Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственно-временная структура фитопланктона нижнего течения реки Москвы

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная структура фитопланктона нижнего течения реки Москвы"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукрлйси

00500430'

Ростанец Дмитрий Викторович

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ФИТОПЛАНКТОНА НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ МОСКВЫ

03.02.08 - экология (биология) ~ 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Москва 2011

005004337

Работа выполнена на кафедре гидробиологии

Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова

доктор биологических наук, профессор Хромов Виктор Михайлович

доктор биологических наук, профессор Абакумов Владимир Анатольевич кандидат биологических наук, доцент Белякова Галина Алексеевна

Учреждение Российской академии наук Институт биологии внутренних вод имени И.Д. Папанина

Защита состоится 9 декабря 2011 г. в 13 час. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, МГУ имени М.В.Ломоносова, Биологический факультет, ауд. 389.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан 9 ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.55 кандидат биологических наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Н.В. Карташева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Многие реки являются основой формирования и развития городов и в настоящее время испытывают их интенсивное антропогенное воздействие. К таким рекам относится река Москва - водная артерия, протекающая через столицу нашей страны.

Одним из основных показателей в системе гидробиологического мониторинга водотоков является фитопланктон, изменения состояния которого адекватно отражают изменения экологического состояния реки в целом и качества воды в ней (Абакумов, 1977; Михеева, Ганченкова, 1979; Pertti, 1984; Bellinger, Sigee, 2010). Для более эффективного использования сообщества фитопланктона в оценке состояния речных систем необходимо детальное изучение пространственно-временной изменчивости его структуры.

Если фитопланктон верховья реки Москвы (от Можайского водохранилища до г. Москвы) изучен достаточно подробно (Никитинский, 1912; Савич, Балкашина, 1928; Левшина 1974, Витвицкая 1997; Хромов, 2004; Малашенков, 2009), то для нижнего течения реки (на территории г. Москвы и далее до устья) исследования фитопланктона не столь подробны и многочисленны (Никитинский, 1909; Ганьшина, Смирнов, 1982; Тумбинская, 2006).

Поэтому детальное изучение фитопланктона нижнего течения реки Москвы, а также закономерностей пространственно-временной изменчивости его структурных характеристик с учетом антропогенного воздействия г. Москвы будет способствовать развитию представлений о влиянии города на водоток.

Цель работы. Исследовать пространственно-временную изменчивость структурных характеристик фитопланктона нижнего течения реки Москвы в условиях антропогенного воздействия г. Москвы. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

— изучить качественный и количественный состав фитопланктона реки Москвы от места ее вхождения на территорию г. Москвы (район Строгино) до устья;

— исследовать особенности изменения структурных характеристик фитопланктона в течение года;

— выявить закономерности пространственной изменчивости структурных характеристик фитопланктона на исследуемом участке реки по мере удаления от г. Москвы;

— провести оценку качества воды по сообществу фитопланктона методами биоиндикации.

Научная новизна работы. В нижнем течении реки Москвы выявлено 406 видовых и внутривидовых таксонов водорослей, из которых 181 таксон указан для данного участка реки впервые. Установлено интенсивное развитие фитопланктона в зимний период в 3 км ниже г. Москвы, что в первую очередь обусловлено повышенными температурами воды в результате сброса в реку больших объемов теплых сточных вод города. На основании анализа структурных показателей фитопланктона определена протяженность участка реки Москвы, на котором проходит основное самоочищение от стоков города.

Практическая значимость работы. Полученные результаты существенно дополняют сведения по пространственно-временной изменчивости фитопланктона в реке Москве под влиянием города-мегаполиса и могут найти широкое применение в системе гидробиологического мониторинга рек.

Личный вклад соискателя. Соискателем обоснована тема, определены цели и задачи работы, а также методы анализа материала. Соискатель самостоятельно собрал и обработал большое количество проб, провел анализ полученных результатов, обобщил и представил полученный материал, сформулировал выводы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Качественный и количественный состав фитопланктона в реке ниже г. Москвы в зимний период определяется высокими температурами поступающих в реку сточных вод станций аэрации;

2. характер изменения структурных характеристик фитопланктона по тракту показывает, что процесс самоочищения реки от поступающих в нее стоков г. Москвы в основном завершается на расстоянии 50-60 км ниже города;

3. качество воды нижнего течения реки Москвы в целом соответствует Р-мезосапробной зоне (умеренно-загрязненные воды).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Всероссийской школе-семинаре «Проблемы современной альгологии» (Уфа,

2008); на научно-практической конференции с международным участием «Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России» (Азов, 2009); на конференции МОИП, посвященной 200-летию первой комплексной экспедиции МОИП (Москва,

2009); на научной конференции с международным участием «Современные проблемы гидрохимии и формирования качества вод» (Азов, 2010); на международной научно-практической конференции «Экологические проблемы речных экосистем» (Минск, 2010); на XIV Школе-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (Борок, 2010); на международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Гродно, 2010); на Всероссийской конференции с международным участием «Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем» (Тольятти, 2011); на IV Всероссийской конференции по водной токсикологии, посвященной памяти Б.А. Флерова, «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и школе-семинаре «Современные методы исследования и оценки качества вод, состояния водных организмов и экосистем в условиях антропогенной

нагрузки» (Борок, 2011); на II Международной конференции «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (Санкт-Петербург, 2011).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа включает введение, 6 глав, заключение, выводы, список литературы и приложение. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста и включает 10 таблиц, 42 рисунка. Список литературы включает 227 источников (145 отечественных и 82 иностранных наименований работ).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы.

