Динамика структуры макрозообентоса нефтяного загрязнения донных отложений малых рек Удмуртии

336 Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2007. №9/1(59).

УДК 504.4.054

ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ МАКРОЗООБЕНТОСА НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МАЛЫХ РЕК УДМУРТИИ

© 2007 Н.В. Холмогорова1

На основании исследований макрозообентоса (МЗБ) малых рек на территориях нефтяных месторождений Удмуртии и химического анализа донных отложений выявлены межвидовые различия в чувствительности и устойчивости организмов к нефтяному загрязнению. Показано существенное влияние типа донных отложений на трансформацию бентосных сообществ в условиях нефтяного загрязнения.

Введение

Возрастающее техногенное загрязнение водоемов, одним из наиболее распространенных видов которого становится загрязнение нефтепродуктами, требует глубокого изучения возможных последствий такого воздействия на экосистемы и выработки критериев биологического контроля [1].

Аккумуляция нефтепродуктов и других ксенобиотиков идет преимущественно в донных отложениях (ДО) [2]. Содержание углеводородов и смол в ДО превышает их содержание в воде до 100-1000 раз [3]. Поэтому донные сообщества подвержены более длительному токсическому воздействию, чем другие.

Под действием компонентов нефти на уровне особи изменяется скорость физиологических процессов, на популяционном уровне — скорость воспроизводства численности и элиминации, на уровне сообщества в первую очередь изменяется структура самого сообщества: видовой состав и соотношение таксонов.

В данной работе произведена оценка изменения количественных и качественных характеристик макрозообентоса под воздействием компонентов нефтяного загрязнения на примере малых рек Удмуртской республики.

1. Методика и материалы

Сбор материала проводили с мая по октябрь 2001-2005 годов на реках Вот-ка (66 км), Лоза (127 км), Нязь (42 км) по общепринятым методикам [4]. Кроме того, в 2004-2005 годах были обследованы малые реки и ручьи на Ижевском,

1 Холмогорова Надежда Владимировна (Nadjaholm@rambler.ru), кафедра общей экологии Удмуртского государственноого университета, 426034, Россия, г.Ижевск, ул.Университетская, 1.

Мещеряковском, Бурановском, Гремихинском, Архангельском, Алексеевском, Никольском, Северо-Никольском и Ельниковском месторождениях нефти, охватившие север, центр и юг республики. Все исследуемые реки являются притоками реки Кама разного порядка.

За весь период исследований отобрано 340 количественных проб макрозообентоса, 110 проб ДО на химический анализ. Отбор проб бентоса на мягких грунтах проводили трубчатым дночерпателем с площадью захвата 0,01 м2, каждая проба включала содержимое 4 дночерпателей. Степень загрязнения каменистых субстратов оценивали по концентрации компонентов нефти в наносных грунтах оседающих под камнями или в местах с замедленным течением. Массовую долю нефтяных углеводородов в пробах ДО измеряли на анализаторе жидкости ”Флюорат-02”, аттестованный диапазон измерений от 0,005 до 20 мг/г (ПНД Ф 16.1.21-98).

На основании данных химического анализа грунтов мы выделили три уровня загрязнения нефтью: слабое < 50 мг/кг; умеренное 51-400 мг/кг и экстремальное > 400 мг/кг.

Видовое разнообразие сообществ зообентоса оценивали с помощью индекса Шеннона-Уивера (Н). Для оценки выравненности видового обилия рассчитывали показатель Пиелоу (Е) [5].

Определение биотического индекса проводили по системе Вудивисса [6], а также в модификации В.И. Пшеницыной [7], разработанной для средней Волги.

На основании гидробиологических и химических данных расчитывали коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (г5), проводили однофакторный дисперсионный анализ, множественные сравнения средних проводили с помощью Шеффе-теста. Статистическую обработку данных вели в программе 81аШМса 6.0.

