Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-практические предпосылки исследований 9
Глава 2. Природные условия района и источники загрязнения рек 19
2.1 Физико-географический обзор 19
2.1.1. Рельеф 19
2.1.2. Геологическое строение 19
2.1.3. Климат 20
2.1.4. Почвы 25
2.1.5. Растительность. 26
2.2. Гидрологические особенности малых рек 27
2.3. Объекты исследования и источники их загрязнения 29
Глава 3. Материал и методики исследования 41
3.1 Материал исследований 41
3.2 Методики гидрохимических исследований 42
3.3 Методики биоиндикации 43
3.4 Методики биотестирования 43
Глава 4. Экологическая оценка вод малых рек методами гидрохимии 47
Глава 5. Экологическая оценка вод малых рек методами биоиндикации 65
5.1. Индикация по фитопланктону 65
5.2. Индикация по зоопланктону 79
5.3. Индикация по макрозообентосу 93
Глава 6. Метод биотестирования при оценке качества вод малых рек 107
Глава 7. Сравнение методов экологического исследования малых рек 118
7.1. Сравнительная оценка биоиндикации и химического анализа 118
7.2. Сравнительная оценка методов биотестирования и химического анализа 119
7.3. Сравнительная оценка методов биоиндикации и биотестирования 120
7.4. Оценка качества вод малых рек по данным трех методов исследования..122
Глава 8. Структура компьютерной базы данных 128
Заключение
Список литературы
- Гидрологические особенности малых рек
- Экологическая оценка вод малых рек методами гидрохимии
- Индикация по фитопланктону
Введение к работе
Одной из важнейших практических задач современной экологии является контроль состояния водных объектов. Малые речные бассейны весьма чувствительны к антропогенной нагрузке и отвечают на эту нагрузку негативными изменениями, которые ухудшают или ограничивают водопользование.
Особый научно-практический интерес представляют водотоки, впадающие непосредственно в водоёмы, используемые для питьевого водоснабжения, поскольку к качеству такой воды предъявляются более высокие требования. Малые притоки водохранилищ в настоящее время изучены недостаточно, отчасти потому, что еще не в полной мере разработаны методы наблюдений за состоянием малых водотоков. Недостаточность информации затрудняет разработку мероприятий по охране и защите водной среды от загрязнений.
Одним из фундаментальных принципов экологического мониторинга является его комплексность. Программы мониторинга, наряду с контролем окружающей среды, базирующемся на определении загрязняющих веществ химическими методами, включают в себя и наблюдения ответной реакции биоты на антропогенное воздействие. Многообразие гидробионтов и сложность их взаимодействия как между собой, так и с окружающей средой, подвергающейся различным видам антропогенного воздействия, послужило причиной создания многочисленных методов оценки качества природных вод.
Наиболее употребимыми среди биологических методов являются биоиндикация и биотестирование. Однако экспрессные методы биотестирования при контроле качества природных вод используются мало, как в научных исследованиях, так и природоохранными организациями в основном из-за недостаточной проработки вопроса сопоставления результатов биотестирования с данными биоиндикации в конкретных регионах.
Это определяет важность комплексных биологических оценок с учетом специфики природных условий и характера антропогенных нагрузок.
Цель и задачи работы.
Целью работы является сравнительная оценка методов в комплексном изучении экологического состояния на примере малых рек Верхневолжского бассейна, притоков Иваньковского водохранилища, в условиях высоких антропогенных нагрузок. Экологический принцип оценки качества вод рассматривает водный объект как среду обитания гидробионтов, существование которых необходимо как для формирования состава и свойств водной массы, так и для поддержания экологического равновесия и сохранения биологических ресурсов водоема или водотока. Главной особенностью экологической оценки является признание среди водопользователей не только «внешних» по отношению к экосистеме (промышленность, сельское хозяйство и т.п.), но и «внутренних» (сообщества гидробионтов), благополучие которых обеспечивает сохранение водного объекта как уникальной биосистемы.
В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:
выделение обобщенных, наиболее информативных, показателей состояния основных экологических групп гидробионтов для биоиндикации малых рек, подвергающихся различным антропогенным нагрузкам.
оценка экологического состояния вод малых рек методами биотестирования и сравнительный анализ эффективности методов биоиндикации и биотестирования при оценке качества вод малых водотоков;
определение уровня загрязнения в воде и в донных отложениях рек Сестра, Дойбица, Лутосня, Яхрома и Дубна Верхневолжского бассейна гидрохимическими методами;
выявление коррелятивных связей биологических параметров гидробионтов с гидрохимическими показателями среды;
создание компьютерной базы данных для комплексного экологического мониторинга малых рек.