Проведен анализ материалов по использованию сообщества фитопланктона в системе мониторинга пресных вод. Освещены данные по влиянию антропогенного прессинга городов на качественный и количественный состав фитопланктона. Рассмотрены изменения сообщества фитопланктона и качества воды реки Москвы за последнее столетие.

Глава 2. Материалы и методы исследований.

Материалом для исследования пространственной изменчивости фитопланктона послужили пробы, отобранные по тракту реки Москвы протяженностью 190 км от места вхождения реки на территорию г. Москвы (район Строгино) до устья реки (г. Коломна) в летний и осенний периоды вегетационного сезона 2010 г. Общее количество станций отбора проб, которые были расположены с учетом морфометрических и гидробиологических особенностей водотока, а также с учетом типа и степени антропогенной нагрузки, составило 13, из которых 3 станции располагались на территории г. Москвы (Рис. 1).

Исследование годовой динамики фитопланктона реки Москвы проводили с апреля 2009 г по апрель 2010 г. в районе г. Дзержинский в 3 км ниже границы г. Москвы (МКАД) с еженедельной частотой отбора проб.

Рисунок 1. Расположение станций отбора проб по тракту реки Москвы.

1. - г. Москва (район Строгино); 2 - г. Москва (Котельническая набережная); 3 - г. Москва (Братеево); 4 - г. Дзержинский; 5 - с. Верхнее Мячково; 6 - г. Жуковский; 1-е. Софьино; 8 - г. Бронницы; 9-е. Фаустово; 10 - г. Воскресенск; 11-е. Ачкасово; 12 - п. Радужный; 13 - г. Коломна (устье реки).

Отбор и обработку проб проводили общепринятыми методами. Одновременно с отбором проб проводили измерение температуры воды, скорости течения и концентрации кислорода.

Всего было собрано и обработано 176 проб фитопланктона. Определение таксономической принадлежности и подсчет численности

клеток проводили при помощи светового микроскопа Nicon Eclipse Е200 с использованием камеры Нажотта. Для определения отдельных видов диатомей изготовляли постоянные препараты методом выжигания. Биомассу водорослей рассчитывали методом геометрического подобия (Hillebrand et al, 1999).

Для оценки качества воды реки Москвы по индикаторным видам фитопланктона были рассчитаны индексы сапробности по Пантле и Букку (Pantle, Buck, 1955) в модификации Сладечека (Сладечек, 1967; Sládecek, 1973), а также индекс органического загрязнения воды по диатомовому комплексу (DAIpo) по Ватанабе (Watanabe et al., 1986,1988, 1990).

При анализе структуры фитопланктона использовали общепринятые показатели биологического разнообразия (Песенко, 1982). Статистический анализ данных проводили с использованием программного пакета STATISTICA 6,1.

Глава 3. Общая характеристика фитопланктона низовья реки Москвы.

На исследованном участке реки Москвы от района Строгино г. Москвы до устья у г. Коломна было выявлено 406 таксонов видового и внутривидового ранга, относящихся к семи отделам, из которых 181 таксон впервые указан для данного участка реки Москвы.

Наибольшее число зарегистрированных таксонов относится к отделам Ochrophyta и Chlorophyta (Рис. 2). Отдел Ochrophyta представлен 170 таксонами, что составляет 41,9% от общего числа обнаруженных видовых и внутривидовых таксонов. Диатомеи представлены 143 таксонами (35,2% от общего числа выявленных таксонов). Наибольшим числом таксонов в отделе Ochrophyta характеризуется порядок Naviculales, представленный 39 таксонами водорослей. Chlorophyta представлены 115 таксонами (28,3% от общего числа), наибольшим видовым богатством в отделе отличается порядок Sphaeropleales - 59 таксонов.

Фитопланктон нижнего течения реки Москвы отличается большим видовым богатством по сравнению с верховьем реки. Соотношение отделов в таксономическом составе фитопланктона верхнего и нижнего течения реки Москвы в целом сходное. При этом в нижнем течении реки увеличивается доля ОсЬгорР^а и уменьшается доля СЫогорИу1а и СЬагорЬу1а.

В Сгур1:орГ|у1а

□ ОсИгорЬуЬа

□ СЬагору1а й С111огор11у1а 0 ОшорЬ^а

В Е1^1епорЬу1а 0 СуапоЬас1епа

(28,3%) 37 (9,1%)

Рисунок 2. Таксономический состав фитопланктона нижнего течения реки Москвы.

По результатам анализа альгофлоры исследованного участка реки Москвы с использованием эколого-географических характеристик (Баринова и др., 2000, 2006) было выявлено 350 таксонов (86,2% от общего числа), характеризующихся приуроченностью к определенному местообитанию (Табл. 1). Из них 119 являются планктонными формами водорослей (Р), 93 -бентосными формами (В), а 138 - планктонно-бентосными (Р-В). Соотношение планктонных и бентосных форм водорослей составляет 1,28, что характерно для реопланктона (Кордэ, 1941; Грезе, 1958; Владимирова, 1967). В отделе ОсИгорИуСа по приуроченности к местообитанию было выделено 152 таксона, из которых 85 представляют собой бентосные формы

(P/B = 0,32), практически все из которых являются диатомеями. Столь низким соотношением планктонных и бентосных форм Ochrophyta сильно отличается от других отделов, представленных в подавляющем большинстве планктонными и планктонно-бентосными формами. Среди водорослей отдела Chlorophyta по тому же критерию был выделен 101 таксон - в основном планкто-бентосные и планктонные формы (Р/В = 19). По приуроченности к местообитанию было выделено 42 таксона Cyanobacteria (Р/В = 8), 30 таксонов Euglenophyta (Р/В = 13) и 16 таксонов Charophyta (Р/В = 4,5). Полное отсутствие бентосных форм наблюдается у Dinophyta (было выделено 4 таксона) и Cryptophyta (5 таксонов), причем последние представлены исключительно планктонными формами.