2. результаты и их обсуждение

Поскольку тип донного грунта играет важную роль в распределении и накоплении токсикантов, мы рассматривали воздействие нефти на бентос по типам ДО.

Всего было выделено четыре основных типа донных грунтов:

1) илистые;

2) глинистые;

3) песчано-илистые;

4) каменистые.

1. На илистых грунтах при увеличении концентрации углеводородов нефти до 51-400 мг/кг наблюдалась тенденция к уменьшению численной доли двустворчатых моллюсков (21,8% ^ 18,2%), личинок ручейников (11,7% ^ 6,2%) и пиявок (3,7% ^ 1,2% (р = 0,027)).

При загрязнении свыше 400 мг/кг отмечалось уменьшение численной доли двустворчатых моллюсков до 3,6%, личинок ручейников — до 1,2% и пиявок (сем. 01о8з1рНопИё,ае и сем. ЕгроЪйеШйав) до 0,4% (рис. 1). Чувствительность пиявок к нефтяному загрязнению в литературе не освещена, однако, по мнению Е.И. Лукина [8] обилие пиявок напрямую зависит от количества пищи, в качестве которой выступают обитатели чистых вод (брюхоногие моллюски, мелкие хирономиды и олигохеты).

20-

о -I-------IIIIIIIIIIIIIIIIH-т---ШИШ-------------т------НИМИ------------

< 50 51-400 > 400 мг/кг

Ш Chironomidae Ш Oligochaeta  Gastropoda

Bivalvia  Trichoptera ЕЭ Ephemeroptera

Рис. 1. Трансформация макрозообентоса при загрязнении нефтепродуктами илистых ДО

При экстремальном загрязнении донных отложений компонентами нефти достоверно увеличивалась доля личинок хирономид (26% ^ 42,3%; р = 0,0029) особенно подсемейства Prodiamesinae (р = 0,0049) и отмечалась тенденция к росту численности олигохет семейства Tubificidae (23,2% ^ 28,2%).

Макрозообентос илистого дна в ответ на рост концентрации нефтяных углеводородов с 50 до 401 мг/кг и более реагировал уменьшением общей биомассы (р = 0,004), сокращением числа видов (р = 0,0017) и снижением индекса Шеннона (р = 0,0076).

Отмечена отрицательная корреляция между массовой долей нефтяных углеводородов в донных отложениях и численной долей двустворчатых моллюсков (г5 = -0,5; п = 36; р < 0,05), пиявок (г5 = -0,4; п = 36; р < 0,05), показателем выровненности по Шеннону (г5 = -0, 35; п = 36; р < 0,05) и биотического индекса Вудивисса в модификации Пшеницыной (г5 = -0,56; п = 36; р < 0,05).

2. На глинистых грунтах увеличение концентрации нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг ведет к сокращению численной доли личинок хирономид (44% ^ 32,6%). Доля двустворчатых моллюсков при этом возрастает (5,9% ^ 13,4%, р = 0,013).

Дальнейший рост концентрации компонентов нефти в донных отложениях (>400 мг/кг) вызывал наиболее заметные изменения в видовой структуре аргил-лореофильных сообществ (рис. 2). Резко увеличивалась доля олигохет (с 9% до 31,3%), преимущественно сем. Tubificidae (р = 0,001), до 0,8% сократилась доля двустворчатых моллюсков (р = 0,006). Достоверно снизилась численность поденок (р = 0,002), причем снижение происходило как за счет фитофильных личинок (сем. Baetidae), так и живущих непосредственно в донных отложениях (сем. Caenidae).

Численная доля семейства хирономид менялась незначительно, но, несмотря на это, доля подсемейства продиамезин достоверно возрастала (р = 0,001).

Отрицательная корреляция установлена между массовой долей нефтяных углеводородов в ДО и численной долей брюхоногих моллюсков (г5 = -0,44; п = 30; р < 0,05), сем. Lymnaeidae (г5 = -0,38; п = 30; р < 0,05), сем. Valvatidae (г5 = -0, 39; п = 30; р < 0,05), а также долей личинок поденок (г5 = -0,55; п = 30; р < 0,05).

