Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Воздействие инсектицида эсфенвалерата на сообщества ветвистоусых и веслоногих раков (Cladocera, Copepoda) в разных природно-климатических условиях

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Воздействие инсектицида эсфенвалерата на сообщества ветвистоусых и веслоногих раков (Cladocera, Copepoda) в разных природно-климатических условиях"

На правах рукописи

Носков Юрий Александрович

воздействие инсектицида эсфенвалерата на сообщества ветвистоусых и веслоногих раков (ЫАИОСЕЯА, СОРЕРОИА) в разных природно-климатических условиях

03.02.08 - Экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г и 11.чР 2014

Томск-2014

005546237

005546237

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории экологии насекомых.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

[Харитонов Анатолий Юрьевич

Официальные оппоненты:

Долгин Владимир Николаевич, доктор биологических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный педагогический университет», кафедра общей биологии и методики обучения биологии, заведующий кафедрой

Ермолаева Надежда Ивановна, кандидат биологических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирский филиал, Центр водно-экспедиционных исследований, старший научный сотрудник

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет», г. Иркутск

Защита состоится 23 апреля 2014 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.10, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 (корпус НИИ ББ).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан « -5~» .¿а^/ттг. 2014 года.

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http://www.tsu.ru/content/news/announcement_of_the_dissertations_in_the_tsu.php

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент

Просекина Елена Юрьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Пиретроидные инсектициды стали использоваться в середине прошлого века для борьбы с насекомыми-вредителями сельскохозяйственных культур. В настоящее время они доминируют среди производимых в мире инсектицидов (Bradberry et al., 2005). Было обнаружено, что быстро-разлагающиеся пиретроиды могут поступать в континентальные водоемы и находиться в них определенное время в потенциально опасных концентрациях (Willams et al., 1995).

Оценка воздействия загрязнителей на биоту водоемов обычно основывается на результатах стандартных токсических тестов, включающих ограниченное число видов (Методика определения, 1999; Methods for measuring, 2000). Известно, что чувствительность разных видов к загрязнителям может значительно варьировать даже среди представителен одного рода (Wogram, Liess, 2001). Кроме того, чувствительность к токсиканту может различаться у представителей одного вида в разных при-родно-клнматнческих условиях (Kwok et al., 2007).

Как правило, лабораторные исследования проводятся на отдельных видах гид-робионтов или даже на отдельных особях (Мур, Рамамурти, 1987; Чалова, 1998; Banks et al., 2003), что исключает межбиотические взаимодействия и влияние факторов среды. Наиболее перспективным методом оценки потенциальной опасности пиретрондов является использование экспериментальных микроэкосистем с многовидовыми сообществами, то есть систем максимально приближенных к природным условиям (Crossland, LaPoint, 1992; Willams et al., 2002). К настоящему времени имеется большое количество работ, проведенных с использованием экспериментальных микроэкосистем и освещающих довольно широкий круг вопросов (Webber et al., 1992; Editorial, 1996; Van Wijngaarden et al., 2005; Van Vlaardingen, 2008; Daam, Van den Brink, 2010 и др.), тем не менее, многое остается неизученным.

Одним из важных компонентов водных экосистем является зоопланктон. Зоо-планктонные организмы присутствуют практически в каждом водоеме и играют существенную роль в их функционировании. Представители этой группы широко используются в экотокснкологическнх исследованиях, однако, сведений о реакции отдельных видов п сообществ зоопланктона на воздействие инсектицидов недостаточно.

Цель работы: изучить изменения структуры сообществ Cladocera и Copepoda под влиянием эсфенвалерата в разных условиях среды.

Задачи исследования:

1. Изучить сезонную динамику численности и биомассы Cladocera и Copepoda водоемов юга Западной Сибири п сравнить с таковой в экспериментальных микроэкосистемах.

2. Определить видоспецифичную чувствительность некоторых представителей зоопланктона к эсфенвалерату и выявить виды, пригодные для биоиндикации загрязнения водоемов пиретроидами.

3. Изучить влияние эсфенвалерата на сообщества Cladocera и Copepoda в экспериментальных микроэкосистемах при однократных и трехкратных воздействиях.

4. Исследовать влияние освещенности экспериментальных микроэкосистем и плотности зоопланктона на его чувствительность к эсфенвалерату.

5. Сравнить реакцию сообществ С1ас1осега и Сорерос1а экспериментальных микроэкосистем на токсическое воздействие в условиях юга Западной Сибири и восточной части Центральной Европы.

Научная новизна исследования. Впервые исследованы эффекты однократных и трехкратных воздействий эсфенвалерата на сходные сообщества зоопланктона (СЫосега, Сорерос1а) разных природно-климатических регионов.

Изучена чувствительность нескольких новых представителей зоопланктона к эсфенвалерату. Выявлены виды, пригодные для биоинднкации загрязнения водоемов синтетическими пиретроидами. Впервые определены концентрации, потенциально опасные для 5 и 50 % видов в сообществах зоопланктона юга Западной Сибири.

Впервые показано, что трехкратное внесение токсиканта, в зависимости от частоты поступления, может вызывать различную реакцию сообщества - увеличение либо снижение его чувствительности.

Предложена оригинальная классификация СЫосега и Сореро(1а на основе данных по чувствительности к эсфенвалерату и с учетом продолжительности жизненного цикла.

Теоретическое и практическое значенне работы. Результаты исследования являются вкладом в изучение фауны и экологии зоопланктона водоемов юга Западной Сибири. Данные о видовом разнообразии, биомассе и численности зоопланктона могут быть использованы в биомониторинговых исследованиях. Результаты изучения влияния эсфенвалерата на сообщества СЫосега и Сорерос1а указывают на большую значимость экологических факторов при токсическом воздействии, что должно учитываться при прогнозировании экологических рисков использования пестицидов.

Схожесть реакции сообществ зоопланктона микрокосм на юге Западной Сибири и в Центральной Европе на внесение эсфенвалерата свидетельствует о том, что для оценки экологических рисков воздействия пиретроидов в разных природно-климатических регионах могут применяться сходные критерии оценки качества вод. Данные по чувствительности отдельных видов зоопланктона к эсфенвалерату могут использоваться для построения графиков распределения чувствительности видов в сообществах гидробионтов при прогнозировании последствий применения пиретроидов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на X съезде Гидробиологического общества при РАН (Владивосток, 28 сентября-2 октября 2009 г); на Всероссийской конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы» (Улан-Удэ, 14-17 сентября 2010 г.); на IV Международной научной конференции, посвященной памяти профессора Г.Г. Винберга «Современные проблемы гидроэкологии» (Санкт-Петербург, 1115 октября 2010 г.); на XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (Борок, 26-30 октября 2010 г.); на XVIII ежегодном съезде Экотоксикологического общества (БЕТАС СЬВ) (Ландау, Германия, 18-

21 сентября 2011 г.); на XVIII, XX, XXII и XXIII ежегодных съездах Экотоксиколо-гического общества (SETAC Europe) (Варшава, Польша, 25-29 мая 2008 г.; Испания, Севилья, 23-27 мая 2010 г.; Берлин, Германия, 20-24 мая 2012 г.; Глазго, Великобритания, 12-16 мая 2013 г.).

Декларации личного участия автора. Автором лично осуществлен комплекс полевых н лабораторных исследований (ИСиЭЖ СО РАН, Карасукский научный стационар, Helmholtz Centre for Environmental Research, Leipzig, Germany), проведена камеральная обработка материала и анализ полученных данных, включая статистическую обработку. Формулировка основных положений и написание текста диссертации выполнены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна долям остальных авторов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Чувствительность зоопланктона к эсфенвалерату увеличивается в ряду: веслоногие —» мелкие виды ветвистоусых —» крупные виды ветвистоусых (за исключением D. magna из природной популяции).

2. Ответ сообществ Cladocera и Copepoda на трехкратное внесение эсфенвалера-та изменяется в зависимости от частоты его поступления, плотности зоопланктона и освещенности. Может происходить как усиление, так и ослабление токсического эффекта.

3. Реакция сообществ Cladocera и Copepoda микрокосм на юге Западной Сибири и в Центральной Европе сопоставима. Для оценки экологических рисков в исследованных природно-климатических регионах можно использовать сходные критерии оценки качества вод.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них - 5 в рецензируемых журналах перечня ВАК. Две работы в российских журналах (Сибирский экологический журнал, Евразиатский энтомологический журнал), три - в зарубежных, входящих в международные базы данных Web of science и Scopus (Ecotoxi-cology, Global Change Biology, Aquatic toxicology).

