Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние загрязнения воды на экотонные сообщества зооперифитона макрофитов водоемов и водотоков Саратовской области и города Саратова

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Спеловская, Елена Эдуардовна, Б. м.



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБЛЕМ.

На правах рукописи.

Спеловская Елена Эдуардовна

Влияние загрязнения воды на экотонные сообщества зооперифитона

макрофитов водоемов и водотоков Саратовской области и города Саратова.

11.00.11. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель доктор географических наук, профессор Залетаев Владимир Сергеевич

1998 год

Содержание.

Введение................................................................................................................................................................3

Глава 1. Объекты и методика исследований.......................................................... 11

1.1. Гидрологическая характеристика исследуемых водоемов....................................11

1.1.1. Река Малый Иргиз.................................................................................................................11

1.1.2. Река Медведица........................................................................................................................................12

1.1.3. РекаХопер......................................................................................................................13

1.1.4. Пруды города Саратова................................................................................................15

1.2. Методика отбора и обработки проб, основные расчеты........................19

Глава 2. Зооперифитон рек Малый Иргиз и Медведица в условиях нефтяного загрязнения ..............................................................................................................27

2.1. Состав и количественные показатели зооперифитона р. М. Иргиз........30

2.2. Обрастатели высшей водной растительности Малого Иргиза в условиях залпового нефтяного загрязнения ...........................................................42

2.3. Зооперифитон макрофитов реки Медведицы .......................................50

2.4. Влияние слабого нефтяного загрязнения на состав зооперифитона высшей водной растительности р. Медведицы.......................................... .60

Глава 3. Зооперифитон реки Хопер (г.Балашов) и прудов г.Саратова в условиях воздействия городских стоков.................................................................................64

3.1. Влияние загрязнения на сообщества обрастателей макрофитов реки Хопер..............................................................................................................66

3.2. Зооперифитон прудов города Саратова..................................................84

Глава 4. Биоиндикация загрязнения воды по организмам зооперифитона.............91

4.1. Биоиндикация нефтяного загрязнения...........................................91

4.2. Зооперифитон макрофитов в условиях естественного органического загрязнения (с. Алексеевка)....................................................................................................108

4.3. Влияние городских стоков на зооперифитон.................................111

Выводы......................................................................................................................123

Литература...............................................................................................................125

Приложение А. Приложение Б.

Введение.

Проблема загрязнения внутренних водоемов - одна из основных среди глобальных экологических проблем. Важным компонентом мониторинга за состоянием природных вод являются гидробиологические методы, отличающиеся относительной простотой, дешевизной и быстротой получения результатов по сравнению с прочими методами определения качества воды.

При загрязнении происходит комплексное изменение физических свойств воды, химического состава, микро - и макронаселения водоема. Под загрязнением воды следует понимать изменение ее физико-химических и биологических свойств (под влиянием деятельности человека), которое наносит ущерб какой либо форме водопользования и (или) вызывающее нарушение целостности (перестройку) экосистемы водоема (Константинов, 1973; Форощук, 1989).

В гидробиологии, стремящейся. охарактеризовать жизнь водоема в целом, загрязнение рассматривается как изменение среды обитания, в результате чего часть гидробионтов в новых условиях начинает усиленно развиваться, а другие, наоборот, замедляют развитие или даже отмирают.

Под "чистой водой" чаще всего подразумевают воду, обогащенную кислородом, с минимальным содержанием взвесей, биогенных, органических и неорганических веществ, то есть содержащихся в естественном стоке с водосборов. "Грязная вода" - с максимальным содержанием тех же ингредиентов, низким

А

содержанием кислорода, кислыми или щелочными значениями рН, эвтрофирование и т.д. Экологическое понимание качества воды связано с характеристиками состава и свойств воды как среды обитания, в этом случае водоем как природный объект, представляет собой структурно и функционально целостную экосистему, связанную с окружающей средой (Оксикж, Жукинский, 1983).

