Пространственная структура сообщества фитопланктона Байкала как основа оценки экологического риска

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Оригинальная статья / Original article УДК: 574.5

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА СООБЩЕСТВА ФИТОПЛАНКТОНА БАЙКАЛА КАК ОСНОВА ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА

© Е.В. Пислегина1, Л.С. Кращук2, Е.А. Зилов3, С.В. Шимараева4

Научно-исследовательский институт биологии ИГУ, 664003, Россия, г. Иркутск, ул. Ленина, 3.

Резюме. Цель. В настоящее время уже принят ряд федеральных законов, направленных на повышение эффективности государственного экологического контроля и государственного экологического мониторинга. Во всех документах большое внимание уделяется охране озера Байкал и Байкальской природной территории от негативного воздействия техногенных, антропогенных и природных факторов. Цель настоящей работы дать оценку жизнеспособности автоторфного звена экосистемы Байкала на основе исследования пространственного распределения концентрации хлорофилла а и абиотических параметров в озере. Материал и методы. Озеро Байкал является не только хранилищем половины доступных человечеству запасов пресной чистой воды, пригодной для питья, но и естественной фабрикой ее воспроизводства, за которое ответственна именно биота озера, в частности, сообщество планктона. Развитие фитопланктона и его функционирование зависят от влияния совокупности биотических и абиотических факторов. Обилие, функционирование и состояние альгоценозов в продукционных исследованиях оценивают по содержанию фотосинтетических пигментов. Также известно, что количество основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла а - тесно связана с биомассой водорослей, что позволяет выражать ее в единицах этого компонента растительной клетки и использовать хлорофилл как показатель временной и пространственной динамики фитопланктона, а также как показатель трофности водоема. Результаты и их обсуждение. Представлена информация по пространственному распределению концентрации хлорофилла а, температуры и прозрачности озера (по данным Кругобайкальской экспедиции 2012 г.). Выявлено, что температура поверхностного слоя Байкала в период позднего лета находилась на уровне среднемноголетних значений. Содержание хлорофилла а в слое воды 0-10 м оказалось типичным для Байкала и, в значительной степени, определяло прозрачность воды. Распределение хлорофилла а по акватории озера достаточно однородно. Заключение. Несмотря на усиливающийся на Байкал антропогенный пресс и отдельные негативные последствия этого процесса, как, например, массовое развитие нитчатых водорослей, автотрофное звено экосистемы озера функционирует достаточно устойчиво. Системный подход к сбору данных и разработка качественных моделей функционирования экологических систем существенно расширяет возможности оценки рисков в области экологии.

Ключевые слова: концентрация хлорофилла а, температура, прозрачность, озеро Байкал.

Формат цитирования: Пислегина Е.В., Кращук Л.С., Зилов Е.А., Шимараева С.В. Пространственная структура сообщества фитопланктона Байкала как основа оценки экологического риска // XXI век. Техносферная безопасность. 2016. Т. 1. № 2. С. 67-73.

SPATIAL STRUCTURE OF THE PHYTOPLANKTON COMMUNITY OF LAKE BAIKAL

AS A BASIS FOR ECOLOGICAL RISK ASSESSMENT

Е^. Pislegina, L.S. Krashchuk, Е.А. Silow, S.V. Shimaraeva

Research Institute of Biology, Irkutsk State University,

1Пислегина Елена Васильевна, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории общей гидробиологии, e-mail: Helga_64@mail.ru

Pislegina Elena, PhD, Researcher of the Laboratory of General Aquatic Ecology, e-mail: Helga_64@mail.ru

2Кращук Людмила Степановна, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории общей гидробиологии, e-mail: Krashchuk@gmail.com

Krashchuk Lyudmila, PhD, Researcher of the Laboratory of General Aquatic Ecology, e-mail: Krashchuk@gmail.com

3Зилов Евгений Анатольевич, доктор биологических наук, научный сотрудник лаборатории общей гидробиологии, e-mail: eugenesilow@gmail.com

Silow Eugen, Dr.Sci, Researcher of the Laboratory of General Aquatic Ecology, e-mail: eugenesilow@gmail.com

4Шимараева Светлана Владимировна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией общей гидробиологии, e-mail: shimaraeva@gmail.com

Shimaraeva Svetlana, PhD, Head of the Laboratory of General Aquatic Ecology, e-mail: shimaraeva@gmail.com

Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

3, Lenin st., Irkutsk, 664003, Russia.