Структура и объем диссертации

Материал изложен на 160 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы, который включает 197 источников (из них 122 зарубежных). Работа содержит 58 рисунков и 14 таблиц.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н., профессору |А.Ю. Харитонову! за наставничество и ценные консультации. Автор глубоко признателен всем, кто прямо или косвенно содействовал выполнению диссертационного исследования: к.б.н. О.Э. Белевич и к.б.н. 10.А. Юрченко за неоценимую помощь на всех этапах работы. Е.А. Боярищевой за помощь при сборе и обработке проб зоопланктона. Директору ИСиЭЖ СО РАН д.б.н, профессору В.В. Глупову за поддержку и создание комфортных условий работы, а также всему коллективу института за теплую дружескую атмосферу. Всему коллективу Отдела системной экотоксикологии Центра по исследованию окружающей среды объединения Гельмгольца (UFZ, г. Лейпциг, Германия) п отдельно к.б.н. М.А. Бекетову, PhD М. Liess, PhD S. Knillmann и

PhD N.C. Stampfli за возможность проведения совместных исследований, помощь в выполнении работы и анализе данных. Своему первому наставнику и коллеге к.б.н. Д.С. Воробьеву за большой вклад в формирование экологического мышления и полезные советы при подготовке диссертации. Д.б.н. E.H. Ядренкиной за отзывчивость и ценные консультации. Заведующему Карасукским научным стационаром ИСиЭЖ СО РАН к.б.н. В.А. Шило за предоставленную возможность проведения исследований, а также всему коллективу стационара за техническую помощь при выполнении работ. Особую благодарность автор выражает своим родным и близким за постоянную поддержку и понимание.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-04-92280 СИГ_а) и фонда им. Гельмгольца (проект ECOLINK, HRJRG-025).

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Физико-географическая характеристика района исследования. В разделе приводится краткое описание территории в пределах исследуемого региона (Карасукский ландшафт). Приводятся климатические особенности региона и описание поверхностных вод, с указанием их многолетнего уровенного режима.

1.2. Характеристика исследуемых водоемов. Гидробиологические исследования проводили в трех типах водных объектов: текучий (р. Карасук, нижнее течение), постоянный стоячий (оз. Кротово) и временный (окр. с. Сорочиха). В разделе приводится краткое описание зоопланктона, водной растительности, физико-химических показателей воды (температура, pH, электропроводность), гидрологического режима исследуемых водоемов. Температура воды и показатель pH различались незначительно между водоемами. Наибольшие отличия наблюдались в значениях электропроводности. Максимальные значения (1880 мкСм/см) отмечались во временном водоеме (2010 г.), минимальные (350 мкСм/см) - в р. Карасук (2010 г.)

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ II МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены в лесостепной зоне на юге Западной Сибири на базе Карасукского научного стационара Института систематики и экологии животных СО РАН (2008-2010 гг.) и в восточной части Центральной Европы, в Центре по исследованию окружающей среды объединения Гельмгольца (UFZ), г. Лейпциг, Германия (2009 г.). Исследовали зоопланктон природных и экспериментальных водоемов (микроэкосистем), и в лабораторных опытах.

2.1. Исследования природных водоемов. Изучение зоопланктона проводили в мае-сентябре 2008-2010 гг. в окрестностях Карасукского научного стационара. Всего собрано и обработано 79 проб зоопланктона. Отбор проб проводили 2-3 раза в месяц, в прибрежной части водоемов, путем процеживания 50 литров воды через сеть Апштейна (мельничный газ № 70).

Камеральную обработку проб проводили по общепринятой методике (Методические рекомендации..., 1982) с использованием микроскопов МБС-10, Carl Zeiss Stemi 2000 и МБР-1. Для видовой идентификации зоопланктона использовали определители Е.Ф. Мануйловой (1964), Е.В. Боруцкого (1960), Н.И. Ермолаевой (2007), Определитель пресноводных беспозвоночных (Под ред. Г.Г. Вннберга, 1977), Опре-

делители пресноводных беспозвоночных (т. 1, 2. Под ред. С.Я. Цалолихииа, 1994, 1995). Регистрировали численность и биомассу зоопланктона (экз./л, мг/л). Размерности «экз./л» и «мг/л» выбраны для удобства сопоставления данных природных водоемов и экспериментальных мпкроэкосистем. К доминантным относили виды, численность которых составляла более 5 % суммарной численности зоопланктона (Пи-дгайко, 1984).

2.2. Эсфенвалерат: физико-химические свойства, механизм действия н применяемые концентрации. В качестве токсического вещества использовали инсектицид Суммцидпн-альфа (Sumicidin Alpha SE). Препарат представляет собой концентрат эмульсии, содержащий 50 г/л действующего вещества «эсфенвалерат». В разделе представлена физико-химическая характеристика инсектицида, с указанием скорости его деградации в воде и механизмом токсического действия на животных. Приведены сведения по использованию препаратов с действующим веществом эсфенвалерат на территории Российской Федерации, указаны нормы применения для разных культур. Отмечается, что период полураспада в воде, в зависимости от внешних условий, составляет от 24 часов до 9 суток.

В экспериментах было показано отсутствие различий в токсичности действующего вещества в чистом виде и в составе инсектицида (Сумицидин-альфа), поэтому для обозначения токсиканта в работе мы использовали название действующего вещества - эсфенвалерат.

2.3. Лабораторные опыты. Для определения видовой чувствительности зоопланктона к эсфенвалерату использовали взрослых особей. Тестируемые организмы отлавливали в стоячих водоемах и выдерживали в лабораторных условиях в течение суток до начала опытов. В экспериментах применяли фильтрованную воду из водоёмов, в которых были отловлены организмы. Инсектицид применяли однократно. Изучали влияние семи концентраций (мкг/л): 0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1; 3. Каждую концентрацию тестировали в трех повторностях. Экспозиция длилась 24 часа, после чего организмы перемещали в незагрязненную воду и продолжали наблюдение. Длительность опытов составляла 96 часов. Во время опытов организмы не обеспечивали пищей. Их смерть констатировали по отсутствию движения в ответ на механический раздражитель. В качестве показателя степени токсичности использовали общепринятый показатель ЛК50.

2.4. Лаборлторно-полевые эксперименты. Исследования проведены на юге Западной Сибири (2008-2010 гг.) и в Центральной Европе (2009 г.). В разделе (два подраздела) приводится описание способа формирования экспериментальных водоемов и схем проведения экспериментов.

Изучение влияния эсфенваперата на зоопланктонное сообщество выполнено с использованием экспериментальных водных микроэкосистем - микрокосм (Summary and recommendations..., 1992). Создавали микрокосмы Лефлера - экосистемы, содержащие часть организмов, имеющихся в природном водоеме (Lefler, 1984; Stay et al., 1989). Для создания микрокосм использовали пластиковые емкости объемом 60 л, которые помещали в грунт таким образом, чтобы поверхность воды находилась на одном уровне с поверхностью почвы. Микрокосмы заселяли зоопланктоном, отловленным гидробиологическим сачком в оз. Кротово. При заселе-

нии микрокосм концентрат организмов аккуратно перемешивали н вносили по 1 л в каждый из них. Донные отложения в виде смеси ила, песка и листового опада помещали в каждый микрокосм в равных соотношениях. Заполнение емкостей водой производилось из природного водоема с помощью насоса. Воду фильтровали через мельничный газ (№ 70) для освобождения от крупной взвеси и биоты.

Для отбора проб использовали пробоотборники типа штемпель-пипетки объемом 330 мл. Перед взятием пробы воду в микрокосме осторожно перемешивали. Отбор производили из трех участков микрокосма. Интервал между взятием проб зависел от схемы эксперимента и составлял от 3 до 10 суток. Еженедельно регистрировали основные физико-химические параметры воды: рН, электропроводность, температуру. Один раз в месяц измеряли содержание нитратов (N03., мг/л), нитритов (N02-, мг/л), аммония мг/л) и фосфатов (Р04., мг/л).

В микрокосмах изучали влияние трех концентраций эсфенвалерата - 0,03; 0,3; 3 мкг/л, создание каждой из них представляло отдельную серию эксперимента. Фактические концентрации эсфенвалерата в микрокосмах были сопоставимы с номинальными. В микрокосмах с низкой концентрацией (0,03 мкг/л), наличие эсфенвалерата фиксировалось до двух часов с момента его внесения, затем концентрация падала ниже порога определения. В сериях со средней (0,3 мкг/л) и высокой (3 мкг/л) концентрациями содержание токсиканта существенно снижалось в течение 24 часов и не обнаруживалось через одну неделю после внесения.

За период исследований 2008-2010 гг. выполнено трн долгосрочных эксперимента. Эксперимент 1 был направлен на изучение влияния однократного воздействия эсфенвалерата на сообщества зоопланктона микрокосм. Эксперимент проводили в 2009 г. на юге Западной Сибири и в восточной части Центральной Европы. Продолжительность экспериментов составляла 120 суток. На адаптацию зоопланктона отводили 30 суток, в этот период осуществляли только отбор проб. Токсикант вносили на 30 сутки после заселения микрокосм. Каждую концентрацию тестировали в шести повторностях. В качестве контроля использовали 10 микрокосм, в которые токсикант не вносили.

