Экологическая оценка состояния фитопланктона дельты реки Волги в современных условиях

Актуальность темы

Как известно, Волго-Ахтубинская пойма, дельта реки Волги и ее авандельта играют огромную роль в воспроизводстве рыбных запасов Каспия.

Следует отметить, что в водных экосистемах основным продуцентом органического вещества и кислорода является фитопланктон (Березина H.A., 1984). Многолетние наблюдения над флорой водорослей и водными экосистемами свидетельствует о сильнейшем давлении на них антропогенного фактора. В связи с этим фитопланктон как и другие компоненты природных экосистем нуждается в тщательном изучении.

Наряду с продукционными свойствами фитопланктона, известно, что водоросли являются важным компонентом комплекса организмов, принимающих участие в самоочищении водоемов, формировании качества воды, улучшении санитарно-гигиенического состояния Волго-Ахтубинской поймы, дельты реки Волги и ее авандельты (Васильева-Кралина И.И., 1999). Однако, различные виды водорослей неодинаково требовательны к условиям среды. Это касается как гидрохимических и гидробиологических показателей, так и степени загрязнения воды различными веществами (Лабунская E.H., 1995).

Особую остроту и актуальность проблема состояния фитопланктона в волжских водах приобрела в последние полтора — два десятилетия в связи с бурными темпами химизации сельского хозяйства, широкомасштабным применением минеральных удобрений и пестицидов. Вынос удобрений с полей в год в десятки раз превышает поступление этих биогенов с естественных ландшафтов и именно водоемы являются коллекторами большинства стоков и почти всех загрязняющих веществ различного состава и происхождения. Антропогенный пресс факторов такой мощности приводит к тому, что в водных экосистемах нарушается исторически сложившееся равновесие, ухудшается качество воды и затрудняется ее промышленное использование (Чуйков Ю.С.идр., 1996).

Как известно, в последние годы все большую актуальность приобретают вопросы, связанные с оценкой качества воды, проведением мониторинговых исследований, при этом, водоросли используют как индикаторные организмы. Большое значение приобретают методы биологического анализа вод, в системе которых водоросли, благодаря стенотопности многих видов, их высокой чувствительности к условиям окружающей среды, играют важную роль.

В настоящее время, практически все методы, применяемые для определения гидрохимических или гидробиологических показателей, очень трудоемки и, как правило, занимают много времени. Кроме того, для всех методов, как правило, необходимо использовать разнообразные приборы. Все это подтверждает неудобство используемых в настоящее время методик. Экспрессметоды определения гидрохимических и гидробиологических показателей позволили бы значительно облегчить реализацию полевых наблюдений и лабораторной обработки, а также дали бы возможность проводить определение тех или иных показателей даже неспециалисту.

Цели и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась оценка состояние фитопланктона дельты р. Волги и выявление зависимостей между его качественно-количественными характеристиками и гидрохимическими показателями.

В задачи исследования входило:

1. определение сезонной динамики качественного и количественного состава фитопланктона по главным водотокам дельты;

2. анализ некоторых гидрохимических показателей района исследований;

3. оценка уровня органического загрязнения вод дельты реки Волги с использованием индикаторных видов фитопланктона;

4. выявление причинно-следственных связей между гидрохимическими показателями и качественно-количественными характеристиками фитопланктона различных районов дельты реки Волги.

Научная новизна.

Впервые в работе предпринята попытка усовершенствования оценки состояния фитопланктона вод дельты р. Волги на основе выявления статистических зависимостей, базирующихся на сведениях о качественных, количественных характеристиках фитопланктона, его видовом разнообразии и ряде гидрохимических факторов.

Теоретическое значение работы.

Материалы, отраженные в диссертации, могут быть использованы для оценки и развития теоретических основ экологии фитопланктонных сообществ, применительно к условиям дельты реки Волги.

Практическое значение работы.

Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы могут найти применение в работе природоохранных и рыбохозяй-ственных организаций при оценке состояния водоемов дельты реки Волги и разработке практических рекомендаций по улучшению качества водной среды.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследования используются при проведение полевых и лабораторных исследований в лаборатории «Водных проблем и токсикологии» КаспНИРХа и в курсах дисциплин «Общая экология», «Санитарная гидробиология», «Экология гидробионтов» и «Прикладная экология», читаемых на кафедре «Гидробиологии и общей экологии» Астраханского государственного технического университета.

Апробация работы.

Материалы работы были представлены на 1 международной научной студенческой конференции Ассоциации университетов прикаспийских государств, г. Астрахань, (Астрахань, 1998), ежегодных внутривузовских конференциях, проводимых Астраханским Государственным Техническим Университетом 1998, 1999, 2000, 2001 гг., I Международной научной конференции «Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии» (Луга, 2001), Международной научно-методической конференции «Экология, образование, наука и промышленность» (Белгород, 2002), Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию со дня рождения Н. М. Книповича (Мурманск, 2002), Всероссийской конференции молодых ученых Волжского региона «Перспективы развития Волжского региона» (Тверь, 2002), 6-ой Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология — наука 21-го века» (Пущино, 2002), 42-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава АГТУ, г. Астрахань, (Астрахань, 1998), отчетных сессиях КаспНИРХа (1999;2001 гг.).

Публикация результатов исследований.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Декларация личного участия автора.

Самостоятельно обработал, собранный в 1999;2001 гг. материал, описал экологическое состояние водоемов дельты реки Волги, с использованием качественно-количественных показателей фитопланктона и выявил причинно-следственные связи между гидрохимическими показателями и качественно-количественными характеристиками фитопланктона. Все работы, связанные с камеральной обработкой полевого материала, интерпретация фактических данных и написание текста диссертации осуществлялись автором по плану, согласованному с научными руководителями.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. О состоянии фитопланктона дельты реки Волги можно судить по изменению его качественных и количественных характеристик, непосредственное влияние на которые оказывают гидрохимические показатели.

2. Соотношение видов-индикаторов в структуре фитопланктонного сообщества дельты р. Волги определяет статус исследуемых водоемов по степени органического загрязнения. 8.

3. Методы статистической обработки дают возможность выявить изо всей совокупности факторов те, которые являются наиболее значимыми при оценке состояния фитопланктона дельты р. Волги.

Структура и объем диссертации

.

Работа изложена на 136 страницах, состоит из введения, обзора литературы, главы материалов и методов исследований, результатов собственных исследований, заключения, выводов и приложений.

Список литературы

включает 99 источников. Из них 86 отечественных авторов и 13 зарубежных.

Автор выражает благодарность своим руководителям: зав. каф. Гидробиологии и общей экологии АГТУ, д. с-х.н., проф. Зайцеву В.Ф.- зав. лаб. Водных проблем и токсикологии КаспНИРХа, к.б.н. Курочкиной Т. Ф., за постоянную помощь при написании работы. Кроме того, благодарит всех сотрудников лаборатории и кафедры за ценные критические замечания и консультации.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ фитопланктона на исследуемых водотоках показал сходную картину развития качественных и количественных характеристик альгофлоры. Видовой состав на протяжении вегетационного периода изменялся незначительно. Постоянными и преобладающими по видовому богатству являлись диатомовые водоросли (67 видов), а остальные отделы водорослей отличались более бедным видовым составом (зеленые — 26, син-зеленые — 15, перидиниевых -6, золотистых — 2 и жгутиковых — 1 вид). Помимо диатомовых в планктоне постоянно присутствовали представители от дела зеленых (СЫогорИ^а). Развитие сине-зеленых водорослей носило сезонный характер.

2. Значительное видовое богатство и высокие количественные показатели фитопланктона формировались в водах Белинского канала, где численность и.

3 3 биомасса в среднем составляли 118 763,6 тыс. кл/м и 0,46 г/м соответственно.

