Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Современное экологическое состояние реки Иртыш в нижнем течении

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Современное экологическое состояние реки Иртыш в нижнем течении"

На права^^описи

Чемагин Андрей Александрович

СОВРЕМЕННОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РЕКИ ИРТЫШ В НИЖНЕМ ТЕЧЕНИИ

специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферерат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

3 ПАР 2015

Тюмень - 2015

005559861

005559861

Работа выполнена в ГАУ Северного Зауралья на кафедре водных биоресурсов и гидроэкологин и в лаборатории водных экосистем Тобольской комплексной научной станции УрО РАН

Научный кандидат биологических наук, доцент

руководитель: Михайлова Людмила Владимировна

Официальные Филенко Олег Федорович

оппоненты: доктор биологических наук, старший научный

сотрудник, профессор кафедры гидробиологии биологического факультета Московского

государственного университета им. М.В. Ломоносова

Чуйко Григорий Михайлович

доктор биологических наук, заведующий лабораторией физиологии и токсикологии Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Ведущая организация:

Курганский государственный университет

Защита состоится «24» апреля 2015 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7. Телефон /Факс: 8 (3452) 46-87-77 E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья и на сайте http://www.tsaa.ru.

Автореферат разослан «18» февраля 2015 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Состояние водных объектов Обь-Иртышского бассейна определяется как природными особенностями гидрографической сети, так и хозяйственной деятельностью (Ресурсы поверхностных вод, 1973; Обзор экологического состояния...,1991-2006; www.admtyumen.ru). Основными проблемами в области охраны и использования водных ресурсов бассейна р. Иртыш главным образом является их низкое качество и водность. Объем загрязнений из р. Иртыш за последние 10-15 лет возрос (www.nobwu.ru).

Основными источниками загрязняющих веществ р. Иртыш являются предприятия нефтедобычи и нефтепереработки, машиностроения, металлургической, строительной, лесной, деревообрабатывающей, легкой и пищевой промышленности, речной флот, предприятия жилищно-коммунального хозяйства, а также неорганизованный сток с селитебных территорий и сельхозугодий и трансграничный перенос с территории соседних областей и государств. Основные загрязняющие вещества воды и ДО - тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, биогены (азот, фосфаты, железо), органические вещества (Деманова и др., 2004; Шевелева, 2004; Ильин, Даринский, 2005).

Река Иртыш обладает значительными водными биологическими ресурсами, в первую очередь рыбными - сиговые, осетровые, карповые, окуневые и др. В нижнем течении реки имеются зимовальные ямы, играющие важную роль в сохранении наиболее ценных видов рыб для всего Обь-Иртышского бассейна (Павлов и др., 2011). Вместе с тем химический состав воды и ДО, их загрязнение, токсичность, состояние кормовой базы остаются слабоизученными. Кроме того, отсутствуют данные оценивающие потенциальную опасность для рыб токсических веществ, накопившихся в ДО и кормовых организмах.

В связи с выше изложенным, оценка современного экологического состояния реки Иртыш, находящейся под значительным влиянием сильного и длительного антропогенного воздействия, является актуальной задачей.

Цель работы - оценка современного состояния экосистемы Нижнего Иртыша в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области с помощью комплексного подхода (гидрохимия, биотестирование, биоиндикация).

Задачи:

1. Исследовать качество воды и донных отложений в нижнем течении р. Иртыш по основным гидрохимическим показателям и загрязняющим компонентам.

2. Исследовать токсичность воды и донных отложений методом биотестирования.

3. Изучить видовой состав, структуру и количественные показатели макрозообентоса как одного из компонентов кормовой базы и биоиндикатора состояния водного объекта.

4. Определить накопление тяжелых металлов основными группами макрозообентоса и потенциальные пути передачи тяжелых металлов в системе донные отложения - макрозообентос - рыбы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Донные грунты накапливают нефтепродукты, макро- и микроэлементы выше кларка земной коры (РЬ, БЬ, 8е) и фоновых концентраций (Ре, Мп С(1 Со Сг Си, Аз).

2. Токсичность воды и донных отложений связана со степенью загрязнения как по длине реки, так и по ее сечению, что определяется морфологическими особенностями русла реки (меандрирование, характер берегов и грунта), водностью, скоростью течения, наличием хронических и локальных источников загрязнения.

3. Под воздействием длительного и многофакторного загрязнения донных отложений русла реки макрозообентос трансформировался в направлении снижения видового разнообразия, изменений в доминирующем комплексе, исчезновения чувствительных видов. Разные группы бентического сообщества накапливают тяжелые металлы соответственно их содержанию в донных отложениях.

Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ состояния экосистемы Иртыша в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области. Впервые определен полный химический состав донных отложений и установлена зависимость распределения макро- и микроэлементов, нефтепродуктов от характера берегов, качества грунтов, сезона года и локальных источников загрязнения. Впервые в районе исследований определено накопление ТМ разными группами макрозообентоса и установлена прямая коррелятивная связь между содержанием ТМ в ДО и гидробионтах (г=0,83-0,94). Впервые определен оптимальный комплекс биотических индексов (Гуднайта-Уитлея, Тодераша, Маргалефа, Матковского), коррелирующих между собой (г=0,88-0,96) и с показателями загрязнения и токсичности с высокой степенью связи, позволяющий дать наиболее полную и объективную характеристику состояния реки Иртыш в районе исследований. Получены современные данные структуры бентического сообщества, количественных показателей и распределения организмов в русле реки в районе исследований.

