Биоиндикация качества вод по структурным показателям фитопланктонных сообществ и диагностика причин экологического неблагополучия в Волжском бассейне

Актуальность темы

В последние годы антропогенная нагрузка на природные экосистемы (в частности, водные) постепенно возрастает. Распространение предельно допустимых концентраций, установленных в лаборатории, на природные экосистемы всей территории страны не всегда оправдано, поскольку в природных условиях на организмы влияет не единственный фактор, как в лаборатории, а одновременно множество факторов, включая не только химические, но и физические и биологические виды загрязнения. Отмечено [Федоров, 1979; Абакумов, Сущеня, 1991; Максимов, 1991; Левич, Булгаков, Максимов, 2004], что для целей оценки состояния экосистем наиболее обоснованным подходом является биоиндикация.

В настоящее время широкое развитие получили инструментальные методы оценки численностей и размеров клеток, флуоресценции фитопланктона, однако методическая база для использования полученных данных в биоиндикации недостаточно проработана. Ввиду этого особую актуальность приобретает решение приведенных выше проблем.

Ранее в работах Левича с соавторами [Левич, Забурдаева, Максимов, Булгаков, Мамихин, 2009] на данных (показатели видовой структуры и физико-химические факторы) по Нижнему Дону был предложен метод установления локальных экологических норм. Однако этот метод не учитывал все возможные сочетания границ норм, не учитывал влияние на величину силы связи собственных распределений характеристик, не оценивал значимость связей, не позволял проводить одновременный поиск нескольких границ норм, в нем не было трактовки причин отсутствия связи.

Проблемы, на решение которых направлено исследование:

1) Оценка качества вод по лабораторным нормативам экологически неэффективна, а методы, позволяющие устанавливать границы норм качества непосредственно по природным данным, отсутствуют.

2) Поскольку такие границы, как правило, задают экспертно, необходимо объективное обоснование границ классов как по биологическим, так и по физико-химическим характеристикам в классификаторах качества окружающей среды.

3) В системе экологического контроля недостаточна методическая база для применения инструментальных экспресс-методов биоиндикации как альтернативы методам, требующим длительной высококвалифицированной обработки биологических проб.

Пути решения проблем. Для преодоления приведенных проблем и реализации подхода к контролю состояния окружающей среды, основанному на биоиндикации, необходимы методы получения оценок состояния сообществ, с помощью которых можно было бы отличить благополучное состояние экосистемы от неблагополучного (нарушенного) состояния, являющегося результатом воздействия внешних (в первую очередь, антропогенных) факторов. В настоящей работе рассмотрены методические вопросы возможности применения для целей биоиндикации количественных показателей видовой структуры фитопланктона, количественных показателей размерной структуры фитопланктона, полученных по многолетним данным государственного экологического мониторинга вод Волжского бассейна, и показателей флуоресценции фитопланктона по данным наблюдений за состоянием вод Рыбинского водохранилища в 2010 г.

Разработана методическая база для экспериментальных экспресс-методов биоиндикации, основанных на определении численностей и размеров клеток. В частности, исследованы существующие и предложены новые методы выделения размерных классов клеток, предложены методы преобразования численностей размерных классов в показатели размерной структуры.

В качестве показателей размерной структуры анализировали средний размер клеток в пробе и показатели, характеризующие соотношения численностей и биомасс размерных классов в пробе. В качестве показателей видовой структуры были исследованы параметры ранговых распределений численно-стей видов и индексы выравненности. В качестве показателей состояния фотосинтетической системы фитопланктона исследовали содержание пигментов (хлорофилла «а», «Ь», «с», феопигментов и т. д.), показатели флуоресценции проб и фитопланктона (фоновый уровень флуоресценции, максимальная флуоресценция). Многие исследования подтверждают, что в нормальном (ненарушенном, фоновом и т. п.) состоянии сообщества перечисленные показатели изменяются в определенных диапазонах значений, и это означает, что величина параметров может служить числовым выражением наличия или отсутствия нарушений в структуре изучаемых сообществ и их функционировании.

При наличии совместных (собранных в одно время, в одном месте) значений биологических и физико-химических характеристик (потенциально способных привести к неблагополучию биоты) появляется возможность экологической диагностики водного объекта, т. е. выявления факторов, существенных для экологического неблагополучия экосистемы, и ранжирования этих факторов по величине вклада в степень неблагополучия.

Результаты анализа совместных данных позволяют установить границы нормы факторов (ГНФ) окружающей среды, т. е. границы, выход за пределы которых приводит к нарушению благополучия состояния биоты. Полученные ГНФ учитывают реально сложившиеся в природе комплексы потенциально вредных воздействий. Кроме того, ГНФ носят локальный характер, т. е. зависят от фонового уровня абиотических факторов и позволяют учитывать адаптацию организмов к многолетним воздействиям различных факторов, а также климатические, хозяйственные и другие специфические характеристики природного объекта.

Цели и задачи исследования. Целями диссертационной работы были разработка методов биоиндикации, основанных на характеристиках сообществадаптированных к массовым данным государственного мониторингапростых в определении и применении, а также расчет границ экологических норм для качества вод по биологическим и физико-химическим показателям на примере водных объектов Волги.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

Для достижения указанных целей были поставлены следующие задачи:

1) Подготовка обзоров литературы по биоиндикации и определению допустимых уровней воздействия вредных факторов, по размерной структуре сообществ как биоиндикатору качества водных объектов, по подходам к нормированию качества среды.

