Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные подходы к оценке токсичности водных экосистем биологическими методами 9
1.1. Метод биоиндикации 11
1.2. Метод биотестирования 14
1.3. Особенности биотестирования природных вод 24
1.4. Проблемы мониторинга токсичности поверхностных вод методом биотестирования 29
Глава 2. Метод биотестирования в оценке токсичности донных отложений 36
2.1. Современный метод оценки токсичности донных отложений 36
2.2. Основные характеристики донных отложений водных объектов и их определение 38
2.3. Природа токсичности донных отложений 40
2.4. Закономерности реакции организмов на токсическое воздействие 43
2.5. Особенности биотестирования донных отложений 45
2.6. Общие положения метода биотестирования донных отложений 49
2.7. Основные принципы биотестирования донных отложений 50
2.8. Оценка состояния водного объекта по данным токсичности вод и донных отложений 52
Глава 3. Материал и методы исследований 56
3.1. Методики и объем исследований 56
3.2. Физико-географическая характеристика бассейна Нижнего Дона 63
3.3. Антропогенное воздействие и источники загрязнения бассейна Нижнего Дона 65
Глава 4. Оценка токсичности води донных отложений экосистем, испытывающих нагрузку мегаполиса и населенных пунктов 74
4.1. Пространственно-временная-характеристика токсичности вод экосистем реки Дон в пределах мегаполиса 74
4.1.1. Состояние планктоценозов 74
4.1.2. Динамика токсичности вод 80
4.1.3. Динамика токсичности вод экосистемы реки Дон после впадения реки Темерник 81
4.2. Токсичность вод экосистемы реки Темерник в пределах мегаполиса ...84
4.2.1. Состояние планктоценозов 84
4.2.2. Динамика токсичности вод экосистемы реки Темерник (устье) 86
4.3. Токсичность экосистем правобережных притоков Нижнего Дона вблизи населенных пунктов 88
4.4. Токсичность донных отложений экосистемы реки Грушевка в черте города 93
Глава 5. Токсичность вод и донных отложений экосистем водоемов нижнего дона в условиях антропогенной деятельности 101
5.1. Изменение токсичности вод и донных отложений озера Голубое в условиях рекреационной нагрузки 101
5.1.1. Состояние планктоценозов 101
5.1.2 Динамика изменения токсичности вод и донных отложений 103
5.2. Токсичность вод и донных отложений отдельных створов экосистемы Цимлянского водохранилища 112
5.2.1. Состояние фитопланктона 113
5.2.2. Токсичность вод и донных отложений 116
Глава 6. Некоторые аспекты совершенствования методологии биотестирования в'мониторинге поверхностных вод суши 122
6.1. Место биотестовых исследований донных отложений в мониторинге поверхностных вод 122
6.2. Определитель состава популяции коловратки Brachionus calycifloras...l31
Заключение и выводы 135
Термины и определения 141
Сокращения 146
Список использованной литературы 147
- Проблемы мониторинга токсичности поверхностных вод методом биотестирования
- Основные характеристики донных отложений водных объектов и их определение
- Физико-географическая характеристика бассейна Нижнего Дона
- Токсичность вод экосистемы реки Темерник в пределах мегаполиса
Введение к работе
Актуальность исследования. Поверхностные воды (пресноводные водоемы и водотоки) являются наиболее важными для жизнедеятельности человека. Исследование вод и донных отложений экосистем водных объектов важно с точки зрения изучения их токсического действия, так как известна общая тенденция последнего времени - активное распределение токсикантов в водной среде и аккумуляция их в донных отложениях. Токсичность - характеристика биологическая, и может быть определена только с использованием живых организмов, поскольку получаемые аналитическими методами концентрации отдельных загрязняющих веществ не позволяют оценить их экологическое влияние на биоту. В мировой практике методу биотестирования (из числа биологических методов) все больше отводится роль скрининга загрязнения, результатом которого является сигнальная информация о местах и степени токсичности водного объекта.