Практическая значимость. Подходы, использованные в работе автором, положены в основу стратегии дальнейших исследований реки Иртыш в зоне деятельности ТКНС УрО РАН в связи с возрастающим антропогенным влиянием со стороны нефтедобывающий и нефтеперерабатывающей промышленности. Материалы диссертационной работы использованы на практических и семинарских занятиях по общей экологии со студентами ТГСПА и ГАУСЗ, при проведении круглого стола «Экологическое состояние г. Тобольска и Тобольского района: обзор, проблемы, перспективы» (2013), во время проведения мастер-классов «Школы молодого ученого г. Тобольска — 2014».

Апробация результатов исследований. Материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры водных биоресурсов и гидроэкологии ГАУ Северного Зауралья (2012-2015 гг.), Междунар. конф.: V «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2014 г.) и Всеросс. конф.: VIII, X, XI «Тобольск научный» (Тобольск, 2011, 2013, 2014 гг.), «Физиологические, биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптаций гидробионтов» (Борок, 2012 г.), II «Мониторинг экологически опасных объектов и природных экосистем» (Пенза, 2013 г.), II «Современное состояние биологических ресурсов внутренних вод (Борок, 2014 г.), круглом столе «Экологическое состояние Тобольска и Тобольского района: обзор, проблемы, оценка, перспективы» (Тобольск, 2013 г.), «Школе молодого ученого г. Тобольска» (Тобольск, 2014 г.), XV Школе-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (Борок, 2013 г.).

Личный вклад. Автором самостоятельно выполнены отборы проб воды, ДО, макрозообентоса, камеральная обработка проб, а также токсикологические исследования и последующий анализ результатов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 - в журналах из перечня ВАК, из них 4 - в РИНЦ, 1 - в Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 основных глав, выводов и приложения. Список литературы включает 486 источников, в том числе 43 зарубежных. Диссертация изложена на 179 страницах машинописного текста и иллюстрирована 41 таблицей и 39 рисунками, в приложении - 48 таблиц.

Работа выполнена в ГАУ Северного Зауралья на кафедре водных биоресурсов и гидроэкологии и в лаборатории водных экосистем ТКНС УрО РАН при реализации программы ФНИ «Анализ функционирования антропогенно-трансформируемой речной системы Нижнего Иртыша» № гос. per. 01201277813.

Выражаю особую глубокую благодарность научному руководителю - зав. кафедрой водных биоресурсов и гидроэкологии ГАУСЗ, к.б.н. JI.B. Михайловой, а также к.ф.-м.н. A.A. Кудрявцеву, A.A. Гаеву (ТюмГУ) и А.И. Коваленко (Госрыбцентр) - за помощь при определении НП, АЛО. Медведеву (ГИМС по Тюменской области) - за участие в полевых работах, В.Г. Головой (Госрыбцентр) - за консультативную помощь при обработке проб бентоса, коллективам лабораторий водных экосистем и экотоксикологии ТКНС УрО РАН и моему другу Н.С. Шабанову за постоянную поддержку в процессе выполнения диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе изложены литературные данные, характеризующие различные методы, подходы и классификации, используемые в оценке экологического состояния водных объектов. Приведена краткая географическая характеристика Иртышского бассейна, хозяйственная деятельность как источник загрязнения, приоритетные загрязняющие вещества (НП, ТМ) и их влияние на гидробионты. Дан ретроспективный анализ гидрохимического режима реки Иртыш с 1937 г. Показано, что актуальность использования комплекса методов в оценке экологического состояния водного объекта признается многими учеными.

Глава 2 МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ

Настоящая работа основана на результатах, полученных автором в 2011-2013 гг. при исследовании участка (179 км) р. Иртыш в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристика створов отбора проб воды, ДО, бентоса по руслу р. Иртыш_

№ створа, разрез Район Расстояние эт устья, км Характер грунтов

левый берег стрежень правый берег

1 2 3 4 5 6

1, выше с. Абалак Тобольский 699 глинистый песчаный песчаный

2, выше г. Тобольск (п. Бизино) Тобольский 672 илисто-песчаный песчано-илистый песчано-илистый

3, ниже г. Тобольска (район Речного порта) Тобольский 652 илистый песчано-илистый песчано-илистый

4,район п. Медведчикова Тобольский 624 илистый песчано-илистый илисто-песчаный

5, ниже п. Бронникова Тобольский 608 илисто-песчаный песчано-илистый иесчано-ил истый

6, выше научно-исследовательского стационара «Миссия» Уватский 531 песчаный песчано-илистый глинисто-песчаный

7, ниже п. Горнослинкино У вате кий 520 илисто-песчаный песчано-илистый илисто-песчаный

Карта-схема района исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Карта-схема района исследований

створы отбора проб бентоса, воды и донных отложений границы муниципальных - - - • районов

границы г. Тобольска

■*-направление течения

реки

А населенные пункты

Химический анализ воды, ДО.

Отбор и анализ проб воды и ДО проводили стандартными

методами (ГОСТ 17.1.5.01-80; РД 52.24.609-99). Содержание НП определяли методом ИК-спектрофотометрии (ПНД Ф 16.1: 2.2.22-98 изд.2005), ТМ -атомно-эмисионным методом (ПНДФ 16.1:2.2:3.36-02) в i аккредитованных лабораториях 68,17 в.).1 ТКНС УрО РАН и ФГУП

«Госрыбцентр».

Биотест ирование. Токсичность проб воды с 7 створов р. Иртыш оценивали по показателям выживаемости, роста и плодовитости Daphnia magna. Для биотестирования использовали 1 сут рачков, начиная с 3-го поколения, полученного от 1-ой самки. Биотестирование проб донных отложений р. Иртыш производили в системе ДО-вода (1:10). Контролем служила вода с чистым карьерным песком.

Смену воды и ДО в опытах не производили. Длительность опыта составила 30 суток. Измерения и учет рачков проводили на 1-е, 10-е, 20-е и 30-е сут в 3-х повторностях по 10 экз.