Эксперимент 2 был направлен на изучение влияния трехкратного воздействия эсфенвалерата на сообщества зоопланктона микрокосм. Эксперименты проводили на юге Западной Сибири (2009-2010 гг.) и в Центральной Европе (2009 г.). Продолжительность эксперимента в 2009 г. составляла 120 суток, в 2010 г. - 65 суток.

В 2009 г. токсикант в микрокосмы вносили три раза с интервалом 30 суток, в 2010 г. - три раза с интервалом 7 суток. В 2010 г., помимо изучения влияния трехкратного поступления эсфенвалерата в одинаковых количествах, исследовали влияние увеличения или снижения количества вносимого токсиканта в течение эксперимента. Выполняли несколько серий эксперимента с разным сочетанием вносимых количеств эсфенвалерата. Кроме того, закладывали две серии эксперимента с использованием чистого действующего вещества.

Эксперимент 3 проводили в 2008 г. на юге Западной Сибири. Изучали чувствительность зоопланктонного сообщества к токсиканту в условиях разной освещенности и плотности организмов. Уровень освещенности регулировали затенением микрокосм (далее затенение) с помощью навесов, закрывающих их поверхность от

прямых солнечных лучей в наиболее жаркие часы суток (12-16 часов). Плотность регулировали еженедельным изъятием (далее изъятие) около 30 % организмов от общего количества зоопланктона. Для этого закладывали четыре серии опыта: «затенение/изъятие», «без затенения/изъятие», «затенение/без изъятия», «без затенения/без изъятия». Все серии эксперимента выполнены в шести повторностях, контроль для каждой из серий выполнен в восьми повторностях.

С начала эксперимента все микрокосмы были затенены. За четверо суток до внесения токсиканта с половины микрокосм (варианты «без затенения/изъятие» и «без затенения/без изъятия») навесы были убраны. Изъятие зоопланктона начинали за 10 суток до внесения токсиканта. Состав элиминированных организмов определялся случайным образом. Перед изъятием воду аккуратно перемешивали для обеспечения равномерного распределения организмов. Изъятие проводили с помощью сачка (12x8 см, мельничный газ № 70), который опускали на дно микрокосма и поднимали диагонально (процеживали около 5 л воды (10 %)). Изымали около 30 % организмов в неделю.

Во всех экспериментах оценивали видовой состав, видовое разнообразие, численность и биомассу зоопланктона. Достоверность различий между вариантами оценивали с помощью непараметрического критерия Манна-Уитни.

2.5. Математический анализ данных. Определение средней численности, биомассы, соотношения видов и построение графиков выполняли в программе Microsoft Excel (2003, 2010) для Windows ХР. Видовое разнообразие оцененивалн по индексу Шеннона-Уивера отдельно для численности (//^) и биомассы (1[ц) (Shannon, Weaver, 1963). Для выявления фаунистического сходства использовали коэффициент Серенсена (CN) (Песенко, 1982). Биомассу зоопланктона определяли как сумму произведений численности каждого вида на среднюю индивидуальную массу особи. Массу тела определяли по ее зависимости от длины (Балушкина, Винберг, 1979, Методические рекомендации.., 1982). Для некоторых видов использовали литературные данные по индивидуальному весу особей (Ермолаева, 1998).

Значения ЛК50 рассчитывали на основе метода Спирмена-Карбера (Trimmed Spearman-Karber) (Hamilton, Russo, Thurston, 1977), с применением программы Spearman® (Montana State University, Bozeman, MT, USA). Все значения J1K50 рассчитывали с использованием номинальных концентраций инсектицида. Достоверность различий между значениями ЛК50 определяли анализом перекрывания 95 % доверительных интервалов при помощи программы SigmaStat®. Данные по выживаемости видов сравнивали в программе Prism® 5.0 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA) используя Mantel-Cox тест. Различия по численности зоопланктона в микрокосмах при внесении разных концентраций эсфенвалерата проверяли с помощью однофакторного дисперсионного анализа ANOVA в программе Statistica 8.0.

Значения опасных концентраций для 5 и 50 % видов в сообществе рассчитывали с помощью метода SSD (species sensitivity distribution - распределение чувствительности видов) (Posthuma, Suter, Traas, 2002; Aldenberg, Jarowska, 2000). SSD модель построена на основе нормального распределения (критерии Колмогорова-Смирнова, Андерсона-Дарлинга (Anderson-Darling) и Крамера-фон Мнзеса (Crarner-von Mises)). Результаты представлены графически как накопительная распредели-

тельная функция (график распределения чувствительности видов). Построение SSD графика, а также анализ данных выполняли с помощью программы ЕТХ 2.0 (RIVM, Bilthoven, Netherlands), (Viaardingen, 2004).

ГЛАВА 3. НАСЕЛЕНИЕ ЗООПЛАНКТОНА ИССЛЕДУЕМЫХ ВОДОЕМОВ

3.1. Видовой состав зоопланктона. За период 2008-2010 гг. в исследуемых водоемах был обнаружен 41 вид зоопланктона, относящихся к 25 родам, 8 семействам, 4 подотрядам, 2 отрядам. Из них Cladocera — 23 вида, Copepoda - 18 видов. Ветви-стоусые ракообразные исследуемых водоемов относились к 2 подотрядам и 7 семействам. Среди них наиболее многочисленными являлись Daphniidae (9 видов) и Chydoridae (10 видов). Веслоногие относились к 2 подотрядам и 2 семействам. По числу видов среди них доминировали Cyclopoida (17 видов), относящиеся к родам Encyclops, Cyclops, Mesocyclops (no 3 вида), Macrocyclops, Megacyclops (no 2 вида), Mycrocyclops, Paracyclops (по 1 виду).

Сходство видового состава между исследованными водоемами высокое - 7090 % (Индекс Серенсена (Сл)). Сходство по годам ниже - 50-70 %, так как "редкие" виды встречались не каждый год.

3.2. Сезонная к межгодовая динамнка численности н биомассы зоопланктона в водоемах юга Западной Сибири. В исследованных водоемах отмечено от одного до четырех пиков развития зоопланктона. Первый происходил в конце мая-начале июня, второй - в 1-11 декадах июля, третий - в 1-11 декадах августа и четвертый - в конце 111 декады августа. Основной вклад в динамику численности и биомассы зоопланктона вносили ветвистоусые (pp. Daphnia, Dosmina, Ceriodaphnia, Сhydor us, Scapholeberis).

Численность зоопланктона в оз. Кротово в 2008-2010 гг. колебалась в пределах от 1 (в 2008 г.) до 170 экз./л. (в 2009 г.) (20-3400 экз./м3), в среднем (за три года исследования) составляя 51±9 (1020± 180 экз./ м3). Значения биомассы варьировали от 0,03 (в 2008 г.) до 55 мг/л (в 2009 г.) (0,6-1100 мг/м3), в среднем -8±2,1 (160±42 мг/м3). В каждый из годов исследований отмечена тенденция уменьшения доли крупных фильтраторов Daphnia к концу летнего сезона и увеличение доли мелких Chydorus и средних Ceriodaphnia и Scapholeberis, а также веслоногих, в основном из рода Mesocyclops.

Численность зоопланктона в р. Карасук за исследованный период колебалась от 2 (в 2010 г.) до 90 экз./л (в 2008 г.) (40-1800 экз./м3), в среднем составляя 24±5 (480± 100 экз./м3). Значения биомассы варьировали от 0,007 (в 2010 г.) до 29 мг/л (в 2008 г.), в среднем - 3,5±1,4 (70±28 мг/м3). Несмотря на то, что в 2008 г. отмечены максимальные значения численности и биомассы, средние значения этих показателей за сезон были не высоки, так как вспышки развития зоопланктона происходили в начале и в конце лета, а в остальное время количественные показатели находились на низком уровне (численность 1-12 экз./л, биомасса - 0,09-1,7 мг/л).

Численность зоопланктона во временном водоеме за период исследования колебалась от 1 (в 2008 г.) до 224 экз./л (в 2009 г.) (20-4480 экз./м3), в среднем составляя 55±16,5 (1100±330 экз./м3). Значения биомассы варьировали от 0,004 до 33 мг/л (0,08-660 мг/л), в среднем - 7±2,2 (140±44 мг/л). К концу вегетационного периода

биомасса снижалась, даже в случае сохранения высокой численности зоопланктона. Это объясняется преобладанием мелких видов зоопланктона (Chydorus ovalis Kurz, Ch. sphaericus (Mt'iller), Scapholeberis mucromUa (Müller)). Во всех водоемах отмечались значительные различия в динамике зоопланктона между годами исследования (рис. 1). Наибольшая численность и биомасса зоопланктона отмечены в 2009 г.

2008 г.

2008 г.

I II III | июль | август р. Карасук - -А- Временный

2009 г.

II III май I - оз. Кротово

I II ш июнь

I

2009 г.

