Введение к работе
Проблемы, на решение которых направлено исследование:
-
Оценка качества вод по лабораторным нормативам экологически неэффективна, а методы, позволяющие устанавливать границы норм качества непосредственно по природным данным, отсутствуют.
-
Поскольку такие границы, как правило, задают экспертно, необходимо объективное обоснование границ классов, как по биологическим, так и по физико- химическим характеристикам в классификаторах качества окружающей среды.
-
В системе экологического контроля недостаточна методическая база для применения инструментальных экспресс-методов биоиндикации как альтернативы методам, требующим длительной высококвалифицированной обработки биологических проб.
Актуальность темы. В последние годы антропогенная нагрузка на природные экосистемы (в частности, водные) постепенно возрастает. Распространение предельно допустимых концентраций, установленных в лаборатории, на природные экосистемы всей территории страны не всегда оправдано, поскольку в природных условиях на организмы влияет не единственный фактор, как в лаборатории, а одновременно множество факторов, включая не только химические, но и физические и биологические виды загрязнения. Отмечено [Федоров, 1979; Абакумов, Сущеня, 1991; Максимов, 1991; Ле- вич, Булгаков, Максимов, 2004], что для целей оценки состояния экосистем наиболее обоснованным подходом является биоиндикация.
В настоящее время широкое развитие получили инструментальные методы оценки численностей и размеров клеток, флуоресценции фитопланктона, однако методическая база для использования полученных данных в биоиндикации недостаточно проработана. Ввиду этого особую актуальность приобретает решение приведенных выше проблем.
Ранее в работах Левича с соавторами [Левич, Забурдаева, Максимов, Булгаков, Мамихин, 2009] на данных (показатели видовой структуры и физико-химические факторы) по Нижнему Дону был предложен метод установления локальных экологических норм. Однако этот метод не учитывал все возможные сочетания границ норм, не учитывал влияние на величину силы связи собственных распределений характеристик, не оценивал значимость связей, не позволял проводить одновременный поиск нескольких границ норм, в нем не было трактовки причин отсутствия связи.
Пути решения проблем. Для преодоления приведенных проблем и реализации подхода к контролю состояния окружающей среды, основанному на биоиндикации, необходимы методы получения оценок состояния сообществ, с помощью которых можно было бы отличить благополучное состояние экосистемы от неблагополучного (нарушенного) состояния, являющегося результатом воздействия внешних (в первую очередь, антропогенных) факторов. В настоящей работе рассмотрены методические вопросы возможности применения для целей биоиндикации количественных показателей видовой структуры фитопланктона, количественных показателей размерной структуры фитопланктона, полученных по многолетним данным государственного экологического мониторинга вод Волжского бассейна, и показателей флуоресценции фитопланктона по данным наблюдений за состоянием вод Рыбинского водохранилища в 2010 г.
Разработана методическая база для экспериментальных экспресс-методов биоиндикации, основанных на определении численностей и размеров клеток. В частности, исследованы существующие и предложены новые методы выделения размерных классов клеток, предложены методы преобразования численностей размерных классов в показатели размерной структуры
В качестве показателей размерной структуры анализировали средний размер клеток в пробе и показатели, характеризующие соотношения численностей и биомасс размерных классов в пробе. В качестве показателей видовой структуры были исследованы
и U T-V
параметры ранговых распределений численностей видов и индексы выравненности. В качестве показателей состояния фотосинтетической системы фитопланктона исследовали содержание пигментов (хлорофилла "a", "b", "c", феопигментов и т.д.), показатели флуоресценции проб и фитопланктона (фоновый уровень флуоресценции, максимальная флуоресценция). Многие исследования подтверждают, что в нормальном (ненарушенном, фоновом и т.п.) состоянии сообщества перечисленные показатели изменяются в определенных диапазонах значений, и это означает, что величина параметров может служить числовым выражением наличия или отсутствия нарушений в структуре изучаемых сообществ и их функционировании.
При наличии совместных (собранных в одно время, в одном месте) значений биологических и физико-химических характеристик (потенциально способных привести к неблагополучию биоты) появляется возможность экологической диагностики водного объекта, т.е. выявления факторов, существенных для экологического неблагополучия экосистемы, и ранжирования этих факторов по величине вклада в степень неблагополучия.
Результаты анализа совместных данных позволяют установить границы нормы факторов (ГНФ) окружающей среды, т.е. границы, выход за пределы которых приводит к нарушению благополучия состояния биоты. Полученные ГНФ учитывают реально сложившиеся в природе комплексы потенциально вредных воздействий. Кроме того, ГНФ носят локальный характер, т.е. зависят от фонового уровня абиотических факторов и позволяют учитывать адаптацию организмов к многолетним воздействиям различных факторов, а также климатические, хозяйственные и другие специфические характеристики природного объекта.
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка методов биоиндикации, основанных на характеристиках сообществ; адаптированных к массовым данным государственного мониторинга; простых в определении и применении, а также расчет границ экологических норм для качества вод по биологическим и физико-химическим показателям на примере водных объектов Волги.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
-
Подготовка обзоров литературы по биоиндикации и нормированию качества среды, по использованию размерной структуры сообществ как биоиндикатора.
-
Сбор, систематизация и включение в базу данных материалов по биологическим и физико-химическим показателям водных объектов Волги.
-
Составление сводки объемов видов фитопланктона для расчета показателей размерной структуры.
-
Анализ статистических методов оценки связей и процедур их поиска между качественными классами переменных.
Усовершенствование метода поиска границ локальных экологических норм (учет вклада собственных распределений переменных; оценка доверительной вероятности результатов поиска; ускорение вычислительных процедур; разработка и регистрация программного обеспечения для метода).
Разработка методов, вычислительных процедур и программной реализации для:
расчетов показателей размерной структуры;
оценки флуоресценции растворенных органических веществ;
сведения биологических и физико-химических данных в единую базу.
-
Методический анализ применения биологических показателей для целей индикации состояния экосистем:
учет влияния на биоиндикаторы факторов, не имеющих отношения к экологическому благополучию;
учет погрешностей отбора и обработки проб.
Апробация показателей видовой и размерной структуры, показателей флуоресценции фитопланктона для целей биоиндикации, экологической диагностики и нормирования.
Исследование причин экологического неблагополучия на отдельных створах дельты Волги.
Оценка полноты программ мониторинга.
Научная новизна работы. Метод установления локальных экологических норм (метод ЛЭН) впервые опробован на данных многолетнего государственного экологического мониторинга дельты Волги и данных наблюдений по Рыбинскому
Т"ч и и
водохранилищу. В применении к показателям видовой и размерной структуры, показателям флуоресценции фитопланктона водных объектов Волги впервые проанализировано влияние на биоиндикаторы особенностей отбора и обработки проб фитопланктона в системе биологического мониторинга (погрешности в определении численностей организмов, количество представленных видов, воспроизведение в по- вторностях), а также учтена зависимость этих показателей от факторов, не влияющих на степень экологического неблагополучия (географического расположения места отбора пробы, сезона наблюдений).
Впервые рассчитаны границы, разделяющие значения исследуемых показателей, соответствующие благополучным и неблагополучным состояниям фитопланктона эко- систем бассейна Волги, и выбраны показатели, наиболее полно отражающие причины неблагополучия исследуемой экосистемы.
На основе полученных оценок состояния по показателям видовой и размерной структуры для водных объектов Волги впервые установлены границы норм факторов окружающей среды (выход за эти границы приводит к неблагополучию состояния экосистемы). Границы установлены для конкретной географической области и сезона исследования, т.е. имеют локальный и сезонный характер.
Для использования в биоиндикации размеров клеток разработан новый комплекс методов по преобразованию численностей или биомасс клеток с известными размерами в интегральный показатель, характеризующий размерную структуру пробы.
Предложен новый метод максимизации коэффициентов связей для установления границ качественных классов исследуемых характеристик. Впервые проведен анализ применимости различных коэффициентов связи между биологическими и физико- химическими характеристиками для конкретных задач экологии. В развитие метода ЛЭН предложены новые формулы расчета верхней и нижней границ экологической нормы. Предложены новые методы расчета границ норм для трех и более классов качества и методы поиска границ норм в многомерном пространстве факторов. В метод ЛЭН добавлены учет значимости связи, учет влияния собственного распределения переменных.
Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в практике экологического контроля природных объектов.
Предложенные методы биоиндикации, основанные на анализе видовой и размерной структур фитопланктона, показателей флуоресценции фитопланктона являются точными и сравнительно простыми в расчетах (в программной реализации) способами оценок состояния сообществ фитопланктона.
Обнаруженные границы между значениями индикаторов, соответствующими благополучному и неблагополучному состоянию фитопланктонных сообществ в водных объектах, могут быть использованы для оценки качества поверхностных вод.
Обнаруженные границы между допустимыми и недопустимыми значениями факторов в водных объектах могут быть использованы как нормативы качества вод в дополнение к нормативам ПДК (т.е. границы нормы факторов могут заменить ПДК в водных объектах, где накопленная база данных наблюдений за биологическими и физико-химическими характеристиками достаточна для расчета этих границ), как целевые показатели качества вод и как адаптивные фоновые значения физико-химических характеристик, как границы классов в классификаторах качества вод.
Предложенный метод преобразования численностей и размеров клеток в показатели размерной структуры позволяет использовать эти показатели в качестве биоиндикаторов в экспресс-методах экологического мониторинга.