Макрозообенгос, биоиндикации и ДО. На каждом створе пробы отбирали у левого, правого берега и на стрежне реки при помощи дночерпателя Летерсена (обычного и утяжеленного с площадью захвата 1/40 м2). В лабораторных условиях, пробы промывали через газ-сито №23, макрозообентос разбирали по группам, фиксировали 70%-ным спиртом для дальнейшего определения. Расчет численности и биомассы бентофауны на 1 м2, их фиксация и взвешивание производились согласно общепринятым методикам (Методические рекомендации..., 1983; Руководство..., 1983). Качественный состав донной фауны определяли по методическим руководствам (Глухова, 1976; Лепнева, 1964; 1966, Лукин, 1976; Панкратова, 1970, 1977, 1983; Попова, 1953; Чекановская, 1962; Кутикова^ Старобогатов, 1977; Тесленко, Жильцова, 2009; Цалолихин, 2004).

Для определения качества вод и ДО проводили структурный анализ бентосных сообществ по общепринятым индексам: Вудивисса (Woodiwiss, 1964), Шеннона-

4

58.563-

т

Гу п. I орнослмнкико > вятский район На ®

I ни" «

------А-'

ъ

^(Т

С

«Мисси я л

-•Ь п. Ванникова

11. Медевсдчиконо

То6о.п>ским район

// \* г. Тобольск

SJM®

и

с. Абалак

01

■5!ч I I < •

Bat а некий райуи

Уивера, Маргалефа (Shannon, Weaver, 1963; Margalef, 1968), Гуднайта-Уитли (Goodnight, Whitley, 1961), Тодераша (Тодераш. 1984), доля моллюсков (Экологические проблемы..., 2001), интегральный показатель Матковского (ИПМ) (Матковский, 1998), индекс доминирования (Броцкая, Зенкевич, 1937). Сравнение видового разнообразия на станциях отбора выполняли при помощи индекса Серенсена (Sorensen, 1948). Ранговую комплексную оценку качества вод и ДО проводили по классификациям (Экологические проблемы... , 2001; Михайлова, 2007). Для оценки накопления ТМ и других элементов организмами макрозообентоса был рассчитан коэффициент биотической аккумуляции (КБАдо) (Брагинский, 1985; Никаноров и др., 1985).

Объем исследований. Объем исследований приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Объем исследований химического состава и биотестирования проб воды, донных отложений, макрозообентоса_

Вид исследований Количество проб Количество анализов Всего

Общий химический анализ воды (весна, лето, осень, 2013 г.) 63 45 945

Общий химический анализ донных грунтов (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 80 1680

Содержание тяжелых металлов в донных грунтах (весна, лето, осень, 2013 г.) 63 39 819

Валовое содержание нефтепродуктов в донных фунтах (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 1 105

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов и микроэлементов в макрозообентосе (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 19 399

Биотестирование проб воды (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 15 315

Биотестирование проб ДО (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 15 315

Макрозообентос (лето, осень, 2012 г., весна, лето, осень, 2013 г.) 105 10 210

Всего 756 228 4788

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 Химический состав и загрязнение воды и донных отложений в нижнем

течении р. Иртыш

Химический состав вод. В настоящее время вода р. Иртыш сохраняет свой статус, то есть она пресная, среднеминерализованная, гидрокарбонатного класса, кальциевой, группы I типа, от очень мягкой до мягкой на протяжении всего периода наблюдений в разные сезоны 2013 г.

Содержание компонентов солевого состава и общая минерализация воды зависят от водности: в период весеннего паводка и осеннего половодья они снижаются, в межень - возрастают (рисунок 2).

«

о. 2 к

5

к

=!

а '

а.

н

аз

(и И К

£

200 150 100 50 0

94

31 || | | [

16 мая 2013 г.

50 40 30 20 10 0

37

11

3,8

16 мая 2013 г.

26

12

3,4

Ш !Ж53

9 июля 2013 г.

30 сентября 2013 !

нсо3

-Са

30 сентября 2013 г.

22'8 ^ 5 9 И С]"

Мё

Рисунок 2 - Сезонная динамика средних значений общей минерализации и основных ионов по створам р. Иртыш, 2013 г.

В средневодном 2013 г. падение уровня воды затянулось до июля, именно в этот период сумма основных ионов была минимальной. Вода содержит повышенное количество ОВ и биогенов (Ре, N1-14, N02) на протяжении всего открытого периода на всех створах. Особенно высокое - на створах 4 и 5 (п. Медведчиково и п. Бронникова), а весной и летом - на 7 створе (п. Горнослинкино). В среднем на 1-3 створах вода «загрязненная», на 4-7 створах «грязная» (таблица 3).

Таблица 3 - Суммарная оценка загрязненности воды биогенами (ИЗВ4) р. Иртыш

Дата отбора проб Створы отбора проб

1 2 3 4 5 6 7

16 мая 2013 г. 5,07 4,75 4,64 5,10 5,63 5,41 5,79

9 июля 2013 г. 3,90 3,58 3,86 4,44 4,24 3,89 4,12

30 сентября 2013 г. 3,68 3,56 3,56 4,46 4,09 3,70 3,83

В среднем за открытый период 4,22 3,96 4,02 4,66 4,65 4,33 4,58

Класс качества IV IV IV V V V V

Донные отложения. На исследуемом участке реки из биогенов в ДО больше всего обнаруживалось фосфатов. В 2012 г. максимум на створе 4: летом - 193,83 мг/кг, осенью - 165,67 мг/кг, минимум на створе 6: летом — 130,5 мг/кг, осенью - 77 мг/кг. Во все сезоны 2013 г. их среднее содержание в ДО и размах колебаний был меньше: летом - 137,8 мг/кг, осенью - 120,89, весной - 100,9 мг/кг.

Содержание форм азота на порядок ниже, ввиду их хорошей растворимости.