Из 292 таксонов, характеризующихся приуроченностью к определенной географической зоне, большую часть обнаруженных водорослей составляли виды-космополиты (94,2%) (Табл. 1).

Исследованный участок тракта реки Москвы отличается низкими скоростями течения (0,05-0,3 м/с), что обуславливает наличие большого числа видов, характерных для лентически-лотических (148 таксонов) и лентических (47 таксонов) экосистем (Табл. 1).

По температурной приуроченности преобладают

эвритермы/идифференты (88,1 % индикаторов); по отношению к галобности воды - олигогалобы-индифференты (75,5% индикаторов); к активной реакции воды - индифференты/нейтрофилы и алкалифилы (по 44,3% индикаторов) (Табл. 1).

Таким образом, фитопланктон нижнего течения реки Москвы представлен в подавляющем большинстве пресноводными космополитными видами, имеющими оптимумы развития при средних температурах, приуроченными к водным объектам с замедленным течением и щелочной или нейтральной реакцией воды.

Таблица 1.

Эколого-географический анализ альгофлоры.

Критерий, число индикатров и их % от общего числа таксонов Группы Число таксонов %

Географическая приуроченность (292 таксона-71,9%) Космополиты 274 94,2

Бореальные 14 4,8

Аркто-альпийские 3 0,7

Приуроченность к местообитанию (350 таксонов - 86,2%) Планктонные 119 34,0

Планктонно-бентосные 138 39,4

Бентосные 93 26,6

Реофильность (199 таксонов-49%) Стоячие 47 23,6

Текучие 3 1,5

Стояче-текучие и/или индифференты 148 74,4

Аэрофилы 1 0,5

Температурная приуроченность(67 таксонов - 16,5%) Тепловодные 3 4,6

Эвритермы и/или идифференты 59 88,1

Холодноводные 5 7,5

Галобность (261 таксон-64,3%) Олигогалобы 8 3,1

Олигогалобы-галофобы 14 5,4

Олигогалобы-индифференты 197 75,5

Олигогалобы-галофилы 31 11,9

Мезогалобы 11 4,2

Ацидификация (167 таксонов-41,1%) Алкалибионты 6 3,6

Алкалифилы 74 44,3

Индифференты и/или нейтрофилы 74 44,3

Ацидофилы 13 7,8

Глава 4. Временная изменчивость фитопланктона реки Москвы ниже г. Москвы.

За годовой период на станции г. Дзержинский было выявлено 323 видовых и внутривидовых таксона водорослей. Наибольшим видовым разнообразием характеризуется отдел Ochrophyta, представленный 138 таксонами (42,7% от общего числа таксонов видового и внутривидового ранга). Из них 117 являются диатомеями (36,2% от общего числа). Chlorophyta представлены 88 таксонами (27,2% от общего числа), Cyanobacteria - 43 таксонами (13,3%), Euglenophyta - 27 таксонами (8,4%), Charophyta- 14 таксонами (4,3%). Наименее представлены отделы Dinophyta - 7 таксонов (2,2%), и Cryptophyta - 6 таксонов (1,9%).

Фоновым видом для данной станции является диатомея Fragilaria capucina Desm., зарегистрированная во всех пробах на протяжении года. Близки к фоновым такие виды как Cryptomonas erosa Ehr., С. ovata Ehr. (отдел Cryptophyta), Phacotus lenticularis (Ehr.) Stein (Chlorophyta), Melosira varians Ag., Vinaria ulna (Nitzsch) Compère, Stephanodiscus hantzschii Grun. (Ochrophyta) и Trachelomonas volvocina (Ehr.) Ehr. (Euglenophyta).

В течение года общее число таксонов изменяется от 24 (в январе) до 91 (в августе). При этом максимальное видовое богатство отдела Ochrophyta отмечено в декабре (51 таксон), a Chlorophyta и Cyanobacteria - в конце июля (36 и 12 таксонов соответственно).

Общая численность фитопланктона в течение года изменяется от 412 тыс. кл/л (середина января) до 31,08 млн. кл/л (середина августа), а биомасса от 0,2 мг/л (в январе) до 47,09 мг/л (в августе) (Рис. 3).

В зимний период численность фитопланктона достаточно высока (не менее 400 тыс. кл/л) и в отдельные дни превышает 2 млн. кл/л за счет развития цианобактерии Aphanocapsa incerta (Lemm.) Cronb. et Korn., что обусловлено повышенной температурой воды в реке в это время (около 8 °С) за счет сброса теплых стоков со станций аэрации г. Москвы.

Рисунок 3. Годовая динамика численности (14) и биомассы (В) фнтопланктона на станции г. Дзержинский в 2009-2010 гг.

Другой выявленной особенностью временной динамики фитопланктона на данном участке реки Москвы является массовое развитие фитопланктона в период летней межени (середина июня - начало августа), в отличие от верховьев реки, где обычно наблюдается спад численности фитопланктона в этот период (Витвицкая, Хромов, 1991; Малашенков, 2006) (Рис. 3).