Эти задачи решены при выполнении многолетних исследований, проводимых Эколого-аналитическим центром Международного университета природы, общества и человека «Дубна» и направленных на решение ряда экологических проблем северо-западной части Московской области.
В качестве примера, в решении поставленных задач, были выбраны 5 малых рек северо-запада Верхневолжского бассейна.
Научная новизна работы состоит в том, что при ее выполнении:
впервые определена токсичность вод рек Сестры, Яхромы, Лутосни, Дубны и Дойбицы с применением в качестве тест-объектов двух видов ракообразных и двух видов микроводорослей;
впервые дана оценка качества вод рек Сестры и Дойбицы на всем протяжении от истока до устья методом биоиндикации, используя единые показатели состояния основных экологических групп гидробионтов;
впервые выполнены широкие сравнительные исследования эффективности биологических методов оценки качества водной среды в сочетании с методами гидрохимии;
— показано что биоиндикация представляет собой приоритетный метод в
интегральной оценке качества вод, а метод биотестирования наиболее
информативен на участках сильного загрязнения вод малых рек;
— установлены гидрохимические параметры малых рек Верхневолжья, наиболее
существенно влияющие на развитие гидробионтов;
— разработана структура компьютерной базы гидробиологических данных и
сведена в нее вся полученная информация по биоиндикации малых рек.
Практическая значимость.
Методические рекомендации для мониторинга малых рек северо-запада Московской области, в проведении которого автор принимала участие с 1999 г., используются экоиспытательной лабораторией Федерального государственного водного учреждения «Центррегионводхоз».
Полученные в работе данные по загрязненности и весьма низкой самоочищающей способности рек Сестра и Дойбица рекомендованы для использования при разработке мероприятий по уменьшению отрицательных последствий совместного влияния городских очистных сооружений и АО «Клинволокно» на экосистему реки Сестры и сельскохозяйственного производства на экосистему реки Дойбицы.
Разработанная база данных комплексного экологического мониторинга является информационной основой в деятельности Эколого-аналитической лаборатории Международного университета природы, общества и человека
«Дубна» и может быть использована природоохранными организациями службы Санэпиднадзора для составления прогнозов экологической обстановки в регионе.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на международных и региональных конференциях: на международных конференциях «Экология и жизнь» (1999 г., Пенза); "Экологическая артерия" (2000 г., Дубна); "Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы и природопользование" (2001г., Тольятти)" Экологические проблемы бассейнов крупных рек" (2003 г.,Тольятти); «Great rivers as attractors for local civilization» (Assiut, 2003); на конференции молодых ученых и специалистов Объединенного института ядерных исследований РАН (2000 г., Дубна); Всероссийской конференции "Научные аспекты экологических проблем России" (2001 г., Москва).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, 2 приняты к печати.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения общим объемом 135 страниц, проиллюстрирована 128 рисунками, 11 таблицами. Приложение состоит из 84 таблиц. Список литературы включает 239 работ, из которых 35 на иностранных языках.
Положения, выносимые на защиту.
Комплексный подход с использованием физико-химических и различных биологических методов по определению степени антропогенных нагрузок является научной основой наиболее оптимальной стратегии исследований экологического состояния малых рек.
Метод биоиндикации в сравнении с биотестированием, наиболее адекватно оценивает качество поверхностных вод малых рек.
Биотестирование наиболее информативно для участков малых рек,
подверженных влиянию сточных вод, при этом предпочтительно тестирование с
использованием зеленых микроводорослей.
Фактический материал.
і 7
Материал, положенный в основу работы, получен во время полевых исследований и камеральной обработки проб, выполненных автором в период с 1999 по 2002 год. За это время был проведен регулярный отбор гидробиологических проб рек Сестра, Лутосня, Яхрома, Дубна, Дойбица в разные сезоны и различные по водности годы. Всего было просмотрено (с определением видового состава) 1512 препаратов фитопланктона, зоопланктона и зообентоса. Проведено 18 серий лабораторных экспериментов по биотестированию. Пробы на гидробиологический анализ отбирались на тех же участках рек, где проводились гидрохимические исследования сотрудниками Эколого-аналитического центра Международного университета природы, общества и человека «Дубна
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.А. Абакумову за всестороннюю помощь и поддержку в работе и руководству Международного университета природы, общества и человека «Дубна» за предоставленную возможность выполнения научных исследований. Искренняя благодарность преподавателям и лаборантам кафедры химии Международного университета «Дубна», лично СВ. Моржухиной за измерение гидрохимических параметров среды и плодотворное сотрудничество, коллективу кафедры экологии и наук о Земле за помощь в оформлении работы.