Из токсических веществ в ДО определяли НП и ТМ.

Нефтепродукты. В 2012 г. максимально (80-120 мг/кг) были загрязнены ДО на стрежне и в правобережье створа 2, осенью на остальных створах их содержание было от 10 до 40 мг/кг. В 2013 г. содержание НП превысило ПДУдо на всех створах в 1,5-3,5 раза и составило 18,7-73,4 мг/кг, максимум - на 4 створе в правобережье весной (рисунок 3).

Макро- и микроэлементы в донных отложениях. К первым отнесли: А1>Ре>Са>М£>К>Мп>№. Среднее содержание в ДО А! и Не было выше 5000 мг/кг, Са, М& К - выше 1000 мг/кг, Мп и Ыа - выше 100 мг/кг. Среднее содержание остальных металлов, а также Ая, БЬ, Вг и Ье - от 0,1 до 90 мг/кг. На всем протяжении исследуемого участка реки прослеживалась сезонная динамика концентрации минеральных элементов в ДО: уменьшение в период весеннего паводка и осеннего половодья в связи с подъемом уровня воды, взмучиванием ДО, десорбцией ЗВ и увеличение в период межени за счет оседания их вместе со ВВ на дно. Среднее содержание металлов в ДО колебалось как по длине реки, так и по сечению в течение всего периода наблюдений. Количественную оценку давали по превышению ими кларка земной коры или фонового содержания. Содержание макрокомпонентов в ДО не превышало соответствующие кларки, но по длине (по створам, станциям) и по сезонам различалось существенно. Например, Ре: весной - от 577 до 22530 мг/кг, летом - от 549 до 20100 и осенью - от 1847 до 32800 мг/кг (кларк 48800 мг/кг). Содержание полуметалла - сурьмы (БЬ) и неметалла селена (Бе) превысило кларк на всех створах и всех станциях - от 5,0 до 40,3 и от 8,0 до 62,0 раз соответственно, что наглядно демонстрирует их распределение по створам в осенний период 2013 г. Наибольшее превышение кларка сурьмы приходится на левый берег (ст. 1, 2, 5, 7) -от 19,5 до 51,4 раз и стрежень (ст. 3 и 7) - 36,4 и 46,6 раз. В пробах с правого прибрежья содержание сурьмы преобладало лишь на створах 4 и 6 - в 20,7 и 24,4 раза (рисунок 4А).

„60

; СЗ

с.

§ 40

р 20

5

Рисунок 4 - Превышение кларка 8Ь и РЬ (раз) в ДО р. Иртыш по створам осенью 2013 г. (А - сурьма, Б - свинец)

Аналогичное распределение относительно кларка наблюдалось для селена и свинца (рисунок 4Б). На ст. 6 фон РЬ был превышен только у правого прибрежья, а у

и ЛБ

2 3 4 5 6 Створы отбора проб

с. С

10 8 ' б 4 • 1

□ лб

I

2 3 4 5 6 Створы отбора проб

Левый берег

Стрежень Створы отбора проб

Рисунок 3 - Содержание нефтепродуктов (мг/кг) в донных отложениях на створах р. Иртыш, 16 мая 2013 г. (примечание: прерывистой линией обозначен ПДУДО=20 мг/кг)

ст. 1 - только у левого, на ст. 2, 3, 5 и 7 у левобережья и на стрежне, и только на ст. 4 по всему разрезу. Среди других ТМ превышение фонового значения установлено для Ре, Мп, Сё, Со, Сг, Си, Мо, а также Аб в 1,2-2,0 раза в основном в нижнем створе в районе Горнослинкинской ямы (рисунок 5).

Таким образом,

исследования показали, что колебания концентрации химических веществ в ДО и их распределение связано с гидрологическим режимом, 1 морфометрией реки

(меандрирование), скоростью течения, температурой воды, содержанием взвешенных веществ, кислородным

режимом, а также скоростью биопродукционных процессов.

Рисунок 5 - Превышение фона ТМ в ДО по створам р. Иртыш в сентябре 2013 г. (над столбцами указаны номера створов, где отмечено максимальное превышение фона)

3.2 Накопление тяжелых металлов организмами макрозообентоса

Представители основных групп макрозообентоса Иртыша в большей или меньшей мере накапливали макро- и микроэлементы. Общая закономерность ряд их убывания в макрозообентосе и ДО нижнего Иртыша имеет следующий вид:

бентос: Zn>Sr>Na>Si>Cu>Mo>Se>Mn>Ca>Sb>Ni>As>Pb>Cr>Mg>Fe>Al>K (подчеркнуты элементы, для которых КБАдо>2);

ДО: AI>Fe>Ca>Mg>K>Mn>Na>Pb>Si>Sr>Zn>Cr>Ni>Se>Sb>Cu>Co>As>Mo (подчеркнуты элементы в ДО, превышающие кларк или фон).

Обращает внимание, что содержание в ДО Zn, Ni, Na, Si, Sr не превышает фоновых значений, однако они концентрируются организмами макрозообентоса (КБАдо >2). В то же время высокое содержание в ДО РЬ не сопровождается его накоплением беспозвоночными (только у ручейников КБАдо>1). Вместе с тем установлена прямая коррелятивная связь между химическим составом ДО и химическим составом организмов макрозообентоса: хирономиды - 0,93, ручейники 0,86, поденки - 0,94, стрекозы - 0,83, олигохеты - 0,81, моллюски — 0,18. По увеличению концентрации ТМ в организмах и КБАдо группы макрозообентоса можно расположить следующим образом: двустворчатые моллюски<личинки стрекоз<олигохеты< личинки поденок< хирономид< ручейников. В соответствии с классификацией A.M. Никанорова с соавторами (1985) макроконцентраторами (КБАд0>2) являются хирономиды (Zn>Mo>Na>Ni>Si>Sr), ручейники (Zn>Cu>Mn>As>Na>Sr>Sb>Si>Se), поденки (Zn>Si>Na>Cu>Sr), стрекозы (Zn>Si>Na), олигохеты (Zn>Si>Na>Cu>Sr>Se) и моллюски (Sr>Na).