% 100

80 60 40 20 0

< 50 51-400 >400 мг/кг

П Chironomidae  Oligochaeta  Gastropoda

Bivalvia  Trichoptera  Ephemeroptera

Рис. 2. Трансформация макрозообентоса при загрязнении нефтяными углеводородами глинистых ДО

Как и на илистых грунтах, общая биомасса макрозообентоса, индекс Шеннона и число видов в аргиллореофильных сообществах достоверно снижались (p < 0,01) при увеличении степени загрязнения донных отложений от слабого уровня до экстремального.

3. Песчано-илистые ДО. При увеличении концентрации нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг наблюдалась тенденция к уменьшению доли двустворчатых моллюсков (17,6% ^ 13,1%), ручейников (10,9% ^ 9,5%) и поденок (11,2% ^ 8,8%). Было отмечено достоверное увеличение доли брюхоногих моллюсков на песчаных ДО (1,9% ^ 5,3%) (p = 0,003) и хирономид подсемейства Prodiamesinae (p = 0, 008), незначительно повышалась численность олигохет (17,8% ^ 18,4%). Однако при экстремальном загрязнении в пробах полностью отсутствовали как брюхоногие, так и двустворчатые моллюски (рис. 3).

% 100 80 60 40 20 0

< 50 51-400 > 400 мг/кг

Chironomidae П Oligochaeta  Gastropoda

Bivalvia  Trichoptera  Ephemeroptera

Рис.3. Трансформация макрозообентоса при загрязнении нефтяными углеводородами песчаных ДО

Рост концентрации компонентов нефти до 400 мг/кг и выше привел к полному исчезновению моллюсков, сокращению численной доли личинок ручейников

(4,9%), поденок (5,6%). Общая доля малощетинковых червей в сообществе сокращалась (10,4%), но доля олигохет сем. Lumbriculidae возрастала (р = 0,048). При экстремальном загрязнении важную роль в псаммореофильных сообществах играли личинки длинноусых двукрылых (сем. Limoniidae и Tipulidae), их численная доля увеличилась до 15%.

Отрицательная корреляция отмечена между численной долей двустворчатых моллюсков (гж = -0,65; п = 31; р < 0,05), брюхоногих моллюсков семейства Valvatidae (гж = -0,48; п = 31; р < 0,05), личинок ручейников семейства Hydropsychidae (гж = -0,45; п = 31; р < 0,05) и концентрацией нефтяных углеводородов в ДО. Также загрязнение нефтью вызвало сокращение числа видов (гж = -0,48; п = 31; р < 0,05), обилия (гж = -0,44; п = 31; р < 0,05) и общей биомассы макрозообентоса (гж = -0,53; п = 31; р < 0,05) в псаммореофильных сообществах.

4. Каменистый грунт. Увеличении массовой доли нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг ведет к сокращению доли олигохет (сем. Tubificidae, сем. Lumbriculidae) (24,2% ^ 13,4%) и общей доли личинок поденок (16,1% ^ 14%). При этом достоверно возрастала доля пелореофильных моллюсков сем. Valvatidae (р = 0,037). Показатели личинок хирономид и ручейников практически не менялись (рис. 4).

% 100

60 40 20 О

< 50 51-400 > 400 мг/кг

Chironomidae  Oligochaeta  Gastropoda

Bivalvia  Trichoptera  Ephemeroptera

Рис.4. Трансформация макрозообентоса при загрязнении каменистого дна

нефтяными углеводородами

Концентрация углеводородов нефти свыше 400 мг/кг вызвала упрощение структуры литореофильного биоценоза. Это проявилось в сокращении доли олигохет (1,74%), гастропод (0,1%), двустворчатых моллюсков (0,5%), ручейников (1,6%). Представители семейств Hydropsychidae (отр. Trichoptera), Heptageniidae и Caenidae (отр. Ephemeroptera) при отмеченной выше концентрации углеводородов полностью отсутствовали. В то же время значительно повысилась доля личинок поденок сем. Baetidae (с 9,7 до 23%).

