Экологический мониторинг пруда Чебоксарского филиала ГБС РАН

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева»

Кафедра зоологии и экологии Кафедра химии

32 400.00. «Биология и Химия»

Выпускная квалификационная работа Экологический мониторинг пруда Чебоксарского филиала ГБС РАН Студента

ГОРШКОВА ОЛЬГА ГРИГОРЬЕВНА

5 курса биолого-химического факультета Руководители: к. б. н.,

доцент Кириллова В. И.,

к. х. н., доцент Кольцова О.В.

Чебоксары — 2006

Реферат

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРУДА ЧЕБОКСАРСКОГО ФИЛИАЛА ГБС РАН

Объем __ с., включая 10 Табл., 9 рис, 52 лит. ист. и 3 приложения.

Ключевые слова: БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ, ЗООБЕНТОС, ИНДЕКС ВУДИВИССА, КЛАСС КАЧЕСТВА ВОДЫ, ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ, ГИДРОХИМИЯ, РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД, ОКИСЛЯЕМОСТЬ ВОДЫ, ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА.

Осуществление экологического мониторинга пруда Ботанического сада.

Использованы стандартные гидробиологические, гидрофизические, гидробиологические, математические методы исследований (гидробиологический сачок, фотоэлектроколориметр КФК-2, микроскоп «БИОЛАМ»).

Проведено экологическое исследование пруда Ботанического сада. Выявлены гидрофизические, гидрохимические показатели вод, разнообразие беспозвоночных зообентоса, их сезонная динамика, класс качества вод.

Полученные данные могут быть использованы при осуществлении ежегодного экологического мониторинга.

• Введение
• Глава 1. Обзор литературы
• 1.1 Экологический мониторинг
• 1.2 Характеристика прудов как водных экосистем
• 1.3 Физико-географическая характеристика региона исследования
• 1.4 Краткая история изучения беспозвоночных гидробионтов Чувашской Республики
• 2.1 Исследование органолептических и гидрохимических свойств воды
• 2.1.1 Определение показателей, характеризующих органолептические свойства воды (температура, прозрачность, осадок, запах, вкус и привкусы)
• 2.1.1.1 Температура
• 2.1.1.2 Прозрачность
• 2.1.1.3 Осадок
• 2.1.1.4 Запах
• 2.1.1.5 Вкусы и привкусы
• 2.1.2 Определение гидрохимических показателей воды
• 2.1.2.1 Определение активной реакции (pH)
• 2.1.2.2 Определение общей жесткости
• 2.1.2.3 Определение хлоридов
• 2.1.2.4 Определение железа (общего) фотометрическим способом
• 2.1.2.5 Определение перманганатной окисляемости
• 2.1.2.6 Определение ионов аммония
• 2.1.2.7 Определение растворенного кислорода по Винклеру
• 2.2 Гидробиологические методики
• 2.2.1 Методика сборов
• 2.2.2 Определение
• 2.2.3 Определение биотического индекса Вудивисса
• 2.3 Математические методы
• 2.3.1 Определение коэффициента корреляции
• Глава 3. Результаты и их обсуждение
• 3.1 Органолептические и гидрохимические свойства воды
• 3.1.1 Органолептические показатели
• 3.1.2 Гидрохимические показатели
• 3.2.2 Сезонная динамика группового состава беспозвоночных зообентоса
• 3.2.3 Видовой состав отдельных таксонов зообентоса пруда и сведения об их численном обилии
• 3.2.4 Биоиндикация вод
• 3.2.5 Взаимозависимость гидрохимических показателей и численного обилия, количества таксонов Моллюсков
• Список литературы
• Приложения

Население гидросферы (гидробиос) играет в жизни человека огромную роль, непрерывно возрастающую с прогрессом цивилизации. Организмы, населяющие водоемы, обитают в толще воды (планктон и нектон), на грунте (бентос) или в поверхностном слое (нейстон и плейстон). Наиболее массовые компоненты зообентоса — олигохеты, ракообразные, моллюски, личинки насекомых. Изучению их состава и численного обилия посвящены многие гидробиологические исследования (Константинов, 1979).

Актуальность выбранной темы объясняется важнейшей ролью бентосных организмов в цепях питания, круговороте веществ в водных экосистемах. Кроме того, донные животные и их сообщества широко используются в качестве индикаторов загрязнений (Кириллова, 1999). Населяя разнообразные водоемы, гидробионты благодаря различным способам питания участвуют в очистке воды от органических загрязнителей. Например, трубочники и личинки комаров-звонцов способны заглатывать грунт, а моллюски прудовики обыкновенные могут соскабливать обрастания водорослей с растений. Живущие в норках личинки комаров-звонцов являются собирателями детрита. Личинки ручейников из родов Polycentropus, Hydropsyche строят мешковидные сети из шелковых нитей, и в них течением заносятся пищевые частицы, которыми они питаются. Фильтрационное питание характерно для ветвистоусых рачков — дафний и двустворчатых моллюсков. В результате деятельности всех этих организмов вода в водоемах очищается (Константинов, 1979).

Актуальность темы

исследования объясняется еще и тем, что гидросфера является природным аккумулятором загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами, из атмосферы и литосферы. Присутствие загрязняющих веществ в водной среде оказывает влияние на жизнедеятельность отдельных живых организмов и на функционирование всей водной системы (Кузнецова, 1995). Загрязнение водных экосистем приводит к изменению физико-химических характеристик воды; накоплению загрязнителей в тканях гидробионтов, вплоть до летального исхода; передаче их по цепям питания. Естественно, что живые организмы чутко реагируют на присутствие в водной среде поллютантов. При этом нарушение проявляется в изменении качественного соотношения видового состава биоценоза и численности видов-индикаторов — с одной стороны; а также морфологических, анатомических и физиологических изменений особей — с другой. Наибольшие изменения водных экосистем отмечаются при их загрязнении разлагающимся органическим веществом (индексы сапробности) (Дмитриев, 1996).