На остальных водотоках средние значения данных показателей были значиЛ -1 тельно ниже (численность — 101 279,6 тыс. кл/м и биомасса — 0,207 г/м). Кроме того, отмечена тенденция изменений количественных характеристик альгофлоры: весной начиналось слабое увеличение значений численности и биомассы, которые достигали пика своих значений летом, а к осени происходил их резкий спад. Колебания средних значений этих величин находились в пределах от 95.

3 3 3.

200 тыс. кл/м летом до 20 000 тыс. кл/м осенью и от 1,4529 г/м летом до 0,0312 г/м3 осенью соответственно.

3. На протяжении всего исследуемого периода в анализируемых водоемах дельты р. Волги наблюдалась сходная динамика гидрохимических показателей. Наиболее значимыми среди общей совокупности рассматриваемых факторов оказались величины 81, Ж>3″, 1Ч0рГ.- 1Ммин. Остальные наблюдаемые соединения (ЪЩ4+, N02″,^ал., Рмин, Рорг., Рвал.) и температурный режим в течении исследуемого сезона остаются стабильными.

4. Основными представителями видов-индикаторов фитопланктона дельты р. Волги на протяжении всего периода исследований на всех станциях были а-(3 — мезосапробные организмы. Среднее значение индекса сапробности составило 2,5 — 3,0, что позволяет охарактеризовать воды анализируемых участков как «умеренно-загрязненные».

5. Построенные в результате кластерного анализа, дендрограммы указывают на то, что в картину формирования гидрохимического состояния водоема существенный вклад вносят показатели содержания 81 (43%) и различные соединения азота (органический, минеральный, N03') (40%). В формировании показателей общей численности и биомассы фитопланктона дельты реки Волги доминирующая роль в иерархии отводится отделу диатомовых водорослей (до 95%).

6. В результате корреляционно-регрессионного анализа удалось выявить значительное количество достоверных связей между гидрохимическими показателями (Квал, N03″, 81, Рмин.) и численностью и биомассой фитопланктона, характеризующиеся высокими значениями коэффициента корреляции (р<0,05). И на основе этого удалось выявить зависимости, описывающие зависимость численности диатомовых водорослей от таких показателей, как: 1:°С, Ы02″, Рмин., а также биомассы диатомовых от численности диатомовых, сине-зеленых, прочих видов и общего значения численности.

7. Анализ зависимостей полученных по результатам эмпирических данных численности и биомассы фитопланктона и гидрохимических показателей (Н>рг., Ш4+, Ш2″, N03', *гми&bdquo-, 1Чвал, Рмин, Рвал, Рорг, 81) и ее 1999;2000 гг. продемонстрировал возможность их использования на практике в экспресс-оценке состояния фитопланктона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При анализе фитопланктона на изучаемых водотоках в течение периода исследований наблюдалась сходная картина развития численности и биомассы водорослей. Всего в исследуемых районах было встречено 117 видов водорослей.

На протяжении всего весенне-осеннего периода постоянно присутствующими массовыми видами (до 67 видов) являлись представители диатомовых водорослей. Обращаясь к работам прошлых лет можно отметить, что как до, так и после зарегулирования р. Волги постоянными и преобладающими по видовому богатству являлись диатомовые водоросли (Киселев, 1948; Горбунов и др., 1976; Чуйков и др., 1996), что очень хорошо согласуется с нашими данными. Остальные отделы водорослей отличались более бедным видовым разнообразием. Помимо диатомовых в планктоне постоянно присутствовали представители зеленых водорослей (СЫогорЪ^а) (26 видов). Развитие сине-зеленых водорослей носило сезонный характер. Их численность и биомасса достигали существенных величин летом и осенью. Такой тип сезонной динамики этих водорослей был и в предыдущие годы (Горбунов, 1976).

Важно отметить, что количественные показатели состояния фитопланктона (биомасса и численность) на отдельных каналах характеризовались существенными различиями, но для них отмечалась тенденция значительного снижения в осенний период.

Наиболее продуктивным по количественным показателям оказался Белинский канал, численность и биомасса фитопланктона здесь составляла л 1.

430 400 тыс. кл/м и1,52г/м соответственно.