Наибольший вклад в формирование численности фитопланктона в течение года вносят Cyanobacteria (43,4% общей годовой численности), Ochrophyta (28,5%) и Chlorophyta (17,0%). Численность диатомей составляет 26,1% от общей годовой численности фитопланктона.

В отличие от численности, более половины годовой биомассы фитопланктона приходится на водоросли отдела Ochrophyta (58,6%).

Наибольшие значения численности отмечены для цианобактерий Microcystis aeruginosa (Kiitz.) Kiitz. (в середине июля и середине августа) и Planktothrix agardhii (Gom.) Anagn. et Кот. (в конце августа и в начале октября). По биомассе в отдельные месяцы доминируют диатомеи S. hantzschii Grun. (май - начало июня) и М. varians Ag. (середина августа), а в остальное время выраженного доминирования каких-либо видов не наблюдается.

Сравнительный анализ динамики численности фитопланктона и скорости течения показал, что скоростные характеристики не влияют на развитие фитопланктона, поскольку на данном участке реки они очень низкие и составляют 0,05-0,2 м/с.

Между численностью фитопланктона и температурой воды наблюдается положительная корреляция (г = 0,5907; р = 0,000008) (Рис. 4).

Глава 5. Пространственная изменчивость фитопланктона нижнего течения реки Москвы.

В ходе летней и осенней съемок 2010 г. на изученном участке реки было выявлено 232 таксона водорослей видового и внутривидового ранга. Из них наибольшее число относится к отделу Ochrophyta, представленному 95 таксонами (40,9% от общего числа видовых и внутривидовых таксонов), из

г = 0,5907; р = 0,000008

N, млн. кл/л

Рисунок 4. Зависимость общей численности фитопланктона (N) от температуры воды (t).

которых 85 являются диатомеями (36,6% от общего числа). Chlorophyta представлены 81 таксоном (34,9% от общего числа), Cyanobacteria - 20 таксонами (8,6%), Euglenophyta - 18 (7,8%), Charophyta - 9 (3,9%). Наименьшим видовым богатством характеризуются отделы Dinophyta - 5 таксонов (2,2%) и Cryptophyta - 4 таксона (1,7%).

Фоновыми видами и летом и осенью являются С. erosa Ehr., С. marssonii Skuja, С. ovata Ehr. (отдел Cryptophyta), Aulacoseira granulata (Ehr.) Sim., S. hantzschii Grun., S. hantzschii var. pusilla Grun., Microglena monadina Ehr. (Ochrophyta) и Scenedesmus quadricauda (Turp.) Bréb. (Chlorophyta).

Общее число видовых и внутривидовых таксонов на разных станциях изменяется от 41 до 92 в июне и от 49 до 76 в сентябре. При этом в июне наблюдается последовательное увеличение числа таксонов фитопланктона на станциях от г. Москвы вниз по течению реки вплоть до г. Бронницы. В сентябре такая тенденция не прослеживается.

Динамика численности и биомассы фитопланктона в июне и сентябре различается (Рис. 5 а, б). В июне численность варьирует в пределах от 72 тыс. кл/л до 9,36 млн. кл/л, биомасса от 0,24 мг/л до 7,11 мг/л, а в сентябре - от 89 тыс. кл/л до 14 млн. кл/л и от 0,91 мг/л до 6,34 мг/л соответственно.

Ы.млн. кл/л В, мг/л

14 12 10

3 6

4 2 о

А- .о

* к/ / <><

* / У

и ж

'•"-я"

/

N. млн. кл/л В, мг/л

14 12 10

---

-- Гц

/ / р- <Р > фО > > О „О А Л * / / / / ** / ^ / /

ню*в

Рисунок 5. Динамика общей численности (IV) и биомассы (В) фитопланктона по тракту реки Москвы в июне (а) и сентябре (б).

Наибольший вклад в формирование численности фитопланктона в июне вносят Cyanobacteria (35,7% общей численности), Chlorophyta (31,8%) и Ochrophyta (27,9%, при этом численность диатомей составляет 23,0% от общей). В сентябре по численности доминируют те же отделы, что и в июне, однако их вклад в общую численность изменяется: Ochrophyta - 44,6% (на диатомеи приходится 43,7% от общей численности), Cyanobacteria - 31,8%, Chlorophyta - 19,8%. По биомассе как в июне, так и в сентябре доминируют водоросли отдела Ochrophyta (77,2% общей биомассы).

В июне наибольшая численность зарегистрирована для цианобактерии Pseudoanabaena galeata Bocher. (4,07 млн. кл/л на станции г. Дзержинский, что составляет 63,3% от общей численности фитопланктона на данной станции), а наибольшая биомасса для диатомеи М. varians Ag. (3,83 мг/л -61,6% от общей биомассы) на той же станции. В сентябре основным видом-доминантом как по численности, так и по биомассе является диатомея А. granulata (Ehr.) Sim., достигающая максимального развития на станции с. Ачкасово - 5,31 млн. кл/л (52,4% от общей численности), 4,53 мг/л (72,8% от общей биомассы).

Многомерный анализ структурных характеристик фитопланктона (число видов, численность, биомасса) исследованного участка реки Москвы позволил выделить две группы станций - до участка Софьино - Бронницы и от Бронниц до устья реки (Рис. 6).

Такое разделение тракта указывает на существенную перестройку структуры фитопланктонного сообщества на участке Софьино - Бронницы. Рассматривая изменчивость биомассы видов (Рис. 7) по тракту реки, можно видеть, что значительные изменения наблюдаются именно в этом районе.

