Биологический анализ качества вод бассейна Барнаулки

УДК 28.0818

Д. М. Безматерных, О. Н. Жихарева, Г. Н. Мисейко, М. М. Силантьева

БИОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОД БАССЕЙНА БАРНАУЛКИ

При оценке состояния окружающей среды ведущее место отводится биологическому анализу как наиболее чувствительному методу. Для сопоставления различных методов биологического анализа качества вод и сравнения показателей различных гидробиологических параметров в 1996-1998 гг. было проведено гидробиологическое обследование бассейна реки Барнаулки (Алтайский край). Сбор материала проводился по стандартным гидробиологическим методикам (1, с. 3^19; 2], было отобрано 192 пробы зообентоса и 100 проб фитопланктона Определение общего качества воды и ее сапробности велось по организмам зообентоса, которые, по мнению большинства авторов [3, с. 5-12], наиболее четко отражают степень загрязнения водоема, являясь в отличие от планктона постоянными обитателями данного биотопа Кроме того, по сравнению с высшими растениями они реагируют на изменение экологической обстановки более активно. Трофность водоемов определялась по пигментным характеристикам фитопланктона Полученные данные сравнивались между собой и с данными химического анализа при помощи корреляционного анализа.

Нами были использованы все основные подходы в биоиндикационных исследованиях: использование видов-биоиндикаторов (метод Пантле и Букка), индикация по соотношению крупных таксонов (олигохетный индекс Гуднайта и Уитлея), информационный индекс (индекс видового разнообразия Мар-галефа) и интегральный подход, совмещающий в себе все достижения предыдущих методов, биотический индекс реки Трент (система Вудивисса) [4]. Также был определен индекс сходства населения по A.C. Константинову [5, с. 99-108].

Индекс Вудивисса разработан инспекцией р. Трент в Англии. Индекс определяется с помощью специальной таблицы. Его величина зависит от видового разнообразия (числа присутствующих «групп») и от присутствия ключевых индикаторных видов в пробе. Индекс Вудивисса может принимать значения от 0 до 10 (табл. 1).

Таблица I

Классификация качества вод но различпмм индексам

Класс вод Загрязненность Салробность Индекс г 1 я и Индекс Гуднайта и Уитлея Биотический индекс Буди-висса

1 незагрязненные олиго-сап роб-ные 1,0- 1,5 <20 8-10

2 хорошего качества ß-мезо-сапроб-ные 1,5-: 2,5 20-60 6-7

3 низкого качества сх-мезо-сапроб-ные 2,5- 3,5 60-80 3-5

4 сильно загрязненные повисал ровные 3,5- 4,0 80-100 üJ

На обследованном участке Барнаулки наименьшее значение он принимал в устье (0), наибольшее — на ст. Лесной пруд иве. Вла-сихе (рис. 1).

Метод Пантле и Букка для характеристики степени загрязненности водоема использует индекс сапробности (5'). Они приняли индикаторную значимость (я) для олигоса-пробов за 1, Р-мезосапробов — 2, а-мезоса-пробов — 3 и полисапробов — 4. Относитель-

у

7

. У. —1 L;

__— S

с

1]

1996 г

а I

d

1997 г

- 1998 г.

Рис. 1. Индекс Вудивисса Барнаулки по станциям взятая проб

экология

ное количество особей (Н) высчитывается так: случайные находки — 1? частая встречаемость — 3 и массовое развитие — 5 баллов. Индекс сапробности рассчитывается по формуле:

Т.у-Л

5 = --.

I"

Полученные результаты по Барнаулке представлены на рисунке 2.

k

_

Устье Старый базар АЗА Пивоварка runii nnun 1 I1 f 1 is ' мереиное

199U г 1997 г

- 199В г

Рис. 2. Индексы сапробности Барнаулки по станциям взятия проб

Индекс Гуднайта и Уитлея позволяет судить о санитарном состоянии водоема по соотношению олигохет и других обитателей дна: Ng = N (о^осЬае1а)/Л[ (общая) х 100%, где Ыд — индекс Гуднайта и Уитлея, N (оЦ-gochaeta) — численность олигохет, а N (общая) — численность всех организмов. Замечено, что олигохеты, обычно немногочисленные в донных биоценозах, в местах выпуска сточных вод часто развиваются в огромных количествах, поэтому массовое развитие олигохет расценивается как показатель загрязнения водоема Для Барнаулки этот индекс колебался в широких пределах (рис. 3).

100 во 60 40 20 0

Гч1 \

LI

4

oi 1 ' С S 3 ! [1 5 1 | ¡t ¡g ff i .8 ; 1 I 3 | S

1996 г. -—1097 г.

1998 г.

