Способ биологического мониторинга состояния экосистем акватории бухты Козьмина с использованием в качестве тест-объектов морских гидробионтов
METHOD OF BIOLOGICAL MONITORING OF ECOSYSTEM STATUS IN KOZMINO BAY WATER AREA WITH USE OF MARINE HYDROBIONTS AS TEST OBJECTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам оценки состояния экосистем морских акваторий в зонах влияния источников загрязнения нефтью и нефтепродуктами и может быть использовано для комплексного экологического мониторинга состояния акватории бухты Козьмина.
Уровень техники
Комплексный экологический мониторинг состояния акватории бухты Козьмина представляет собой систему регулярных наблюдений за состоянием морской среды и донных отложений по физическим, химическим, гидробиологическим и микробиологическим показателям, а также оценку и прогноз их изменений под влиянием антропогенных факторов. Комплексный экологический мониторинг акватории бухты Козьмина осуществляется для оценки уровня загрязнения нефтью и нефтепродуктами и антропогенного воздействия на природные сообщества в зоне возможного загрязнения.
Поступление токсичных веществ в водную среду, в том числе незначительное, но регулярное, приводит к накоплению токсичных веществ в тканях организмов, что, в свою очередь, приводит к гистопатологическим изменениям в тканях гидробионтов и изменениям размеров меропланктона. Вследствие указанных процессов изменяются морфометрические характеристики и размерная структура гидробионтов в естественных поселениях вплоть до полной их деградации, а также происходит нарушение функционирования искусственно создаваемых поселений культивируемых объектов.
Известен способ оценки уровня загрязнения акватории на основании измерения продукционного показателя у ламинариевых водорослей Laminaria bongardiana. В качестве продукционного показателя измеряют среднюю массу высечки, приведенную к единице площади пластины Laminaria bongardiana первого или начала второго годов жизни. Об уровне загрязнения судят по изменению этого показателя в сравнении со средней массой высечки, приведенной к единице площади пластины Laminaria bongardiana, растущей в оптимальных условиях обитания, при этом, чем меньше средняя масса высечки, тем больше уровень загрязнения. Его недостатком является необходимость культивирования и наличия естественных поселений ламинарии, что на многих участках (в том числе в заливе Петра Великого) затруднительно вследствие высокой температуры воды в летний период.
Известна группа способов оценки токсичности водной среды с использованием тест-объектов. К ним можно отнести:
- способ оценки токсичности водной среды (А.С. СССР 1784914, МПК 5 G01N 33/18), предусматривающий выдерживание биологического тест-объекта в анализируемой среде, регистрацию физиологических параметров тест-объекта и суждение о токсичности анализируемой среды по величине параметров. В качестве биологического тест-объекта используют отрезок колеоптиля растения;
- способ оценки токсичности водной среды (А.С. СССР 1784915, МПК 5 G01N 33/18, A01K 61/00), предусматривающий внесение ракообразных-фильтраторов в опытную и контрольную среду с суспензией микроводорослей, выдерживание их, регистрацию параметра, характеризующего трофическую активность ракообразных-фильтраторов, и отнесение к токсичной исследуемой воды в случае отличия опытных данных от контрольных, где в качестве ракообразных-фильтраторов используют рачка Epishura baicalensis;
- способ оценки токсичности загрязнителей вод дальневосточных морей (А.С. РФ 2215290, МПК 7 G01N 33/18, A01K 61/00). Оценку токсичности загрязнителей морских вод производят с помощью тест-объекта, в качестве которого используют предличинок японского анчоуса (Engraulis japonicus).