Вклад отделов в численность фитопланктона на выделенных участках реки различен. В черте г. Москвы и далее по тракту до г. Бронницы численность фитопланктона формируется в основном за счет Cyanobacteria и Ochrophyta. По мере удаления от г. Москвы возрастает доля водорослей отдела Chlorophyta. На участке Бронницы - Коломна в июне доминируют

Строгино Верх. Мячково Котельническая наб.

Братеево Дзержинский Жуковский Софьино Бронницы Фаустово Коломна Радужный Воскресенск Ачкасово

О 2 4 6 8 10 12

Расстояние объединения

Рисунок 6. Структура фитопланктона реки Москвы в нижнем течении.

--

ь

и гп" р-Н N а Е-.....

--

Среднее I I Среднее+Ст.ош. ~Т~ Среднее+Ст.откл.

I

X

Рисунок 7. Изменчивость биомассы видов фитопланктона по тракту реки Москвы в июне.

водоросли отдела СЫогорЬу1а, а в сентябре совместно доминируют ОсЬгорЬу1а, СЫогорЬу1а и СуапоЬас1епа.

Динамика относительного сходства структуры фитопланктона между станциями показывает существенное отличие первого участка (Строгино -Софьино), где уровень относительного сходства между станциями низкий, от второго (Бронницы - Коломна), для которого уровень относительного сходства существенно выше, что говорит о наличии более однородных условий на данном участке реки (Рис. 8).

Таким образом, пространственное распределение фитопланктона на исследованном участке реки Москвы показывает, что на участке Софьино -Бронницы (50-60 км от МКАД) происходят значительные изменения структуры всего сообщества, что может быть объяснено снижением влияния городских стоков по мере удаления от г. Москвы в результате самоочищения реки. В районе Софьино - Бронницы завершается процесс основного самоочищения водных масс реки от веществ, поступающих со стоками очистных сооружений КСА (выпуск до станции Братеево) и ЛСА (выпуски перед станцией г. Жуковский). На первом участке (до Софьино - Бронницы) сообщество фитопланктона формируется под влиянием сточных вод, а далее начинается тракт «нормальной» в основном очищенной от стоков реки, где структура фитопланктона определяется естественными факторами. Это подтверждается тем, что изменения численности и биомассы фитопланктона в июне и сентябре на участке от Бронниц до устья реки (Рис. 4 а, б) соответствуют естественной сезонной динамике развития фитопланктона в верховье реки Москвы - падение численности и биомассы в летнюю межень (вторая половина июня - начало августа) и массовое развитие фитопланктона в сентябре (Малашенков, 2009).

О завершении к участку Софьино - Бронницы процесса самоочищения реки также свидетельствуют изменение ряда гидрохимических показателей. Так наименьшая концентрация растворенного кислорода зарегистрирована на незначительном удалении от выпусков КСА (5,13 мг/л на станции Братеево)

(Рис. 9). Далее по тракту концентрация кислорода возрастает до станции с. Софьино (8,41 мг/л), а затем до устья реки варьирует незначительно.

Рисунок 8. Уровни относительного сходства структуры фитопланктона по тракту реки Москвы.

Рисунок 9. Изменение концентрации кислорода в нижнем течении реки Москвы.

Кроме того, по данным Н.М. Щегольковой (Щеголькова, 2007; Щеголькова, Венецианов, 2011) полное окисление органического вещества, поступающего в реку Москву со сточными водами, завершается примерно на расстоянии 50 км от МКАД, что соответствует району Софьино - Бронницы, а содержание общего азота на этом расстоянии уменьшается в несколько раз.

Глава 6. Оценка качества воды нижнего течения реки Москвы.

При расчете значений индекса сапробности по Пантле и Букку в модификации Сладечека было использовано 305 индикаторных таксонов. В целом значения сапробности воды по тракту реки в 2010 г. изменялись в пределах (3-мезосапробной зоны (умеренно-загрязненные воды) (Рис. 10).

Рисунок 10. Сапробность воды реки Москвы по индексу Пантле и Букка в модификации Сладечека в июне и сентябре 2010 г.

"Июнь »Сентябрь

Исключением являлись лишь станции г. Дзержинский и с. Верхнее Мячково, на которых в июне значения сапробности соответствовали а-мезосапробной зоне (загрязненные воды), что вероятно связано с более интенсивным сбросом сточных вод в этот период, поскольку в сентябре на этих станциях

была зарегистрирована ß-мезосапробная зона загрязнения. В течение года в районе станции Дзержинский значения сапробности воды также в целом соответствовали ß-мезосапробной зоне.

При расчете значений диатомового индекса DAIpo было использовано 105 индикаторных таксонов. Среднее значение индекса по тракту реки составляло 51,62 в июне и 49,58 в сентябре, что по мнению ряда авторов (Баринова, Медведева, 1996; Баринова и др., 2000) соответствует границе олиго- и ß-мезосапробной зон.

Значения обоих индексов качества воды на исследованном участке реки Москвы сходны с указанными для верхнего течении реки (Витвицкая, 1991; Малашенков, 2009).

ВЫВОДЫ

1. В собранном материале определено 406 видовых и внутривидовых таксонов водорослей, относящихся к 7 отделам. Из них 181 таксон для альгофлоры нижнего течения реки Москвы указан впервые.

2. В таксономическом составе фитопланктона нижнего течения реки Москвы преобладают водоросли отделов Ochrophyta (170 видовых и внутривидовых таксона) и Chlorophyta (115 таксонов).