3.3 Макрозообентос Нижнего Иртыша

В составе макрозообентоса нами были определены беспозвоночные 4 типов, 4 классов, 12 семейств, 20 родов, 25 видов. Наиболее разнообразна фауна амфибиотических насекомых (79,2%) из них - 12 видов хирономид Cryptochironomus defectus Kieffer, Procladius ferrugineux Kieffer, Chironomus plumosus Linné, Harnischia

8

curtilamellata Malloch, Paracíadopelma camptolabis Kieffer, Limnochironomus tritomus Kieffer, Limnochironomus nervosus Staeger, Polypedilum scalaenum Schrank, Polipedilum convictum Walker, Polipedilum bicrenatum ICieffer, Psectrocladius psilopterus Kieffer, Endochironomus tendens Fabricius. Доля остальных групп от их общего числа составляет небольшой процент: 3 вида ручейников: Hvdropsyche ornatula McLachlan, Neureclipsis bimaculata Linné, Brachycentrus subnubilus Curtis, по одному виду поденок (Palingenia longicauda Olivier), веснянок (Taeniopteryx nebulosa Linnaeus), стрекоз (Gomphus flavipes Charpentier) и мокрецов (Palpomyia lineata Meigen). Кроме того были отмечены 2 вида двустворчатых моллюскова: Sphaerium nucleus Studer, Sphaerium nitidum Clessin, 2 вида олигохет: Limnodrilus hojfmeisteri Claparède, Tubifex tubifex O. F. Müller, 1 вид пиявок Helobdella stagnalis Linné, а также нематоды.

Сравнение макрозообентоса с предыдущим периодом показало существенное различие в видовом составе. По сравнению с данными 80-х гг. XX в. (Шарапова, 1998) сократилось видовое разнообразие (с 46 до 25 видов). Из доминирующего комплекса выпали Paratendipes connectens, Prodiamesa bathyphila, Cryptochironomus rolli, H. curtillamellata, P. ferrugineus, P. longicauda. Из малакофауны не встретились представители родов Pisidium, Euglesa, а присутствовали представители 1 рода -Sphaerium (2 вида). Существенно возросла доля тубифицид - Т. tubifex, L. hojfmeisteri и нематод, что свидетельствует о росте сапробного и токсического загрязнения. Встречаемость ручейников в сообществе по сравнению с 30-40 гг. XX в. (Фридман, 1937) снизилась (со 100% до 17-38%), но по сравнению с 80-ми годами (Шарапова, 1998) практически не изменилась, особенно по ведущему виду fi. ornatula (14-28%).

Как качественные, так и количественные характеристики макрозообентического сообщества в 2012-2013 гг. колебались как во временном, так и в пространственном отношении (рисунок 6).

Биомасса-®- Численность--А- Число таксонов

5 д 5 <-

мь ^

4 N ,-4. жА 41

S3 А —V / ч з

H

о 2 ............

Î . ^ ^ 5

20

15 S о

0

1

10 I

О

s

á i - v ^ ,= 53-

5

0 | 0 12 3 4 5 6 7 Створы отбора проб

Рисунок 6 - Средние значения численности, биомассы и числа таксонов макрозообентоса Нижнего Иртыша по створам (2012-2013 гг.)

В разные сезоны средние величины численности по створам колебались от 430 до 1029 экз./м2, по биомассе - от 0,61 до 2,01 г/м2. По станциям диапазон шире. Численность: весной - от 120 до 1000 экз./м2, летом - от 80 до 3240 экз./м2, осенью от

40 до 2820 экз./м2; по биомассе: весна - от 0,08 до 0,36 г/м2, лето - от 0,04 до 11. 56 г/и2, осень - от 0,04 до 3,28 г/м2.

На самом «загрязненном» 4 створе регистрировались максимальные количественные показатели макрозообентоса. Здесь биомасса и численность создавались самыми выносливыми организмами - у левого берега и на стрежне в основном олигохетами (75-96%), у правого - олигохетами, моллюсками и хирономидами (в основном Р. $са1аепит, СИ. рЫтошз). Чувствительные организмы (личинки веснянок, поденок и стрекоз) не встречались в зоне ниже г. Тобольска, где расположен выпуск КОС города в р. Иртыш.

3.4 Биоиндикационный анализ состояния Нижнего Иртыша по показателям

макрозообентоса

Биотические индексы позволяют дать более дифференцированную оценку: по годам, сезонам и по станциям на створе. Для анализа воспользуемся интегральным показателем (таблица 4).

Таблица 4 - Величины ИПМ, характеризующие состояние Н. Иртыша во временном и пространственном аспекте, 2013 г.__

Дата отбора проб Створы X по длине

1 2 3 4 5 6 7

16.05. 67,7(11) 111,7(111) 124(111) 159,7(IV) 76,3(111) 76,3(11) 78,3(11) 102(111)

9.07. 82,7(11) 178,3(IV) 155,3(IV) 172(IV) 140,7(IV) 119,7(111) 121(111) 139,3(IV)

30.09. 125,3(111) 133,7(1 V) 159,3(IV) 170(IV) 137,3(IV) I06,7(IV) 136,3(IV) 138,3(IV)

X за открытый период 107,9(111) у-з. 141,9(IV) 3. 149,3(IV) 3. 165,8 (IV-V) 3,- r. M7,9(111) y- 3. 107,2(111) y- 3. 122,4 (III-IV) у - з,- г. 130,3(IV) 3.