При оценке качества воды по биологическим показателям многие исследователи придерживаются в основном двух путей, когда в одном случае оценка производится по организмам-индикаторам, в другом - по результатам сравнения состояния фауны гидробионтов на загрязненном и незагрязненном

участках водоема. Автором предложен комплексный подход к определению состояния водоема: использование показательного значения организмов, сравнение видового состава и структуры сообществ обрастателей на участках с различной антропогенной нагрузкой, использование индексов видового разнообразия.

Наиболее часто для определения качества воды используются организмы планктона и бентоса. Сообщество донных животных можно рассматривать среди прочих ценозов шдробионтов как наиболее консервативное, так как для перестройки его структуры требуется гораздо больше времени, чем для планктонных сообществ. В условиях антропогенного воздействия бентосные сообщества, как правило, находятся в неблагоприятных условиях, вследствие аккумуляции токсических загрязняющих веществ в придонном слое воды и в донных отложениях. В силу ограниченной лабильности бентоса и относительной устойчивости донных биоценозов во временном аспекте (большая продолжительность жизни донных шдробионтов) они отражают загрязнение относительно длительного периода и интегральные условия, как в воде, так и в грунте (Абакумов, 1991).

Донные организмы обладают, как правило, большой устойчивостью к химическим загрязнителям. Это особенно относится к иловой фауне, или так называемым пелофильным организмам. Многие из них способны к анаэробиозу, что предопределяет их устойчивость к токсической среде. Бентосные организмы и их сообщества широко используются для биомониторинга загрязнения водоемов тяжелыми металлами, поскольку многие из них характеризуются высокими коэффициентами накопления (Финогенова, Алимов, 1976; Абакумов, Качалова, 1981; Качалова 1982; Русев, 1982).

Благодаря широкому распространению и высокой численности, перспективной и достаточно апробированной группой для индикации загрязнения являются хирономиды (Зинченко, Молодых, 1993). Они могут быть использованы как в качестве негативных, так и позитивных индикаторов. Прослеживаются достаточно четкие зависимости фауны хирономид от степени загрязнения.

Методики определения качества водной среды по организмам зоопланктона также достаточно хорошо отработаны и широко применяются в практике экологического мониторинга (Аудулев и др., 1971; Иванова, 1976; Дзюбан, Кузнецова, 1.981; Парчу к, 1990; Потапов, 1993 (1)). Трудности в оценке состояния планктонных сообществ связаны с особенностями самих водных объектов, характером их гидрологического режима. Перемещение гидробионтов в зоне загрязнения, имеющей неравномерную структуру, сопровождается воздействием изменяющихся концентраций веществ. Несомненно, что планктонные организмы характеризуют загрязненность рек выше по течению, а не на том участке, где отобрана проба. Это положение также справедливо применительно к водохранилищам, прудам и озерам. На реках с относительно высокой скоростью течения при незначительной глубине проведение наблюдений за планктонными сообществами нецелесообразно.

Одной из наиболее перспективных экологических групп гидробионтов для определения состояния водоема является зооперифитон, экотонное сообщество, включающее как планктонные, бентосные организмы, так и типичных обрастателей.

В 1916 году Гентшелем был предложен термин «обрастание» для обозначения организмов, прикрепляющихся к подводным предметам. Термин «перифитон» был введен А.Л.Бенингом (Бенинг, 1924) и обозначал совокупность организмов, прикрепляющихся к субстратам, введенным под воду человеком. Сейчас он применяется как название самостоятельной экологической группировки.

Под понятием «перифитон» (Константинов, 1986) подразумевают группы организмов, населяющих подводные субстраты (за пределами придонного слоя воды). Последние подразделяются на «живые» и «мертвые». К первой группе субстратов относятся камни, сваи, днища судов, гидротехнические и другие искусственные сооружения (Лебедева, 1970). К живым субстратам относятся водные макрофиты и некоторые животные (моллюски, губки и другие).