Abstract. Purpose. A number of federal laws aimed to improve state environmental control and environmental monitoring have been adopted. These acts pay much attention to the protection of Lake Baikal and Baikal natural territory from negative effects of technogenic, anthropogenic, and natural factors. The purpose of the article is to assess the viability of an autotrophic element of Baikal ecosystem by studying the spatial distribution of chlorophyll a concentration and abiotic parameters in Lake Baikal. Material and methods. Lake Baikal is not only a gigantic reservoir of fresh water. It is a natural factory of water reproduction. It is its biota, in particular a plankton community, which is responsible for this process. Phytoplankton reproduction depends on a number of biotic and abiotic factors. Algocenosis quantity and state in production studies are evaluated by the proportion of photosynthetic pigments - chlorophyll a - which depends on the algal biomass. We can present it in the units of the plant cell element and use chlorophyll a as time and space phytoplankton dynamics indicators as well as a trophicity indicator. Results and discussion. The article presents data on the spatial distribution of chlorophyll a, temperature and transparence of the lake. It has been determined that the temperature of the surface layer of Lake Baikal in late summer was long-term average annual. The proportion of chlorophyll a in 0-10 m water layer was typical for Lake Baikal. It determines water transparence. The distribution of chlorophyll a is rather homogeneous. Conclusion. Despite the anthropogenic impact on Lake Baikal and negative consequences of this process, the autotrophic element of the ecosystem is rather stable. The systemic approach to data collection and high-quality ecosystem model development increase opportunities in ecological risk assessment.

Key words: chlorophyll, concentration, temperature, transparency, Lake Baikal

For citation: Pislegina E.V., Krashchuk L.S., Silow E.An., Shimaraeva S.V. Spatial structure of phytoplankton community of Lake Baikal as a basis for ecological risk assessment. XXI century. Technosphere safety. 2016, vol. 1, no. 2, pp. 67-73. (in Russian).

Введение

Стратегической целью государственной политики в области экологии является сохранение природных систем, поддержание их целостности и жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни, улучшения здоровья населения и демографической ситуации, обеспечения экологической безопасности страны [1].

В докладе Председателя Комитета Государственной Думы по природным ресурсам, природопользованию и экологии В.И. Кашина «Об итогах работы Минприроды России в 2015 году и задачах на 2016 год» на заседании Коллегии Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации (27 апреля 2016 года) обоснована приоритетность проблем озера Байкал: «Природная неповторимость и высокая социальная значимость озера Байкал, как уникального объекта Всемирного Природного Наследия ЮНЕСКО, ставит перед всеми нами, перед государством в целом задачу недопущения обострения экологической обстановки на Байкальской природной территории».

Комплексное решение конкретных природоохранных задач сохранения экосистемы озера Байкал и Байкальской природной территории в ближайшие годы будет реализовываться в рамках Федеральной целевой программы «Охрана озера Байкал и социально-экономическое развитие Байкальской природной территории на 2012-2020 годы» (Постановление Правительства РФ от 21 августа 2012 г. № 847) и Федерального закона от 28 декабря 2013 г. № 406-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об особо охраняемых природных территориях» и отдельные законодательные акты Российской Федерации». Основной задачей Программы является охрана озера Байкал и Байкальской природной территории от негативного воздействия техногенных, антропогенных и природных факторов. Следует отметить, что в настоящее время уже принят ряд федеральных законов, направленных на повышение эффективности государственного экологического надзора и государственного экологического мониторинга. Важно отметить, что государственный экологический надзор в области охраны озера Байкал и

в vöy

К

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

к/

Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

государственный экологический мониторинг уникальной экологической системы озера Байкал выделены в отдельные компоненты.