Примечание: в скобках класс качества: II - «ч.» - чистые (27,1-95,0), III - «у - з.» -умеренно загрязненные (95,1-126,0), IV - «з.» - загрязненные (126,1-180,0), V - «г.» -грязные (180.1-300,0)

Таким образом, ИПМ, который интегрирует структурно-функциональные показатели сообщества зооценоза, изменяется по сезонам, а следовательно его величина зависит от водности, температуры, от характера биотопа и хронического, а также локального загрязнения. В районе 4 створа во все сезоны по всему створу ДО остаются загрязненными и грязными (1У-У класс). Усредненные данные ИПМ по всему району исследований характеризуют его в весенний период, как «слабо загрязненный» (стрежень) и «умеренно загрязненный» (прибрежье), в летний и осенний периоды - как «загрязненный» (IV класс). В пространственном отношении за весь период в среднем река в районе п. Абалак (1 створ), а также от п. Бронникова до п. Горнослинкино - «умеренно зафязненная» (ИТ класс), выше и ниже г. Тобольска -«загрязненная» (IV класс), в районе п. Медведчиково (ниже по течению) -«за1рязненная-грязная» (IV-V класс).

Корреляционный анализ величин индексов качества (таблица 5) позволил выделить их совокупность, дающую наиболее градуированную и объективную оценку состояния водоема. Это индексы Гуднайта-Уитли, Тодераша, Маргалефа и ИПМ, которые коррелируют между собой с высокой степенью связи п~0,88-0,96.

Таблица 5 - Коррелятивные связи между биотическими индексами (на основе структурно-функциональных показателей макрозообентоса), используемыми для оценки Нижнего Иртыша

Биотические индексы

ИГ ИТ ДМ И Ш ИВ ИМ

ИГ

к ИТ 0,92

о о дм -0,25 -0,04

|Г щ ИШ ;0,39 0,10 0,55

Н д ИВ -0,39 -0,32 0,79 0,58

s s to им -0,88 -0,82 0,19 0,05 0,48

ипм 0,96 -0,87 -0,18 0,36 -0,33 -0,81

3.5 Результаты токсикологического анализа проб воды и донных отложений методом биотестирования

Биотестирование позволило оценить токсичность воды и ДО на створах по показателям жизнедеятельности Daphnia magna в течение 30 сут. Результаты исследования показали, что ДО со всех створов и со всех станций в среднем снижают выживаемость рачков D.magna на 22,7-39,7%, а плодовитость - на 41,7-57,3%, что характеризует все грунты на участке Н. Иртыша как «загрязненные» (IV класс) и «грязные» (V класс), особенно на 4 створе во все сезоны открытого периода года. В меньшей степени ДО токсичны в районе створа 1 (рисунок 7).

| 0 - - .......

12 3 4 5 6 7 Створы

Рисунок 7 - Разница с контролем по показателям выживаемости и плодовитости Daphnia magna в пробах с ДО р. Иртыш к 30 сут, 2013 г.

С помощью метода одиночной связи взвешенного попарного среднего был выполнен кластерный анализ, на основе выживаемости, плодовитости и показателях роста дафний в пробах воды и ДО за весь период исследований (рисунок 8).

Видно, что створ 4 не объединяется ни в один кластер, здесь наблюдались наименьшие показатели выживаемости, плодовитости и роста рачков. Этот створ расположен вблизи сброса сточных вод КОС г. Тобольска, кроме этого выше него расположены несколько участков отстоя и ремонта речного флота. Все эти факторы суммируются и оказывают негативное воздействие на тест-объект, посредством

токсического действия многих загрязняющих веществ, которые могут находиться в воде и ДО.

2520 15 10

Евклидово расстояние

я я

ч »а ю о

4 5 6 3 2 7 Створы отбора проб

16. 14 12 10

Евклидово расстояние

4 3 2 7 6 5 1 Створы отбора проб

Рисунок 8 - Дендрограмма взаимосвязи створов отбора проб воды (А) и ДО (Б) на основе выживаемости, плодовитости и показателей роста дафний (2012-2013 гг.)

4 КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ НИЖНЕГО ИРТЫША

Анализ выполненных работ показал, что каждый из использованных методов или подходов дает конкретную характеристику состояния Н. Иртыша в районе исследований.

По результатам химического анализа воды - река «загрязненная-грязная» (ГУ-У класс) на всем протяжении, ДО наиболее загрязнены на нижнем 7 створе в районе Горнослинкинской ямы, куда сносятся биогены, ТМ, на створах 2 и 4 в наибольшей степени ДО загрязнены НП.

Биотестирование показывает, что наиболее токсичны вода и ДО на 4 створе (район п. Медвечиково), а наименее — на створе 1 (п. Абалак).

Биоиндикация с помощью различных индексов дает неоднозначную оценку. Например, створ 1 характеризуется ИГ, ИТ, ИМ и ИПМ как «чистый-слабозагрязненный» (II класс), а ИШ, ИВ, ДМ - как «загрязненный-грязный» (IV-V класс). Комплексная ранговая оценка (Михайлова, 2007) позволяет интегрировать все показатели (таблица 6).

Таблица 6 - Комплексная оценка состояния водоема по химическим и биологическим показателям воды^г ДО Н.Иртыша___

Показатели Створы

1 2 3 4 5 6 7

1 2 3 4 5 6 7 8 9

СС Ч О со ИЗВд (биогены, ОВ) 4^22 3,96 4,02 4,66 4,65 4,33 4,58

Токсичность, % К К (выживаемость, плодовитость, длина тела) 3,65 3,8 3,78 5,0 3,1 4,0 4,2

Окончание таблицы 6

1 2 3 4 5 6 7 8 9

о С* СПЗдо 5ГГМ+НП) 2,0 2,2 2,35 2,95 2,45 2,4 2,0

Токсичность, % к К (выживаемость, плодовитость, длина тела) 3,7 3,9 4.9 5,1 3,9 3,8 4,3

Средняя ранговая оценка по индексам 2,0 2,8 2,8 3,3 2,2 2,2 3,2

Средняя ранговая оценка 3,1 3,3 3,6 4,2 3,26 3,39 3,56

Класс качества III III IV V III III IV

Усредненная характеристика качества у. 3. у. 3. 3. г. 3. у. 3. 3.