3. Фитопланктон нижнего течения реки Москвы представлен в подавляющем большинстве пресноводными космополитными видами, имеющими оптимумы развития при средних температурах, приуроченными к водным объектам с замедленным течением и щелочной или нейтральной реакцией воды.

4. Особенностями годовой динамики фитопланктона являются высокие значения численности и биомассы в зимний период (до 2,33 млн. кл/л и 0,93 мг/л соответственно), что связано с влиянием теплых стоков со станций аэрации, и массовое развитие фитопланктона в период летней межени (конец июня - начало августа).

5. В нижнем течении реки Москвы выделено два участка тракта, различающихся по структуре фитопланктонного сообщества: до района

Софьино - Бронницы и от него до устья реки. На первом участке основной вклад в общую численность фитопланктона на протяжении всего года вносят Cyanobacteria и Ochrophyta. На втором участке в июне доминируют водоросли отдела Chlorophyta, а в сентябре совместно доминируют Ochrophyta, Chlorophyta и Cyanobacteria. По биомассе на обоих участках в течение всего года доминируют водоросли отдела Ochrophyta.

6. Характер изменения структурных характеристик фитопланктона по тракту показывает, что процесс самоочищения реки Москвы от поступающих в нее стоков г. Москвы в основном завершается на расстоянии 50-60 км ниже города.

7. Оценка качества воды показала, что воды нижнего течения реки Москвы относятся к (З-мезосапробной зоне (умеренно-загрязненные воды).

Список работ, опубликованных по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ростанец Д.В., Хазанова К.П., Хромов В.М. Применимость разных типов водных сообществ для экспресс-оценки качества воды малых водотоков // Естественные и технические науки. М.: «Компания Спутник+», 2011. № 4 (54). С. 196-198.

2. Ростанец, Д.В., Хромов В.М. Хазанова К.П. Состав и таксономическая структура фитопланктона нижнего течения реки Москвы // Естественные и технические науки. М.: «Компания Спутник+», 2011. № 5 (55). С. 151-153.

3. Ростанец, Д.В., Хромов В.М., Недосекин А.Г. Годовая динамика фитопланктона в нижнем течении реки Москвы // Естественные и технические науки. М.: «Компания Спутник+», 2011. № 5 (55). С. 148-150.

4. Ростанец Д.В., Хромов В.М., Недосекин А.Г., Хазанова К.П. Пространственное распределение фитопланктона в реке Москве ниже города Москвы // Вестник Российской академии естественных наук. М., 2011. Т. 11. № 4. С. 69-74.

Список работ, опубликованных по теме диссертации в других изданиях:

1. Хромов В.М., Малашеиков Д.В., Недосекш А.Г., Смирнова Я.Ю., Ростанец Д.В. Изменчивость структурных характеристик фитопланктона в условиях канал - насосная станция - река - водохранилище // Материалы Всероссийской школы-семинара «Проблемы современной альгологии» (г. Уфа, 7-9 октября 2008 г.). Уфа, 2008. С. 133-136.

2. Ростанец Д.В., Недосекин А.Г., Хромов В.М. Оценка влияния города Москвы на качество воды реки Москвы. // Материалы научно-практической конференции с международным участием «Современные фундаментальные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод России» (г. Азов, 8-10 июня 2009 г.). Ростов-на-Дону, 2009. Часть 1. С. 187-189.

3. Недосекин А.Г., Малашенков Д.В., Ростанец Д.В., Хромов В.М. Результаты исследования фитопланктона у берега и на стрежне реки Москвы // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отдел Биологический. Т. 114, выпуск 3. М.: 2009. Приложение 1. Часть 2. С. 110115.

4. Хромов В.М., Недосекин А.Г., Малашенков Д.В., Ростанец Д.В., Карташева Н.В. Пространственная изменчивость фитопланктона в реке Москве // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отдел Биологический. Т. 114, выпуск 3. 2009. Приложение 1. Часть 3. М., 2009. С. 265-270.

5. Недосекин А.Г., Малашенков Д.В., Ростанец Д.В., Хромов В.М. II Пространственно-временная изменчивость показателей качества воды в речных условиях // Материалы научной конференции (с международным участием) «Современные проблемы гидрохимии и формирования качества вод» (г. Азов, 27-28 мая 2010 г.). Ростов-на-Дону, 2010. С. 243-246.

6. Малашенков Д.В., Недосекин А.Г., Ростанец Д.В., Хромов В.М. Сравнительная оценка индексов качества воды в реке Москве // Тезисы Международной научно-практической конференции «Экологические

проблемы речных экосистем» (г. Минск, 21-23 сентября 2010 г.). Минск,

2010. С. 37-38.

7. Малашенков Д.В., Недосекин А.Г., Ростанец Д.В., Хромов В.М. Использование разных групп водорослей фитопланктона для оценки качества воды в реке // Тезисы Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы речных экосистем» (г. Минск, 21-23 сентября 2010 г.). Минск, 2010. С. 39-40.

8. Ростанец Д.В., Хазанова К.П., Хромов В.М. Разработка метода экспресс-диагностики качества воды малых рек // Тезисы Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы речных экосистем» (г. Минск, 21-23 сентября 2010 г.). Минск, 2010. С. 57-58.

9. Ростанец Д. В. Влияние мегаполиса на структуру фитопланктона реки // Тезисы докладов XIV Школы-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (п. Борок, 26-30 октября 2010 г.). Борок, 2010. С. 45.