Особая признательность Ю.В. Гелетину за ценнейшие советы и научные консультации.
Автор благодарит сотрудников ИБВВ РАН А.В. Крылова и Л.Г. Корневу, сотрудницу биологического факультета МГУ О.В. Анисимову за консультативную помощь в определении видового состава гидробионтов, Б.А Флерова и сотрудников лаборатории токсикологии ИБВВ РАН за помощь в организации работ по биотестированию.
Проведение пробоотбора, изготовление части оборудования, и приобретение справочной литературы было бы невозможно осуществить без участия руководителей Экоиспытательной лаборатории Федерального государственного водного учреждения «Центррегионводхоз» МПР «России».
,8
Гидрологические особенности малых рек
Наиболее детально, от истока до устья, нами изучены реки Сестра и Дойбица, поскольку они подвержены сильным антропогенным нагрузкам. У рек Яхрома, Лутосня и Дубна исследовались приустьевые участки. Анализ освоенности территории показал, что основная хозяйственная деятельность сосредоточена на склонах водоразделов малых рек, в их долинах и прибрежных зонах. Водораздельные пространства, как правило, заболочены и залесены, в отдельных участках производятся торфоразработки. Река Сестра (рис.2.6, 2.7-2.16) берет начало в озере Сенеж. Озеро имеет искусственное происхождение, создано оно в XIX веке, при Екатерине II, в месте слияния рек Сестра и Мазиха. Свои нынешние размеры — объем в 50 млн кубометров и площадь в 9 кв. км — Сенеж принял в 1951 г. Тогда же военные строители усилили дамбу, чтобы провести по ней танковую дорогу. Но при этом ликвидировали у озера донный спуск. В основании дамбы была положена труба, по которой вода непрерывно стекала в реку Сестру. За два века екатерининский гидромеханизм износился, и советские строители забетонировали его. С тех пор вода стекает «через край», в рыбоводные пруды, а затем в Сестру. В результате верхний слой воды остается чистым, но в глубине озера вода отстаивается и в придонных слоях накапливается сероводород. Глубина оз. Сенеж на средине до 8 м. Толщина серо-водородистого слоя в пределах метра. Озеро используется для рекреации и развития спортивного рыболовства. Сенеж, по-видимому, единичный пример макрофитного водохранилища в рассматриваемом регионе и является ныне наиболее экологически благополучным, хотя и испытывает антропогенную нагрузку от промышленности г. Солнечногорска и садовых участков [19]. На водосборе озера находится полигон захоронения отходов г. Москвы. Почти сразу на истоке реки Сестры находится рыбохозяйство, которое во время отлова рыбы сбрасывает воду в реку без очистки, загрязняя ее остатками комбикормов, различными взвесями. Ниже по течению (до г. Клина) на берегах расположены пионерские лагеря и сельскохозяйственные предприятия. Самым крупным источником загрязнения на этом участке является поселок городского типа им. Чайковского, он имеет свои мастерские, гаражи, животноводческие фермы.
Ранее на территории Клинского района в бассейне реки Сестры находились знаменитые охотничьи угодья — Казаринские пойменные луга. По течению реки располагалась широкая сеть плотин с мельницами, которые держали уровень воды высоким, и на этих местах находились гнездовья уток, водились в больших количествах выдры, норки, бобры. В настоящее время уровень воды сильно понижен и экологическая обстановка этих мест совершенно иная.
Река Сестра протекает по городской черте г. Клина - крупного промышленного города северо-западного Подмосковья и принимает воды городских очистных сооружений и очистных сооружений завода «Клинволокно». В пределах города дно реки повсеместно засорено бытовым мусором. Ниже по течению располагаются пойменные луга, используемые для сельскохозяйственных нужд. В этом месте река Сестра получает дополнительное количество загрязняющих веществ: удобрений, различных пестицидов и гербицидов по системе каналов с пойменных лугов [16].
В среднем течении р. Сестра несет свои воды по Дмитровскому району, где в нее впадает река Яхрома. По берегам расположены поселки и деревни: Ольсово, Усть-Пристань, Пристань, Нижнево, Дулово, Высоково, Меленки, Дутшево, Быстрово, Слободка, Газарово, Ступино, Липино, Тишино, Мишуково, Пантелеево, Токарево, Архангельское, Федоровка, Спиридово. Жители этих деревень и поселков используют воду реки Сестры для хозяйственных нужд, являясь в свою очередь источниками дополнительных загрязнений. Берега реки часто скрыты зарослями широколиственных пород деревьев, ложе заилено. Русло реки имеет ширину от 5 до 20 м, глубину 0,8 — 2 м, местами до 2—3 м и сильно меандрирует. Скорость течения обычно не превышает 0,2 — 0,5 м/сек. Пойма чаще двусторонняя, относительно ровная, шириной от 50 до 200 м, с большим уклоном в сторону русла, заросшая луговым разнотравьем и кустарником, участками заболочена. Берега крутые, обрывистые, высотой от 1,5 до 2,5 м, редко до 3 — 5 м. В долине реки встречаются довольно обширные участки мелиорированных земель, в пределах которых для создания наиболее оптимального режима регулирования влаги в корнеобитаемом слое сельскохозяйственных культур построена дренажная сеть открытого типа [13].
Экологическая оценка вод малых рек методами гидрохимии
Помимо общих показателей качества воды по органическим загрязняющим веществам было определено содержание нефтепродуктов, фенолов, синтетических поверхностно-активныех веществ (СПАВ) [22 ]. Известно, что эти вещества плохо удаляются из воды в процессе биологической очистки и попадают в поверхностные воды. Обнаружено, что ниже очистных сооружений превышение ПДК по фенолам достигает 20 раз, а далее на всем протяжении реки превышение составляет около 2-4 раз. Достаточно высок уровень загрязнения реки СПАВ (от 2 до 8 ПДК). Нефтепродуктами река загрязнена в основном ниже очистных сооружений и в местах Пересечения ее с автомобильными трассами самое большее в 2 ПДК; Концентрации нитритов и нитратов, различных форм "фосфора являются показателями трофического статуса природных водоемов, j Для малых рек с водосборами преимущественно сельскохозяйственного использования биогенные элементы характеризуют в основном степень антропогенного воздействия на речные экосистемы, т.к. эти вещества присутствуют в минеральных удобрениях, применяемых для повышения плодородия почв и в неочищенных органических стоках с территорий животноводческих ферм. Источником биогенных элементов на урбанизированных (водосборах служат также хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды. Приведем данные полученные CiBt. Моржухиной по концентрациям ряда биогенных компонент гидрохимического состава реки Сестра [ 22 ]. Между водосливом из оз. Сенеж и д. Борозда (станция 4) имеется мощный источник загрязнения, увеличивающий концентрацию азота в форме нитратов со значения 0.47 мг/л в более чем 18 раз. Доля нитратов в валовом количестве минерального азота возрастает от 60% до 100% приблизительно. Содержание в природной воде нитратных ионов обычно невелико — для незагрязненных рек 0.1-0.5 мг/л. Для рек основным источником NO3" являются, по видимому, атмосферные осадки. В малых реках, в которые» стекают воды с пашен, а также попадают и сточные воды населенных мест, содержание NOy может достигать 5-10 мг/л. Содержание NO3", первоначально довольно высокое в атмосферных осадках, под влиянием растительности падает в почвенных водах и затем в реках. Содержание нитритных ионов в речной воде значительно іболее низкое, чем нитратных (до 0.01 мг/л), и только в загрязненных реках оно можетг повыситься до 0.05 мг/л и редко выше. Еще более мощным источником посупления всех форм азота в реку является сброс воды из очистных сооружений, увеличивающий концентрацию аммонийного азота в 14 раз (рис 4.6), нитритной форы в 1.8 раз, нитратной в 7.4 раза. Зона повышенной концентрации различных форм азота простирается до слияния с рекой Яхромой, что соответствует зоне пониженного содержания кислорода в воде.
Индикация по фитопланктону
Водорослям принадлежит ведущая роль при биоиндикации изменения состояния экосистемы в результате загрязнения водного объекта, так как при ухудшении качества воды сукцессия видового состава особенно отчетливо проявляется в сообществе фитопланктона. Однако водоросли не могут быть индикаторами фекального и тяжелого органического загрязнения, они обладают также слабой чувствительностью к тяжелым металлам и пестицидам [1-25].