Мониторинг планктонных сообществ по всей акватории озера Байкал в период позднего лета проводится НИИ биологии ИГУ, начиная с 1925 г. (экспедиция под руководством профессора В.Н. Яснитского), в рамках Кругобайкальской экспедиции (КБЭ) относительно регулярно.

Озеро Байкал является не только хранилищем половины доступных человечеству запасов пресной чистой воды, пригодной для питья, но и естественной фабрикой ее воспроизводства, за которое ответственна именно биота озера, в частности, сообщество планктона. Особенности экосистемы озера Байкал сближают его, с одной стороны, с экосистемами открытого Мирового океана (90% круговорота вещества и 95% потока энергии проходят именно через пелагическое сообщество), с другой стороны - это «самое пресноводное» озеро планеты. Уникальность его флоры и фауны определяется, кроме абиотических факторов, успешностью функционирования комплекса планктона пелагиали Байкала.

Известно, что развитие фитопланктона и его функционирование зависят от влияния совокупности биотических и абиотических факторов. Обилие, функционирование и состояние альгоценозов в продукционных исследованиях оценивают по содержанию фотосинтетических пигментов. Также известно, что количество основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла а - тесно связано с биомассой водорослей, что позволяет выражать ее в единицах этого компонента растительной клетки и использовать хлорофилл как показатель временной и пространственной динамики фитопланктона, а также как показатель трофности водоема [2].

Температура - важнейший абиотический фактор в жизни гидробионтов, который определяет пределы существования

вида, влияет на скорость роста и развития организмов, число генераций и, в связи с этим, на общую продуктивность водоема [3].

Оценка пространственного распределения абиотических и биотических параметров в водах озера Байкал проведена по данным Кругобайкальской экспедиции (КБЭ) НИИ биологии ИГУ. КБЭ проводятся по всей акватории озера относительно регулярно в конце августа-сентябре, начиная с 1925 г. Этот период года с устойчивой прямой термической стратификацией принято называть на Байкале «периодом позднего лета» [4]. Он характеризуется высоким уровнем развития планктона. Отбор проб осуществляется на 69 станциях, расположенных на 23 разрезах в Южном, Среднем и Северном Байкале. Станции находятся в открытой части - пелагиали и прибрежных районах, удаленных от берега на 1,5-2 км, исключая соры и заливы.

Цель настоящей работы дать оценку жизнеспособности автоторфного звена экосистемы Байкала на основе исследования пространственного распределения концентрации хлорофилла а и абиотических параметров в озере по данным КБЭ 2012 г.

Материалы и методы

В ходе КБЭ в 2012 г. были отобраны пробы для определения концентрации хлорофилла а, температуры и прозрачности воды на 65 станциях (рис. 1). Пробы воды для определения концентрации хлорофилла а отбирали 7-литровым батометром с горизонтов 0, 10 м (60 станций) и дополнительно с 25, 50 м (на 5 станциях в пелагической зоне). Концентрацию хлорофилла а определяли стандартным спек-трофотометрическим методом [5] после фильтрования через нуклеопоровые фильтры с диаметром пор 0,7 мкм. Температуру воды измеряли ртутными термометром, встроенным в батометр, в процессе отбора проб, прозрачность - по белому диску Секки.

VTK

Том 1 № 2 2016 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Vol. 1 no. 2 2016 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

Vs

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

к/

Рис. 1. Схема расположения гидробиологических станций в КБЭ НИИ биологии ИГУ Fig. 1. Location scheme for hydrobiological stations in KBE of the Research Institute of Biology

at Irkutsk State University

H

Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016

XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Для анализа использованы средневзвешенные для слоя 0-10 м значения концентрации хлорофилла а и температуры воды.