Недостатком указанных способов является определение токсичности воды только на момент проведения исследования, не учитывая происходившие ранее события. Кроме того, для каждого района требуется подбор распространенных в нем тест-объектов и изучение устойчивости их к загрязнениям в условиях конкретного района, либо осуществление культивирования тест-объектов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ биологического мониторинга на основе биоиндикации (А.С. РФ 2357243, МПК G01N 33/00 (2006.01) G01N 33/18 (2006.01)). Способ биологического мониторинга на основе биоиндикации предусматривает отбор проб водных животных, установление их численности, биомассы, видового разнообразия, границ распределения и регистрацию функциональных параметров организма, а также основных гидрологических и гидрохимических показателей, определение на их основе пространственных и временных трендов изменения индикаторных биологических параметров в градиенте экологических факторов. Биомониторинг осуществляется непрерывно посредством многоуровневой биоиндикации, с использованием нескольких уровней организации биологических систем и измерением индикаторных параметров с различной дискретностью. При этом результаты оперативной биоиндикации по физиологическим и поведенческим реакциям организма в природных условиях характеризуют изменения состояния среды в интервале от 1 часа до 6 месяцев, краткосрочной биоиндикации - по параметрам популяций отдельных видов - характеризуют диапазон от 0,5 года до 3 лет, многолетней биоиндикации на уровне сообществ оценивают изменения с интервалом 3 и более лет. Оценка изменений среды осуществляется путем сравнения с фоновыми и референтными трендами индикаторных параметров.
Данный способ применяется для оценки показателя биоразнообразия.
Одним из недостатков этого способа является невозможность применения для оценки экологического состояния акватории.
Другим недостатком данного способа является отсутствие контроля физиологического состояния отдельных особей, что особенно важно в краткосрочном аспекте (при непродолжительном - от нескольких часов до нескольких дней - воздействии загрязняющих веществ).
Также к недостаткам можно отнести применимость его только в тех случаях, когда на рассматриваемом участке существуют стабильные естественные поселения видов, чувствительных к загрязнению. В противном случае возможно значительное уменьшение эффективности способа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении достоверности оценки уровня загрязнения водной среды нефтью и нефтепродуктами при проведении экологического мониторинга состояния акватории бухты Козьмина в районе нефтеналивного терминала ООО «Транснефть-Порт Козьмино».
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении эффективности экологического мониторинга и мониторинга состояния морских экосистем на предмет загрязнения нефтью и нефтепродуктами за счет контроля физиологического состояния морских гидробионтов из акватории бухты Козьмина, а именно приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis (в некоторых систематиках обозначается как Patinopecten yessoensis), серого морского ежа Strongylocentrotus intermedins и/или черного морского ежа Mesocentrotus nudus и состава меропланктона.
Заявляемый технический результат достигается способом биологического мониторинга состояния экосистем акватории бухты Козьмина с использованием в качестве тест-объектов морских гидробионтов, культивируемых на плантации акватории, и/или гидробионтов, обитающих на естественных поселениях акватории, в качестве которых используют приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, и/или серого морского ежа Strongylocentrotus intermedins, и/или черного морского ежа Mesocentrotus nudus, и/или меропланктон, характеризующегося тем, что с различной периодичностью осуществляют гидробиологический и/или гистоморфологический мониторинг гидробионтов, культивируемых на плантации акватории, и/или гидробионтов, обитающих на естественных поселениях акватории, при котором:
осуществляют отбор проб тканей культивируемого приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, проводят гистоморфологический анализ отобранных проб тканей и определяют содержание липофусцина в клетках ткани, при этом размер гранул липофусцина должен составлять от 1 до 3 мкм, конгломератов не более 12 мкм, а занимаемая площадь не более 0,1% от площади гистологического среза;
и/или определяют размеры приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, культивируемого на плантации в акватории бухты, или приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, обитающего на естественных поселениях, и сравнивают полученные данные с нормативными показателями, которые для культивируемого приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis в возрасте до 2 лет составляют 57-76 мм, и сравнивают с нормативными показателями, которые формируют на основе средних показателей за 3-10 лет для особей, обитающих на естественных поселениях;
и/или определяют массу и размеры серого морского ежа Strongylocentrotus intermedius и/или черного морского ежа Mesocentrotus nudus и сравнивают с нормативными показателями, которые формируют на основе средних показателей за 3-10 лет;
и/или осуществляют определение количественного состава меропланктона и сравнивают с нормативными показателями, которые формируют на основе средних показателей за 3-10 лет;
при изменении количественных, размерных и половозрастных показателей морских гидробионтов, культивируемых на плантациях и обитающих на естественных поселениях акватории бухты, по сравнению с нормативными показателями, делают вывод о влиянии источников загрязнения нефтью и нефтепродуктами на состояние морских экосистем и об экологическом состоянии акватории бухты Козьмина.