Таким образом, усредненная ранговая оценка по совокупности показателей позволила установить степень загрязнения и экологическое состояние Нижнего Иртыша в районе исследований: 1, 2, 5 и 6 створы - «умеренно загрязненные» (III класс), 3 и 7 створы - «загрязненные» (IV класс), 4 створ - «грязный» (V класс).

ВЫВОДЫ

1. Река Иртыш испытывает сильный антропогенный пресс, в связи с чем вода и донные отложения в нижнем течении загрязнены сапробным органическим веществом, биогенами (азот, фосфор, железо), нефтепродуктами и тяжелыми металлами. Донные отложения накапливают на разных створах макро- и микроэлементы выше кларка земной коры РЬ (в 2,7-8,0 раз), Sb (в 21,0-51,0 раз), Se (в 4,0-70,0 раз) и выше фона - Mn, Fe, Cd, Со, Сг, Си, Mo, Ni, Zn, As (в 1,2-2,0 раза).

2. Хроническое загрязнение донных отложений является источником вторичного загрязнения воды, что отражается в ее токсичности. Система донные отложения - вода (1:10) со всех створов и станций в экспериментальных условиях статистически достоверно снижает выживаемость (на 23-40 %), плодовитость (на 4257 %), длину рачков (на 6-26 %) Daphnia magna. Степень угнетения жизнедеятельности рачков коррелирует с величиной накопления загрязняющих веществ в донных отложениях по длине и сечению реки.

3. Индикаторным признаком загрязнения донных отложений является также накопление тяжелым металлов организмами макрозообентоса. Аккумуляция как макро-, так и микроэлементов донными беспозвоночными коррелирует с их содержанием в донных отложениях (г=0,81-0,94). В соответствии с коэффициентами биотической аккумуляции макроконцентраторами (КБАдо>2) являются личинки хирономид (Zn>Mo>Na>Ni>Si>Sr), ручейников (Zn>Cu>Mn>As>Sr>Sb>Si>Se), поденок (Zn>Si>Na>Cu>Sr), стрекоз (Zn>Si>Na), а также олигохеты (Zn>Si>Na>Cu>Sb>Se) и моллюски (Sr>Na).

4. Под воздействием длительного и многофакторного загрязнения донных отложений макрозообентос русла р. Иртыш в районе исследований по сравнению с 1980 гг. XX в. трансформировался в направлении снижения видового разнообразия, изменения в доминирующем комплексе, увеличения численности олигохет, снижения встречаемости и численности ручейников и моллюсков, определяющих величину биомассы на стрежне. Всего обнаружено 25 видов и крупных таксонов макрозообентоса. Из них 79,2% - амфибиотические насекомые (хирономиды - 12, ручейники - 3, поденки, веснянки, стрекозы, мокрецы - по 1 виду), двустворчатые моллюски - 2, олигохеты - 2, пиявки - 1, нематоды (не определены до вида). При

снижении видового разнообразия количественные показатели в среднем (за 2 года) мало отличались от величин предыдущих лет: весной - 0,61 г/м2 и 435 экз./м2, летом -2,01 г/ м2 и 1029 экз./ м2, осенью - 0,89 г/ м2 и 678 экз./ м2.

5. Корреляционный анализ величин индексов качества воды и донных отложений на обследованном участке р. Иртыш позволил выделить их совокупность, дающую наиболее объективную оценку. Это индексы Гуднайта-Уитли, Тодераша, Маргалефа, интегральный показатель Матковского, которые коррелируют между собой и с показателями загрязнения и токсичности с высокой степенью связи (г=0 880,96).

6. Комплексные исследования (химия воды и донных отложений, биотестирование, биоиндикация) позволили дать объективную оценку экологического состояния р. Иртыш в пределах Тобольского и Уватского районов Тюменской области. В настоящее время в районе исследований р. Иртыш на участках - от п. Абалак до п. Бизино (створы 1 - 2), от п. Бронникова до научного стационара «Миссия» (створы 5 - 6) - «умеренно загрязненный» (III класс), в районе Тобольского речного порта (створ 3) и Горнослинкинской ямы (створ 7) - «загрязненный» (IV класс), в районе п. Медведчиково (створ 4) - «грязный» (V класс).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах перечня ВАК

1. Алдохин, А.С. Видовая структура рыбного населения в водоемах разного типа в нижнем течении реки Иртыш / А.С. Алдохин, А.А.Чемагин, Д.И. Тавлетбакнева // В мире научных открытий. - 2012. - Л» 11.5. - С. 296-309.

2. Борисенко, Э.С. Распределение рыб в речной системе нижнего Иртыша / Э.С. Борисенко, А.Д. Мочек, Д.С. Павлов, А.А. Чемагин // Вопросы ихтиологии. -2013.-Т. 53. - №!.- С. 31-43.

3. Чемагин, А.А. Годовая динамика интегрального показателя загрязнения реки Иртыш / А.А. Чемагин // В мире научных открытий. -2013. -№ 11.11. - С. 163-173.

4. Михайлова, J1.B. Численность и биомасса основных групп макрозообентоса в нижнем течении реки Иртыш / Л.В. Михайлова, А.С. Алдохин, А.А. Чемагин, И.Н. Медведева // В мире научных открытий. - 2013. - № 11.12. - С. 274-286.