Основными биотопами зооперифитонных организмов являются прибрежные заросли макрофитов, скопления в воде сучьев, коряг и других предметов, а также кустарники и древесная растительность. В ряде случаев четкую границу между

бентосом и перифитоном провести невозможно (например, организмы, обрастающие скалы, откосы каналов, различные предметы на дне). В состав зооперифитона входят бактерии, актиномицеты, многие водоросли, особенно диатомовые, грибы, простейшие, губки, мшанки, черви, низшие ракообразные/ двустворчатые моллюски и другие беспозвоночные. Первыми осваивают свободные поверхности бактерии, грибы и водоросли, затем личинки и взрослые формы беспозвоночных. Покров из прикрепленных организмов- создает возможность нахождения в перифитоне подвижных форм (Мордухай-Болтовской, 1954; Константинов, 1986).

Макрофиты являются одним из основных субстратов зооперифитона в пресных водоемах. Высшие водные растения играют большую роль в процессе самоочищения водоемов. Как автотрофы, высшие водные растения, наряду с микрофитами, создают первичную продукцию, чем обеспечивают биотический круговорот веществ и энергии, лежащий в основе механизма самоочищения и продуктивности водоема (Винберг, 1960; Экзерцев, 1975;' Экзерцев, 1978; Катанская, 1981; Эйнор, 1992). Крупные морские водоросли можно даже сравнить по продуктивности с наиболее производительными растительными сообществами в тропиках. Такая продуктивность считается наивысшей для биосферы (Хумитаке Секи, 1986). Заросли высших водных растений служат барьером для взвешенных минеральных и органических веществ при поступлении в водоем различных загрязнений (Кокин, 1963; Жгарева, 1993; Распопов, 1993; Таубаев, 1993). Они осуществляют детоксикацию особо опасных загрязнителей (фенол, нефть, пестициды) не только поглощая их, но и включая в процесс метаболизма и разлагая их при этом на менее токсичные компоненты (Якубовский и др., 1975; Морозов и др., 1987). Они способны поглощать и аккумулировать из донных отложений и воды значительное количество биогенов, растворенных органических веществ, солей тяжелых металлов, радиоизотопов (Уразаев и др., 1993; Гапеева и др., 1995; Мшккшеп е!а1, 1994).

После отмирания растений в процессе их разложения все эти вещества поступают в воду, вызывая "вторичное" загрязнение. При разложении

тростниковых зарослей ухудшается газовый режим, а также образуются токсические вещества (Ивлев, 1950). Кроме того, водные растения могут быть биологическими индикаторами состояния водной среды и тест-объектами (Фрейндлинг, 1981; Гигевич, 1993; Сидорский, 1993; Конева, 1994, Смирнова, Сиренко, 1992).

Заросли высших водных растений активно заселяются гидробионтами. В составе зоофитоса важную роль играет группа насекомых, по своей экологии являющихся перифитонными. К этой группе относятся личинки ручейников и хирономид (Сугпш АауМиз, Тапу1агзш 1аи1егЬогш, Сгур1осЫгопотш рагагозйгайк, ЫтпосЫгопотш пегагаив, ЕпёосЫгопотш аИмретт, Спсо!орш БЙуез^) (Гаевская, 1966; Зимбалевская, 1979).

Некоторые виды проявляют избирательность при заселении высшей водной' растительности. Личинка ЕпёосЫгопотш а1Ыретш заселяет преимущественно погруженную растительность. У некоторых фитофилов - обрастателей хорошо выражена защитная зеленоватая окраска, но наиболее ярко - у хищных форм Сгур1осЫгошгпш рагаго8й*а1щ и АЫаЬезтуа тошШ. Покровительственная окраска тела и домиков характерна для группы ручейников-обрастателей из сем. НуёгорИМае (А§гау1еа, ОгЙюМсЫа) и некоторых форм (РЬгу£апеа, ТпаеподеБ), использующих для постройки домиков кусочки растений (Зимбалевская, 1981).