Кроме того, в частном случае реализации изобретения гидробиологический и/или гистоморфологический мониторинг гидробионтов осуществляют ежемесячно в весенний, летний и осенний сезон.
Свидетельством благополучного экологического состояния водной среды являются следующие факторы:
- отсутствие гистопатологических изменений (липофусциноза) в тканях приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis;
- соответствие параметров культивируемых на плантации морских гидробионтов, в частности, приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis нормативным показателям;
- стабильность размерной структуры поселений морских гидробионтов (соответствие изменений естественным процессам воспроизводства, роста и смертности);
- стабильность численности поселений правильных морских ежей, обладающих высокой чувствительностью к загрязняющим веществам;
- соответствие количественного и качественного состава меропланктона фоновым показателям прилегающих акваторий и многолетним статистическим данным.
Сведения, подтверждающие реализацию изобретения
Фиг. 1 - представлены сравнительные графики размерной структуры серого морского ежа в южной части бухты Козьмина.
Ежемесячно в весенний, летний и осенний сезоны осуществляют контроль гидрологических и/или гидрохимических показателей водной среды, отбор проб тканей культивируемого на плантации в подвесных садках в акватории бухты приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis и проводят гистоморфологический анализ отобранных проб тканей. В качестве тканей используются гонады приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis. Гистоморфологический анализ гонад - половых желез моллюсков, проводится на определение стадий зрелости. Наличие патологии определяют по деструктивным и дегенеративным изменениям в морфологии клеток.
Определяют параметры физиологического состояния культивируемых на плантации в акватории бухты морских гидробионтов приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis и сравнивают указанные параметры с нормативными показателями. К параметрам физиологического состояния относят стабильность размерной структуры поселений морских гидробионтов: соответствие изменений естественным процессам воспроизводства, роста и смертности.
Определяют размерно-массовые показатели морских ежей Strongylocentrotus intermedins и/или Mesocentrotus nudus естественных поселений в акватории бухты. Поселения морских ежей Strongylocentrotus intermedins и/или Mesocentrotus nudus, особенно в их личиночной стадии, наиболее чувствительны к воздействию загрязняющих веществ, а именно к нефти и нефтепродуктам, и даже минимальные концентрации их приводят к нарушениям гаметогенеза и/или гибели личинок. Соответствие размерно-массовых показателей морских ежей Strongylocentrotus intermedins и/или Mesocentrotus nudus типичным многолетним показателям свидетельствует о стабильном состоянии и успешном воспроизводстве. Размерная структура естественных поселений приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis дает сведения об успешности проходящего процесса воспроизводства этого вида в бухте и наличии опасных загрязнений.
Выполняют в летний период еженедельное определение показателей количественного состава меропланктона и сравнивают их с нормативными показателями. В качестве показателя количественного состава выбрана плотность личинок основных видов морских гидробионтов в бухте Козьмина, которая сравнивается с плотностью личинок в аналогичных по условиям акваториях.
Проводят анализ полученных данных, на основании которого выполняют оценку физиологического состояния морских гидробионтов, культивируемых в акватории бухты, и изменений показателей морских гидробионтов в естественных поселениях акватории бухты.
По результатам мониторинга делают вывод об экологическом состоянии акватории бухты Козьмина, в частности о загрязнении акватории нефтью и нефтепродуктами.
Реализация способа подтверждается приведенными ниже примерами, но не ограничивается ими.
Предложенный способ экологического мониторинга состояния акватории бухты Козьмина с помощью морских гидробионтов апробирован в акватории бухты Козьмина в районе нефтеналивного терминала спецморнефтепорта «Козьмино».