За период исследования в составе фитопланктона рек было обнаружено 217 видов и подвидов водорослей. По отделам обнаруженные виды водорослей распределялись следующим образом: Cyanophyta—б таксонов, Chlorophyta—40 таксонов, Bacillariophyta (Diatomea)—131 таксон, Chrysophyta—2 таксона, Euglenophyta—5 таксонов, Pyrrophyta—1 таксон (Прил.2). Фитопланктонные сообщества обследованных рек были сформированы в основном водорослями трех отделов: Cyanophyta, Chlorophyta, Bacillariophyta. Большинство из найденных видов является широко распространенными пресноводными формами (Прил.З). При ранговой оценке родового состава выявлены несколько ведущих по таксономической значимости родов: из синезеленых — Anabaena, из зеленых—Scenedesmus, их диатомовых— Cocconeis, Navicula. Массовых структурообразующих видов насчитывается около 20. Это доминанты, составляющие от 20 до 100% биомассы, и субдоминанты, дающие 10% биомассы. По количеству видов в планктоне преобладали диатомовые (75 % общего числа видов) зеленые (18 %) и сине-зеленые(23 %).
В зависимости от расположения станций отбора проб и периода наблюдения количество видов и качественный состав альгоценозов реки Сестры менялся. Так, на участках, расположенных выше очистных сооружений города Клин численность фитопланктона колебалась от 710 до 4255 тыс.кл./мл биомасса от 0,13 до 11,73 г/л (Прил.6, табл.1,2,5). Максимальные количественные характеристики наблюдались на станции («ниже г. Клин»), минимальные на станции 1 (оз. Сенеж) и станции 4 («д. Борозда») (табл.5.1.1.).
Непосредственно в месте сброса с очистных сооружений г. Клин наблюдался эффект стимуляции в развитии планктонных водорослей реки Сестры: резко возросла численность до 8440 тыс кл/мл и биомасса до 20.42 г/л.По мере удаления от места сброса очистных сооружений вниз по течению реки численность и биомасса фитопланктона падают и выше устья реки Яхромы составляют 107 тыс.клУмл и 0.08 г/л. После разбавления вод реки Сестры водами реки Яхромы численность и биомасса планктонных водорослей возрастают до величин сопоставимых с таковыми на фоновых участках: 1524 тыс кл.м/л и 1.18 г/л соответственно (рис.5.1.3; 5.1.4).
Оценка таксономического разнообразия фитопланктона реки Сестры показала, что на фоновых участках реки (выше г. Клин) доминирующая группа зеленых водорослей представлена родом Pediastrum, количество синезеленых и диатомовых невелико. Лишь осенью, когда зеленые водоросли не были представлены в планктоне, их заменяют диатомовые рода Cyclotella. На участках реки ниже города Клин фитопланктон был представлен в большинстве диатомовыми родов Cocconeis и Gomphonema. Осенью преобладали зеленые микроводоросли рода Scenedesmus (рис.5.1.13; 5.1.14).В месте сброса с очистных сооружений преобладали синезеленые (Anabaena, Microcistis) и мелкоклеточные диатомовые рода Cocconeis, который образовал практически монодоминантное сообщество диатомей (табл.5.1.1).
На участках реки ниже очистных сооружений в течение всего сезона основу планктона составлял синезелено-диатомовый комплекс водорослей с преобладанием родов Anabaena, Nitzschia, Navicula. Заметна качественная перестройка сообщества диатомовых водорослей, в котором на смену центрическим диатомеям рода Cocconeis приходят пеннатные представители родов Nitzschia. Navicula. В таком составе сообщество диатомовых продолжает существовать вплоть до устья реки Сестры, в то время как сине-зеленых (Anabaena) вытесняют зеленые водоросли (Scenedesmus). Обращаясь к оценке качества вод по степени органического загрязнения, стоит отметить, что наибольшая доля обнаруженных индикаторных видов относилась к отделу Bacillariophyta. Обнаружено 112 видов индикаторов органического загрязнения по списку Сладечека. Большинство из них относятся к мезосапробам. Среди них можно выделить следующие виды: Navicula cryptocephala, Nitzschia palea — a-мезосапробы, Cyclotella comta, Nitzschia holsatica — а-Р-мезосапробы, Cocconeis placentula, Amphora ovalis, Melosira granulata — P-мезосапробы. Наряду с этими индикаторами основная масса обнаруженных водорослей отдела Chlorophyta относилась к о р-мезосапробам (Scenedesmus quadricauda, Pediastrum duplex, Pediastrum borianum). Индекс сапробности на протяжении периода наблюдений колебался от 1.95 до 2.85, что соответствует a-P-мезосапробной зоне загрязнения и позволило оценить воды, как умеренно загрязненные и загрязненные (ниже очистных).
Похожие диссертации на Сравнительная оценка методов в комплексном исследовании экологического состояния малых рек