Стенобионтность характерна для самых молодых групп насекомых (из стрекоз - Соег^потсНае, из хирономид - СЫгопоттае). Это результат активного освоения новой среды обитания. Наиболее древние прибрежно-фитофильные виды не проявляют столь выраженной избирательности, поскольку заселение ими водной растительности шло пассивно, благодаря уже сложившимся адаптациям к жизни в динамической среде литорали. Заселение водной растительности путем выработки специфических адаптаций привело к появлению у минирующих форм хирономид гемоглобина (неблагоприятные условия газового режима).

Кроме видовой приуроченности гидробионтов к определенным макрофитам, наблюдается их неоднородное распределение в зарослях: более интенсивно (в 1,5 -2 раза) заселяются горизонтальные субстраты, по сравнению с вертикальными. На

нижней поверхности (обращенной ко дну) численность организмов значительно меньше (в 1,5-2 раза), чем на верхней, причем с погружением на глубину эта разница становится контрастнее. Вместе с тем, организмы, обитающие на нижних поверхностях, в среднем крупнее, чем на верхних. В итоге биомасса животных на сторонах субстрата, обращенных ко дну и к поверхности водоема на глубинах 10-20 сантиметров примерно одинакова. Это происходит в результате преимущественного заселения верхних поверхностей молодью.

Закономерности заселения субстратов связаны с особенностями аккумуляции пищевого материала на различных поверхностях субстрата, степенью освещенности, возможностями удержания на субстрате и соответствия положения тела физиологическим потребностям. Интенсивнее гладких заселяются растения с шероховатой и изрезанной листовой пластинкой (удобство прикрепления). Так, наиболее заселенным растительным субстратом в Волгоградском водохранилище является роголистник (общее число видов - 17, численность - 10365 экз./кв.м., биомасса - 30 г/кв.м.). В противоположность роголистнику, сусак зонтичный с его слабо расчлененными листьями и гладкой поверхностью, в этом смысле, является менее пригодным субстратом, что находит свое отражение в самых низких показателях развития зооперифитона (общее число видов - 7, численность - 1747 экз./кв.м., биомасса - 1,5 г/кв.м.). Удобным субстратом для перифитонных организмов являются также рогоз, рдесты и тростник (Кондратьев, Потапов, 1981).

Приспособления гидробионтов к перифитонному образу жизни прежде всего сводятся к развитию средств удержания на твердом субстрате, защите от захоронения оседающей взвесью, к выработке наиболее эффективных способов передвижения. Очень характерны для организмов перифитона приспособления к временному переходу к планктонному образу жизни. Это обеспечивает малоподвижным формам возможность значительных перемещений для расселения или смены местообитания (Константинов, 1986).

Бактериальный и водорослевый перифитон используется для индикации состояния водных объектов (Горидченко, 1981; Соколова и др., 1981),

зооперифитон макрофитов менее изучен, но показана его чувствительность к качеству воды (Скальская, 1996; Шарапова, 1996).

Зооперифитон высшей водной растительности является переходной экологической группировкой между обитателями дна и толщи воды. Но самое главное, сообщество обрастателей располагается на границе сред вода/суша и представляет собой экотон, характеризующийся высоким видовым разнообразием, а также большой численностью и биомассой животных. Экотоны широко распространены в природе и играют огромную роль в формировании и сохранении биологического разнообразия. Связывая различные природные, природные и антропотехногенные системы, они выполняют мембранную и буферную функции. Экотоны адаптируются к постоянным изменениям факторов среды, антропогенное воздействие вызывает перестройку и деградацию природных систем: изменения в составе сообществ, элиминацию некоторых видов, нарушения биопродукционного процесса (Залетаев, 1997).

Среди организмов зооперифитона выделяются животные чувствительные и устойчивые к загрязнению, и часто именно они являются резервом для восстановления биологического разнообразия водоема, необходимого для его стабильного и устойчивого существования. В отличие от планктона, характеризующего сиюминутную ситуацию в водоеме, и бентоса, реагирующего на длительное воздействие, зооперифитон чувствителен к загрязнениям различной продолжительности.

Целью данной работы явилось выявление связи между качеством воды (при нефтяном загрязнении и во