Достоверное увеличение численной доли при экстремальном загрязнении отмечено только для комаров-звонцов подсемейства Prodiamesinae (p = 0,006).

На основании корреляционного анализа выявлено отрицательное воздействие нефтепродуктов на фауну олигохет (rs = -0,48; n = 28; p < 0,05), в частности семейства Lumbriculidae (rs = -0,47; n = 28; p < 0,05), хирономид подсемейства Orthocladiinae (rs = -0,40; n = 28; p < 0,05), и двукрылых сем. Limoniidae (rs = -0,40; n = 28; p < 0,05).

Заключение

Максимальные изменения в структуре макрозообентоса малых рек отмечались при концентрации нефтепродуктов в донных отложениях свыше 400 мг/кг. При этом наблюдалось снижение видового разнообразия (общее число видов МЗБ) на всех типах грунтов (р < 0,01) (рис. 5). Подобное воздействие нефти отмечается и другими исследователями [9-15]

18

8 -I-----------------т------------------т--------*---------

< 50 51-400 > 400 мг/кг

♦ камни—— песок—к - глина - - ил

Рис.5. Количество видов МЗБ при различной степени загрязнения нефтью

На илистых, глинистых и песчаных донных отложениях отмечалось снижение общей биомассы макрозообентоса. Подобная зависимость отмечена Ю.В. Ершовым с соавторами для Чебоксарского водохранилища [16]. Индекс Шеннона достоверно снижался на всех биотопах, за исключением песчаных.

При экстремальном загрязнении донных отложений нефтью возрастала доля личинок хирономид и реже олигохет.

На всех типах ДО отмечено достоверное увеличение численной доли комаров-звонцов подсемейства Prodiamesinae. Устойчивость продиамезин к нефтепродуктам в литературе не освещена, однако есть данные, что вид Prodiamesa olivacea (Meigen), менее чувствителен к загрязнению металлами, чем другие представители семейства [17]. Это свидетельствует о толерантности вида к разным загрязнителям пресных вод.

Наиболее уязвимыми организмами в бентоценозе оказались личинки ручейников и двустворчатые моллюски. Их численная доля сокращалась при загрязнении нефтью на всех типах ДО.

Личинки поденок относятся в основном к фито- или литореофилам, поэтому имеют слабую связь с мягким грунтом. Их количественные показатели незначительно менялись на илистых и песчаных грунтах, а на каменистых даже возрастали. Только в аргиллореофильных биоценозах, где велика численность поденок родов Ephemera и Caenis, отмечено достоверное уменьшение доли личинок при экстремальном загрязнении.

Литература

[1] Микробиологический контроль нефтяного загрязнения донных отложений водоемов / А.Н.Дзюбан [и др.] // Современные проблемы биоиндикации и био-

мониторинга: тез. докл. XI Междунар. симпозиума по биоиндикаторам. -Сыктывкар, 2001. - С. 52.

[2] Изменение физиолого-биохимических показателей мидий (Mytilus galloprovincialis) под воздействием нефтяного загрязнения донных отложений / Т.О. Барабашин [и др.] // Тез. докладов IX съезда Гидробиологического общества РАН, (г. Тольятти, Россия, 18-22 сент. 2006 г.). - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2006. - Т. I. - С. 34

[3] Павлюк, Т.Е. Использование трофической структуры сообществ донных беспозвоночных для оценки экологического состояния водотоков: дис. ...канд. биол. наук / Т.Е. Павлюк. - Екатеринбург, 1998. - 204 c.

[4] Методические рекомендации по сбору и обработке материалов при гидробиологических исследованиях на пресноводных водоемах. Зообентос и его продукция / под ред. Ю.А. Барулина. - Л.: ГосНИОРХ, 1984. - 51 с.