Критериями исследований были приняты следующие показатели:
- для гистоморфологического анализа: отсутствие патологических изменений в гистологической организации, деструктивных и дегенеративных изменений в морфологии клеток; размеры гранул липофусцина и конгломератов, занимаемая ими площадь;
- для определения параметров физиологического состояния гидробионтов: скорость роста и размер мидии съедобной и приморского гребешка; состояние нереста приморского гребешка со второй декады июня по июль при температуре воды от 10 до 14°С; размерно-массовые показатели морских ежей и приморского гребешка из естественных поселений на акватории бухты, наличие внезапных необъяснимых изменений структуры и численности поселений.
Пример №1
27.09.2012 с помощью водолазных специалистов провели отбор проб серого морского ежа (Strongylocentrotus intermedins) в южной части бухты Козьмина. Численность добытых особей - 50 экз. С помощью штангенциркуля определили диаметр особей с точностью до 1 мм, массу определили с помощью электронных весов с точностью до 1 г. Определили средние, максимальные и минимальные величины диаметра и массы.
Провели 17.09.2013 повторный отбор проб серого морского ежа (Strongylocentrotus intermedins) в южной части бухты Козьмина. Полученные данные представлены в таблице 1.
Данные, приведенные в таблице 1, свидетельствуют о том, что за период с 27.09.2012 по 17.09.2013 размерные параметры серого ежа Strongylocentrotus intermedius изменились менее, чем на 10%. Сопоставление графиков, представленных на фиг.1, показывает, что размерная структура морских Strongylocentrotus intermedius в рассматриваемые годы сходна. Изменение модальной группы связано с естественным ростом особей. При этом произошло увеличение доли мелкоразмерных животных (с диаметром панциря 46-50 мм), что свидетельствует об успешности процесса естественного воспроизводства на рассматриваемой акватории. Таким образом, межгодовая динамика структуры поселения серого морского ежа Strongylocentrotus intermedius свидетельствует об отсутствии воздействии неблагоприятных техногенных факторов, в том числе загрязнений акватории бухты Козьмина нефтью и нефтепродуктами.
Пример №2
Для изучения состояния меропланктона необходимо осуществлять мониторинг численности личинок путем периодического (еженедельного) выполнения планктонных съемок с начала июля до середины сентября. На основании однократного отбора планктона делать какие-либо выводы о состоянии бухты невозможно. Сроки появления и нахождения личинок в планктоне также подвержены межгодовым колебаниям.
2
Пробы беспозвоночных отбираются с площади 1 м. Линейные размеры беспозвоночных измеряются с помощью штангенциркуля с точностью до 0,5 мм, масса - взвешиванием на электронных весах с точностью до 1 г. После измерений гидробионты в живом виде возвращаются в естественную среду обитания.
Методика работ стандартная, используемая при ресурсных исследованиях (Левин, Шендеров, 1975, Аверинцев и др., 1982, Блинова и др., 2003). Позиционирование осуществляется с помощью спутникового навигатора, глубина определяется с помощью эхолота. На каждой станции определяется тип грунта, численность и видовой состав беспозвоночных, общее проективное покрытие (ОПП) макрофитами и проективное покрытие (ПП) отдельными видами в процентах (100% - сплошное покрытие дна водорослями; 0% - отсутствие растительности). Картирование данных поводится с использованием геоинформационных систем.
Отбор планктонных проб проводится тотально (от дна до поверхности) на четырех станциях на акватории бухты Козьмина (глубина моря в месте отбора проб составляет 10-16 м) с использованием модифицированной сети Апштейна с диаметром входного отверстия 25 см и фильтрующим конусом из капронового сита с ячеей 100 мкм. Фиксация и обработка проб осуществляется по стандартной методике (Куликова В.А., Колотухина Н.К. Пелагические личинки двустворчатых моллюсков Японского моря. Методы, морфология, идентификация - Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. - 60 с.).
В бухте Козьмина можно обнаружить личинки таких объектов как приморский гребешок (Mizuhopecten yessoensis), тихоокеанская мидия (Mytilus trossulus), японский гребешок (Chlamys farreri nipponensis), гребешок Свифта (Swiftopecten swifti), тихоокеанская устрица (Crassostrea gigas), серый морской еж (Strongylocentrotus intermedius), черный морской еж (S. nudus), дальневосточный трепанг (Apostichopus japonicus).
3
3
3
3
3
3
Личинки приморского гребешка в данном районе обнаруживаются в июле с плотностью 11-120 до 22 экз./м. Личинки гребешка Свифта и тихоокеанской мидии встречаются в период с первой декады июля по вторую декаду августа. Максимальная отмеченная плотность поселения личинок гребешка Свифта составляла 96 экз./м, тихоокеанской мидии - до 198 экз./м, минимальная - 3 и 17 экз./м. Личинки японского гребешка в бухте Козьмина в небольшом количестве (до 5 экз./м) обнаруживаются в конце июля и в начале августа. Личинки тихоокеанской устрицы (до 39 экз./м) отмечаются в планктоне с конца июля по вторую декаду августа. В годы с низкой температурой воды личинки в планктоне могут не обнаруживаться.
3
3
Личинки серого (Strongylocentrotus. intermedius) и черного морских ежей (М. nudus) встречаются в планктоне в июле и августе. Плотность распределения личинок серого морского ежа - до 35 экз./м, черного морского ежа - до 24 экз./м.
Указанные сроки нахождения в планктоне личинок ценных гидробионтов и плотности их поселения можно считать типичными для бухты Козьмина, что может служить подтверждением отсутствия загрязнения нефтью и нефтепродуктами, а также благоприятного экологического состояния водной среды бухты Козьмина. В случае если за период наблюдений (с начала июля до середины сентября) численность личинок оказалась меньше указанной на 50% и более, что может служить свидетельством изменения экологического состояния бухты вследствие техногенного воздействия загрязнения нефтью и нефтепродуктами.
Пример №3
07.06.2012 отобраны пробы (отдельные особи) гребешка Mizuhopecten yessoensis, выращиваемого в подвесных садках в бухте Козьмина. Отбор проб культивируемого гребешка более удобен и позволяет получать более стабильные данные, по сравнению с данными, полученными в результате анализа гребешков, обитающих в естественных условиях. Кроме того, плантации по культивированию гидробионтов, в частности гребешка Mizuhopecten yessoensis, способствуют естественному самоочищению водоема в случае превышения концентрации загрязняющих веществ, т.е. культивируемые на плантациях гидробионты являются санитарной аквакультурой.
После проведения полного биоанализа моллюсков фрагменты гонад зафиксированы в жидкости Буэна, проведены через Isoprep и залиты в Histomix, согласно протоколу проводки (Волкова, Елецкий, 1989). Полученные срезы толщиной 5-6 мкм окрашены гематоксилином Эрлиха с докраской эозином, затем их заключены в синтетическую монтирующую среду Bio Mount. Готовые препараты исследованы в проходящем свете на микроскопе при увеличении до 1000х.
Индикатором окислительного стресса, обусловленного действием загрязняющих веществ (тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов и хлорорганических пестицидов) может служить появление в тканях двустворчатых моллюсков и иглокожих гранул липофусцина (Сясина И.Г., Ващенко М.А., Дуркина В.Б. Гистопатологические изменения гонад морских ежей при действии тяжелых металлов // Биология моря. -1991, №4. - С. 79-89). Значительное увеличение содержания позднего липофусцина в клетках (более 30% объема цитоплазмы), ведет к нарушению клеточного метаболизма и гибели клеток (липофусциноз).
Изучение образцов тканей гонад показало, что они находятся в преднерестовом состоянии (3-я стадия зрелости гонады). Железы самок и самцов хорошо развиты и дифференцировались по цвету (у самок - интенсивно - розовый, у самцов - молочно-белый). Ацинусы с растянутыми и истонченными стенками, отделенные друг от друга соединительно-тканными перегородками, у самок заполнены преимущественно свободнолежащими ооцитами закончившими рост и небольшим количеством ооцитов трофоплазматического роста, связанных с базальной мембраной, а у самцов - спермиями и сперматидами. На постоянных препаратах средний диаметр свободнолежащих ооцитов составлял 64 мкм (min - 57, max - 70).
Изучение препаратов показало, что в тканях гонад присутствуют гранулы липофусцина, окрашенные в коричневый цвет. Гранулы этого пигмента обнаруживались, в основном, между клетками соединительной ткани, образующей перегородки между ацинусами и внутри ацинусов около базальной мембраны. Размеры гранул липофусцина варьировались от 1 до 3 мкм, иногда образовывая конгломераты размером до 12 мкм. Занимаемая ими площадь составляла менее 0,1% площади гистологического среза, что является несущественным для жизнеспособности приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis.
В результате исследований было установлено, что состояние гонад приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis соответствовало норме. Период размножения этого вида в естественных условиях длится со второй декады мая по июль при температуре от 7-9°С и до 14-15°С (Касьянов В.Л., Медведева Л.А., Яковлев С.Н., Яковлев Ю.М. Размножение иглокожих и двустворчатых моллюсков - М.: Наука, 1980. - 208 с.). Сезонная динамика созревания половых желез культивируемого гребешка Mizuhopecten yessoensis соответствовала таковой у моллюсков, обитающих в естественных поселениях этого района: нерест наблюдался со второй декады июня по июль при температуре воды от 10 до 14°С.
Описанная картина является нормальной для развития гонад двустворчатых моллюсков, в том числе приморского гребешка, находящихся в преднерестовом и нерестовом состоянии, то есть, предположительно, испытывающих естественный окислительный стресс. Деструктивных изменений в тканях гребешка, обусловленных действием загрязняющих веществ (тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды и хлорорганические пестициды), не отмечено, что свидетельствует о благоприятности условий среды обитания.
Гистоморфологический анализ половых желез моллюсков не выявил патологических изменений в их гистологической организации, клеточный состав соответствовал определенной стадии зрелости гонады, деструктивных и дегенеративных изменений в морфологии клеток не отмечалось.
Пример №4
Кроме того, были определены параметры физиологического состояния культивируемого на плантации в акватории бухты приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis. В качестве нормативного показателя физиологического состояния приморского гребешка был выбран размер особи. Размер приморского гребешка в возрасте 2-х лет составляет 57-76 мм (Инструкция по технологии садкового и донного культивирования приморского гребешка / Сост. А.В. Кучерявенко, А.П. Жук - Владивосток: ТИНРО-Центр, 2011 г. - 46 с.).
Анализ собранных данных и оценка физиологического состояния морских гидробионтов и изменений, происходящих в естественных сообществах, проводился по вышеприведенным показателям, на основании которых был сделан вывод о благоприятном экологическом состоянии водной среды бухты Козьмина, которое соответствует установленным для водоемов рыбохозяйственного значения предельно-допустимым концентрациям загрязняющих веществ, в том числе нефти и нефтепродуктов (приказ Росрыболовства от 18.01.2010 №20 «Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения»).
Планктонные исследования осуществляются с начала июля до середины сентября, с периодичностью раз в неделю.
Таким образом, результаты апробирования показывают, что применение предлагаемого способа биологического мониторинга состояния экосистем акватории с использованием в качестве тест-объектов морских культивируемых или обитающих на естественных поселениях гидробионтов, позволяет осуществлять эффективный мониторинг состояния водной среды и фиксировать возможные воздействия залповых или хронических загрязнений нефтью и нефтепродуктами.
Предложенное техническое решение экономически выгодно, так как для своего осуществления не требует сложного технологического оборудования, все приборное обеспечение является стандартным оборудованием для проведения гидробиологических исследований.
Применение способа экологического мониторинга состояния акватории бухты Козьмина с помощью морских гидробионтов обеспечивает получение достоверных сведений об экологическом состоянии водной среды, в частности о загрязнениях нефтью и нефтепродуктами, на указанной выше акватории на основании результатов гидрологического, гистоморфологического мониторинга и контроля биометрических параметров морских гидробионтов культивируемых на плантации акватории, и/или обитающих на естественных поселениях акватории бухты Козьмина (приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, серого морского ежа Strongylocentrotus intermedius и/или черного морского ежа Mesocentrotus nudus) и состава меропланктона.