Результаты и обсуждение

Температура воды в Южной котловине в осенний период 2012 г. в слое 0-10 м варьировала от 14,2 до 7,1 со средним значением 12,2±0,4°С. (рис. 2). Максимальная температура (14,2°С) зафиксирована в южной оконечности Байкала (порт Култук) и в районе дельты р. Селенги, а минимальная (7,1°С) - в пелагической зоне (середина расстояния м. Кадильный - пос. Клюев-ка). Температура воды в слое 0-10 м у восточного и западного побережий Южного Байкала различается незначительно. Некоторое уменьшение температуры отмечается в пелагической зоне, что типично для Байкала. Коэффициент вариации значений температуры в Южной котловине составил 25,8%, что свидетельствует о ее достаточно равномерном распределении по акватории.

Температура воды в Средней котловине изменялась от 14,0 до 6,7 со средним значением 11,7±0,4°С. Максимальное значение (14,0°С) зафиксировано в пелагической зоне (м. Кочериковский - м. Нижнее Изголовье п-ва Святой Нос). Минимальная температура (6,7°С) отмечена у восточного

побережья (против м. Сухинский). В основном диапазон изменения температуры в Средней котловине укладывается в пределы 10,0-13,8°С, что свидетельствует о высоком для Байкала прогреве верхнего 10-метрового слоя. Пространственная изменчивость температуры поверхностного слоя Средней котловины более выражена по сравнению с Южной котловиной, коэффициент вариации составил 38,1%.

В Северной котловине температура воды изменялась от 14,1 до 5,4, составляя в среднем 10,0±0,5°С. Максимальная температура 14,1°С зафиксирована у западного побережья (против м. Кочериковский), а минимальная 5,4°С - у восточного (против м. Омагачан). Средняя температура воды в слое 0-10 м в Северной котловине отличалась от таковой в Южной (на 2,2°С) и Средней (на 1,7°С) котловинах и была самой низкой (см. рис. 2). Ее пространственное распределение характеризуется наиболее высокой степенью неоднородности, коэффициент вариации достигает 50,6%.

Прозрачность воды - интегральный показатель ее оптических свойств. Как известно, прозрачность воды зависит как от степени развития планктона, так и от наличия растворенных и нерастворенных минеральных и органических примесей [3].

Рис. 2. Температура воды в Южной, Средней и Северной котловинах Байкала в осенний период 2012 г. Fig. 2. Water temperature in the Southern (to the left), Middle (in the middle) and Northern (to the right) hollows of Lake Baikal in autumn 2012

Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016

XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Прозрачность воды в Южной котловине изменялась от 6,0 до 10,5 со средним значением 8,8±0,3 м и была самой высокой по всей акватории озера (рис. 3).

В Средней котловине прозрачность варьировала от 5,5 до 11,5 со средним значением 7,5±0,3 м, а в Северной котловине - от 5,0 до 13,0 со средним значением 8,0±0,4 м.

Концентрация хлорофилла а в Южной котловине изменялась от 0,90 до

о

1,62 со средним значением 1,17±0,04 мг/м3, что обычно для этого сезона (рис. 4). Ее максимальное значение зафиксировано в пелагической зоне разреза м. Большой Колокольный - протока Усть-Харауз. Пространственная изменчивость хлорофилла а

в Южной котловине не выражена, коэффициент вариации составляет лишь 2,8%.

В Средней котловине концентрация хлорофилла а несколько выше, чем в Южной котловине, она изменялась от 2,58 до

о

0,71 со средним значением 1,38±0,10 мг/м3.

Наиболее высокие концентрации зафиксированы на трех станциях, расположенных в районе дельты р. Селенги у проток Усть-Харауз и Средняя и против о. Кокуй. Прозрачность воды на этих станциях довольно низкая (6,0 м), что характерно для данного района. Низкий уровень прозрачности обусловлен двумя факторами: уровнем развития фитопланктона и выно симыми Селенгой взвешенными частицами. Минимальная концентрация хлорофилла

9.0

3.0

0.0

Южная

Ср едняя

котловины

Северная

Рис. 3. Прозрачность воды в Южной, Средней и Северной котловинах Байкала в осенний период 2012 г. Fig. 3. Water transparency in the Southern (to the left), Middle (in the middle) and Northern (to the right) hollows

of Baikal Lake in autumn 2012

"it

1.02

0.00

1.17

Южная

Ср едняя котловины

Северная

Рис. 4. Концентрация хлорофилла а в Южной, Средней и Северной котловинах Байкала

в осенний период 2012 г. Fig. 4. Concentration of chlorophyll a in the Southern (to the left), Middle (in the middle) and Northern (to the right) hollows of Baikal Lake in autumn 2012