Воздействие загрязнителей на природные водоемы различно. Тепловое загрязнение вызывает интенсификацию процессов жизнедеятельности водных организмов, что нарушает равновесие экосистемы. Минеральные соли опасны для одноклеточных организмов, обменивающихся с внешней средой осмотически. Взвешенные частицы уменьшают прозрачность воды, снижают фотосинтез водных растений и аэрацию водной среды, способствуют заилению дна в зонах с малой скоростью течения, оказывают неблагоприятное воздействие на жизнедеятельность водных организмов — фильтраторов. На взвешенных частицах могут сорбироваться различные загрязняющие вещества; оседая на дно, они могут стать источником вторичного загрязнения воды.

Загрязнение вод тяжелыми металлами не только оказывает экологический вред, но и наносит значительный экономический ущерб. Загрязнение водной среды биогенными элементами ведет к эвтрофированию водоемов.

Донный осадок и поверхностная пленка являются зонами концентрирования загрязняющих веществ. На дно оседают нерастворимые в воде соединения, а осадок является хорошим сорбентом для многих веществ.

В воду могут попадать неразлагаемые загрязняющие вещества. Но они способны реагировать с другими химическими соединениями, образуя устойчивые конечные продукты, которые накапливаются в биологических объектах (планктоне, рыбе и т. д.) и через пищевую цепь попадают в организм человека.

Поступающие в водоем загрязнители зачастую приводят к деградации экосистем. В зависимости от ее степени выпадают или отдельные виды, или группы организмов (Кузнецова, 1995).

Кроме того, актуальность темы исследования объясняется активизацией мониторинговых исследований в различных регионах в последние годы.

Гидробиологические исследования в стоячих водоемах ведутся в следующих направлениях: отслеживание изменений экосистем (Болотова, 2003; Бульон, 2003; Лебедев, 2003; Леонова и др., 2003; Шимараев и др., 2003), определение качества воды лимнических экосистем (Власов, Рудаковский, 2003; Гигиняк и др., 2003; Драбкова, 2003; Кириллова, Рязанова, 2002), исследование автотрофного уровня: первичных продуцентов (Гусев, Корнева, 2003; Дмитриева, 2003; Кухаренко, 2003; Свирид, 2003), исследование гетеротрофного уровня: зоопланктонных и бентосных сообществ (Вежновец, 2003; Деревенская, 2003; Евдокимов, 2003; Долгих и др., 2003), наблюдения за разнообразием ихтиоценозов, их состоянием, структурой, трансформацией (Бабий, 2003; Горьковец и др., 2003; Извекова, 2003; Камшилова, Комов, 2003; Костоусов, 2003).

Цель работы: осуществление экологического мониторинга пруда Ботанического сада.

Задачи нашего исследования:

1. Изучить органолептические и гидрохимические показатели воды.

2. Выявить разнообразие беспозвоночных зообентоса пруда Ботанического сада.

3. Провести биоиндикацию качества вод на основе индекса Вудивисса.

экологический мониторинг пруд гидрохимический Выражаю глубокую благодарность научным руководителям к. б. н., доц. Кирилловой В. И.; к. х. н., доц. Кольцовой О. В. за оказанную помощь и консультации при выполнении работы.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Экологический мониторинг

Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния используется человечеством с незапамятных времен. Наблюдения за изменением этого состояния в последние сто лет ведутся регулярно — достаточно напомнить о метеорологических и некоторых других геофизических наблюдениях.

В связи с возросшим воздействием человека на окружающую природную среду стало очевидным, что бесконтрольное использование природных возможностей приводит к негативным последствиям; возникла еще большая необходимость в детальной объективной информации о состоянии окружающей природной среды.

Состояние биосферы изменяется под влиянием естественных причин и под воздействием человеческой деятельности. Естественные изменения состояния биосферы происходят около первоначального состояния; изменения температуры, давления, влажности воздуха, сезонные изменения биомассы растительности и животных — примеры, иллюстрирующие такие изменения. При этом средние параметры, характеризующие состояние биосферы (ее климатические характеристики в любом районе, природный состав различных сред, круговорот веществ в природе, глобальная продуктивность), могут существенно изменяться лишь в течение очень длительного времени. Крупные равновесные экологические системы также меняются чрезвычайно медленно под влиянием природных процессов. Эти постепенные изменения происходят за весьма длительные промежутки времени, измеряемые многими тысячами лет.

В последнее время чрезвычайно существенными стали изменения состояния биосферы под влиянием антропогенных факторов. Эти изменения могут происходить весьма быстро; может оказаться, что изменения, происходящие под влиянием антропогенных причин в некоторых частях биосферы за несколько лет будут сравнимы с результатами естественных изменений, происходящих за целые исторические эпохи (Израэль, 1977).

Среди мероприятий по стабилизации и дальнейшему улучшению экологической обстановки в Росси особое место отводится формированию системы экологического мониторинга, основной задачей которого являются информационное обеспечение и поддержка процедур принятия решений в области природоохранной деятельности и экологической безопасности.

В Российской Федерации функционирует несколько ведомственных систем мониторинга:

служба наблюдения за загрязнением окружающей среды Росгидромета;

служба мониторинга лесного фонда Рослесхоза;

служба мониторинга водных ресурсов Роскомвода;

служба агрохимических наблюдений и мониторинга загрязнений сельскохозяйственных земель Роскомзема;

служба санитарно-гигиенического контроля среды обитания человека и его здоровья Госкомсанэпиднадзора России;

контрольно-инспекционная служба Госкомэкологии России и др.

Мониторингом окружающей среды называют регулярные выполняемые по заданной программе наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором, во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т. д.), а также оценка состояния и функциональной ценности экосистем, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих действий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

В систему мониторинга должны входить следующие основные процедуры:

выделение (определение) объекта наблюдения;

обследование выделенного объекта наблюдения;

составление информационной модели для объекта наблюдения;

планирование измерений;

оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели;

прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

представление информации в удобной для использования форме и доведение ее до потребителя.

Основные цели экологического мониторинга состоят в обеспечении системы управления природоохранной деятельности и экологической безопасности современной и достоверной информацией, позволяющей:

оценить показатели состояния и функциональной целостности экосистем и среды обитания человека;

выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются; создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

Исходя из этих трех основных целей экологический мониторинг должен быть ориентирован на ряд показателей трех общих видов: наблюдения, диагностики и раннего предупреждения.

Кроме приведенных выше основных целей экологический мониторинг может быть ориентирован на достижение специальных программных целей, связанных с обеспечением необходимых информационных, организационных и др. мер по выполнению конкретных природоохранных мероприятий, проектов, международных соглашений и обязательств государств в соответствующих областях.

Основные задачи экологического мониторинга:

наблюдение за источниками антропогенного воздействия;

наблюдение за факторами антропогенного воздействия;

наблюдения за состоянием природной среды и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

оценка фактического состояния природной среды;

Прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды (Протасов, 2001).

Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга (Израэль, 1984).

В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью специально выбранных для этой цели живых объектов.

Среди отслеживаемых показателей видное место заняли биологические индикаторы: эпифитные лишайники, напочвенная растительность, кустарниковая и древесная растительность, проективное покрытие деревьев, биомасса деревьев, химический состав хвойных игл, микроэлементы в хвое, почвенные ферменты, микориза, скорость разложения растительных остатков и др.

Биоиндикация — это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) — это клетки, организмы, популяции, сообщества. с их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и др.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ).

Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях Биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания.

1.2 Характеристика прудов как водных экосистем

Пруды могут быть плотинными, образующимися в результате запруживания речек и оврагов; копаными, питающимися атмосферными осадками, а также грунтовыми водами; наливными, наполняемыми водой через специальные каналы из рек и ручьев. Во всех случаях пруды — мелкие водоемы с небольшой площадью водного зеркала, часто спускаемые на зиму. Вследствие мелководности вода в прудах сильно перемешивается ветром, взмучивание грунта резко снижает ее прозрачность, ограничивая проникновение солнечной радиации вглубь. Поэтому несмотря на мелководность в летнее время температура у поверхности часто на несколько градусов выше, чем у дна. Взмучивание грунта резко усиливает процессы взаимодействия между ложем и водной толщей, увеличивает поступление в нее биогенов и других веществ из донных отложений.

Население прудов отличается видовым однообразием, хотя по своей численности и биомассе оно часто богаче озерного. Ведущую роль в фауне прудов играют вторичноводные организмы, преимущественно представленные эврибионтными формами, что отражает большую неустойчивость температурного, кислородного и других факторов среды, в которой они обитают. Число бактерий в прудах может достигать нескольких десятков миллионов в 1 мл, как это, например, наблюдается в случае внесения органических удобрений. Фитопланктон в основном представлен зелеными водорослями, особенно протококковыми и сине-зелеными, меньшее значение имеют диатомовые. Из отдельных форм наиболее характерны для наших прудов зеленые Scenedesmus, Pediastrum, Closterium и Cosmarium, сине-зеленые Aphanizomenon, Anabaena и Microcystis. Зоопланктон слагается главным образом из инфузорий, коловраток, ветвистоусых и веслоногих рачков.

В прудах средней полосы России наблюдается сезонная смена в составе ветвистоусых рачков, которые весной преимущественно представлены видами Moina, Scapholoberis и Simocephalus, а позже эти формы исчезают и взамен их появляются Daphnia и Bosmina. Летом фауна ветвистоусых резко обедняется, и они могут исчезать из прудов, по-видимому, в связи с понижением численности бактерий и протококковых, которыми они в основном питаются.

Численность инфузорий в прудовой воде может достигать 500 тысяч экз/л.

Если пруды не спускные, фитобентос в них достигает значительного обилия. В наших прудах в зарослях макрофитов наиболее обычны тростник, рогоз, осоки, рдесты, роголистник и некоторые другие, на которых появляется богатая фитофильная фауна, состоящая из личинок насекомых, моллюсков, губок и мшанок.

Особенно богата фауна мягкой растительности. Зообентос представлен преимущественно инфузориями и другими представителями микрозообентоса, личинками комаров Chironomus и Glyptotendipes, личинками стрекоз Aeschna и Lestes, жуками Dytiscus и другими насекомыми, олигохетами Tubifex и Limnodrilus, моллюском Limnaea. Распределяется зообентос по ложу пруда довольно равномерно как в видовом, так и в количественном отношениях. Большинство организмов инфауны находится в поверхностном слое грунта толщиной 10−20 см, причем днем животные находятся на больших глубинах, чем ночью. Зимой донные организмы проникают в грунт глубже, чем летом. Нектон прудов представлен немногочисленными рыбами, в частности карасем, сазаном, линем. Искусственно разводятся карп, толстолобики, форель и некоторые другие (Константинов, 1979).

1.3 Физико-географическая характеристика региона исследования

Чебоксары входят в Чебоксарский возвышенно-равнинный район со зрелым эрозионным ландшафтом. Чебоксарский физико-географический район располагается по правому берегу реки Волги, занимая полосу шириной от 20 до 45 км. Естественными границами района является на севере и востоке — река Волга, на западе — правый берег нижнего течения реки Суры, а южная граница проходит от устья реки Вылы через устье М. Цивиля на северо-востоке к реке Волге. Площадь района 3,8 тыс. кв.км.

В орографическом отношении район занимает северную окраину Приволжской возвышенности. Средние абсолютные высоты составляют 160−170 м. Минимальные отметки рельефа, приуроченные к меженному урезу реки Волги, равны 49,8 м. Наибольшие абсолютные высоты расположены на водоразделе рек Волги, Суры и Цивиля и составляют 215 м.

Поверхность представляет собой всхолмленную возвышенную равнину, круто обрывающуюся к долине реки Волги. Рельефообразующими породами на территории района являются породы пермской и юрской систем, перекрытые чехлом четвертичных отложений (Ступишин, 1964).

Рельеф территории Чебоксарского филиала Главного ботанического сада РАН представлен волнистой равниной с небольшими ложбинками, балками и заросшими лесом оврагами в южной части территории. Пересеченный рельеф вносит своеобразие в общую ландшафтную картину — от полого склона на севере территории до пересеченной оврагами и балками местности на юге. Перепад абсолютных высот составляет 30 метров (Особо охраняемые…, 2004).

Район характеризуется умеренно-континентальным климатом. Средняя годовая температура воздуха 2,7−2,9⁰С. Абсолютные минимумы температур достигают — 46⁰С, а абсолютные максимумы +36⁰С. Средняя температура января по данным Чебоксарской метеостанции — 12,7⁰С, а средняя температура июля +18,9⁰С. Годовое количество осадков колеблется от 450−480 мм. Среднее количество осадков за вегетационный период составляет 250−275мм (Ступишин, 1964).

Опасные климатические явления — сильные морозы зимой и засуха в весеннее — летний период.

По южной части территории Ботанического сада протекает река Кукшумка. Суммарная протяженность речной сети составляет 1350 м. Пруд занимает 4,57 га из 176,77 га всей площади Ботанического сада (Особо охраняемые…, 2004).

Преобладающими почвами являются дерново-подзолистые. Они сформировались преимущественно на лессовидных делювиальных суглинках и глины. По механическому составу дерново-подзолистые почвы большей частью среднесуглинистые (Ступишин, 1964).

По лесорастительному районированию территория относится к району Приволжских нагорных дубрав. Значительная часть площади (115,4 га или 65,3%) занята естественными дубравами. Основными лесообразующими породами являются дуб черешчатый (60%), осина (20%), сосна обыкновенная (10%), липа мелколистная (10%). В естественных лесных насаждениях произрастает 30 видов деревьев и кустарников местного происхождения. Из 1100 видов покрытосеменных, голосеменных, папоротниковых, хвощовых и плауновидных растений, произрастающих в Чувашской Республике, в природных фитоценозах Ботанического сада произрастает более 600 видов растений (Особо охраняемые…, 2004).

1.4 Краткая история изучения беспозвоночных гидробионтов Чувашской Республики

Фауна водных беспозвоночных малых рек Чувашии изучена в недостаточной степени, планомерно и регулярно ее обследование не проводилось. В литературе имеются данные о водных беспозвоночных реки Цивиль (Морозов, 1915); устьевого участка реки Суры и устьевых участков Урж и Выла (Есырева и др., 1979; Шахматова и др., 1980), устьевого участка Цивиля (Кравченко и др., 1982), реки Алатырь (Каменев, 1992). За последние 25 лет были опубликованы работы по видовому составу отдельных групп водных беспозвоночных. И. М. Олигер (1967) и А. И. Олигер (1971) отметили для Чувашии 40 видов стрекоз из семи семейств; Е. В. Канюкова (1998) выявила 23 вида водных клопов из семи семейств для Северного Присурья Чуваши; Г. П. Чернова (1985) и Н. В. Борисова (1989) — 35 видов ручейников для Чувашии в целом. Л. Г. Сысолетиной и Г. П. Черновой (1996) отмечен 41 вид моллюсков с территории Чувашии. В последние годы появились работы по биоиндикации некоторых рек Чувашии на основе зообентоса (Кириллова, 1997; Кириллова, Мартынова, 1999; Кириллова, Григорьева, 2001).

Глава 2. Материал и методики работы

2.1 Исследование органолептических и гидрохимических свойств воды

Гидрохимические и органолептические исследования проводились согласно стандартным методикам (Федорова, Никольская, 2001).

Вода на анализ отбиралась в чистую посуду, предварительно 2−3 раза сполоснутую исследуемой водой. Пробы отбирались в фарватере пруда с глубины 50 м. Бутыль опускалась на глубину, после чего пробка открывалась.

2.1.1 Определение показателей, характеризующих органолептические свойства воды (температура, прозрачность, осадок, запах, вкус и привкусы)

2.1.1.1 Температура

Определялась сразу после отбора пробы или непосредственно в водоеме термометром с ценой деления 0,1⁰С. Термометр держали в воде не менее 5 минут.

2.1.1.2 Прозрачность

Степень прозрачности выражается высотой столба жидкости в см, через который отчетливо виден специальный шрифт. Исследуемая вода наливалась в цилиндр, под дно которого подкладывали на расстоянии 4 см шрифт. Сливали воду до тех пор, пока сверху через слой можно будет отчетливо прочесть этот шрифт. Высоту столба оставшейся воды измеряли линейкой. Определение производили при хорошем дневном рассеянном освещении на расстоянии 1 см от светонесущей стены.

2.1.1.3 Осадок

Взболтанную в бутылке воду помещали в цилиндр слоем примерно 30 см и оставляли в покое 1 час. Осадок оценивали количественно (нет, незначительный, заметный, большой) и качественно (песчаный, глинистый, илистый, кристаллический, хлопьевидный).

2.1.1.4 Запах

Запах оценивается в баллах.

Водой, не имеющей запаха, считается такая, запах которой не превышает 2 балла.

Колбу с притертой пробкой наполняли на 2/3 объема исследуемой водой, сильно встряхивали, открывали пробку и вдыхали ее запах. Для усиления интенсивности запахов воду подогревали. Коническую колбу на 200 мл наполняли на ½ ее объема исследуемой водой, закрывали часовым стеклом и нагревали до 60⁰С.

Интенсивность запаха определяли по 5-бальной шкале:

0 — не ощущается,

1 — обнаруживается только опытным исследователем,

2 — слабый, обнаруживается потребителем только в том случае, если указать на него,

3 — заметный, обнаруживается потребителем и вызывает его неодобрение,

4 — отчетливый, обращающий на себя внимание и делающий воду непригодной для питья,

5 — очень сильный, делающий воду совершенно непригодной.

Естественные запахи описывали, придерживаясь следующей терминологии:

А — ароматный, Б — болотный, Г — гнилостный, Д — древесный, З — землистый, П — плесневый, Р — рыбный, С — сероводородный, Т — травянистый, Н — неопределенный.

2.1.1.5 Вкусы и привкусы

Определялись в баллах. Без привкусов называется такая вода, привкусы которой не превышают 2 баллов. Воду набирали в рот малыми порциями, не проглатывая. Отмечали наличие вкуса (соленый, горький, кислый, сладкий) или привкуса (щелочной, железистый, металлический, вяжущий и другие) и их интенсивность в баллах по шкале, аналогично определению интенсивности запаха.

2.1.2 Определение гидрохимических показателей воды

2.1.2.1 Определение активной реакции (pH)

Определение pH воды проводилось электрометрическим (потенциометрическим) методом, отличающимся большой точностью (0,02). Метод позволяет проводить исследование практически в любой воде независимо от ее окраски, мутности, солевого состава. Метод основан на измерении разности потенциалов, возникающих на границах между внешней поверхностью стеклянной мембраны электрода и исследуемым раствором, с одной стороны, и внутренней поверхностью мембраны и стандартным раствором — с другой. Внутренний стандартный раствор стеклянного электрода имеет постоянную концентрацию ионов водорода, поэтому потенциал на внутренней поверхности мембраны не меняется. Измеряемая разность потенциалов определяется потенциалом, возникающим на границе внешней поверхности электрода и исследуемого раствора. Изменение значения pH на единицу вызывает изменение потенциала электрода на 58,1 мВт при 20⁰С. Пределы линейной зависимости потенциала электрода от pH обусловлены свойствами стеклянного электрода. Результат определения не зависит от окраски, мутности, взвеси, присутствия свободного хлора, окислителей или восстановителей, повышенного содержания солей. Влияние температуры компенсируется специальным устройством, вмонтированным в прибор.

2.1.2.2 Определение общей жесткости

Общая жесткость — это природное свойство воды, обусловленное наличием в ней двухвалентных катионов (главным образом кальция и магния). Для определения общей жесткости пользовались трилонометрическим методом. Основным рабочим раствором является трилон Б — двунатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты. Определение суммарного содержания ионов кальция и магния основано на способности трилона Б образовывать с этими ионами прочные комплексные соединения в щелочной среде, замещая свободные ионы водорода на катионы кальция и магния:

Ca²⁺+Na₂H₂R, а Na₂ CaR + 2H⁺,

где R — радикал этилендиаминтетрауксусной кислоты.

В качестве индикатора используется хромоген черный, дающий с катионами магния и кальция соединение винно-красного цвета, при исчезновении катионов Mg²⁺ и Са²⁺ он приобретает голубую окраску. Реакция идет при pH=10, что достигается добавлением в пробу аммиачного буферного раствора (NH₄OH+NH₄Cl). В первую очередь связываются ионы кальция, а затем магния.

Определению мешают ионы меди (>0,002 мг/л), марганца (>0,05 мг/л), железа (>1,0 мг/л), алюминия (>2,0 мг/г).

2.1.2.3 Определение хлоридов

Содержание хлоридов является показателем загрязнения подземных и поверхностных водоисточников и сточных вод. Определение хлоридов проводилось по методу Мора.

Принцип метода Мора основан на осаждении хлоридов азотнокислым серебром в присутствии хромата калия K₂CrO₄. При наличии в растворе хлоридов AgNO₃ связывается с ними, а затем образует хромат серебра оранжево-красного цвета.

NaCl + AgNO₃ а AgClв + NaNO₃

2AgNO₃+K₂CrO₄ а Ag₂CrO₄в+2KNO₃

2.1.2.4 Определение железа (общего) фотометрическим способом

В поверхностных водах железо (II) содержится в виде достаточно устойчивого гуминовокислого железа. Пробы для определения железа не требуют консервации. Метод определения основан на том, что сульфосалициловая кислота в щелочной среде (pH = 8−11,5) образует с солями железа (II, III) окрашенные в желтый цвет комплексные соединения.

Интенсивность окраски образующихся комплексов пропорциональна концентрации железа в растворе. Ее измеряли на фотоэлектроколориметре КФК-2 и по величине оптической плотности, пользуясь градировочным графиком определяли концентрацию железа (приложение 1, рис.2). Определению мешает окраска и высокое содержание органических веществ.

2.1.2.5 Определение перманганатной окисляемости

Под окисляемостью воды понимают количество кислорода искусственно введенного окислителя (например, KMnO₄ или K₂CrO₄), идущее на окисление содержащихся в воде органических веществ. Метод перманганатной окисляемости дает представление о содержании в воде легко окисляющихся органических веществ. Обычно перманганатная окисляемость составляет 40−50% от истинной окисляемости органических веществ, то есть полного окисления органического углерода до СО₂.

Определение основано на том, что KМnO₄, будучи в кислой среде сильным окислителем, реагирует с присутствующими в воде восстановителями (органические вещества, соли железа (II), нитриты). Ион MnO^-₄ принимает при этом 5 электронов и переходит в двухвалентный катион Mn²⁺ по уравнению:

MnO^-₄+8H⁺+5e = Mn²⁺+4H₂O

Избыток KMnO₄ реагирует с вводимой в раствор щавелевой кислотой:

2MnO₄ +5H₂C₂O₄ +6H⁺ а 2Mn²⁺ +10CO₂ +8H₂O

Не вступившая в реакцию щавелевая кислота оттитровывается KMnO₄ по приведенному уравнению.

Точность метода 0,4 мг/л O₂, если окисляемость не превышает 4мг/л O₂; при более высокой окисляемости — 10%.

2.1.2.6 Определение ионов аммония

Ионы аммония определялись фотометрическим способом по реакции с реактивом Несслера. Принцип метода основан на том, что аммоний с реактивом Несслера образует йодид меркураммония, который окрашивает раствор в желто-коричневый цвет. Интенсивность окраски пропорциональна содержанию аммония в воде.

NH₄+2K₂HgJ₄+2KOH, а NH₂Hg₂J₃в+5KJ+2H₂O+K⁺

Так как соли кальция и магния, обычно содержащиеся в природных водах, при взаимодействии с реактивом Несслера могут выпасть в осадок, их связывали раствором виннокислого натрия калия (сегнетовой солью). Диапазон определяемых концентраций аммония — 0,05−4 мг/л (приложение 1, рис.2).

2.1.2.7 Определение растворенного кислорода по Винклеру

Количество кислорода, растворенное в воде, имеет большое значение для оценки состояния водоема. Его снижение указывает на резкое изменение биологических процессов в водоемах, а также на загрязнение водоемов веществами, биохимически интенсивно окисляющимися.

Принцип метода определения основан на использовании растворенного кислорода, содержащегося в определенном объеме воды, для окисления гидроксида марганца (II) в гидроксид марганца (III):

MnSO₄+ 2NaOH, а Mn (OH) ₂ + Na₂SO₄

2 Mn (OH) ₂+ O₂ + H₂O, а 4Mn (OH) ₃

Гидроксид марганца (III), в свою очередь, окисляет в кислой среде KJ с образованием свободного йода в количестве, эквивалентном кислороду, который затем титруется 0,1н раствором тиосульфата.

2 Mn (OH) ₃+ 3 H₂SO₄ + 2KJ, а 2 Mn SO₄+ K₂SO₄+ J₂+ 6H₂O

J₂ + 2Na₂S₂O₃ а 2 NaJ + Na₂S₂O₆

Предел обнаружения растворенного кислорода по этому методу составляет 0,05 мг/л (Федорова, Никольская, 2001).

Обследование водоема проводилось в мае, июле, сентябре 2002;2003 года.

2.2 Гидробиологические методики

В работе использовались стандартные методики сборов беспозвоночных зообентоса (Кузнецова и др., 1995).

2.2.1 Методика сборов

Для сборов использовался гидробиологический сачок. Сачок ставился перпендикулярно дну, проводился примерно на метр по течению, разворачивался на сто восемьдесят градусов и проводился еще один против течения. Собранный материал полностью выбирался из сачка, помещался во флаконе с фиксирующей жидкостью (70% спирт). На флакончик помещалась этикетка, написанная простым карандашом, со следующими данными: время сбора (число, месяц, год), место (ручей у моста, ручей у дамбы, дамба), номер пробы (1,2,3) (Кузнецова и др., 1995).

Общее количество собранных беспозвоночных животных составило более 4520 экземпляров.

2.2.2 Определение

Определение материала проводилось до типов, классов, отрядов и семейств. До родов и видов были определены ракообразные, паукообразные, пиявки, моллюски, ручейники, поденки, клопы. Определение проводили по следующим определителям:

1. Определитель насекомых европейской части СССР в пяти томах. Т.1. Под общей редакцией Г. Я. Бей-Биенко. — Изд-во «Наука»: Москва — Ленинград: 1964.

2. Определитель пресноводных беспозвоночных европейской части СССР (планктон и бентос). Под ред. Кутиковой Л. А. и др. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. — 511с.

3. Определитель пресноводных беспозвоночных Европейской части СССР. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1997 г.

4. Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Под ред. С. Я. Цалолихина. — Санкт-Петербург: Зоологический институт РАН, 1995. — 3 т., 270с.

5. Мамаев Б. М. Определитель насекомых по личинкам. Пособие для учителей. — Москва: Просвещение, 1972. — 400с.

6. Чертопруд М. В., Чертопруд Е. С. Краткий определитель беспозвоночных пресных вод центра Европейской России. — Москва: Макс Пресс, 2003. — 196 с.

2.2.3 Определение биотического индекса Вудивисса

В настоящее время при оценке состояния вод в реках стал использоваться биотический индекс Вудивисса (БИВ). Этот метод основан на качественных пробах зообентоса, позволяет достаточно надежно оценивать степень загрязнения, не требует обязательного определения до вида всех представителей зообентоса (Кузнецова и др., 1995).

Список выделяемых в зообентосе «групп» для расчета индекса Вудивисса

Все известные виды плоских червей (тип Plathelmintes);

Все кольчатые черви, исключая род Nais;

Все известные виды пиявок (класс Hirudinea);

Все известные виды моллюсков (тип Mollusca);

Все известные виды ракообразных (класс Crustacea);

Все известные виды веснянок (отряд Plecoptera);

Все известные роды поденок отр. Ephemeroptera, исключая Baetis rhodani;

Все семейства ручейников (отряд Trichoptera);

Все виды личинок сетчатокрылых (отряд Neuroptera);

Семейство комары-звонцы (Chironomidae);

Семейство Мошки (Simulidae);

Все известные виды других отрядов насекомых;

Все известные виды жуков (отряд Coleoptera);

Все известные виды водяных клещей (отряд Hydracarina);

Род Nais;

Baetis rhodani;

Chironomus thummi.

Величина индекса Вудивисса определяется по таблице, в которой справа дано число групп, а слева — шесть «ключевых» индикаторных групп. Для определения класса качества воды использовали данные Табл. 2.

Табл. 1

Значения индекса Вудивисса для выборок (группы расположены в порядке исчезновения их при увеличении степени загрязнения воды)

Табл. 2

Соотношение значений БИВ и класса качества вод

2.3 Математические методы

2.3.1 Определение коэффициента корреляции

Корреляционный анализ сводится к изменению тесноты или степени сопряженности между варьирующими признаками, а также к определению формы и направления существующей между ними связи. По направлению корреляция бывает положительной, или прямой, и отрицательной, или обратной, а по форме — линейной (прямолинейной) и нелинейной, или криволинейной. При положительной корреляции групповые средние одного признака возрастают с увеличением значений другого признака. При отрицательной корреляции групповые средние одного признака уменьшаются при увеличении значений другого признака.

Корреляция называется линейной, когда направление связи между признаками X и Y графически и аналитически выражается прямой линией. Если же корреляционная зависимость между переменными X и Y имеет иное направление, она называется нелинейной. Во всех случаях задачи корреляционного анализа остаются одни и те же: установление формы и направления связи, существующей между варьирующими признаками, измерение ее силы или тесноты с последующей оценкой достоверности эмпирических показателей связи.

Для измерения степени сопряженности между варьирующими признаками служат параметрические и непараметрические показатели. Выбор того или иного показателя зависит, во-первых, от того, по каким признакам проводится корреляционный анализ — количественным или качественным, а во-вторых, от формы корреляционной зависимости (линейная или нелинейная связь), а также от того, группируются или не группируются выборочные данные в вариационные ряды. Во всех случаях корреляционный анализ служит инструментом количественного выражения связей, существующих между варьирующими признаками, он позволяет оценивать достоверность эмпирических показателей корреляции, оставаясь при этом методом статистического, а не биологического анализа.

Коэффициент корреляции служит для измерения силы или тесноты линейной связи между значениями признаков X и Y (Лакин, 1973).

При помощи корреляционного анализа и таблиц данных по численному обилию, количества таксонов моллюсков, а также данных определения общей жесткости в водоеме в одних и тех же времени и месте, обнаруживается зависимость:

Х — численное обилие моллюсков, Y — показатели жесткости воды.

Коэффициент корреляции определяется по следующей формуле:

Для определения степени взаимозависимости используют данные Табл. 3.

Табл. 3

Соотношение значений коэффициента корреляции и степени взаимозависимости

Глава 3. Результаты и их обсуждение

Чебоксарский филиал Главного ботанического сада им. Н. В. Цицина РАН функционирует с 1978 года, площадь его составляет 177,7 га (приложение 1, рис.1; приложение 2). Расположен он в пределах города Чебоксары вблизи АО «Чебоксарская керамика» между двумя автомобильными трассами республиканского значения. Поэтому велико антропогенное воздействие на территорию Ботанического сада. По всей территории наблюдается усыхание крупномерных деревьев дуба. Происходит дигрессия осинников от предельных рекреационных нагрузок. Основные проблемы в сохранении данной ООПТ связаны с соседством коллективных садоводческих товариществ и зоной застройки города с самовольным проездом автотранспорта через его территорию к садовым участкам (Гос. доклад…, 2001).

Пруд в Ботаническом саду имеет более 400 м в длину и ширину около 100 м. По берегам растет большое количество древесных, кустарниковых и травянистых растений (приложение 1. Список 1). Водная прибрежная растительность: рогоз, хвощ, роголистник, элодея и другие.

3.1 Органолептические и гидрохимические свойства воды

3.1.1 Органолептические показатели

Нормируются по интенсивности восприятия их человеком.

Прозрачность и цвет воды в природных условиях обычно зависят от количества и состава находящихся в ней минеральных и органических веществ. Чистая вода в тонком слое обычно бесцветна и только с глубиной водоема приобретает слабый голубоватый оттенок (Котова, 1989).

Прозрачность воды в пруду варьировала от 11,5 до 17,3 см; в ручье — 9−12,3 см. в осенних пробах 2002;2003 годов прозрачность незначительно уменьшалась. При этом вода в районе дамбы и полуострова была коричневой. Мы связываем это с поступлением в водоем гуминовых веществ. Соответственно во всех сентябрьских пробах наблюдались небольшие концентрации железа (общего).

Поступление в воду большого количества органических и других загрязняющих веществ, кроме прямого воздействия на организмы, может привести к дефициту кислорода и даже к замору в водоеме (Котова, 1989).

Исследованные нами пробы имеют слабые вкус и запах. В сентябре 2002;2003 годов наблюдались заметные гнилостный вкус и болотный запах.

В большинстве проб отмечен незначительный илистый осадок. Чаще всего вода обладала землистым запахом (Приложение 1, Табл. 1).

3.1.2 Гидрохимические показатели

Активная реакция среды (pH) или концентрация свободных водородных ионов обуславливается нахождением в ней ионов водорода (Н⁺) и гидроксильных групп (ОН^-), количество которых в основном зависит от соотношения свободной углекислоты и бикарбонатов (кислых солей).

Жизненные процессы у большинства водных организмов осуществляется нормально при нейтральной или слабощелочной реакции воды.

В кислой среде минерализация органических остатков ослабевает и снижается фотосинтетическая деятельность организмов, в результате при обилии органических веществ водоем становится малопродуктивным. В кислой среде с гуминовыми веществами усвоение фосфора растениями затрудняется, повышенная кислотность способствует растворению и накоплению железа в воде, сказывается на интенсивности процессов обмена веществ у всех групп водных организмов.

Определенные нарушения жизненных процессов наблюдаются также при высокой щелочной реакции воды. Например, при рН выше 8 прекращается нормальное развитие эмбрионов сиговых рыб, при рН=9 и выше нарушается развитие некоторых водорослей.

Эти факты показывают, что активная реакция воды влияет на количественное развитие водных организмов, так и на их качественный состав.

Однако водные организмы, находясь под воздействием активной реакции воды, сами как бы создают себе среду путем воздействия на нее в результате осуществления жизненных функций. Два главнейших фактора этих процессов — кислород и углекислота — оказывают очень большое влияние на рН. Например, дыхание водных организмов, процессы разложения органических веществ способствуют увеличению в воде растворенной углекислоты и уменьшению растворенного кислорода, что приводит к понижению рН. В то же время процессы фотосинтеза снижают количество углекислоты в воде и ведут к накоплению кислорода и тем самым способствуют повышению рН.

В результате весьма сложных воздействий на величину рН активная реакция воды претерпевает весьма значительные изменения на протяжении суток, сезонов и года в целом, она зависит от типа водоема, состава населяющих его организмов, количества органических веществ, характера водосбора и т. д. (Котова, 1989).

Значения рН в исследованных нами пробах менялись от 7,2 до 8,3. реакция среды — слабо щелочная.

Органическое вещество в водах поверхностных водоемов обычно находится в трех состояниях: растворенном, коллоидном и взвешенном, оно участвует в химических и биохимических превращениях. Часть органического вещества приносится водами притоков, также смывается с береговой зоны и водосбора в целом паводковыми водами и ливневым стоком. Некоторая часть органических веществ выносится из водоемов вместе с током (Котова, 1989).

Об общем состоянии и количестве органического вещества судят по величинам бихроматной и перманганатной окисляемости. Перманганатная окисляемость позволяет судить о наличии в воде легкоразлагающихся (окисляющихся) органических веществах.

Во взятых в 2002 году пробах воды пруда Ботанического сада перманганатная окисляемость составляла 7,5 мг/л в мае и 13,8 мг/л в сентябре. Эти показатели являются наилучшим для создания благоприятных условий трансформации органического вещества в водоеме. В сентябре 2003 года зарегистрировано резкое увеличение показателей до 40,3 мг/л. Повышение перманганатной окисляемости говорит о возрастании количества легко окисляемых органических веществ. Водоем считается загрязненным, а величина его продуктивности снижена. Однако, учитывая, что окисляемость обусловлена целым комплексом других факторов среды, мы не можем однозначно судить о продуктивности водоема.

Общая жесткость — это природное свойство воды, обусловленное наличием в ней двухвалентных катионов (главным образом Са²⁺, Мg²⁺).

Жесткость воды в мае 2002 года и в течение всего сезона 2003 варьировала от 7,44 до 7,59 ммоль экв/л. Вода считается жесткой. Показатели не превышают нормативов, характерных для воды, не подвергшейся специальной обработке.

В сентябре 2002 года наблюдалось увеличение жесткости воды во всех пробах пруда: до 15,04 ммоль экв/л. Такую воду называют очень жесткой, не пригодной для питьевых и хозяйственных целей.

Железо, как составная часть хлорофилла и гемоглобина, имеет важнейшее значение в жизни растительных и животных организмов водной среды. Оно также входит в состав мышц, миоглобина, цитохромов, трансферринов и др. Недостаток Fe лимитирует развитие водорослей, а его высокие концентрации (более 1,5−2,0 мг/л) угнетают рост подводной растительности и развитие рыб (более 0,5 мг/л) (Котова, 1989).

В поверхностных водах железо (II) содержится в виде достаточно устойчивого гуминовокислого железа. Концентрация ионов Fe²⁺, Fe³⁺ в сентябрьских пробах составляла 0,0001 — 0,0045 мг/л и находилась в пределах нормативных показателей.

Газы в водную среду поступают как из атмосферы за счет диффузии, так и путем химико-биологических процессов, протекающих в самом водоеме. В частности, кислород поступает в водную толщу в результате процессов фотосинтеза надводной и подводной зеленой растительности и фитопланктона, осуществляющегося под действием солнечной энергии при ассимиляции углекислоты. Углекислота же образуется в результате дыхания всех водных организмов. Растворимость кислорода находится в прямой зависимости от температуры воды: чем она выше, тем ниже растворимость.

Количество растворенного кислорода по Винклеру варьировало от 8,9 до 19,4 мг/л. Количество кислорода заметно снижалось в сентябре 2002 года, что коррелировало с возрастанием перманганатной окисляемости.

Высокая растворимость хлоридов объясняет широкое распределение их во всех природных водах. В определенных нами пробах концентрация ионов Cl ^- колебалась от 34,6 до 36,5 мг/л и не превышала нормативов для поверхностных природных вод (приложение 1, рис.2−3).

3.2 Гидробиологические исследования

3.2.1 Зообентос, групповой состав и годовая динамика

Изучение группового состава беспозвоночных зообентоса проводилось нами в течение трех лет: в 2002, 2003, 2005 годах.