[5] Мэгарран, Э. Экологическое разнообразие и его измерение / Э. Мэгарран. -М.: Мир, 1992. - 181 c.

[6] Woodiwiss, F.S. The biological system of streem classification used by the Trent river board / F.S. Woodiwiss // Chemistry and industry. - 1964. - P. 443-447

[7] Пшеницына, В.И. Об эффективности шкалы Вудивисса при биоиндикации качества воды / В.И. Пшеницына // Гидробиологический журнал. - 1986. -№4. - С. 42-45

[8] Лукин, Е.И. Пиявки пресных и солоноватых водоемов / Е.И. Лукин // Фауна СССР. - Пиявки. - Т. I. - Л.: Наука, 1976. - 484 с.

[9] Строганов, Н.С. Токсическое загрязнение водоемов и деградация водных экосистем / Н.С. Строганов // Итоги науки и техники. Общая экология, биогео-ценология, гидробиология. - М.: ВИНИТИ, 1976. - Т. 3. - C. 5-47

[10] Богатов, В.В. Загрязнение вод нефтепродуктами в районе Амурско-комсомольского ТПК / В.В. Богатов, Н.И. Морозова // Изучение природной среды Амурско-комсомольского территориально-производственного комплекса под влиянием хозяйственной деятельности. - Владивосток, 1984. - С. 106-115

[11] Панов, Г.Е. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности / Г.Е. Панов, Л.Ф. Петряшин, Г.И. Лысяный. - М.: Недра, 1986.

[12] Шарапова, Т.А. Зообентос и зооперифитон реки Иртыш / Т.А. Шарапова // Гидробиологический журнал. - 1998. - Т. 34. - №4. - С. 32-44

[13] Михайлова, Л.В. Изменение качественного и количественного состава зообентоса реки Ватинский Еган в связи с антропогенным воздействием / Л.В. Михайлова, Е.А. Исаченко-Боме // Чистая вода: тез. докл. научно-практического семинара. - Тюмень, 1998. - С. 42-43

[14] Лозовой, Д.В. Биологический способ обнаружения нефтяного загрязнения: дис. ...канд. биол. наук / Д.В. Лозовой. - Иркутск, 2003. - 172 с.

[15] Балушкина, Е.В. Оценка состояния экосистем водоемов и водотоков северо-запада России / Е.В. Балушкина // Тез. докладов IX съезда Гидробиологического общества РАН, (г. Тольятти, Россия, 18-22 сент. 2006 г.). - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2006. - Т. I. - С. 32

[16] Органическое вещество, битумоиды и углеводороды в донных отложениях водохранилищ Волги и их влияние на бентос / Ю.В. Ершов //Органическое вещество донных отложений Волжских водохранилищ. Труды Российской АН. Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина. - 1993. - В. 66(69). -С. 74-91

[17] Ильящук, Б.П. Зообентос / Б.П.Ильящук // Антропогенные модификации экосистемы озера Имандра; отв. ред. Т.И. Моисеенко. - М.: Наука, 2002. -С. 200-221

Поступила в редакцию 13/Х///2006; в окончательном варианте — 13/X///2006.

MACROZOOBENTIC STRUCTURE DYNAMICS UNDER CONDITIONS OF OIL POLLUTED BOTTOM DEPOSITS OF SMALL RIVERS IN UDMURTIA

© 2007 N.V. Holmogorova2

Interspecies differences in sensitivity and oil pollution resistance of organisms are shown on the basis of macrozoobenthic researches of small rivers in the territories of Udmurtia oilfields and chemical analysis of bottom deposits. Essential influence of bottom deposits on bentonite communities transformation is considered.

Paper received 13/XII/2006. Paper accepted 13/XII/2006.

2Holmogorova Nadegda Vladimirovna (Nadjaholmarambler.ru), Dept. of General Ecology, Udmurt State University, Izhevsk, 426034, Russia.