Использование водных ресурсов бассейна Нижнего Дона многопланово: водоснабжение, ирригация, гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, рекреационное обслуживание. В связи с этим водная экосистема Нижнего Дона испытывает все возрастающее антропогенное воздействие, одним из негативных последствий которого является токсическое действие на гидробиоту.
Это делает необходимым и актуальным изучение водных экосистем бассейна Нижнего Дона в выбранном ключе. Работа включала теоретические проработки и натурные исследования.
Цель и задачи исследования. Цель работы - оценить методом биотестирования с помощью тест-объектов различных трофических групп и систематической принадлежности токсичность вод и донных отложений антропогенно загрязненных экосистем бассейна Нижнего Дона.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
Обобщить и проанализировать современные подходы по оценке токсичности компонентов водных экосистем биологическими методами. Уточнить особенности биотестирования поверхностных вод и донных отложений.
Изучить изменение пространственно-временной токсичности водной составляющей экосистемы реки Дон, испытывающей нагрузку мегаполиса.
Оценить токсичность водных экосистем Нижнего Дона, расположенных вблизи населенных пунктов.
Дать оценку токсичности компонентов водных экосистем реки Темерник и реки Грушевка после мероприятий по оздоровлению рек.
Выявить изменение токсичности экосистемы озера Голубого, испытывающего рекреационную нагрузку.
6. Оценить токсичность вод и донных отложений отдельных створов экосистемы Цимлянского водохранилища.
Основные защищаемые положения:
В условиях воздействия мегаполиса мобильно меняется пространственно-временная токсичность вод экосистем (участки рек Дон и Темерник в пределах мегаполиса).
Под влиянием рекреационной нагрузки в компонентах экосистемы озера, используемого в целях отдыха населения, происходит ускоренное появление токсичности (озеро Голубое).
Результатом мероприятий по оздоровлению рек является снижение токсичности вод и донных отложений экосистем (рек Грушевка, Темерник).
Метод биотестирования является самостоятельным методом по оценке токсичности компонентов водной экосистемы. Комплекс данных о токсичности вод и донных отложений по данным биотестирования позволяет оценить состояние водной экосистемы.
Научная новизна работы. Получены новые данные о токсичности вод и донных отложений экосистем бассейна Нижнего Дона методом биотестирования. Впервые по многолетним данным биотестирования:
- показана динамика пространственно-временной токсичности вод экосистемы
реки Дон в пределах мегаполиса;
- выявлено ускоренное появление токсичности вод и донных отложений
экосистемы водоема, испытывающего рекреационную нагрузку (озеро Голубое);
установлено снижение токсичности экосистем рек Грушевка, Темерник после мероприятий по очистке рек;
по комплексу данных о токсичности вод и донных отложений охарактеризовано состояние водных экосистем озеро Голубое, отдельных створов Цимлянского водохранилища.
Составлен список гидробионтов (реальных и потенциальных тест-объектов для биотестирования) с указанием их экологических особенностей.
Разработан определитель для определения структуры популяции коловратки Brachionus calycifloras.
Практическая значимость. По материалам проведенных исследований разработаны методики биотестирования по оценке токсичности вод и донных отложений экосистем, утвержденные Росгидрометом. Сетевые подразделения Росгидромета обеспечены руководящими документами Р 52.24.662-2004, РД 52.24.669-2005, Р 52.24.690-2006. Рекомендации могут быть использованы
специалистами по мониторингу, контролю и охране окружающей среды и водных ресурсов.
Материалы данной работы используются в учебном процессе ЮФУ при чтении курсов лекций, прохождении студентами производственной практики, написании курсовых и дипломных работ экологической специализации.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на отчетных сессиях ГХИ, международных, всероссийских конференциях: «250-летию МГУ им. М.В. Ломоносова» (Москва, 2002), «Промышленная экология» (Ростов-на-Дону, 2003), «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек» (Астрахань, 2004), «10 лет сотрудничества России и Беларуси в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды и перспективы дальнейшего развития» (Москва, 2006), «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Лиманчик, 2006, 2007, 2008), «Современные проблемы альгологии» (Ростов-на-Дону, 2008), «Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России» (Азов, 2009), «Техносферная безопасность, надежность, качество, ресурсосбережение» (Ростов-на-Дону-Шепси, 2005), «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» (Борок, 2008), Конференции «Экология. Экономика. Информатика» (Дюрсо, 2008, 2009), 9 Гидробиологический съезд (Тольятти, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, объемом 9,2 п.л., из них 1 статья в издании, рекомендованном ВАК, три руководящих документа, утвержденных Росгидрометом. Доля участия автора в публикациях составляет 46% (4,2 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на Ібістраницах печатного текста. Состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы, включающей 128 источника отечественных и 19 зарубежных авторов. Содержит 47 таблиц и 30 рисунков.
Исследования выполнены в рамках ЦНТП Гидрохимического института «Научные исследования и разработки в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды» и Южного отдела Института водных проблем РАН «Исследования внутриводоемных процессов в пресноводных экосистемах Юга России и оценка их влияния на качество вод».
Личный вклад автора в работу заключается в непосредственном выполнении экспериментальных исследований с тремя тест-объектами (представителями беспозвоночных) по всем разделам диссертационной работы, проведении анализа и обобщения результатов работы, сбор, систематизация и анализ литературных и экспериментальных данных.
Автор выражает благодарность сотрудникам и коллегам лаборатории экспериментальной гидрохимии Гидрохимического института и Южного отдела института водных проблем РАН за помощь в экспедиционных работах, ценные советы и важные замечания в ходе выполнения работы.
Проблемы мониторинга токсичности поверхностных вод методом биотестирования
Краткая история внедрения метода биоиндикации. Внедрению методологии биотестирования в практику государственных служб контроля и мониторинга вод предшествовали научно-исследовательские разработки, которые проводились во многих научно-исследовательских и учебных учреждениях. Изначально исследования были направлены на оценку токсичности загрязняющих химических веществ и сточных вод. Значительный вклад в успех последнего направления внесли специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института по охране вод (ВНИИВО, ныне УкрНДШП).
Идея оценки токсичности природных вод с помощью биотестирования вначале казалась абсурдной (природная вода не может быть токсичной по определению!), однако многие специалисты все же проводили такого рода исследования. Антропогенная нагрузка на водные экосистемы неуклонно росла, т.е. угроза токсического загрязнения увеличивалась, а его оценка становилась все более актуальной. Задача использования методов биотестирования в мониторинге поверхностных вод суши (ЛВС) была поставлена при организации государственной службы наблюдений (ГСН) Росгидромета еще в 70-х годах. Однако идея, не была реализована, так как, не была обеспечена, ни научно-методическая, ни материальная база для выполнения биотестовых анализов. Были и противники использования биотестов в мониторинге качества воды в рамках ГСН. Главный мотив возражений сводился к тому, что результаты биотестирования трудно связать с состоянием природных водных сообществ, т.е. они не могут характеризовать отклик водной экосистемы на воздействие. Сейчас стало совершенно очевидным; что биотестирование характеризует не отклик природных популяций, а воздействие на них опасных загрязняющих веществ.
Методы биотестирования и их апробация на водных объектах. В начале 80-х годов в Гидрохимическом институте (ГХИ) в рамках ряда государственных научно-технических программ (ГНТП) были начаты систематические исследования по разработке и усовершенствованию биотестов с целью их внедрения в практику мониторинга ПВС в системе Росгидромета. В программах, помимо МГУ и ГХИ, участвовали ведущие специалисты по водной токсикологии, представляющие Ярославский, Ростовский, Иркутский, Одесский госуниверситеты, Институт биологии внутренних вод РАН, Иркутский политехнический институт и другие учреждения.
В период 19 86-1995гг. была проведена апробация методов биотестирования (биотестов) на водных объектах, что позволило провести отбор методик, пригодных для мониторинга ПВС. На основе результатов исследований были подготовлены рекомендации по методам токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем, включающие биотесты на дафниях, цериодафниях, водорослях парамециях, коловратках, рыбах, а также на природных популяциях гидробионтов. Были учтены особенности биотестирования ПВС, определены методы, предназначенные для режимных наблюдений и оперативных работ Росгидромета [Хоружая и др., 2006; Никаноров, Бакаева и др., 2006].
В ходе апробации методов биотестирования были получены уникальные материалы по оценке токсичности вод в ряде водных объектов бывшего СССР, в том числе 55 водных объектах на территории РФ.
С целью оценки эколого-токсикологической ситуации данные биотестирования были сопоставлены с результатами гидрохимических и гидробиологических наблюдений, проводимых в системе мониторинга ПВС Росгидромета (сосредоточенных в ГХИ) [Никаноров и др., 2002; Хоружая и др ., 2001, 2008].
Оказалось, что природная вода многих водных объектов РФ при биотестировании в ряде случаев проявляет токсические свойства в отношении гидробионтов. Согласно требованиям к качеству воды по биотестовым показателям, установленным «Правилами охраны поверхностных вод», сложившаяся эколого-токсикологическая ситуация представляется опасной для их благополучия. Так, токсичность была обнаружена на 81% всех обследованных участков реки Волги и ее водохранилищ, 88% участков рек г. Москвы и Московской области, более 60% рек Сибири и Зауралья, более 90% участков реки Северский Донец (главным образом на территории Украины). Даже на озере Валдай, которое служит местом отдыха, на 5 из 10 обследованных участков пробы были токсичными.
Основные характеристики донных отложений водных объектов и их определение
Формирование донных отложений водных объектов происходит под действием ряда факторов: скорость поступления осадочного материала, состав осадочного материала, окислительно-восстановительные условия, гидродинамическая обстановка и другие [РД 52.24.635-2002].
В.процессе формирования донные отложения приобретают присущие им определяющие их физические свойства, среди которых основными являются: тип, цвет, запах, консистенция, включения.
Типы донных отложений устанавливают по. механическому и вещественному составам. Тип донных отложений по механическому составу определяют по преобладающему размеру слагающих фракций согласно таблице 4 и устанавливают визуально. Сочетание двух или нескольких фракций определяет двучленное название их типа (песчанистый ил, глинистый ил, илистый песок и т.д.).
Тип донных отложений по вещественному составу определяют по содержанию основных слагающих их компонентов (карбонатов кальция и магния, органических веществ, аморфного кремнезема, иногда железа и марганца). Цвет донных отложений обусловлен окислительно-восстановительными условиями, содержанием и составом органических веществ, сульфидов, гидроксидов железа и марганца и описывается полутонами (беловато-серый, темно-серый, желто-серый, черно-серый).
Запах донных отложений зависит от протекающих в них процессов и от состава аккумулированных веществ и определяется органолептически после отбора проб. Основные виды запаха приведены в таблице 5.
Консистенция донных отложений в значительной мере определяется наличием в них воды. По консистенции донные отложения делятся на жидкие (растекаются по бумаге), полужидкие (расплываются по бумаге), мягкие (легко вдавливаются пальцем), плотные (трудно вдавливаются пальцем), очень плотные (трудно разрезаются ножом).
Включения в донные отложения обычно состоят из остатков флоры и фауны, различных конкреций, грубообломочного материала и описываются визуально (ракушки, остатки травы, твердые частицы и т.д.). В области охраны вод хорошо известно понятие «токсичности воды». Это свойство воды (сточной или загрязненной природной) вызывать развитие патологического процесса или гибель живых организмов. Однако не только загрязнение водной толщи, но и загрязнение донных отложений, и накопление токсичных загрязняющих веществ в донных отложениях представляет опасность для всей экосистемы [РД 52.24.635-2002].
Накопление загрязняющих веществ в донных отложениях связанно с оседанием на дно химических веществ, поступающих в водный объект и находящихся определенное время в растворенном состоянии. Помимо этого оно происходит в ходе химического осаждения труднорастворимых соединений микроэлементов, сорбции их на взвешенных частицах, поглощения водной растительностью и последующего вторичного загрязнения в результате отмирания растительности и накопления органических остатков в природных слоях.
В результате обмена в системе вода-дно в природные слои воды поступают загрязняющие вещества, и зона вторичного загрязнения может занимать значительную часть толщи, особенно зимой. Токсичность химических веществ является одной из главных причин негативных последствий антропогенного загрязнения природных сред. Присутствие токсичных веществ в одной среде приводит к гибели всего живого, выпадению из состава природных сообществ организмов -обитателей чистых зон и замене их эврибионтными видами.
Процесс накопления, поведение и токсическое действие загрязняющих веществ в донных отложениях зависят от многих факторов: природы и физико-химических свойств веществ; типа грунта; кислородного режима; содержания органических веществ; рН воды и грунта; окислительно-восстановительного потенциала, жесткости воды; характера водообмена; температурного режима; участия живых (бентосных) организмов, в особенности микроорганизмов в метаболизме водной экосистемы и т.д. Эти зависимости весьма сложны и многокомпонентны.
Физико-географическая характеристика бассейна Нижнего Дона
Характерные особенности территории, на которой расположен бассейн реки Дон, — высокая концентрация водоемких отраслей хозяйства и интенсивное использование водных ресурсов в условиях засушливого климата.
Плотность населения в бассейне Нижнего Дона весьма велика. Основная его часть проживает в городах Ростов-на-Дону, Таганрог, Шахты, Новочеркасск, Волгодонск, Новошахтинск и Каменск-Шахтинский. Средняя плотность населения в Ростовской области в 5 раз больше средне российского показателя, равного 44 чел./км2.
Водные ресурсы формируются по бассейнам рек, которые представляют собой единое геоэкосистемное пространство и включают в себя речную сеть и водосбор. При этом бассейн каждой реки представляет собой уникальную экосистему. Это в полной мере относится и к бассейну Нижнего Дона.
Дон — одна из крупнейших рек европейской территории России. Протяженность ее 1870 км, а площадь водосбора 442 тыс. км2. Исток Дона расположен в Тульской области у г. Новомосковска на высоте 190 м над уровнем моря. Протяженность участка нижнего течения р. Дон (Нижнего Дона) от Цимлянского водохранилища до Таганрогского залива составляет 313 км. Русло Дона шириной 400—600 м, подвижное, с частыми изгибами. В своем нижнем течении река разделяется на рукава и протоки. Притоки правобережные: Чир, Цимла, Россошь, Кумшак, Кагальник, Северский Донец, Керчик, Тузлов, Темерник, Аксай Есауловский, Аксай Курмоярский, Черная, Сал, Западный Маныч — левобережные.
Бассейн Дона относительно маловоден, так как лежит в лесостепных и степных природно-климатических зонах. Питание Дона и его притоков смешанное — снеговое и родниковое, с преобладанием снегового.
Обширная территория бассейна Дона характеризуется ясно выраженной зональностью почв. Река пересекает три почвенно-географические зоны: лесостепную зону оподзоленных выщелоченных и типичных черноземов; степную зону обыкновенных и южных черноземов; сухостепную зону темнокаштановых и каштановых почв. Большая часть бассейна Нижнего Дона расположена в зоне черноземов (южных, обыкновенных, северо-приазовских, запад-но-предкавказских), а также темно- и светлокаштановых почв. Водосборы Цимлянского, Веселовского и Пролетарского водохранилищ находятся-в зоне каштановых почв [Голубова, 2004].
Отличительная особенность почв Нижнего Дона — их высокая карбонатность. В восточной и северо-восточной частях Азово Кубанской низменности на глубине 220—260 см содержание карбонатов достигает 14—15 % [Клюева, Долженко,1998].
Территория бассейна Нижнего Дона входит в степную атлантико-континентальную область умеренного климата. Это область недостаточного увлажнения с жарким, сухим летом и относительно холодной, продолжительной зимой. В целом климат бассейна Нижнего Дона определяется как семиаридный [Алексеенко, 1983; Бессонов, Белова, 1994; Бессонов и др., 1991; Хованский, Приваленко, 2002].
Токсичность вод экосистемы реки Темерник в пределах мегаполиса
Изучен планктон трех участков р.Темерник: Ростовское море, район железнодорожного вокзала и зона влияния р.Темерник на р.Дон. Анализ результатов по состоянию фитопланктона показал, что из всех изученных участков р.Темерник более чистым представляется Ростовское море (данные Ломакиной Л.В.). Среди водорослей, здесь отмечено значительное видовое разнообразие, включая диатомовые водоросли. Как правило, клетки водорослей имели здоровый вид и неповрежденные оболочки. Обратило на себя внимание присутствие в водоеме высокосапробных (обитающих, в среде с высоким содержанием органических веществ) организмов: пирофитовых, зеленых (вольвоксовых), сине-зеленых и эвгленовых водорослей. По мере приближения к устью р.Темерник наблюдалась полная перестройка фитобиоценозов. В фитопланктонном сообществе присутствовали практически только сине-зеленые водоросли - показатели сильного органического загрязнения. Состояние фитопланктонных сообществ через два года1 (1996 г.) не претерпело практически изменений ни в сторону улучшения, ни в сторону ухудшения. На участке Ростовского моря обнаружено 15 видов - представителей зоопланктонного сообщества. Это свидетельствует об относительно богатом видовом разнообразии. Однако все особи имели ослабленный вид и были подавлены в своем индивидуальном развитии. Последнее заключение основано на том, что взрослые половозрелые особи дафний сохранили размеры ювенильных стадий. Кроме того, были обнаружены виды-индикаторы (показатели) органического загрязнения, например, Brachionus angularis. Отмеченные явления (измельчение особей, их ослабленность, присутствие видов-индикаторов высокого уровня органического загрязнения) свидетельствует об угнетении зоопланктона под влиянием загрязняющих веществ. Эта тенденция сохранилась и в последующие годы. Таким образом, в Ростовском море наблюдаются, вероятно, процессы постепенного (не залпового) накопления загрязняющих веществ. Особо напряженное состояние планктоценозов сохраняется в устье р. Темерник (в районе железнодорожного моста и месте впадения р.Темерник в р.Дон). Планктон характеризуются полным отсутствием аэробных зоопланктонных организмов. Обычный речной зоопланктон вытеснен коловратками отряда Bdelloida, ведущими придонный образ жизни и выносящих значительное загрязнение органическими веществами. Причем следует отметить, что веслоногие рачки были представлены только науплиальными и копеподитными стадиями. Обнаруженные виды коловраток отряда Bdeloida служат показателем органического загрязнения вод. Представители же семейства циклопид выносливы к загрязнению. Они часто встречаются в а-мезосапробной зоне, изредка в В-мезосапробной, но не выносят сильного загрязнения. Таким образом состояние планктоценозов свидетельствует о высоком уровне загрязнения р.Темерник, особенно - в устье. Биотестирования вод р.Темерник проводили с использованием трех тест-объектов: парамеций (Paramecium caudatum), коловраток (Brachionus calyciflorus), дафний (Daphnia magna) [Бакаева, Игнатова, 2008а]. Результаты данных биотестирования р.Темерник с 1992 по 2007 год представлены в таблицах 17, 18. За 12-летний период наблюдений, по данным биотестирования на трех тест-объектах, выявлено снижение токсического действия вод в этом участке (табл. 17). Динамика степени токсичности в устье р.Темерник совпадала с таковой в пункте р.Дон после впадения р. Темерник (см. табл.15).