Рис. 3. Индекс Гуднайта и Уитлея Барнаулки по станциям взятия проб

Индекс видового разнообразия Маргале-фа выведен исходя из положения, что с увеличением уровня загрязнения водоема видовое разнообразие, как правило, уменьшается. Оценка степени загрязнения по видовому разнообразию применима к любым видам загрязнения, Поскольку число видов пропорционально логарифму изученной площади, а общее число особей — площади, в качестве меры разнообразия принят индекс:

«/=3-1/1л п.

где £ — число видов, 1п п — натуральный логарифм числа особей. Индекс й принимает максимальное значение, если все особи принадлежат к разным видам (5 = П), и равен 0, когда все особи принадлежат к одному виду (£ = 1). Результаты подсчетов индекса на Барнаулке в исследованные годы представлены на рисунке 4.

/ / x

/ ^

r

5

е±

1996 г. — 1997 г

199В г

Рис. 4. Индекс видового разнообразия j Маргалефа Барнаулки по станциям взятия J проб

Индекс сходства населения Консташт-\ нова. А. С. Константинов [5] обратил внимание на возможность использования теории множеств для сравнения населения двух участ-| ков. Для нахождения видового сходства пред- ] ложена формула:

N

К = ^ min (а), аf), f-i

где а1иа1 — соответственно численность вида i в процентах от общей численности в 1 и 2-м сравниваемых биоценозах (участках); jV-l общее число видов. Результаты анализа пред» [ ставлены в таблице 2. На основании получу ных данных исследованный участок Барнау ки можно разделить на два: первый — ог с. Борзовая заимка до Лесного пруда (за пределами Барнаула), второй — от Лесного пруда до устья (в пределах Барнаула). На выделенных участках отмечены высокое сходе

М€

Дi

Щ£ ПО.

че<

ПЛ;

На хл<

Kot

~ния станций между собой и резкое от-е от населения станций пробоотбора дру-| участка

Таблица 2

Сходство видового состава зообентоса личных участков Варнаулки в 1997 г.

нции

проб

Угтье Базар

Устье

рка

"МОЙ

~вая ка

16

39 6 7

Базар АЗА Пивоварка Лесной пруд Борзо-вал заимка

16 39 6 7 7

— 55 76 26 21

55 — 46 13 7

76 46 — 19 18

26 13 19 — 72

21 7 18 72 —

Характеристика озер. Было исследовано 1 озер в истоках Барнаулки (табл. 3). В 1996 г. были исследованы Бахматовское и Сухое, ос-ьные озера — в 1997 г. Исследованные озера можно разделить на две группы. К пер-вой относятся Урлаповское, Бахматовское, ьяное, Серебрянниковское, эти озера характеризуются как [^-мезосапробные. Ко второй группе принадлежат озера: Песчаное, [Зеркальное, Сухое, они относятся к а-мезо-рошробным.

Таблица 3

Биологические характеристики озер бассейна Барнаулки в 1996—1997 гг.

I Индексы 1 0 о О § а. >> Бахматовское j Песъяное Серебрянниковское Песчаное 8 X А | d

Вудивисса 6 6 5 5 3 2 3

Сап робн ости 3 2,1 2,5 2,0 2,4 2,9 2,0

Олигохетный 0 5 0 0 0 0 2

Маргалефа 3,56 2,7 2,33 1,08 2,51 0,71 0,75 I

Класс вод 2 2 2 2 3 3 3

ся еще до полного вскрытия реки, поэтому концентрации пигментов были близки к нулю или не регистрировались вовсе. Средние концентрации хлорофилла «а» (20-22 мкг/л) характеризуют Барнаулку как эвтрофный водоем по шкале Г. Г. Винберга [6, с. 64-71].

Максимум концентрации хлорофилла «а» (60,01 мкг/л) зарегистрирован 8 мая в районе пр. Социалистический, а минимум (0,99 мкг/л) — в этой же точке 9 апреля (рис. 5 и 6). Наибольший разброс данных по точкам пробоотбора наблюдается в летний период, когда уровень воды в реке минимален.

9 61)

Г

I 2П

/ \J

—у tZ ЛЧ

г -I -----i -А- Г" т

23.04

22.05

25.06

—о- устье

-о— сток АЗА

18.09 23.10

Даты пробоотбора

- Лесной пруд

Рис. 5. Концентрация хлорофилла «а» фитопланктона Барнаулки в 1997 г.

к- Бор-зове п паммкд t- ниже Пивоварки пр. Социалистический

25.06 10.07 Д*ш пробоотбора

выше пруда ниже стока АЗА •— устье

Определение трофности водоема по пигментным характеристикам фитопланктона.