10. Ростанец Д.В. Влияние антропогенной нагрузки мегаполиса на структуру фитопланктона реки Москвы // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (г. Гродно, 2729 октября 2010 г.). Гродно, 2010. С. 268-270.

11.Хромов В.М., Карташева Н.В., Недосекин А.Г., Малашенков Д.В., Ростанец Д.В. Гидробиологическое обследование реки Москвы в районе Звенигородской биологической станции им. С.Н. Скадовского // Труды Звенигородской биологической станции имени С.Н. Скадовского. Т. 5 / Под ред. Н.Г. Улановой, В.М. Гаврилова. М.: «Гриф», 2010. С. 180-183.

12.Карташева Н.В., Малашенков Д.В., Недосекин А.Г., Ростанец Д.В., Хромов В.М. Особенности распределения планктона в реке Москве // Тезисы докладов Всероссийской конференции с международным участием «Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем» (г. Тольятти, 12-15 сентября 2011 г.). Тольятти,

2011. С. 78

13. Ростанец Д.В., Малашенков Д.В. Влияние мегаполиса на развитие фитопланктона в реке // Материалы IV Всероссийской конференции по водной токсикологии, посвященной памяти Б.А. Флерова, «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» и школы-семинара «Современные методы исследования и оценки качества вод, состояния водных организмов и экосистем в условиях антропогенной нагрузки» (п. Борок, 24-29 сентября 2011 г.). Борок, 2011. Ч. 2. С. 54-57.

14. Малашенков Д.В., Ростанец Д.В., Недосекин А.Г. Эвгленовые водоросли как показатели качества воды в речных условиях // Тезисы докладов II Международной конференции «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (г. Санкт-Петербург, 10-14 октября 2011 г.). СПб., 2011. С. 106. \5.PocmaHeij Д.В., Малашенков Д.В., Недосекин А.Г. Сравнительная характеристика фитопланктона реки Москвы выше и ниже города Москвы // Тезисы докладов II Международной конференции «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (г. Санкт-Петербург, 10-14 октября 2011 г.). СПб., 2011. С. 140.

Заказ № 39-р Подписано в печать 07.11.2011 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,25

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 чСЧА' www.cfr.ru; е-таИ:info@cfr.ru

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Ростанец, Дмитрий Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Фитопланктон в условиях антропогенного прессинга города

1.2. Использование фитопланктона в системе биомониторинга пресных вод.

1.3. Общая характеристика реки Москвы.

1.4. Характеристика качества воды реки Москвы.

1.5. Фитопланктон реки Москвы.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Сбор и первичная обработка данных.

2.2. Анализ данных.

2.3. Биоиндикационные методы оценки качества воды.

ГЛАВА 3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИТОПЛАНКТОНА НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ МОСКВЫ.

3.1. Таксономический состав фитопланктона.

3.2. Эколого-географический анализ альгофлоры.

ГЛАВА 4. ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ФИТОПЛАНКТОНА

РЕКИ МОСКВЫ НИЖЕ Г. МОСКВЫ.

ГЛАВА 5. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ФИТОПЛАНКТОНА НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ МОСКВЫ.

5.1. Динамика фитопланктона по тракту реки в июне.

5.2. Динамика фитопланктона по тракту реки в сентябре.

5.3. Сравнительный анализ структурных показателей фитопланктона.

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ РЕКИ

МОСКВЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Пространственно-временная структура фитопланктона нижнего течения реки Москвы"

В последние годы проблема водных ресурсов во всем мире, и в Российской Федерации в частности, настолько актуальна, что активно рассматривается и контролируется на правительственном уровне. По прогнозам ЮНЕСКО, к 2030 году около половины населения Земли будет испытывать дефицит питьевой воды. Мировая потребность в воде на данный момент превышает половину среднегодового стока рек, и нехватку воды испытывают более 2 млрд. человек; около 250 млн. человек страдают от болезней, возникших в результате употребления некачественной воды. Вода является одним из важнейших экономических и стратегических ресурсов Российской Федерации, но при этом в ней около 11 миллионов человек не имеют доступа к чистой питьевой воде. Все это свидетельствует об острой необходимости детальной оценки экологического состояния пресноводных водоемов и водотоков, оценки качества воды в них, а также выявления источников загрязнения- и разработки эффективных мер по восстановлению водных объектов.

Более половины жителей земли проживает в городах, и с каждым годом процент городского населения земли' все увеличивается. Экологическое благополучие городов во многом зависит от состояния их основного водотока, обеспечивающего водоснабжение города, и принимающего сточные воды (Щеголькова, 2007).

К настоящему моменту г. Москва является одним из крупнейших мегаполисов мира. Численность ее жителей давно превысила 10 млн. человек, а с учетом временно проживающих в ней - 15 млн. человек. Это приводит перенапряжению всех систем жизнеобеспечения города, а также к колоссальной нагрузке на экосистему реки Москвы, представляющей собой яркий пример городского водотока.

Река Москва, являющаяся основным источником водоснабжения г. Москвы и Московской области, испытывает на себе все многообразие антропогенных воздействий. На ее водосборной площади проживает подавляющее большинство сельского и значительная часть городского населения Московского региона. Воды реки активно используются для промышленного, питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для орошения. Река Москва принимает значительное количество качественно неоднородных стоков г. Москвы (более 55% расхода реки составляют бытовые биологически очищенные стоки города), а также и других населенных пунктов Московской, области, изменяющих ее гидрохимический и температурный режимы (Щеголькова, Венецианов, 2011). Гидрологический режим реки изменен вследствии зарегулирования ее стока. Берега реки являются рекреационными* объектами, заливные пойменные луга используются для выпаса скота и заготовки кормов.