На остальных каналах количественные показатели в течение исследуемого периода были значительно ниже: на Гандуринском канале максимальная л 7 биомасса составила 0,12 г/м, на Кировском — 1,32 г/м, на Бирючьей косе — 0,33.

5 л г/м, на Огневке — 0,24 г/м .

На протяжении всего вегетационного периода исследуемых лет наблюдалась практически одинаковая динамика гидрохимических показателей. Так в весенне-осенний периоды наиболее вариабельными величинами оказались: N03 Nopr., NMHH. и Si.

Некоторые виды фитопланктона дельты реки Волги могут служить индикаторными показателями ее состояния, по степени органического загрязнения, что дает возможность рассмотреть изменения качества воды исследуемых районов.

Основными представителями на всех исследуемых районах были a-? -мезосапробные виды (Nitzschia vermicularis (Kutz.) Grun., Navicula exigua (Greg.) O. Mull, Cyclotella comia (Ehr.) Kutz., Melosira islandica O. Mull, Scene-desmus guadricauda Breb., Pediastrum duplex Meyen. и др.). Содержание их в пробах составляло в среднем 60% и оставалось относительно постоянным в течении всего исследуемого периода.

Если обратить внимание на работы прошлых лет, то можно увидеть, что авторы отмечают в дельте реки Волга преобладание? — мезосапробных видов, и часто встречались o-? — мезосапробные виды (Чуйков и др., 1996).

В исследуемый период o-? — мезосапробных видов обнаружено не было, тогда как? — мезосапробные виды были представлены в достаточной степени. Отмечено также, что по каналам соотношение видов-индикаторов изменялось незначительно, в среднем общее их количество составляло 8−13 видов.

Индексы сапробности, полученные на основании показательных видов, колебались от 2,3 до 3,2. Максимальные значения индекса сапробности были зарегистрированы в 2000 году на всех каналах (в среднем 2,9), кроме станции Огневка (S = 2,6). В 1999 и 2001 годах средние значения индекса сапробности составили 2,5. То есть за весь период исследований средние значения индекса сапробности колебались от 2,5 до 3,0, что в свою очередь, позволяет нам охарактеризовать качество исследуемых вод как «умеренно-загрязненные» и отнести их к a-? — мезосапробной зоне органического загрязнения.

Следует отметить, что несмотря на колебания численности на протяжении вегетационных периодов исследуемых лет и сезонные изменения видового состава диатомей в этот период, распределение по районам индекса сапробно-сти не претерпевало значительных изменений.

В результате обработки эмпирических данных и расчетных показателей суммарной статистики нами предложена система анализа количественных показателей, которая позволила выявить значимость основных групп факторов, определить их влияние на тот или иной признак. Результаты кластерного анализа показали, что кремнию принадлежит лидирующее положение по иерархии значений среди рассматриваемых гидрохимических показателей дельты р. Волги, составляющий 43% от суммы всех факторов (100%), на валовый азот пришлось 40%. Среди прочих важное место занимают различные соединения азота (органический, минеральный, N03″). Кроме того, на иерархической лестнице значения общей численности и биомассы фитопланктона дельты р. Волги находятся либо на одном уровне с численностью и биомассой диатомовых, либо превалируют, находясь в более крупном кластере.

После выявления иерархии наиболее существенных факторов в водоемах дельты р. Волги их взаимодействие было дополнительно изучено с помощью корреляционного анализа, пошагового регрессионного анализа и множественной регрессии. Было обнаружено значительное количество достоверных статистических связей, между некоторыми рассматриваемыми гидрохимическими характеристиками и качественно-количественными показателями фитопланктона, различной силы и направления. Кроме того, были получены уравнения множественной регрессии для наиболее выразительных зависимостей, которые характеризуются индивидуальностью лишь для сезонов года. Следует особо подчеркнуть, что количественные показатели водорослей одного отдела способны оказывать существенное влияние на одноименные характеристики других отделов.

Предполагаемая нами схема анализа данных о количественных и качественных характеристиках фитопланктона и ряда гидрохимических показателей.