И III I и III июль | август р. Карасук - -л- Временный

II III I II III I II III I II III май | июнь | июль | август - оз. Кротово —не— р. Карасук - -*- Временный

2010 г.

2010 г.

II III май

~ оз. Кротово

I И

| июль | август -р. Карасук - т4- Временный

II III I II III I июнь I июль I август ■»— р. Карасук - -л- Временный

Рис. 1. Сезонная м межгодовая динамика численности и биомассы зоопланктона исследуемых

водоемов в 2008-2010 гг. 11

ГЛАВА 4. ЗООПЛАНКТОН В СИСТЕМЕ БИОППДИКАЦПП И БИОТЕСТП-РОВАПИЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД

В главе (три подраздела) описывается биоценотическая роль зоопланктона и его биоиндикаторные качества в сравнении с другими группами организмов. Приводится определение экотоксикологии как сравнительно молодого научного направления и рассматриваются методы экотоксикологических исследований, которые подразделяются на лабораторные, лабораторно-полевые и полевые. Отдельное внимание уделяется описанию экспериментальных микроэкосистем (микрокосм) и их применению для решения различных задач. Основное содержание главы состоит из рассмотрения имеющихся данных по влиянию поллютантов (главным образом различных пестицидов) на отдельные организмы зоопланктона и их сообщества. Приводится сравнение чувствительности разных групп зоопланктона по систематическому признаку (коловратки, ветвистоусые, веслоногие) и в зависимости от размера особи. Отмечается слабоизученность вопроса совместного влияния экологических факторов и токсиканта на сообщества зоопланктона, что, однако, является весьма важным при оценке экологических рисков применения пестицидов.

Подробно рассматриваются работы по изучению влияния эсфенвалерата на сообщества зоопланктона и его отдельные виды. Отмечается, что в большинстве исследований имеются существенные недочеты п разногласия. Диапазон безопасных концентраций эсфенвалерата для сообществ зоопланктона колеблется от 0,01 до 0,25 мкг/л.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭСФЕНВАЛЕРАТА IIA ЗООПЛАНКТОН

5.1. Лабораторные токсикологические опыты.

Наиболее чувствительными видами в обоих регионах были ветвистоусые рачки Daphnia piilex Leydig и D. longispina Müller. Значения J1K50 у представителей из водоемов юга Западной Сибири составили 0,07 и 0,09 мкг/л, у представителей из Центральной Европы - 0,02 и 0,15 мкг/л, соответственно. Достоверных отличий между тестируемыми популяциями двух регионов не выявлено.

Наименее чувствительными среди сибирских видов были представители природной популяции Daphnia magna Straus (ЛК50 -1,18 мкг/л), из европейских видов - Simocephalus vetulus (Müller) (ЛК50 - 2,5 мкг/л). Чувствительность S. vetulus из водоемов Центральной Европы была достоверно ниже, чем у особей из Западной Сибири (ЛК50 - 0,67 мкг/л). Чувствительность D. magna нз лабораторной культуры достоверно выше таковой из природной популяции, значения ЛК50 составили 0,47 и 1,18 мкг/л, соответственно (рис.2). Выживаемость организмов в контроле во всех опытах составила более 90 %.

4

3,5

___ 3

2,5

: ?

о

m 1,5

1

0,5

0

Simocephalus vetulus

'Центральная Европа Западная Сибирь

48 Часы

3,5

3

2,5

ж S 2

о 1Л 1,5

*

с: 1

0,5

0

Daphnia magna

Природная

...............................................................популяция

!.Чч.....................................■—«—Лабораторная

*>ч популяция

...............n:;;........

48 Часы

i'iic. 2. Чувствительность S. vetulus и D. magna к эсфенвалерату

Быстрая смертность, то есть гибель большей части особей в первые 24 часа опыта, отмечалась, преимущественно, в концентрациях, вызывающих 100% гибель организмов. При низких концентрациях смертность проявлялась с задержкой (после 48 часов опыта) и в большинстве случаев не составляла 100 %. В связи с этим, значения ЛК50 рассчитывались для разных временных интервалов (24, 48, 72, 96 часов). Их сравнение показало, что для исследованных видов различия в значениях ЛК50 между минимальным и максимальным интервалами могут широко варьировать. Так, наименьшая разница наблюдалась у Simocephalus vetuliis и Megacyclops viridis (Jurine) (в 1,2 раза), а наибольшая - у Daphnia longispina (более чем в 12 раз). Для всех видов отмечено уменьшение рассчитанных значений ЛК50 при увеличении продолжительности опыта (табл. 1).

Таблица 1. Изменение значений JIK50 после кратковременного (24ч) воздействия эсфенвалерата

на зоопланктон.

Тест организм ЛК50 (р<0,05), мкг/л

24 ч 1 96 ч

Западная СиГшрь

Daphnia pu/ex (временный водоем) 0,5 (0,31-0,81) 0,04 (0,02-0,07)

Daphnia pulex (постоянный водоем) MP 0,07 (0,04-0,12)

Daphnia longispina (постоянный водоем) 1,09(0,6-1,98) 0,09(0,05-0,16)

Daphnia longispina (временный водоем) 0,6 (0,4-0,9) 0,10(0,04-0,26)

Daphnia magna (лабораторная культура) HP 0,44 (0,29-0,70)

Simocephalus vetulus (постоянный водоем) 0,83 (0,53-1,29) 0,67 (0,44-1,03)

Scapholeberis mucronala (постоянный водоем) 3 0,84 (0,453-1,554)

Cyclops strenuus (постоянный водоем) 1,24(0,9-1,70) 0,9 (0,63-1,30)

Eudiaptomus graciloides (временный водоем) 4,38 (2,52-7,62) 0,91 (0,62-1,36)

Daphnia magna (природная популяция) 3 1,18(0,81-1,71)

Центральная Европа

Daplmia pulex (постоянный водоем) 0,083 (0,043-0,16) 0,02 (0,012-0,042)

Daphnia longispina (постоянный водоем) 0,36(0,209-0,619) 0,10(0,095-0,231)

Simocephalus vetulus (постоянный водоем) 3 2,49(1,86-3,07)

Cerioilaphnia reticulata (постоянный водоем) 2,08 (0,902-4,794) 0,43 (0,265-0,712)

Acanthocyclops viridis (постоянный водоем) 0,89(0,523-1,536) 0,71 (0,456-1,125)

IIP - значения ЛК50 невозможно рассчитать (тикая смертность).

На основе данных по чувствительности отдельных видов зоопланктона к эс-фенваперату были построены графики распределения чувствительности в их сообществах (рис. 3).

Для зоопланктона из водоемов юга Западной Сибири потенциально опасные концентрации для 5 и 50 % видов в сообществе составили 0,05 и 0,44 мкг/л, соответственно. Для зоопланктона из водоемов Центральной Европы - 0,01 и 0,3 мкг/л, соответственно. Достоверных отличий между регионами не выявлено. Чувствительность видов в сообществах микрокосм юга Западной Сибири увеличивается в ряду: D. magna —► Е. graciloides —* С. síremius —* S. mucronata —* S. vetillas —> D. longispina —* D. pulex. В сообществах микрокосм Центральной Европы, соответственно: S. vetiilns —> A. viridis —> С. reticulate —* D. longispina D. pulex.

Западная CnHupi,

Se. mucronata

S , s

a Й f. ■s

o

я "

0 в

1 o, z

O

* 4

HC5=0,05 (0,007-0.«) HC50=0.<» 10,18-1.061 (миг/л)

Центральная Европа

s. vewhis

D. fongjsp/fla

D pilíer

HC5=0.01 (0.0017-0,071 HC50=0.3 (0,05-1,65| (UKffn)

Рис,

Ш50(1од 10, мкг/л!

ПК 50 (1од 10, икг'л)

3. Распределение видовой чувствительности зоопланктона природных водоемов. Справа в нижнем углу приведены опасные копцетрлтш (11С) для 5 н 50 % видов в сообществе

5.2. Лабораторно-полевые токсикологические эксперименты

5.2.1. Физико-химические показатели воды контрольных микрокосм. В

разделе приведены данные по среднесуточной температуре воды, рН, электропроводности, нитритов, нитратов, аммония и фосфатов в микрокосмах юга Западной Сибири и Центральной Европы. Проведено их сравнение между исследованными регионами. Значительные различия отмечены только в электропроводности.

5.2.2. Видовой состав зоопланктона контрольных микрокосм. В микрокосмах Западной Сибири встречено 25 видов (17 — ветвистоусых, 8 — веслоногих), в Центральной Европе - 17 видов (10 - ветвистоусых, 7 - веслоногих). Преобладали фитофильные формы и эвритопы: Ch. sphaericus, CU. ovalis, D. longispina, D. pulex, D. magna, S. mucronata, C. qitadrangula. Обилие видов, входящих в доминирующий комплекс, составило от 5 до 15 %. Сходство видового состава зоопланктона в микрокосмах исследуемых регионов высокое - 74 % (индекс Серенсена (CN)), между микрокосмами и природными водоемами - от 69 до 76 % в разные годы исследований.

5.2.3. Сезонная и межгодовая дннамика численности и биомассы зоопланктона в контрольных микрокосмах. В контрольных микрокосмах на юге Западной Сибири и в Центральной Европе отмечалось 1-2 пика численности зоопланктона.

В 2009 г. в обоих регионах отмечен один пик - во II декаде июля (Западная Сибирь) и в I декаде августа (Центральная Европа). В годы с двумя пиками численности (2008, 2010 гг.), первый отмечался в разные периоды: 11 декада июня (2008 г.) и I декада июля (2010 г.), второй происходил в сходные сроки - в 111 декаде июля-1 декаде августа (рис. 4).

Численность зоопланктона микрокосм на юге Западной Сибири колебалась в пределах от 33 (в 2008 г.) до 310экз./л (в 2010 г.), в среднем - 122±14. Значения биомассы варьировали в пределах от 2 (в 2008 г.) до 41,4 мг/л (в 2009 г.), в среднем - 13±2,1. Наибольшая средняя численность была зафиксирована в 2010 г. (198±22 экз./л), а наибольшая средняя биомасса - в 2009 г. (17,5±3,8 мг/л). В микрокосмах Центральной Европы в 2009 г. численность колебалась от 70 до 142 экз./л, в среднем 96±8 экз./л, биомасса - от 4,7 до 7,7 мг/л, в среднем — 6,5±0,44 мг/л.

Несмотря на различия в абсолютных значениях численности и биомассы зоопланктона, динамика этих показателей в микрокосмах на юге Западной Сибири была сходна с таковой в природных водоемах. В 2008 г. динамика зоопланктона микрокосм совпадала с динамикой в оз. Кротово - отмечался один пик численности в третьей декаде июля. В 2009 г. - с временным водоемом (происходило постепенное увеличение численности зоопланктона, достигшее максимума во второй декаде июля). В 2010 г. также отмечалась схожесть динамики развития зоопланктона микрокосм с временным водоемом. Наблюдалось два пика численности в III декаде июня и в I декаде августа.

--♦- 2008 г. —Щ—2009 г. 3. Сибирь - -♦- 2008 г. —*—2009 г. 3. Сибирь

—*—2010 г. и 2009 г. Ц. Европа —*—2010 г. 11 2009 г. Ц. Европа

Рис. 4. Динамика численности и биомассы зоопланктона в контрольных микрокосмах 5.2.4. Трансформации структуры сообществ Cladocera п Copepoda в микрокосмах при однократном воздействии эсфенвалерата. Динамика численности зоопланктона в микрокосмах юга Западной Сибири и Центральной Европы при однократном воздействии разных концентраций эсфенвалерата различалась незначительно.

В условиях низкой (0,03 мкг/л) и средней (0,3 мкг/л) концентраций токсиканта в микрокосмах обоих регионов происходило увеличение общей численности зоопланктона (рис. 5). В серии с низкой концентрацией биомасса не возрастала с увеличением численности, так как это было вызвано массовым развитием мелких видов ветвистоусых (Chydorus sphaerictis, Ch. oralis). В серии со средней концентрацией

15

эсфенвалерата биомасса зоопланктона в микрокосмах на юге Западной Сибири снижалась, а в Центральной Европе увеличивалась, что было вызвано разной чувствительностью D. magna и S. vetulus, которые обладают большим индивидуальным весом и оказывают значительное влияние на общую динамику биомассы. Внесение эсфенвалерата в микрокосмы юга Западной Сибири привело к снижению численности представителей D. magna более чем в два раза (с 36 до 10 экз./л). Однако, через 30 суток после токсического воздействия численность этого вида возросла до 22 экз./л, что привело к значительному увеличению общей биомассы. В микрокосмах Центральной Европы внесение эсфенвалерата приводило к снижению высокочувствительных видов, но к росту численности S. vetulus, за счет которого увеличивалась общая биомасса. В условиях высокой концентрации эсфенвалерата(3 мкг/л) из сообществ исчезали наиболее чувствительные виды. Общая численность зоопланктона была минимальна, количество видов сокращалось до 4-5. На юге Западной Сибири численность зоопланктона восстанавливалась медленнее чем в Центральной Европе и достигала контрольных значений через два месяца после внесения токсиканта. Отличия в скорости восстановления численности и биомассы зоопланктона в микрокосмах исследуемых регионов вызваны низкой чувствительностью 5. vetulus в Центральной Европе, который быстро восстанавливался после контаминации. Динамика остальных видов была сходна.

Несмотря на увеличение численности при воздействии низкой и средней концентраций, происходило снижение значении индекса видового разнообразия Шеннона (/■/), что было вызвано уменьшением выравненности видов, так как их число не менялось.

Западная Сибирь

Центральная Европа

- контроль

- 0,03 мкг/л

- 0,3 мкг/л

9 27 3Z 55

день после воздействия

9 29 37_ 56

день после воздействия

Рис. 5. Динамика численности и биомассы зоопланктона в микрокосмах при однократном внесении эсфенвалерата 16

На основе данных по чувствительности к эсфенвалерату и продолжительности жизненного цикла, зоопланктон микрокосм был разделен на три группы. В первую группу вошли высокочувствительные виды с длинным жизненным циклом - организмы, значения ЛК50 которых ниже 0,1 мкг/л, длина жизненного цикла более 30 суток (виды рода Daphnia, кроме D. magna). Вторая группа включает организмы со средней чувствительностью и коротким жизненным циклом, до 25 суток. Значения J1K50 выше 0,2 мкг/л, но ниже 0,6 мкг/л (представители родов Chydorus и Ceriodaplmia). Третья группа включает низкочувствительные виды с длинным жизненным циклом (более 30 суток), ЛК 50 которых выше 0,6 мкг/л. В данную группу вошли представители родов Simocephalus и Scapholeberis.

Соотношение трех групп зоопланктона изменялось в зависимости от вносимой концентрации. При массовом развитии групп с высокой и низкой чувствительностью численность представителей среднечувствительных видов снижалась, и наоборот. Это вызвано разной жизненной стратегией данных групп (г- и К-стратегни).

5.2.5. Трансформация структуры сообществ Cladocera и Copepoda в микрокосмах при трехкратном воздействии эсфенвалерата. Серии с трехкратным воздействием низкой и средней концентрации эсфенвалерата с интервалом 30 суток не отличались существенно от серии с их однократным воздействием. Отмечено лишь увеличение продолжительности периода повышенной численности зоопланктона, по сравнению с контролем. Однако в серии с трехкратным воздействием высокой концентрации реакция зоопланктона изменялась. С каждым воздействием ущерб, напоснмып сообществу зоопланктона, уменьшался в обоих регионах. Например, на юге Западной Сибири первое внесение токсиканта привело к значительному снижению общей численности зоопланктона до 1-2 экз./л. После второго внесения численность снижалась до 10 экз./л, после третьего - до 36 экз./л. Восстановление численности происходило быстрее в микрокосмах Центральной Европы, что, вероятно, было связано с высокой толерантностью S. velulus к эсфенвалерату.

В микрокосмах обоих регионов при трехкратном воздействии низкой концентрации было отмечено увеличение значений индекса Шеннона (Я) относительно контроля и серии с однократным воздействием. Увеличение значений индекса 11 было вызвано большей выравненностью численности видов.

В результате проведенных в 2010 г. исследований было выявлено, что чувствительность зоопланктонных сообществ зависит также от режима поступления токсиканта. Так, трехкратное воздействие низкой концентрации с интервалом семь суток приводило к достоверному снижению численности высокочувствительных видов уже после второго воздействия. Тогда как при однократном воздействии (либо трехкратном, но с интервалом 30 суток), их численность увеличивалась. Частое поступление эсфенвалерата, вероятно, приводит к накоплению негативного токсического эффекта.

Трехкратное воздействие средней концентрации эсфенвалерата с интервалом семь суток приводило к разнонаправленному эффекту. Первые два токсических воздействия способствовали увеличению численности среднечувствительных видов, достоверно превышающему контрольные показатели. Однако через 20 суток после третьего воздействия происходило достоверное снижение численности среднечув-

ствительных видов относительно контрольных значений. Высокочувствительные виды встречались единично после третьего токсического воздействия. Низкочувствительные виды не накапливали токсический эффект, их численность соответствовала контрольным показателям.

5.2.6. Трансформация структуры сообществ Cladocera и Copepoda под влиянием эсфенвалерата и различным сочетанием освещенности п плотности зоопланктона. Микрокосмы с затенением и без такового различались по абиотическим показателям, измеряемым в ходе эксперимента (температура, рН, электропроводность). Затенение уменьшало температуру воды, также как и амплитуду её колебания в течение суток, снижало электропроводность. Изъятие приводило к снижению показателя рН. Аналогично, интенсивность УФ-излучения значительно различалась в затененных и незатененных микрокосмах как в солнечные, так и в пасмурные дни. Различия были достоверны между сериями эксперимента (р<0,001). Концентрации эсфенвалерата не различались достоверно между сериями.

Наиболее сильный токсический эффект эсфенвалерата был отмечен в серии «затенение/без изъятия». Достоверные снижения общей численности зоопланктона, в сравнении с контролем, появились при воздействии низкой (0,03 мкг/л) и средней (0,3 мкг/л) концентраций эсфенвалерата на 10-е сутки (рис. 6). Кроме того, при воздействии высокой концентрации (3 мкг/л), численность зоопланктона достигла контрольных значений только через 60 суток после воздействия (за счет снижения численности в контроле), в то время как в других сериях это произошло через 30 суток.

Наиболее слабый токсический эффект отмечен в серии «без затенения/изъятие», достоверное снижение численности зоопланктона отмечено только при воздействии высокой концентрации эсфенвалерата. Аналогичные эффекты зарегистрированы в серии «без затенения/без изъятия», однако период максимальной численности в серии со средней концентрацией составил менее 10 суток. В аналогичном эксперименте, проведенном нашими коллегами в Центральной Европе, были получены сопоставимые результаты (Stampíli et al., 2011).

Наибольшее значение индекса Шеннона за период эксперимента (1,96 бит) зарегистрировано в серии «без затенения/без изъятия» при воздействии низкой концентрации эсфенвалерата, наименьшее (1,36 бит) - в этой же серии, при воздействии высокой концентрации. Различия в значениях индекса определялись, в основном, выравненностыо численности видов.

Высокие показатели численности зоопланктона в серии «без затенения/изъятие» были вызваны развитием мелких видов с коротким жизненным циклом (Ch. sphaericus, Ch. ovalis. Ceriodaphnia quadrangula (Miiller), Bosmina longiroslris (Míiller). В то же время, крупные виды с высокой чувствительностью (D. longispina, D. pulex) наиболее остро реагировали на внесение токсиканта именно в этой серии. Воздействие средней концентрации привело к достоверному снижению численности этих видов в сериях «без затенения/изъятие» и «без затенения/без изъятия», чего не произошло в двух других сериях эксперимента.

Динамика численности низкочувствительных видов (S. mucronata, S. vetidus, Mesocyclops leuckarti Claus) практически не различалась во всех сериях эксперимента, кроме серии с высокой концентрацией эсфенвалерата. Наиболее быстро числен-

ноеть этих видов восстанавливалась в серии «без затенения/без изъятия». Наименьшее развитие низкочувствительных видов, при воздействии высокой концентрации, наблюдалось в серии «затенение/без изъятия».

Таким образом, экологические факторы оказывают значительное влияние на чувствительность сообществ зоопланктона к эсфенвалерату. Схожие изменения в реакции сообществ при регулировании экологических факторов происходят в разных природно-климатических регионах.

День после воздействия День после воздействия

Рис. 6. Динамика общей численности зоопланктона в разных сериях: «3-И» -затенение/изъятие, «БЗ-И» - без затенения/изъятие, «3-БИ» - затенение/без изъятия, «БЗ-БИ» - без затенения/без

изъятия

ВЫВОДЫ

1. Динамика численности и биомассы Cladocera и Copepoda микрокосм и природных водоемов сходна во все годы исследования, несмотря на различия в абсолютных значениях этих показателей.

2. Водные растворы эсфеивалерата при короткой экспозиции (24 часа) обладают высокой токсичностью для организмов зоопланктона и способны оказывать негативное влияние в концентрациях порядка 0,01 мкг/л.

3. Широко применяемый лабораторный тест-объект Daphnia magna малоэффективен при оценке экологических рисков использования эсфеивалерата. Чувствительность этого вида из лабораторной популяции достоверно ниже (р<0,05) чувствительности двух из семи протестированных представителей зоопланктона из природных водоемов.

4. Виды Daphnia pulex и Daphnia longispina обладают наибольшей чувствительностью к эсфенвалерату среди исследованных представителей зоопланктона на юге Западной Сибири и в Центральной Европе. Достоверных различий в чувствительности этих видов между исследованными регионами не выявлено.

5. Чувствительность сообществ Cladocera и Copepoda зависит от режима поступления эсфенвалерата. Трехкратное внесение токсиканта с интервалом 7 суток приводит к накоплению негативного токсического эффекта. При интервале 30 суток происходит снижение чувствительности зоопланктона.

6. На характер развития токсического эффекта и скорость восстановления Cladocera и Copepoda после токсического воздействия оказывают влияние освещенность микрокосм и плотность зоопланктона. Повышенная освещенность и разреженная плотность способствуют увеличению скорости восстановления сообществ. Сходные эффекты отмечены на юге Западной Сибири н в восточной части Центральной Европы.

7. Чувствительность сообществ Cladocera н Copepoda в микрокосмах на юге Западной Сибири и в восточной части Центральной Европы сопоставима, что позволяет использовать сходные критерии для оценки экологических рисков применения пестицидов в разных природно-климатических условиях.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых научных журпапах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией при Минобриауки России, и зарубежных научных журналах, включенных в библиографические базы Web of Science и Scopus:

1. Носков Ю.А., Боярищева Е.А., Белевич О.Э., Юрченко Ю.А. Распределение чувствительности видов к эсфенвалерату в сообществах членистоногих пресных водоемов юга Западной Сибири // Пвразиатский энтомологический журнал. - 2010. - Вып. 9, №4. -С. 583-589. -0,43/ 0,33 пл.

2. Носков Ю.А. Сравнительная чувствительность некоторых представителей зоопланктона (Cladocera, Copepoda) к инсектициду сумицидин-альфа // Сибирский экологический журнал.-2011. -№4.-С. 497-503.-0,43 н.л.

3. Knillmann S., Stampfli N.C., Noskov Yu.A., Bekelov M.A., Liess M. Interspecific competition delays recovery of Daplmia spp. populations from pesticide stress // Ecotoxicology. - 2012. - V. 21. - P. 1039-1049. - 0,68 / 0,14 п.л. - DOl 10.1007/sl0646-012-0857-8

4. Knillmann S., Stampfli N.C., Noskov Yu.A., Bekelov M.A., Liess M. Elevated temperature prolongs long-term effects of a pesticide on Daphnia spp. due to altered competition in zooplankton communities // Global Change Biology. - 2013. - V. 19. - P. 1598-1609. -0,75 /0,15 lui.-DOI: 10.Ill 1/gcb. 12151

5. Stampfli N.C., Knillmann S„ Liess M„ Noskov Yu.A., Schäfer R.B., Beketov M.A. Two stressors and a community - Effects ofhydrological disturbance and a toxicant on freshwater Zooplankton // Aquatic toxicology. - 2013. - V. 127. - P. 9-20. - 0,75/0,14 н.л. -DOI: 10.1016/j.ac]uatox.2012.09.003

Публикации в других научных изданиях:

6. Beketov М.Л., Yurchenko Yu.A., Belevich O.E., Smirnova Yu.A., Noskov Yu.A., Liess M. The ECOLINK project: understanding toxic effects at population and community levels within Eurasian climate scenarios // Abstracts of SETAC Europe 18th Annual Meeting (Warsaw, Poland, 25-29 May 2008). - SETAC Europe, 2008. - P. 125. - 0,06 / 0,006 и.л.

7. Белевич О.Э., Юрченко Ю.А., Носков Ю.А., Боярищева Е.А., Бекетов М.А., JIhcc М. Реагирование сообществ зообеитоса микрокосм иа эсфеивалерат в условиях степной зоны юга Западной Сибири // Материалы X съезда гидробиологического общества при РАН с международным участием (Владивосток, 28 сентября - 2 октября 2009 г.). - Владивосток: Далытука, 2009. - С. 37. - 0,06 / 0,01 пл.

8. Носков Ю.А., Боярищева Е.А., Белевич О.Э., Юрченко Ю.А. Трансформация зоо-плаиктоппых сообществ при токсическом воздействий // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы» (Улан-Удэ, 14-17 сентября 2010 г.). - Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2010. - С. 105-107. -0,125/0,03 пл.

9. Носков Ю.А., Боярищева Е.А., Юрченко 10.А., Белевич О.Э. Сравнение чувствительности зоопланктона (Cladocera, Copepoda) к инсектициду эсфеивалерат // Сборник докладов XIV Школы-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (Корок, 2630 октября 2010 г.). - Борок, 2010. - С. 37. - 0.06 / 0,03 пл.

10. Юрченко Ю.А., Боярищева Е.А., Белевич О.Э., Носков Ю.А. Чувствительность пресноводных беспозвоночных к эефенвалерату п условиях степной зоны юга Западной Сибири // Сборник докладов IV Международной научной конференции, посвященной памяти профессора Г.Г. Винберга «Современные проблемы гидроэкологии» (Санкт-Петербург, 11-15 окгября 2010 г.). - С-Пб,-2010. - С. 212. - 0,06 / 0,01 и.л.

11. Stampfli N.C., Knillmann S., Noskov Yu.A., Beketov M.A., Liess M. Combined effects of pesticide exposure and water level changes on the freshwater macroinvertebrate communities in the context of climate change // Abstracts of SETAC Europe 20th Annual Meeting (Seville, Spain, 23-27 May 2010). - SETAC Europe, 2010. - P. 117. - 0,06 / 0,01 пл.

12. Knillmann S., Stamplli N.C., Noskov Yu.A., Beketov M.A., Liess M. Understanding the influence of competition on pesticide sensitivity of Daphnia spp. under semi-field conditions // Abstracts of 18th SETAC GLB Meeting (Landau, Germany, 18-21 September 2011). - SETAC GLB, 2011. - P. 114. - 0,06 / 0,009 пл.

13. Knillmann S., Stamplli N.C., Noskov Yu.A., Beketov M.A., Liess M. Understanding the influence of competition on effect and recovery of Daphnia spp. from pesticide exposure in outdoor microcosms // Abstracts of 6th SETAC World Congress / SETAC Europe 22nd Annual Meeting (Berlin, Germany, 20-24 May 2012). - SETAC, 2012. - P. 376. - 0,06 / 0,01 и.л.

14. Stampfli N.C., Knillmann S„ Liess M., Noskov Yu.A., Schafer R.B., Beketov M.A. Two stressors and a community - Effects of hydrological disturbance and a toxicant on freshwater zooplankton // Abstracts of 23rd SETAC Europe Annual Meeting (Glasgow, UK, 12-16 May 2013). - SETAC, 2013. - P. 356.-0,06/0,01 и.л.

15. Knillmann S., Stamplli N.C., Noskov Yu.A., Beketov M.A., Liess M. Elevated temperature prolongs long-term effects of a pesticide on Daphnia spp. due to altered competition in zooplankton communities // Abstracts of 23rd SETAC Europe Annual Meeting (Glasgow, UK, 1216 May 2013). - SETAC Europe, 2013. - P. 417. - 0,06 / 0,008 пл.

Отпечатано в учебно-производственной типографии ТГУ. Томск, пр. Ленина, 66. Телефон 51-37-36. Тираж 110 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Носков, Юрий Александрович, Новосибирск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук

_____-- = /,-„-. На правах рукописи

Носков Юрий Александрович

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИНСЕКТИЦИДА ЭСФЕНВАЛЕРАТА НА СООБЩЕСТВА ВЕТВИСТОУСЫХ И ВЕСЛОНОГИХ РАКОВ (СЬАБОСЕКА, СОРЕРОБА) В РАЗНЫХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

03.02.08 - Экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор, |А.Ю. Харитонов

Новосибирск — 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................................4

Глава 1. Общая характеристика района исследования........................................12

1.1. Физико-географическая характеристика района исследования...............12

1.2. Характеристика исследуемых водоемов.....................................................13

Глава 2. Материал и методы исследований..........................................................23

2.1. Исследования природных водоемов...........................................................23

2.2. Эсфенвалерат: физико-химические свойства, механизм действия и применяемые концентрации...............................................................................24

2.3. Лабораторные опыты....................................................................................27

2.4. Лабораторно-полевые эксперименты.........................................................29

2.4.1. Формирование экспериментальных водоемов....................................29

2.4.2. Схемы проведения экспериментов.......................................................30

2.5. Математический анализ данных..................................................................35

Глава 3. Население зоопланктона исследуемых водоемов................................38

3.1. Видовой состав зоопланктона......................................................................38

3.2. Сезонная и межгодовая динамика численности и биомассы зоопланктона в водоёмах юга Западной Сибири..............................................48

Глава 4. Зоопланктон в системе биоиндикации и биотестирования качества природных вод.........................................................................................................59

4.1. Биоценотическая роль зоопланктона и его биоиндикаторные качества. 59

4.2. Использование зоопланктона в экотоксикологических исследованиях. 60

4.3. Влияние поллютантов на зоопланктон.......................................................65

Глава 5. Экспериментальные исследования воздействия эсфенвалерата на зоопланктон..............................................................................................................79

5.1. Лабораторные токсикологические опыты..................................................79

5.2. Лабораторно-полевые токсикологические эксперименты.......................87

5.2.1. Физико-химические показатели воды контрольных микрокосм......87

5.2.2. Видовой состав зоопланктона контрольных микрокосм...................90

5.2.3. Сезонная и межгодовая динамика численности и биомассы зоопланктона в контрольных микрокосмах...................................................96

5.2.4. Трансформация структуры сообществ С1аёосега и Сорерос1а в микрокосмах при однократном воздействии эсфенвалерата.....................103

5.2.5. Трансформация структуры сообществ С1ас1осега и Сорерос1а в микрокосмах при трехкратном воздействии эсфенвалерата.....................114

5.2.6. Трансформация структуры сообществ С1ас1осега и Сорероёа под влиянием эсфенвалерата и различным сочетанием освещенности и плотности зоопланктона................................................................................127

Заключение.............................................................................................................137

Выводы...................................................................................................................139

Список использованной литературы...................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Пиретроидные инсектициды стали использоваться в середине прошлого века для борьбы с насекомыми-вредителями сельскохозяйственных культур. В настоящее время пиретроиды доминируют среди производимых в мире инсектицидов (Bradberry et al., 2005). Это вызвано тем, что они достаточно быстро разлагаются во внешней среде, эффективны в малых дозах против насекомых-вредителей и практически безвредны для позвоночных животных и человека.

Однако, было обнаружено, что быстроразлагающиеся пиретроиды могут поступать в континентальные водоемы и находиться в них определенное время в потенциально опасных концентрациях (Willams et al., 1995). Кроме того, установлено, что находясь даже в очень низких концентрациях, пиретроиды способны оказывать негативное влияние на гидробионтов водоемов, прилегающих к агроландшафтам (Schulz, Liess, 2001). При попадании инсектицида в водоем, воздействию подвергаются практически все находящиеся в нём организмы. Последствия, вызываемые использованием инсектицидов, сейчас с трудом поддаются учету и достоверному описанию (Jepson, Moran, 2001).

Препараты, в основе которых лежит эсфенвалерат, являются одними из наиболее распространенных среди пиретроидов. Данные препараты под различными торговыми марками широко используются в странах Европы, США, России и др. Имеется более 150 препаратов с действующим веществом эсфенвалерат. Впервые этот пиретроид был зарегестрирован в 1986 году и начал заменять фенвалерат (инсектицид 2-го поколения).

Оценка воздействия загрязнителей на биоту водоемов обычно основывается на результатах стандартных токсических тестов, включающих ограниченное число видов (Методика определения, 1999; Methods for measuring, 2000). Известно, что чувствительность разных видов к загрязнителям может значительно варьировать, даже среди представителей одного рода (Wogram, Liess, 2001). Кроме того, не исключено, что чувствительность к токсиканту

4

может различаться у представителей одного вида в разных природно-климатических условиях.

Как правило, лабораторные исследования проводятся на отдельных видах гидробионтов или даже на отдельных особях (Мур, Рамамурти, 1987; Чалова, 1998; Banks et al., 2003). Это исключает межбиотические взаимодействия и влияние факторов среды. Кроме того, острые токсические тесты обычно имеют период экспозиции от 48 до 96 часов. Однако в естественных водоемах пи-ретроиды практически полностью исчезают из водной толщи в первые 24 часа после их поступления (Van Wijngaarden et al. 2005; Lopez-Mancisidor et al., 2008; Maund et al., 2011). Соответственно, данные по токсичности синтетических пиретроидов, полученные в лабораторных условиях, могут приводить к большим погрешностям при оценке экологических рисков их применения.

Наиболее перспективным методом оценки потенциальной опасности пиретроидов является использование экспериментальных микроэкосистем с многовидовыми сообществами, то есть систем максимально приближенных к природным условиям (Crossland, LaPoint, 1992; Willams et al., 2002). Они позволяют моделировать реалистичную динамику концентрации токсиканта и восстановление сообществ в течении длительного периода. Кроме того, модельные экосистемы содержат основные стресс-факторы среды, многие из которых способны изменять силу и продолжительность эффекта токсикантов на разных уровнях биологической организации.

К настоящему времени имеется большое количество работ, проведенных с использованием экспериментальных микроэкосистем (Webber et al., 1992; Editorial, 1996; Van Wijngaarden et al., 2005; Van Vlaardingen, 2008; Daam, Van den Brink, 2010 et al.), освещающих довольно широкий круг вопросов, тем не менее, многое остается неизученным. В частности, отсутствуют сведения о реакции сходных сообществ и отдельных видов водных беспозвоночных разных природно-климатических регионов на воздействие эсфенвалерата. Кроме того, остается малоизученным вопрос многократных воздействий следовых концентраций эсфенвалерата на нецелевые объекты. Если однократные воз-

действия следовых концентраций не всегда вызывают нарушения в экосистеме, то повторяющиеся воздействия в течение вегетационного периода могут приводить к накоплению негативного токсического эффекта.

Одним из важных компонентов водных экосистем являются зоопланк-тонные организмы. Они присутствуют практически во всех водоемах и играют существенную роль в их функционировании. Представители этой группы организмов широко используются в экотоксикологических исследованиях, тем не менее, сведений о реакции отдельных видов и сообществ зоопланктона на воздействие инсектицидов не достаточно.

Цель работы

Изучить изменения структуры сообществ С1ас1осега и Сорерос1а под влиянием эсфенвалерата в разных условиях среды.

Задачи, поставленные для достижения цели:

1. Изучить сезонную динамику численности и биомассы С1ас1осега и Сорерос1а водоемов юга Западной Сибири и сравнить с таковой в экспериментальных микроэкосистемах.

2. Определить видоспецифичную чувствительность некоторых представителей зоопланктона к эсфенвалерату и выявить виды, пригодные для биоиндикации загрязнения водоемов пиретроидами.

3. Изучить влияние эсфенвалерата на сообщества С1аёосега и Сорерос1а в экспериментальных микроэкосистемах при однократных и трехкратных воздействиях.

4. Исследовать влияние освещенности экспериментальных микроэкосистем и плотности зоопланктона на его чувствительность к эсфенвалерату.

5. Сравнить реакцию сообществ С1абосега и Сорерос1а экспериментальных микроэкосистем на токсическое воздействие эсфенвалерата в условиях юга Западной Сибири и восточной части Центральной Европы.

Научная новизна исследования

Результаты, полученные в ходе проведенного исследования, обладают высокой степенью новизны и вносят существенный вклад в понимание комбинированных эффектов влияния токсиканта и экологических факторов на сообщества зоопланктона. В частности, данные исследования показали, что повышенная освещенность и разреженная плотность зоопланктона приводят к ослаблению развития негативного токсического эффекта.

Впервые исследованы эффекты однократных и трехкратных воздействий эсфенвалерата на сходные сообщества зоопланктона (С1ас1осега, Сорерос1а) разных природно-климатических регионов. Показано, что развитие токсического эффекта в сообществах зоопланктона происходит сходным образом, однако скорость их восстановления может различаться.

Изучена чувствительность нескольких новых представителей зоопланктона к эсфенвалерату. Выявлены виды, пригодные для биоиндикации загрязнения водоемов синтетическими пиретроидами. Впервые определены концентрации, потенциально опасные для 5% и 50% видов в сообществах зоопланктона водоемов лесостепной зоны юга Западной Сибири.

Впервые показано, что трехкратное внесение токсиканта, в зависимости от интервала поступления, может вызывать различную реакцию сообщества — увеличение либо снижение его чувствительности.

Предложена оригинальная классификация С1ас1осега и Сорерос1а на основе данных по чувствительности к эсфенвалерату и с учетом продолжительности жизненного цикла.

Теоретическое и практическое значение работы

Результаты исследования являются вкладом в изучение фауны и экологии зоопланктона водоемов юга Западной Сибири. Данные о видовом разнообразии, биомассе и численности зоопланктона могут быть использованы в биомониторинговых исследованиях. Результаты изучения влияния эсфенвалерата на сообщества С1ас1осега и Сорерос1а указывают на большую значимость эко-

7

логических факторов при токсическом воздействии, что должно учитываться при прогнозировании экологических рисков использования пестицидов.

Схожесть реакции сообществ зоопланктона экспериментальных микроэкосистем в восточной части Центральной Европы и на юге Западной Сибири свидетельствует о том, что для оценки экологических рисков воздействия пи-ретроидов в разных природно-климатических регионах могут применяться схожие критерии оценки качества вод. Данные по чувствительности отдельных видов зоопланктона к эсфенвалерату могут использоваться для построения кривых распределения чувствительности видов в сообществах гидробион-тов при прогнозировании последствий применения пиретроидов.

Область применения результатов

Полученные данные по видовому составу и экологии зоопланктона постоянных и временных водоемов лесостепной зоны юга Западной Сибири могут быть использованы при подготовке учебно-методической литературы и чтении лекционных курсов в высших и средне-специальных учебных заведениях. Сведения по чувствительности отдельных видов и сообществ зоопланктона из разных природно-климатических регионов к эсфенвалерату могут применяться в сельском хозяйстве при оценке экологических рисков применения пиретроидов.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались на X съезде Гидробиологического общества при РАН (Владивосток, 28 сентября-2 октября 2009 г); на Всероссийской конференции молодых ученых «Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы» (Улан-Удэ, 14-17 сентября 2010 г.); на IV Международной научной конференции, посвященной памяти профессора Г.Г. Винберга «Современные проблемы гидроэкологии» (Санкт-Петербург, 11-15 октября 2010 г.); на XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Биология внутренних вод» (Борок, 26-30 октября 2010 г.); на

XVIII ежегодном съезде Экотоксикологического общества (SETAC GLB) (Ландау, Германия, 18-21 сентября 2011 г.); на XVIII, XX, XXII и XXIII ежегодных съездах Экотоксикологического общества (SETAC Europe) (Варшава, Польша, 25-29 мая 2008 г.; Испания, Севилья, 23-27 мая 2010 г.; Берлин, Германия, 20-24 мая 2012; Глазго, Великобритания, 12-16 мая 2013 г.).

Декларация личного участия автора

Автором лично осуществлен комплекс полевых и лабораторных исследований (ИСиЭЖ СО РАН, Карасукский научный стационар, Helmholtz Centre for Environmental Research, Leipzig, Germany) по изучению влияния инсектицида эсфенвалерат на сообщества и отдельные виды зоопланктона, проведена камеральная обработка материала и анализ полученных данных, включая статистическую обработку. Формулировка основных положений и написание текста диссертации выполнены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна долям остальных авторов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Чувствительность зоопланктона к эсфенвалерату увеличивается в ряду: веслоногие —> мелкие виды кладоцер —> крупные виды кладоцер (за исключением D. magna из природной популяции).

2. Ответ сообществ Cladocera и Copepoda на трехкратное внесение эсфен-валерата изменяется в зависимости от частоты его поступления, плотности зоопланктона и освещенности. Может происходить как усиление, так и ослабление токсического эффекта.

3. Реакция сообществ Cladocera и Copepoda микрокосм в восточной части Центральной Европы и на юге Западной Сибири сопоставима. Для оценки экологических рисков в исследованных природно-климатических регионах можно использовать схожие критерии оценки качества вод.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них - 5 в рецензируемых журналах перечня ВАК (две работы в российских журналах (Сибирский экологический журнал, Евразиатский энтомологический журнал), три - в зарубежных, находящихся в международных базах данных Web of science и Scopus (Ecotoxicology, Global Change Biology, Aquatic toxicology)).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав (характеристики района исследования, материала и методов исследования, обзора литературы, результатов исследования, изложенных в двух главах и их обсуждения), заключения, выводов и списка использованной литературы. Материал изложен на 160 страницах. Работа содержит 58 рисунков и 14 таблиц. Список использованной литературы включает 197 источников, из них 122 зарубежных.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю,

д.б.н., профессору [А.Ю. Харитонову!, за наставничество и ценные консультации. Автор глубоко признателен всем, кто прямо или косвенно содействовал выполнению диссертационного исследования: к.б.н. О.Э. Белевич и к.б.н. Ю.А. Юрченко за неоценимую помощь на всех этапах работы. Е.А. Боярищевой за помощь при сборе и обработке проб зоопланктона. Директору ИСиЭЖ СО РАН, д.б.н, профессору В.В. Глупову за поддержку и создание комфортных условий работы, а также всему коллективу института за теплую дружескую атмосферу. Всему коллективу Отдела системной экоток-сикологии Центра по исследованию окружающей среды объединения Гельм-гольца (UFZ, г. Лейпциг, Германия) и отдельно к.б.н. М.А. Бекетову, PhD М. Liess, PhD S. Knillmann и PhD N.C. Stampfli, за возможность проведения совместных исследований, помощь в выполнении работы и анализе дан-

ных. Своему первому наставнику и коллеге к.б.н. Д.С. Воробьеву за большой вклад в формирование экологического мышления и полезные советы при подготовке диссертации. Д.б.н. E.H. Ядренкиной за отзывчивость и ценные консультации. Заведующему Карасукским научным стационаром ИСиЭЖ СО РАН, к.б.н. В.А. Шило за предоставленную возможность проведения исследований, а также всему коллективу стационара за техническую помощь при выполнении работ. Особую благодарность автор выражает своим родным и близким за постоянную поддержку и понимание.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-04-92280 СИГ_а) и фонда им. Гельмгольца (проект ECOLINK, HRJRG-025)