Антропогенный прессинг влияет на всю биоту водных объектов, и, в первую очередь, на сообщества первичных продуцентов, в частности — на сообщество фитопланктона. Фитопланктон находится в основании пищевой пирамиды, поэтому любые изменения в структуре его сообщества неминуемо скажутся на всех вышестоящих трофических уровнях. Также организмы фитопланктона непосредственно участвуют в формировании качества воды, и могут как повышать его (выделяя в процессе жизнедеятельности кислород, тем самым аэрируя воду, изымая из нее биогенные элементы и т.д.), так и понижать (вызывая вторичное загрязнение после массовых вспышек численности - цветений).

Фитопланктон является одним из основных показателей в системе гидробиологического мониторинга водотоков, изменения его состояния адекватно отражают изменения экологического состояния реки в целом и качества воды в ней, что обусловлено чувствительностью фитопланктона к изменению физико-химических свойств воды и быстрому отклику на него, благодаря краткому циклу развития организмов. (Абакумов, 1977; Михеева, Ганченкова, 1979; Федоров, 2004; Pertti, 1984; Bellinger, Sigee, 2010). Водотоки, в отличие от водоемов, характеризуются высокой степенью пространственной и временной неоднородности различных параметров, и в частности структуры фитопланктонного сообщества (Хромов, 2004). Поэтому для более эффективного использования сообщества фитопланктона в оценке состояния речных систем необходимо детальное изучение пространственно-временной изменчивости его структуры.

Если фитопланктон верховья реки Москвы (от Можайского водохранилища до г. Москвы) изучен достаточно подробно (Никитинский, 1912; Савич, Балкашина, 1928; Левшина 1974; Витвицкая 1997; Хромов, 2004; Малашенков, 2009), то для нижнего течения реки (на территории г. Москвы и далее до устья) исследования фитопланктона не столь подробны и многочисленны (Никитинский, 1909; Ганыпина, Смирнов, 1982; Тумбинская, 2006).

Поэтому актуальность данной работы обусловлена: в теоретическом аспекте детальным изучением состава и структуры фитопланктонного сообщества нижнего течения реки Москвы и его пространственно-временной изменчивости в условиях антропогенного воздействия г. Москвы; в прикладном тем обстоятельством, что выявленные закономерности могут служить основой для мероприятий по регулированию качества воды рек, подверженных антропогенному воздействию городов, а также для повышения информативности мониторинга рек и прогнозирования их экологического состояния.

Цель работы. Исследовать пространственно-временную изменчивость структурных характеристик фитопланктона нижнего течения реки Москвы в условиях антропогенного воздействия г. Москвы. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: изучить качественный и количественный состав фитопланктона реки Москвы от места ее вхождения в границы г. Москвы (район Строгино) до устья; исследовать особенности изменения структурных характеристик фитопланктона в течение года; выявить закономерности пространственной изменчивости структурных характеристик фитопланктона на исследуемом участке реки по мере удаления от г. Москвы; провести оценку качества воды по сообществу фитопланктона методами биоиндикации.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Ростанец, Дмитрий Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Качественный и количественный состав фитопланктона нижнего течения реки Москвы подвержен значительным временным и пространственным изменениям, большая часть которых нехарактерна для верхнего течения реки. Помимо влияния естественных факторов, это обусловлено антропогенным воздействием г. Москвы, которое проявляется в следующем: изменении температуры воды под воздействием теплых стоков города; разбавлении вод реки сточными водами станций аэрации, понижающем значения численности и биомассы фитопланктона; внесении в реку больших объемов очищенных вод, богатых биогенными элементами, а также воздействии загрязняющих веществ поступающих с промышленно-ливневыми стоками.

Несмотря на столь сильный антропогенный прессинг, качество воды в нижнем течении реки соответствует качеству воды верхнего течения. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, в конце XX и начале XI века произошло резкое сокращение промышленного производства в черте г. Москвы, а, следовательно, уменьшились объемы промышленных стоков. Во-вторых, была повышена эффективность работы очистных сооружений города, что значительно улучшило качество сбрасываемых ими сточных вод. В-третьих, в последние годы в зимне-весенний период были прекращены прямые сбросы в реку Москву городского снега, который в настоящее время через снегоплавильные сооружения поступает на станции аэрации, где перед сбросом проходит предварительную очистку.

Однако проведенные нами исследования оставляют нерешенными ряд вопросов относительно пространственно-временной изменчивости фитопланктона и формирования качества воды в реке Москве ниже мегаполиса.

Важно установить зависимость изменений фитопланктонного сообщества, а также протяженности тракта реки, на котором происходит самоочищение, от объемов сброса сточных вод.

Принимая во внимание выявленное в целом незначительное изменение качества воды по тракту реки в нижнем течении, желательно проведение подобного исследования с применением комплекса других, возможно более чувствительных, методов. Также возникает необходимость изучения возможности модификации индексов, использованных в данной работе, с целью повышения их эффективности при высокой степени многофакторности среды и разнокачественности загрязнения.

Кроме того, остается неизученной роль зарегулированности стока нижнего течения реки (2 плотины на территории города и 5 ниже по течению) в изменчивости фитопланктона.

Исследования в данных направлениях позволят получить более детальную картину пространственной изменчивости фитопланктона и расширят представления о процессах самоочищения реки Москвы в нижнем течении.