Для оценки трофического статуса и самоочищающей способности водоема широко используется стандартный спектрофотометри-ческий метод определения пигментов фитопланктона, разработанный Г. Г. Винбергом [5]. Наилучшим показателем трофности является хлорофилл «а».

В течение вегетационного периода 1998 г. концентрации пигментов колебались в широком диапазоне. Первый отбор проб проводил-

Рис. 6. Динамика содержания хлорофилла <а> фитопланктона Барнаулки в 1998 г.

Сравнительный анализ использованных методик. Для сопоставления данных, полу-чеиных с помощью различных методик, и сравнения их с результатами химического анализа применялся корреляционный анализ. Коэффициент корреляции вычислялся с помощью программы MS Excel 5.0а.

Полученные данные показали, что между примененными для анализа индексами имеется высокий коэффициент корреляции, от -0,75 до 0,90 (табл. 4).

Иные результаты получились для озер Барнаульской системы (табл. 5). Коэффициенты корреляции резко снизились, и особенно низкую корреляцию показал олигохетный индекс (0,08-0,40) и индекс Вудивисса (0,11-0,33). Недостатки индекса Гуднайта и Уитлея

экология

Таблица 4

Коэффициенты корреляции различных биотических индексов но зообентосу на Барнаулке

при малых их абсолютных значениях уже не раз отмечались в литературе [8, с. 42—45]. Эти недостатки связаны с тем, что большая численность олигохет является признаком органического загрязнения, но их отсутствие не всегда является гарантией чистоты водоема Слабостью системы Вудивисса является ее малая достоверность при индикации крупных водоемов [9, с. 17-18], а возможно, и полная непригодность для озерных экосистем.

Таблица 5

Коэффициенты корреляции различных биологических индексов по зоо бентосу на озерах бассейна Барнаулки

Индексы Сапробности Гуднайта и Уитлея Вудивисса Маргалефа [

Вудивисса — 0,4 0,33 0,69

Сапробности 0,4 — 0,29 0,08

Олигохетный -0,33 0,29 — 0,11

|1 Маргалефа 0,69 0,8 0,11 -

О достоверности примененных на реке индексов свидетельствует их высокая корреляция с БПКз (0,4-0,8). Другие коэффициенты корреляции биологических индексов с различными факторами окружающей среды на Барнаулке представлены в таблице 6. Небольшую корреляцию биологических индексов с трофностью (которую показывает концентрация хлорофилла «а») можно объяснить различием в сущности понятий сапробности и трофности и тем, что зообентос и фитопланктон по-разному реагируют на изменения окружающей среды. Зообентос, наиболее консервативный элемент биоты, отражает изменения сравнительно долгого предшествующего периода и интегральные условия как в воде, так и в грунте, в отличие от фитопланктона [10, с. 154-155].

Очень интересными оказались данные по корреляции концентрации хлорофилла «а» с условиями окружающей среды (табл. 7). Наибольшей корреляция (-0,87) оказалась со щелочностью воды, что, по-видимому, связа-

Таблица 6

Коэффициенты корреляции биологических индексов с различными факторами окружающей среды на Барнаулке

Факторы Индексы

Сапробности Гуднайта и Уитлея Вудивисса Маргалефа

Щелочность -0,28 -0,55 -0,08 0,19

Кислотность -0,03 0,18 -0,31 0,05

Концентрация 0.49 0,17 -0,47 -0,48

кислорода

БПК-, 0,80 0,65 -0,40 -0,71

Температура -0,64 -0,83 0,44 0,56

Концентрация 0,27 0.69 0,20 0,31

хлорофилла

«а»

но с отрицательным воздействием высокой щелочности на развитие фитопланктона Неожиданной оказалась обратная корреляция с концентрацией кислорода и почти полное отсутствие связи с БПК5. Связь с температурой и прозрачностью кажется вполне логичной, с увеличением температуры происходило увеличение биомассы водорослей вплоть до цветения воды и понижалась ее прозрачность.

Таблица 7

Коэффициенты корреляции концентрации хлорофилла «а» с различными факторами окружающей среды на Барнаулке

Факторы окружающей среды Концентрация хлорофилла «а»

Щелочность -0,87

Кислотность 0,06

Концентрация кислорода -0,68

ВПК, -0,01

Температура 0,60

Прозрачность воды -0,21

Для оценки качества вод, кроме указанных выше индексов, применялись биологический разрез по Кнеппу, индекс Кинга и Балла [4] и хирономидный индекс Е. В. Ба-лушкиной [11]. Анализ наших результатов [12] показал принципиальную тождественность индекса сапробности Пантле и Бука и биологического разреза по Кнеппу (разница лишь в наглядности результатов, что не мешает их совместному применению), а также большую схожесть индекса Кинга и Балла и индекса Гуднайта и Уитлея. Мы отдали предпочтение индексу Гуднайта и Уитлея в силу большей его простоты Метод Балушкиной показал себя малопригодным для применения на малой реке, коэффициент корреляции