. 72 ,, ,

Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016

XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

симыми Селенгой взвешенными частицами. Минимальная концентрация хлорофилла а (0,71 мг/м3) отмечена у м. Верхнее Изголовье п-ва Святой Нос при низкой температуре (7,6°С) и прозрачности (6,5 м). В Средней котловине вариабельность концентрации хлорофилла в пространстве более выражена по сравнению с Южной, коэффициент вариации значений составляет 16,0%.

Изменение концентрации хлорофилла а в Северной котловине варьировало от 2,29 до 0,66 со средним значением 1,34±0,10 мг/м3. Наиболее высокие его концентрации зарегистрированы в центральной части пелагической зоны (2,29 мг/м3 ) и на двух станциях у западного побережья котловины (2,10 и 2,15 мг/м3). Минимальное значение также зафиксировано у западного побережья (0,66 мг/м3). Северная котловина озера отличается наиболее высокой степенью неоднородности пространственного распределения хлорофилла, коэффициент вариации 17,5%.

Заключение

Анализ полученных данных показал, что в 2012 г. в период позднего лета температура поверхностного слоя находится на уровне среднемноголетних значений. Неоднородность ее пространственного распределения увеличивается от Южной котловины к Средней и Северной. Содержание хлорофилла а в слое воды 0-10 м также типично для Байкала и, в значительной степени, определяет прозрачность воды. В целом распределение хлорофилла а по акватории озера достаточно однородно, большей вариабельностью значений отличается Северная котловина озера. Таким образом, несмотря на усиливающийся антропогенный пресс и отдельные негативные последствия этого процесса, как, например, массовое развитие нитчатых водорослей, автотрофное звено экосистемы озера функционирует достаточно устойчиво. Системный подход к сбору данных и разработка качественных моделей функционирования экологических систем существенно расширяет возможности оценки рисков в области экологии.

Библиографический список

1. Экологическая доктрина Российской Федерации. Одобрена распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р. [Электронный ресурс]. иРЬ: consultant.ru (30.03.2016).

2. Бульон В.В. Первичная продукция планктона внутренних водоемов. Л.: Наука. 1983. 150 с.

3. Винберг Г.Г. Первичная продукция водоемов.

Минск: Изд-во БГУ, 1960. 328 с.

4. Кожов М.М. Биология озера Байкал. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 315 с.

5. Report of SCOR-UNESCO Working group 17, Determination of photosynthetic pigments, Paris, UNESCO Publ., 1964, 12 p.

References

1. Ekologicheskaya doktrina Rossiiskoi Federatsii. Odobrena rasporyazheniem Pravitel'stva RF ot 31 avgusta 2002 g. № 1225-r [Ecological doctrine of the Russian Federation. Approved by the order of the Government of the Russian Federation of August 31, 2002 No. 1225-r.], Available at: consultant.ru (accessed 30 March 2016).

2. Bul'on V.V. Pervichnaya produktsiya planktona vnu-trennikh vodoemov [Primary plankton production in in-

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии интересов.

Поступила 20.04.2016

конфликта

ternal reservoirs], Leningrad, Nauka Publ., 1983, 150 p.

3. Vinberg G.G. Pervichnaya produktsiya vodoemov [Primary reservoir production], Minsk, BGU Publ., 1960, 328 p.

4. Kozhov M.M. Biologiya ozera Baikal [Biology of Lake Baikal], Moscow, AN SSSR Publ., 1962, 315 p.

5. Report of SCOR-UNESCO Working group 17, Determination of photosynthetic pigments, Paris, UNESCO Publ., 1964, 12 p.

Conflict of interest

The authors declare no conflict of interest.

Received on 20.04.2016

Том 1 № 2 2016 Vol. 1 no. 2 2016

XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY