Применение биотических идентификаторов для оценки качества вод притоков реки сок (рр. Байтуган, Камышла, Сосновка)

Головатюк Л.В., Зинченко Т.Д.

ПРИМЕНЕНИЕ БИОТИЧЕСКИХ ИДЕНТИФИКАТОРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА

ВОД ПРИТОКОВ РЕКИ СОК

Golovatyuk L. V., Zinchenko T.D.

APPLICATION OF BIOTIC IDENTIFIERS FOR THE QUALITY ASSESSMENT OF

INFLOWS OF THE SOK

Ключевые слова: малые реки, макрозообентос, биотические идентификаторы, метрики, Европейская Рамочная водная директива, эталонный створ.

Keywords: minor rivers, macrozoobenthos, biotic identifier, metrics, the European Water Framework Directive, standard range.

Аннотация

Проведен сравнительный анализ биотических идентификаторов, предлагаемых для оценки качества вод Европейской Рамочной водной директивой и индексов, традиционно используемых в России. Исследования выполнены на типологически сходных малых реках Байтуган, Камышла, Сосновка. На основе применения математических методов выявлено, что наиболее информативными для оценки качества вод малых рек лесостепной зоны бассейна Нижней Волги являются Биотический индекс Вудивисса; EPT Index и Biological Monitoring Working Party.

Abstract

The article presents a comparative analysis of biotic identifiers proposed for the quality assessment of waters of the European Water Framework Directive and indexes, traditionally used in Russia. Tests were carried on the typological minor rivers such as the Baytugan, the Kamyshla, the Sosnovka. The most informative index for the quality assessment of minor rivers in forest-steppe zone of the reservoir of the Lower Volga is the Vudiviss ’ Biotic index; EPT Index and Biological Monitoring Working Party.

Оценка состояния поверхностных вод и получение достоверной информации о тенденциях изменения водных экосистем и их отдельных компонентов являются основой для разработки мер по рациональному использованию и охране водных ресурсов. В настоящее время в системе мониторинга водных объектов стран СНГ, Западной Европы и США широко используется биологический контроль, основанный на методах биоиндикации, который позволяет оценить комплексное воздействие факторов среды на качество поверхностных вод [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Одной из основных задач исследователей - гидробиологов является выбор таких методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенного воздействия на водные объекты. Наибольшую актуальность приобретают исследования, связанные с апробацией и выявлением эффективности на региональном уровне методов Рамочной водной дерективы ЕС и сравнение их с индексами, унифицированными для России.

Согласно положениям Рамочной водной директивы ЕС необходимо создать сеть эталонных створов в речных бассейнах с последующим установлением и спецификацией эталонных показателей, которые могли бы адекватно отражать состояние речных экосистем.

Цель работы - на основе выделения эталонных створов в реках бассейна Нижней Волги произвести сравнительный анализ биотических идентификаторов, включающих индексы и метрики Рамочной водной директивы ЕС, и выявить их эффективность на региональном уровне.

Материал и методы исследования

Исследования проводились на малых реках Байтуган, Камышла и Сосновка - притоках р. Сок. Отбор проб бентоса осуществлялся в летний период (июнь, июль) на 8 створах малых рек Байтуган (длина - 20 км, средний уклон - 7.7%о), Камышла (длина - 20 км, средний уклон

- 7.9%), Сосновка (длина - 16 км, средний уклон - 0.52%), характеризующихся сходными гидроморфологическими и гидрологическими условиями (табл. 1).

Специфичность выбора эталонных створов соответствовала требованиям Рамочной водной директивы ЕС. В качестве эталонных рассматривали створы 1-4 на р. Байтуган. Дополнительно, для сравнения с эталонными створами, были выбраны участки на реках Камышла (створы 5, 6) и Сосновка (створы 7, 8), находящиеся под воздействием сельскохозяйственных стоков с полей и ферм и характеризующиеся повышенным содержанием биогенных веществ [7].

Рис. 1. Карта - схема размещения створов на малых реках

Отбор образцов макрозообентоса (1987, 1991, 2006 гг.) с гравийно-галечниковых и других субстратов производили гидробиологическим скребком с длиной ножа 20 см, протягивая его на расстояние 1м вверх по течению три раза. Качественные пробы отбирали путем смыва организмов с камней с учетом площади их проекции и расчета количества собранных организмов на 1м2 площади дна. Образцы грунта промывали через капроновый газ с размером ячеи 300-310 мкм. Камеральную обработку собранного материала с последующим микроскопированием проводили согласно общепринятым методам [8].

Для сравнительного анализа были рассчитаны следующие индексы и показатели, основанные на видовом богатстве, разнообразии и структурных характеристиках зообентоса: EPT Index [9]; Биотический индекс р. Трент (Trent Biotic Index) (TBI) [10]; Biological Monitoring Working Party (BMWP) [11]; Олигохетный индекс Пареле (Di) [12]; хирономидный индекс Балушкиной (K) [13]; индекс видового разнообразия Шеннона (H) [14]; показатели Dip/N (отношение численности личинок двукрылых насекомых к суммарной численности макрозообентоса); Ch/N (отношение численности личинок хирономид к суммарной численности макрозообентоса) и Tanytarsini/N (отношение численности личинок трибы Tanytarsini к суммарной численности макрозообентоса).

Таблица 1

Некоторые гидроморфологические, гидрологические и гидрофизические показатели __________створов рек Байтуган (1-4), Камышла (5,6), Сосновка (7,8)____________

Показатель Номер створа

(в момент отбора пробы) 1 2 3 4 5 6 7 8

0.2 0.8 2.5 З.0 2.0 2.0 2.0 1.5

Ширина, м 0.5 1.1 2.7 З.5 З.5 З.0 З.0 2.0

Глубина, м 0.05 0.1 0.5 0.2 0.5 0.2 0.2 0.2

0.1 0.2 0.7 0.7 1.0 0.7 0.З 0.З

Скорость течения, м/с 08 0.8 0.5 12 0.5 0Л 0.25 0.25

1.2 1.1 0.7 1.4 0.6 0.6 0.3 0.3

Прозрачность, см 5 10 35 20 30 20 10 10

10 20 40 30 35 30 20 15

Т°С 12.6 12.9 10.8 16.9 11.5 90 13.9 18.0

14.0 13.0 12.2 17.1 12.0 12.1 14.0 18.5

Характер донных отложений ГПГр, ЩП, ИПГр, РО Щ, ИПГр РО ПчГИ ПГГр, Щ ПчГр Щ, И,Пч Пч, Гр, И, Гр И, Гр, И, РО

Примечание. Над чертой - минимальные значения, под чертой - максимальные;

Г - глина, П - песок, Гр - гравий, Щ - щебень, И - ил, Пч - почва, РО - растительные остатки

При оценке качества воды с помощью индекса видового разнообразия Шеннона мы использовали градацию чистоты вод, предлагаемую В.А. Яковлевым [15].

При сравнительном анализе для выбора наиболее информативных показателей рассчитывали коэффициенты вариации (Cv) индексов, определяли ^-критерий Стьюдента и значение вероятности p. Статистическая обработка данных выполнена с использованием стандартного пакета STATISTICA 6.0 и программы PAST - Palaeontological Statistics, ver. 1.67.

Результаты и их обсуждение

Исследования, проведенные на эталонных створах р. Байтуган показали, что число видов донных беспозвоночных изменяется от 28 до 40, достигая максимальных показателей на створе 3 (табл. 2); численность и биомасса макрозообентоса находятся в пределах 6.2768.8 тыс. экз./м2 и 13.2-142.3 г/м2 соответственно. Преобладающими по численности на всех участках реки являются личинки хирономид (до 57% от суммарной численности бентоса) и поденок (до 45%) (рис. 2), а основу биомассы составляют личинки поденок (до 62% от суммарной биомассы бентоса), хирономид (до 59.7%) и ручейников (до 59%). Доля чувствительных к загрязнению видов (Ephemeroptera, Trichoptera, Plecoptera) изменяется на эталонных створах в диапазоне 25-45% от общей численности макрозообентоса (рис.2).

Таблица 2

Структурные показатели макрозообентоса на створах малых рек:

Байтуган

Показатель Номе р створа

1 2 3 4 5 6 7 8

Число видов 35 28 40 29 25 27 20 25

Численность, тыс. экз./м2 45.8 15.8 6.27 68.8 3.36 9.25 1.40 10.7

Биомасса, г/м2 142.3 45.9 13.2 35.7 3.8 59.3 2.9 13.4

Численность (Ephemeroptera, Trichoptera, Plecoptera), тыс. экз./м2 20.6 6.0 1.6 24.3 1.87 0.08 0.01 0.4

В сравнении с эталонными створами р. Байтуган, в структуре макрозообентоса створов рек Камышла и Сосновка выявлены различия. Так, изменяется фаунистическое богатство бентоса, снижаясь до 20-27 видов, а численность и биомасса не превышают 10.7 тыс. экз./м2 и 59.3 г/м2 соответственно. Основу численности и биомассы составляют личинки хирономид (до 90% от суммарной численности и суммарной биомассы бентоса) и олигохеты (до 35% и 21% соответственно) (рис. 2). Резко снижается доля оксифильных и реофильных видов из отрядов Ephemeroptera, Trichoptera, Plecoptera, составляя 0.1-4% от общей численности бентоса (рис. 2).

100% г

80% -

60% -

40% - = —

20% -

0%

1 2 3 4 5 6 7 8

номер створа

1 с^иЗсИс^пбс^с^пЭсИОпИ

Рис. 2. Соотношение численности таксономических групп макрозообентоса на створах рек Байтуган

Ниже приводятся данные расчетов индексов и показателей, указанных в материале и методах исследования.

EPT Index основан на суммарном видовом богатстве представителей отрядов Ephemeroptera, Trichoptera, Plecoptera. Преимущества и недостатки индекса широко обсуждались ранее [16]. Рассчитанные нами величины индекса EPT на эталонных створах р. Байтуган изменялись от 7 до 15, а в створах рек Камышла и Сосновка они не превышали 2, что свидетельствует о загрязнении этих водотоков (рис. 3). Наиболее массовыми в эталонных условиях были олигосапробные веснянки Amphinemura standfussi, Capnia bifrons и поденки Baetis gr. rhodani, Ephemerella ignita.

номер створа

Рис. 3. Изменение индекса EPT на створах малых рек: Байтуган (1-4),

Камышла

Рассчитанные показатели Биотического индекса Вудивисса (Trent Biotic Index) представлены на рис. 4. Как видно, высокое качество воды (I-II классы качества) характерно для эталонных створов - «вода чистая» и «очень чистая» - 8-10 баллов. Значения показателя TBI в створах рек Камышла и Сосновка изменялись в пределах 6-8 баллов, что соответствует II-III классам - вода «чистая» - «умеренно загрязненная»

(рис. 4, табл. 3).

TBI

Рис. 4. Изменение индекса TBI на створах малых рек: Байтуган (1-4),

Камышла

Апробация индекса Biological Monitoring Working Party

BMWP

ASPT 8

6

4

2

0

Рис. 5. Изменение индексов BMWP и ASPT на створах малых рек: Байтуган (1-4),

Камышла

Нами также рассчитаны значения индекса Average Score Per Taxon (ASPT), являющегося производным от BMWP. Особенность индекса - уменьшать вклад случайных таксономических групп, обнаруженных в таксонах с высокой балльной оценкой. Расчеты показали, что на эталонных створах 1, 2, 4 значения индекса характеризуют качество воды как «прекрасное», изменяясь в пределах 5.5-7.6 баллов, а на створе 3 - как «скорее плохое» (3.4 балла). В реках Камышла и Сосновка (рис. 5, табл. 3) показатели индекса оценивают качество воды на створе 5 как «очень хорошее» (4.4 балла), на створах 6 и 7 - как «скорее плохое» (3.3-3.4 балла), а на створе 8 - как «прекрасное» (6.1 балл), изменяясь в градиенте загрязнения в соответствии с изменением качества воды, рассчитанного с помощью показателя BMWP.

Рассчитанные значения индекса Пареле на всех эталонных створах не превышали 9%, что позволяет оценить воду как «очень чистая» I класса качества, а на створах рек, находящихся под антропогенным воздействием (рр. Камышла, Сосновка), показатели изменялись от 0.1% до 35% - вода «очень чистая» - «умеренно загрязненная» (рис. 6, табл. 3). Как нам представляется, применение этого индекса для предгорных рек приводит к искаженным результатам в связи с тем, что состав олигохет (даже если их численность

высока), не может служить показателем загрязнения воды потому, что преобладающими в быстротоках являются представители сем. Naididae, а именно чистоводные Pristinella rosea, Nais sp. и др.

В отечественных исследованиях для оценки качества воды водоемов разного типа широко применяется хирономидный индекс Балушкиной. Установлено, что значения хирономидного индекса (K), основанного на соотношении численностей подсемейств хирономид, мало изменялись на исследованных створах, находясь в диапазоне 0.12-0.35 и характеризовали воду как «чистая». Исключение составил створ № 8 на р. Сосновка, где значения индекса оценивали воду как «умеренно загрязненная» (K=5.63) в связи с доминированием личинок танитарзин Tanytarsus gr. medius (рис. 6). Следует отметить, что данные расчета индекса К не согласуются с результатами, полученными при расчете вышеперечисленных индексов. Соотношения численности толерантных видов хирономид и численности ортокладиин, как высоко чувствительных видов, в предгорных умеренно загрязненных реках имеют априори сходные значения в силу особенностей обитания практически на всех створах фитореофильных и оксифильных видов на твердых субстратах.

Рис. 6. Изменение индексов Di и K на створах малых рек: Байтуган

6

4

2

0

Из показателей, основанных на соотношении численности разных систематических групп бентоса, нами использованы: Dip/N, Ch/N, Tanytarsini/N. Как видно из рис. 7, показатели соотношений Dip/N и Ch/N в створах возрастают с увеличением степени загрязнения рек, имея близкие значения и сходную динамику (рис. 7).

Dip/N, Ch/N

T/N

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Рис. 7. Изменение показателей Dip/N; Ch/N; Tanytarsyni/N на створах малых рек: Байтуган

Значения индекса Шеннона на эталонных створах находились в пределах 2.4-4.7 бит./экз., характеризуя воду в диапазоне «умеренно загрязненная» - «очень чистая». На участках рек Камышла и Сосновка значения индекса изменялись от 1.4 до 3.0 бит./экз. - вода «загрязненная» - «чистая» (рис. 8, табл. 3).

Рис. 8. Изменение индекса Шеннона

Характер динамики качества воды для различных створов малых рек, представленный в таблице 3, показывает, что большинство индексов дают сходные значения для одного и того же створа. Отличия отмечены для индексов К и D1, которые на створах 6, 7 и 8 завышали качество воды, для индекса ASPT, изменявшегося не согласованно с остальными, на створах 3 и 8 и индекса Н, занижавшего качество воды на створе 4.

Таблица 3

Оценка качества воды створов малых рек по различным биотическим индексам

Инде кс Номер створа

1 2 3 4 5 6 7 8

ВИШ хорошее очень хорошее хороше е очень хорошее хорошее невысокое плохое невысокое

ASPT прекрасное прекрасно е скорее плохое прекрасно е очень хорошее скорее плохое скорее плохое прекрасное

ТВІ чистая очень чистая очень чистая очень чистая чистая умеренно загрязнен. умеренно загрязне н. умеренно загрязнен.

Н чистая чистая очень чистая умеренно загрязнен. чистая загрязненна я умеренно загрязне н. умеренно загрязнен.

D1 очень чистая очень чистая очень чистая очень чистая умеренно загрязне н. чистая умеренно загрязне н. очень чистая

К чистая чистая чистая чистая чистая чистая чистая умеренно загрязнен.

Достоверность различий между индексами, рассчитанными для эталонных и загрязненных створов, оценивали с помощью t - критерия Стьюдента. Результаты статистического анализа приведены нами в таблице 4.

Поскольку основным требованием к индексам и метрикам является их низкая изменчивость в пределах «нормы» и чувствительность к различным нарушениям [2], нами были рассчитаны коэффициенты вариации индексов (Су) как для эталонных створов, так и для всех исследованных створов малых рек.

Таблица 4

Результаты статистического анализа применения биотических индексов на створах

малых рек ^

Индекс СУ для эталонных створов (1-4) Су для всех створов (1-8) і Р

ЕРТ 35.6 89.0 5.1 0.01

Dipt/N 32.2 37.0 -7.2 0.006

сш 58.4 46.9 -6.3 0.008

BMWP 20.7 53.6 5.7 0.01

ASPT 30.9 32.3 1.46 0.24

ТВ1 5.1 21.2 4.24 0.02

Н 18.6 34.6 2.4 0.1

D1 74.4 107.7 -2.2 0.11

К 38 209.7 -0.94 0.41

Как видно из данных таблицы, наибольшим постоянством в «эталонных» условиях характеризуются индексы ТВ1 (Су = 5.1), Н (Су = 18,6), ВМЖР (Су = 20.7); более изменчивы индексы ASPT (Су = 30.9), Dipt/N (Су = 32.2), ЕРТ (Су = 35.6), К (Су = 38). Максимальные значения коэффициентов вариации отмечены для показателя Ch/N (Су = 58.4) и олигохетного индекса D1 (Су = 74.4), что свидетельствует об их высокой вариабельности в пределах эталонных условий и, следовательно, непригодности для целей биоиндикации.

Расчет t - критерия Стьюдента показывает, что наиболее чувствительными к изменению условий обитания макрозообентоса являются следующие индексы и показатели: Dipt/N, Ch/N, ЕРТ, ВМЖР, ТВ1, для которых различия в оценке качества воды между эталонными и загрязненными створами являются достоверными или значимыми (р<0.05) (табл. 5).

Сходство реакции индексов на изменение качества воды отражает рассчитанная нами корреляционная матрица связи между индексами (табл. 5).

Таблица 5

Величины коэффициентов корреляции между различными структурными ______________________характеристиками сообществ макрозообентоса______________________

Показатели ЕРТ Dipt/N BMWP ASPT ТВ1 Н D1 К

ЕРТ 1.00

Dipt/N -0.51 1.00

сш -0.41 0.98 1.00

BMWP 0.96 -0.51 -0.4 1.00

ASPT 0.62 0.11 0.22 0.72 1.00

ТВ1 0.81 -0.69 -0.62 0.86 0.33 1.00

Н 0.74 -0.54 -0.54 0.76 0.31 0.77 1.00

D1 -0.6 0.06 0.04 -0.66 -0.69 0.43 0.31 1.00

К -0.3 0.65 0.58 -0.24 0.29 0.56 -0.56 -0.37 1.00

ТМ -0.33 0.61 0.55 -0.2 0.34 0.48 -0.03 -0.11 0.83

Примечание: Выделены значения, достоверные при р<0.05.

Максимальные значения коэффициентов корреляции получены для следующих пар индексов: ЕРТ-ВМЖР (0.96), ВМЖР-ТВ1 (0.86), ЕРТ- ТВ1 (0.81), ТВ1-Н (0.77), ЕРТ-Н (0.74), ВМЖР-Н (0.76), BMWP-ASPT (0.72), Ch/N-Dipt/N (0.98). Следует отметить, что связь между показателями Ch/N-Dipt/N объясняется, как указывалось выше, преобладанием среди двукрылых насекомых личинок хирономид, с другими индексами достоверных корреляционных связей не выявлено.

Наиболее низкие значения коэффициентов корреляции отмечены для индексов D1, К и показателя ТШ.

Исходя из корреляционного анализа, индексы ЕРТ, ВМ^^Р, ТВ1 и Н можно считать наиболее эффективными для целей биоиндикации вследствие их сходной реакции на изменение абиотических условий среды.

Таким образом, проведенный сравнительный анализ различных индексов позволил установить, что наиболее надежными методами биоиндикации для оценки качества вод малых рек бассейна Нижней Волги являются: Биотический индекс Вудивисса (ТВ1); ЕРТ

Index и Biological Monitoring Working Party (BMWP). Значения индексов, полученные для створов р. Байтуган, могут быть использованы в качестве эталонных для рек подобного типа.

Библиографический список

1. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 318 с.

2. Семенченко В.П. Принципы и системы биоиндикации текучих вод. - Мн.: Орех, 2004. - 125 с.

3. Биоиндикация экологического состояния равнинных рек / Под ред. О.В. Буха-рина, Г.С. Розенберга. - М.: Наука, 2007. - 403 с.

4. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. - Тольятти: Изд-во Самарского НЦ РАН, 2003. - 463 с.

5. Семенченко В.П., Мороз М.Д. Сравнительный анализ биотических индексов в системе мониторинга текучих вод биосферного заповедника // Водные ресурсы. - 2005. - Т. 32, № 2. - С. 223-231.

6. Безматерных, Д. М. Зообентос как индикатор экологического состояния водных экосистем Западной Сибири: аналит. обзор / Гос. публич. науч.-техн. б-ка Сиб. отд-ния Рос. акад. наук, Ин-т вод. и экол. проблем. - Новосибирск, 2007. - 87 с.

7. Зинченко Т.Д., Головатюк Л.В. Изменение состояния бентоса малых рек бассейна Средней Волги // Известия Самарского НЦ РАН. - 2000. - Т. 2, № 2 (4). - С. 257-267.

8. Методика изучения биогеоценозов внутренних водоемов. - М.: Наука, 1975. -

240 с.

9. Plafkin, J. L., Barbour M.T., Porter K.D. et al. Rapid bioassessment protocols for use in streams and rivers: Benthic macroinvertebrates and fish. // U.S. Environmental Protection Agency, Office of Water Regulations and Standards, Washington, D.C. EPA 440-4-89-001. 1989.

10. Woodowiiss F.S. The biological system of stream classification used by the Trent Board // Chem. And Ind. - 1964. - V. 11. - P. 443-447.

11. Leeds-Harrison P.B., Quinton J.N., Walker M.J. Harrison K.S., Tyrrel S.F., Morris J., Mills H.T. Buffer Zones in headwater catchments // Report on MAFF/English Nature Buffer Zone Project CSA 2285. Cranfield University, Silsoe, UK, 1996. - 22 p.

12. Гидробиологический режим малых рек в условиях антропогенного воздействия / Под ред. Г.П. Андрушайтиса, О.Л. Качаловой. - Рига: Зинатне, 1981. - С. 88-100.

13. Балушкина Е.В. Функциональное значение личинок хирономид в континентальных водоемах. - Л.: Наука, 1987. - 179 с.

14. Shannon C.E., Weaver W. The mathematical theory of communication. - Urbana. Univ. of Illinois. Press., 1949. - 117 p.

15. Яковлев В.А. Оценка качества поверхностных вод Кольского Севера по гидробиологическим показателям и данным биотестирования (практические рекомендации).

- Апатиты, 1988. - 27 с.

16. Зинченко Т.Д. Методологический подход к проведению мониторинговых исследований природных гидросистем (на примере Волжского бассейна) // Чтения памяти В. Я. Леванидова, вып.4. 2008. - Владивосток. - С. 25-30.

17. Семенченко В.П., Мороз М.Д., Тищиков И.Г. Использование структурных показателй сообществ макрозообентоса для биоиндикации качества текучих вод // Гидробиологический журн. - 2006. - Т. 42, № 5. - С. 57-65.