Индексы Сапробности Гуднайта и Уитлея Вудивисса Маргалефа

1 Вудивисса — 0,76 -0,75 -0,94

1 Сапробности 0,76 — 0,81 -0,86

Олигохетный -0,75 0,81 — 0,90

Маргалефа -0,94 -0,86 0,90 —

ПО

его результатов с данными других методов колебался от 0,24 до 0,67, что, по нашему мнению, недопустимо для данных условий. Наиболее подходящим методом для экологического мониторинга малых рек юга Сибири мы считаем систему Вудивисса, так как она отвечает основным критериям мониторинга, достоверности, простоте применения и высокой чувствительности.

Заключение

X. Исследованный участок Барнаулки можно разделить на два участка: первый — от Борзовой заимки до Лесного пруда (за пределами Барнаула), второй — от Лесного пруда до устья (в пределах Барнаула), что подтверждается индексом сходства населения А. С. Константинова

2. Первый участок (за пределами Барнаула) отличается незначительными колебаниями биологических индексов и является а-Р-мезосапробным, а второй характеризуется увеличением уровня загрязненности от Лесного пруда к устью (полисапробные условия). Об этом свидетельствуют снижение индекса Вудивисса, повышение индекса сапробности Пантле и Бука, повышение индекса Гуднайта

и Уитлея и снижение индекса видового разнообразия.

3. Исследованные озера также разделяются на две группы К первой группе относятся Урлаповское, Бахматовское, Песьяное, Се-ребрянниковское, которые характеризуются как Р-мезосапробные, ко второй группе — Песчаное, Зеркальное, Сухое, а-мезосапроб-ные.

4. Примененные нами для анализа качества вод индексы сапробности Пантле и Бука, Гуднайта и Уитлея, Вудивисса и видового разнообразия Маргалефа показали высокую корреляцию между собой и с данными химического анализа, что говорит о их применимости на малых реках юга Сибири. Индекс Балушкиной показал свою малую пригодность в данных условиях.

5. При использовании указанных индексов для обследования озер следует учитывать, что индексы Гуднайта-Уитлея и Вудивисса дают менее достоверные результаты.

6. Концентрация хлорофилла «а» характеризует Барнаулку как эвтрофный водоем Наибольшая корреляция концентрации наблюдалась со щелочностью воды, концентрацией кислорода и температурой.

Литература

1. Соколова Н. Ю.. Баканов А. И. Методика количественного учета и пространственного распределения бентоса (хирономид): Методическое пособие по изучению хирономид. Душанбе, 1982.

2. Общие основы изучения водных экосистем / Под ред. Г. Г. Винберга. Л.. 1979.

3. Абакумов В. А., Качалова О. В. Зообентос в системе контроля качества вод // Научные основы контроля качества вод по гидробиологическим показателям: Тр. Всесоюзн. конф. Москва. 1978. Л., 1981.

4. Макрушин А. В. Биологический анализ качества вод / Под ред. Г. Г. Винберга. Л.. 1974.

5. Константинов A.C. Использование теории множеств в биогеографическом и экологическом анализе // Успехи совр. биологии. 1969. Т. 67. № 1.

6. Кафтанникова О. Г.. Мартынова Е. Г. Зообентос как индикатор санитарного состояния реки Днепр // Самоочищение и биоиндикация загрязненных вод. М., 1980.

7. Китаев С. П. Экологические основы биоиро-дуктивности озер разных природных зон. М., 1984.

8. Пшеницина В. Н. Об эффективности шкалы Вудивисса при биоиндикации качества оо-ды // Гидробиол. журнал. Т. 24. JVe4. 1986.

9. Дзюбая H.A., Слободчиков Н.Б. Унификация методики мониторинга по зообентосу // Тез. докл. IV Всесоюзного гидробиол. общества. Киев, 1-4 декабря 1981 г. 4.4. Киев, 1981.

10. Слепухина Т.Д., Пеарова H.A. Индикаторная значимость отдельных компонентов экосистемы при оценке евтрофирования крупных озер // Тез. докл. IV Всесоюзн. гидробиол. общества Киев. 1-4 декабря 1981 г. 4.4. Киев. 1981.

11. Балушкина Е. В. Функциональное значение хирономид в континентальных водоемах — Л., 1989.

12. Безматерных Д. М.. Мисейко Г. Н. Зообентос как биоиндикатор качества вод реки Барнаулки (Алтайский край) // Проблемы общей биологии и прикладной экологии. Вып 2/3. Саратов. 1997.