosira varians. Видовым доминантном по встречаемости является Nitzschia sigmoidea, которая в сочетании с видами Nitzschia pupula, Stephanodiscus hantzschii var. Hantzschii и Melosira varians формирует доминирующие комплексы. При этом N. sigmoidea часто является единственным доминантом в альгофлоре, численность составляла от 25 кл/дм³ до 600 тыс. кл/дм³. 

В зимний период состав диатомовых водорослей характеризовался наиболее высоким количеством видов, единовременно встречаемых в одной пробе. Старобешевское водохранилище не покрывается ледоставом, вследствие чего в январе 2019 г. было обнаружено 16 видов и внутривидовых таксонов диатомовых водорослей. Средний видовой показатель варьирует от 8 до 16 видов для индивидуальной пробы. Численность фитопланктона не превышает 5 тыс. кл/дм³, биомасса в среднем составляла 100 мг/дм³. При этом максимальное значение количественных показателей было отмечено преимущественно для декабря, т.к. за счёт притока подогретых вод диатомовые водоросли имеют удлиненный вегетационный период.

Весенний период характеризуется экспоненциальным ростом видового состава диатомовых водорослей (что особенно выражено в Нижнекальмиусском водохранилище) (рис. 3: А). Удельная скорость роста популяции имела 270% (за 1 декаду). В марте-апреле коэффициент роста (r) составлял 0,9522 бит/экз. Предел роста количества видов заканчивался в мае увеличением температуры и, как следствие, уменьшением концентрации растворённого кислорода в воде (рис. 3: Б). Численность клеток диатомовых водорослей по исследуемым водохранилищам варьировала от 15,8 тыс. кл/дм³ до 700 тыс. кл/дм³, а биомасса не превышала 300 мг/дм³. В данный период наиболее часто встречались виды: Cymbella lata var. lata, Diatoma elongatum var. elongatum, Fragilaria intermedia, Melosira varians, Synedra ulna, Amphora ovalis var ovalis, Cymatopleura solea var. gracilis.

Рисунок 3 – Динамика развития диатомовых водорослей в искусственных водохранилищах бассейна р. Кальмиус. А – апрель–сентябрь 2019 г., Старобешевское водохранилище; Б – март–май 2019 г., Нижнекальмиусское водохранилище

Летний период характеризовался уменьшением популяции видов диатомовых водорослей по сравнению с весенним, что связано с воздействием летнего термоклина. В наблюдаемый период по исследуемым водохранилищам, доминирующим по количеству видов, был определен средний слой, глубиной >2 м, где наиболее часто встречали: Amphiprora alata, Amphora ovalis var. ovalis, Cymbella lata var. lata, Melosira varians, Navicula plancetula f. rostrata, Navicula pupula var. pupula. Виды, вызывавшие массовое развитие: Bacillaria paradoxa (июль 2019 г. >60 колоний и отдельных клеток в одной пробе) и Cyclotella bodaniga (июнь 2018–2019 гг. >120 клеток в пробе). Средняя численность клеток диатомовых водорослей составляла от 25 тыс. кл/дм³ до 1 млн кл/дм³, а биомасса не превышала 900 мг/дм³.

Осенний период имел среднюю скорость роста популяции диатомовых водорослей (120–260%) по сравнению с весенним. Коэффициент роста (r) составлял 0,2135. Наблюдаемое увеличение индекса видового разнообразия диатомовых было характерно для второй декады октября, что вызвано поступлением стоков автохтонного и аллохтонного происхождения. Данное наблюдение не характерно для осени 2019 г., когда в октябре в Старобешевском водохранилище было отмечено максимальное однопиковое количество видов (1,4 млн кл/дм³), встречаемых в летний и осенний период во всех наблюдаемых точках. Осеннее похолодание и изменение температуры поверхностного слоя приводило к вертикальной стратификации вод, что увеличивало количество бентосных видов, начиная с первой декады ноября. Численность диатомовых постепенно снижалась до 5–12 тыс. кл/дм³, а биомасса не превышала 150 мг/дм³. При этом только в Старобешевском водохранилище средняя численность диатомовых поддерживалась на уровне 100–200 тыс. кл/дм³.

Для исследованных водоёмов значение индекса DAIpo варьировало в пределах от 35,64 до 79,21% (табл. 1). В точках Нижнекальмиусского водохранилища значение индекса не превышало 60,83%. В исследуемый период характерно наличие в фитопланктоне видов рода Nitzschia, которые являются индикаторами органического загрязнения. Также стоит отметить высокую численность видов Stephanodiscus hantzschii (D = 50), Cyclotella kuetzingiana (D = 32,9), которые относятся к сапрофитам, т.е. устойчивыми к органическому загрязнению.

Ниже по среднему течению индекс DAIpo увеличивается до 79,56 преимущественно за счёт присутствия большего числа видов сапроксенов Achnanthes andicola (D = 70), Fragilaria virescens (D = 70), Navicula viridula var. viridula (D = 73,9).

В Старобешевском водохранилище определён наиболее высокий индекс DAIpo (81,17%), при этом доминирует процентное содержание сапробионтов. Для исследуемого участка бассейна реки характерно наличие ранее изученных видов, но также стоит выделить наиболее часто встречающиеся диатомовые Nitzschia kuetzingiana (D = 73); Nitzschia sigmoidea var. sigmoidea (D = 72,2), Navicula radiosa var. radiosa (D = 71,6). Распределение групп индикаторов DAIpo по р. Кальмиус показано на рис. 4.

Рисунок 4 – Графическое отображение трёх групп индикаторов (SP – сапрофилы; ES – эврисапробы или индифференты; SX – сапроксены) DAIpo. Точки отбора: НК – Нижнекальмиусское водохранилище; СУ – средний участок р. Кальмиус; СТ – Старобешевское водохранилище

Вывод

Таким образом, проведённый анализ развития диатомовых водорослей показал высокую степень биоразнообразия диатомовых в водохранилищах бассейна р. Кальмиус. Анализ состояния водной среды по индексу DAIpo позволил установить концентрацию органического загрязнения. Стоит отметить, что данные по ряду точек не согласуются за счёт несоответствия толерантности индикаторных таксонов, вследствие ряда сопутствующих факторов. Так, например, «цветение» сине-зелёных в Нижнекальмиусском водохранилище выявило ряд несоответствий с общепринятым списком Бариновой и Ватанабе, вид Nitzschia kuetzingiana наблюдался во время массового «цветения» сине-зелёных, что является нехарактерным, поскольку обитает в водах с низкой концентрацией органических веществ. Индикацию по сообществам диатомовых водорослей целесообразно проводить преимущественно в текучих водоёмах, т.к. в стоячих водоёмах толерантность к загрязнению у ряда видов повышается.

About the authors

Eduard Igorevich Mirnenko

Author for correspondence.
Email: eduard_mirnenko@list.ru

senior lecturer of Botany and Ecology Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1

Download (62KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2

Download (42KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3

Download (63KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4

Download (102KB)

Indexing metadata