5. Borisenko, E.S. Distribution of fish in the river system of the lower Irtysh / E.S.Borisenko, A.D. Mochek, D.S. Pavlov, A.A. Chemagin // Journal of Ichthyology -2013.-Vol. 53.-№ l.-pp. 16-27 (БД Scopus)

Публикации в других изданиях

6. Aldokhin, A.S. Species structure fish population in reservoirs of different types in the downstream of the Irtysh river / A.S. Aldokhin, A.A. Chemagin, D.I. Tavletbakieva // In the World of Scientific Discoveries, Series B. - 2013. - T. l.-№ l.-pp. 13-20.

7. Chemagin, A. A. Annual dynamics of integral pollution index of the Irtysh river / A. A. Chemagin // In the World of Scientific Discoveries, Series B. - 2014. - T. 2. - N° 1 -pp. 42-47.

8. Mihajlova, L.V. Number and biomass of major groups macrozoobenthos in the lower reaches of the Irtysh river / L.V. Mihajlova, A.S. Aldokhin, A.A .Chemagin, I.N. Medvedeva // In the World of Scientific Discoveries, Series B. - 2014 -T 2 1 -pp 65-72.

9. Михайлова, Л.В. Определение pH - устойчивости Daphnia magna Straus и изменение рН среды в динамике в опыте с Daphnia magna Straus и без рачков / Л.В. Михайлова, А.А. Чемагин // Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции "Тобольск научный - 2011". - Тобольск, 2011. - С. 44-46.

10. Чемагин, A.A. Физиологические механизмы адаптации Daphnia magna Straus при различной плотности посадки на единицу объема свободного пространства / A.A. Чемагин // Материалы Всероссийской конференции с международным участием «Физиологические, биохимические и молекулярно-генетические механизмы адаптации гидробионтов». - Борок, 2012. - С 365-368.

11. Михайлова, JI.B. Влияние водного экстракта нефтезагрязнснного торфа на Daphnia magna Slraus / Л.В. Михайлова, A.A. Чемагин II Материалы международной школы-конференции «Актуальные проблемы изучения ракообразных континентальных вод». - Борок, 2012. - С. 228-231.

12. Михайлова, Л.В. Структура макрозообентоса реки Иртыш в летне-осенний период / Л.В. Михайлова, A.C. Алдохин, A.A. Чемагин II Материалы Х-й Всероссийской научно-практической конференции «Тобольск научный - 2013» -Тобольск, 2013.-С. 141-143.

13. Алдохин, A.C. Биологические методы оценки качества воды реки Иртыш в нижнем течении / A.C. Алдохин, Л.В. Михайлова, A.A. Чемагин II Материалы XV-й Школы конференции молодых ученых «Биология внутренних вод». - Борок, 2013. -С. 81-85.

14. Алдохин, A.C. Макрозообентос в нижнем течении реки Иртыш / A.C. Алдохин, Л.В. Михайлова, A.A. Чемагин II Материалы XV-й Школы конференции молодых ученых «Биология внутренних вод». - Борок, 2013. - С. 86-89.

15. Михайлова, Л.В. Биоиндикационная оценка загрязнения реки Иртыш интегральным индексом / Л.В. Михайлова, A.A. Чемагин II Материалы Н-й Всероссийской научно-практическая конференция «Мониторинг экологически опасных объектов и природных экосистем». - Пенза, 2013. - С. 79-82.

16. Михайлова, Л.В. Накопление тяжелых металлов и мышьяка организмами макрозообентоса в нижнем течении р. Иртыш / Л.В. Михайлова, A.C. Алдохин, A.A. Чемагин, H.H. Медведева // Тезисы докладов V Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов». - Тюмень, 2014. - С 157159.

17. Михайлова, Л.В. Потенциальные пути поступления тяжелых металлов в организм массовых рыб р. Иртыш в зависимости от их распределения и спектра питания / Л.В. Михайлова, A.C. Алдохин, A.A. Чемагин, И.Н. Медведева // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции «Тобольск научный - 2014». - Тобольск, 2014. - С. 85-88.

18. Михайлова, Л.В. Нефтепродукты в донных отложениях и структура макрозообентоса р. Иртыш (нижнее течение) / Л.В. Михайлова, A.C. Алдохин, A.A. Чемагин, И.Н. Медведева // Материалы XI Всероссийской научно-практической конференции «Тобольск научный - 2014». - Тобольск, 2014. - С. 88-90.

Список сокрашемий и аббревиатур

ВВ — взвешенные вещества

ГАУСЗ - Государственный аграрный университет Северного Зауралья

г. — грязные

ДМ — доля моллюсков

ДО - донные отложения

з. - загрязненные

ЗВ - загрязняющие вещества

ИВ — индекс Вудивисса

ИГ — индекс Гуднайта-Уитлея

ИЗВ - индекс загрязнения воды

ИТ - индекс Тодераша

ИШ - индекс Шеннона-Уивера

ИПМ - интегральный показатель Матковского

К - контроль

КБАД0 - коэффициент биотической аккумуляции веществ в гидробнонтах по

отношению к донным отложениям

КОС - коллекторно-очистные сооружения

ЛБ - левый берег

НП - нефтепродукты

ОВ - органическое вещество

ПБ - правый берег

ПДУдо - предельно - допустимый уровень нефтепродуктов в донных отложениях С — стрежень

СПЗдо — суммарный показатель загрязнения донных отложений ст. - створ

ТГСПА - Тобольская государственная социально-педагогическая академия ТКНС УрО РАН — Тобольская комплексная научная станция Уральского отделения Российской академии наук ТМ — тяжелые металлы

ТюмГУ - Тюменский государственный университет

у. з. — умеренно загрязненные

ФНИ - фундаментальные научные исследования

Подписано в печать 17.02.2015 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 018 Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7