Совершенствование метода расчета границ локальных экологических норм, разработка и регистрация программного обеспечения для этого метода позволяют широко применять его для оценки качества окружающей среды и нормирования факторов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
-
Реализованные в исследовании методы биоиндикации, экологической диагностики и нормирования позволяют проводить: оценку состояния водных экосистем; выявление физико-химических факторов, ответственных за экологическое неблагополучие биоты; установление границ нормы биоиндикаторов и факторов; ранжирование факторов по степени их воздействия на биоценозы; анализ степени и причин неблагополучия отдельных створов наблюдения; выявление неполноты программ абиотического мониторинга.
-
В качестве биологических индикаторов для сообщества фитопланктона могут быть использованы показатели видовой структуры (параметры ранговых распределений численностей видов, индексы выравненности), показатели размерной структуры (средний размер клетки, соотношение численностей или биомасс размерных классов) и показатели флуоресценции.
-
При анализе данных мониторинга природной среды связь между переменными на диаграмме "доза-эффект" приобретает вид "размытого облака" из-за влияния на биоиндикатор множества факторов среды. В этой ситуации для поиска связи между переменными используемый в работе метод максимизации коэффициентов связей качественных классов биологической и физико-химической характеристики и его частный случай - метод расчета границ локальных экологических норм (метод ЛЭН) - оказываются достаточно эффективными.
-
Предложенный метод ЛЭН при расчете границ нормы факторов применим не только к химическим веществам, но и к любым факторам, воздействующим на сообщества фитопланктона Волги. В частности, к температуре, электропроводности, прозрачности воды и т.п.
-
Для ряда физико-химических факторов в бассейне Волги существуют как верхние, так и нижние (не нормируемые по ПДК) границы норм.
-
Различные сезоны календарного года и различные участки бассейна Волги неоднородны по значениям границы нормы индикаторов, поэтому расчет границ необходимо проводить отдельно для выделенных групп однородности.
Апробация работы и публикации. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: 17 международная конференция "Математика. Компьютер. Образование" (Дубна, 25-30 января 2010 г.), "Актуальные проблемы экологии и природопользования" (РУДН, 21-23 апреля 2010 г., 21-22 апреля 2011 г.), международная научная конференция "Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М.М. Кожова". (Иркутск, 20-25 сентября 2010 г.), Пленум РАН " Биоиндикация и экологическое нормирование водоемов" (Москва, 30 марта 2011), "Проблемы территории Рыбинского водохранилища" (МГУ, 25-27 мая 2011 г.), Всероссийская конференция с международным участием "Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем" (Тольятти, 12-15 сентября 2011 г.), II международная конференция "Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем" (Санкт-Петербург, 10-14 октября 2011 г.), "Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике" (Цимлянск, 23-28 июля 2012), "IV Съезд биофизиков России" (Нижний Новгород, 20-26 августа 2012).
По теме диссертации опубликовано 27 работ (из них шесть статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, двенадцать в других журналах и сборниках научных работ, одна в малотиражном книжном издании, восемь тезисов докладов в материалах конференций), зарегистрирована в Роспатенте «Программа установления границ качественных классов для количественных характеристик систем и установления взаимосвязи между характеристиками» Свидетельство о гос. регистрации № 2012616523, пять работ принято к печати в журналах из списка ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав: 1) Аннотация обзора по нормированию качества среды, 2) Аннотация обзора по биоиндикации, в частности, на основании видовой и размерной структур сообществ, 3) Исходные данные и методы их сбора, 4) Методы анализа данных, 5) Поиск связей между биологическими и физико-химическими характеристиками Рыбинского водохранилища, 6) Поиск границ экологических норм для дельты Волги, заключения, выводов, списка литературы и трех приложений (обзор литературы по нормированию качества среды, обзор литературы по биоиндикации и сводная таблица размеров видов клеток Волги). Диссертация изложена на 201 странице, включает 27 рисунков и 56 таблиц. Список литературы содержит 376 источников.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы от постановки проблемы до поиска решений поставленных задач. Автором самостоятельно собран и проанализирован материал по флуоресценции проб фитопланктона на Рыбинском водохранилище в 2010-2011 гг. Автором из более чем 10 источников составлена сводная таблица размеров клеток видов фитопланктона Волжского бассейна (для определения размеров клеток, необходимых для анализа размерной структуры), собран и критически проанализирован материал по методам нормирования неблагоприятных воздействий, предложен метод преобразования численностей и биомасс размерных классов в показатели размерной структуры, предложен метод расчета границ экологических норм для трех и более классов качества, метод расчета границ норм в многомерном пространстве факторов, предложены алгоритмы ускорения вычислительных процедур. Проведена апробация: 1) метода максимизации коэффициентов связи между качественными классами на данных наблюдений по Рыбинскому водохранилищу, 2) метода расчета границ локальных экологических норм на данных наблюдений по Рыбинскому водохранилищу и данных многолетнего государственного мониторинга по дельте Волги.
Похожие диссертации на Биоиндикация качества вод по структурным показателям фитопланктонных сообществ и диагностика причин экологического неблагополучия в Волжском бассейне
-
-