2) Сбор, систематизация и включение в систему управления базами данных материалов по гидробиологии, гидрохимии, гидрологии, климату, а также по пигментному составу и флуоресценции фитопланктона водных объектов Волги.

3) Анализ статистических методов оценки связей и процедур поиска связей между качественными классами переменных.

4) Усовершенствование и развитие метода поиска границ локальных экологических норм (учет вклада собственных распределений переменныхоценка доверительной вероятности результатов поискаодновременный поиск верхней и нижней границ нормыпоиск границ нормы для трех и более классов качества, а также в многомерном пространстве факторовускорение вычислительных процедурразработка и регистрация программного обеспечения для реализации ключевых алгоритмов метода).

5) Разработка методов, вычислительных процедур и программной реализации для:

• расчетов показателей размерной структуры;

• нелинейных алгоритмов расчета показателей видовой структуры;

• оценки флуоресценции растворенных органических веществ;

• сведения биологических и физико-химических данных в единую базу.

6) Методический анализ применения биологических показателей для целей индикации состояния экосистем:

• учет влияния на биоиндикаторы факторов, не имеющих отношения к экологическому благополучию;

• оценка возможности применения биоиндикаторов с учетом погрешностей отбора и обработки проб.

7) Апробация показателей видовой и размерной структуры, показателей флуоресценции фитопланктона для целей биоиндикации, экологической диагностики и нормирования (градуировка индикаторов на шкале «благополучие-неблагополучие» состояния биотынормирование факторовисследование биоиндикационного потенциала исследуемых показателейвыбор показателей, наиболее полно отражающих причины неблагополучия изучаемой экосистемыранжирование факторов по их вкладу в степень экологического неблагополучиявыявление неблагополучных створов дельты Волги, исследование причин неблагополучия на этих створах).

8) Оценка полноты программ мониторинга.

Научная новизна работы. Метод установления локальных экологических норм (метод ЛЭН) впервые опробован на данных многолетнего государственного экологического мониторинга дельты Волги и данных наблюдений по Рыбинскому водохранилищу. В применении к показателям видовой и размерной структуры, показателям флуоресценции фитопланктона водных объектов Волги впервые проанализировано влияние на биоиндикаторы особенностей отбора и обработки проб фитопланктона в системе биологического мониторинга (погрешности в определении численностей организмов, количество представленных видов, воспроизведение в повторностях), а также учтена зависимость этих показателей от факторов, не влияющих на степень экологического неблагополучия (географического расположения места отбора пробы, сезона наблюдений).

Впервые рассчитаны границы, разделяющие значения исследуемых показателей, соответствующие благополучным и неблагополучным состояниям фитопланктона экосистем бассейна Волги, и выбраны показатели, наиболее полно отражающие причины неблагополучия исследуемой экосистемы.

На основе полученных оценок состояния по показателям видовой и размерной структуры для водных объектов Волги впервые установлены границы норм факторов окружающей среды (выход за эти границы приводит к неблагополучию состояния экосистемы). Границы установлены для конкретной географической области и сезона исследования, т. е. имеют локальный и сезонный характер.

Для использования в биоиндикации размеров клеток разработан новый комплекс методов по преобразованию численностей или биомасс клеток с известными размерами в интегральный показатель, характеризующий размерную структуру пробы.

Предложен новый метод максимизации коэффициентов связей для установления границ качественных классов исследуемых характеристик. Впервые проведен анализ применимости различных коэффициентов связи между биологическими и физико-химическими характеристиками для конкретных задач экологии. В развитие метода ЛЭН предложены новые формулы расчета верхней и нижней границ экологической нормы. Предложены новые методы расчета границ норм для трех и более классов качества и методы поиска границ норм в многомерном пространстве факторов. В метод ЛЭН добавлены учет значимости связи, учет влияния собственного распределения переменных.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в практике экологического контроля природных объектов.

Предложенные методы биоиндикации, основанные на анализе видовой и размерной структур фитопланктона, показателей флуоресценции фитопланктона являются точными и сравнительно простыми в расчетах (в программной реализации) способами оценок состояния сообществ фитопланктона.

Обнаруженные границы между значениями индикаторов, соответствующими благополучному и неблагополучному состоянию фитопланктонных сообществ в водных объектах, могут быть использованы для оценки качества поверхностных вод.

Обнаруженные границы между допустимыми и недопустимыми значениями факторов в водных объектах, могут быть использованы как нормативы качества вод в дополнение к нормативам ПДК (т.е. границы нормы факторов могут заменить ПДК в водных объектах, где накопленная база данных наблюдений за биологическими и физико-химическими характеристиками достаточна для расчета этих границ), как целевые показатели качества вод и как адаптивные фоновые значения физико-химических характеристик, как границы классов в классификаторах качества вод.

Предложенный метод преобразования численностей и размеров клеток в показатели размерной структуры позволяет использовать эти показатели в качестве биоиндикаторов в экспресс-методах экологического мониторинга.

Совершенствование метода расчета границ локальных экологических норм, разработка и регистрация программного обеспечения для этого метода позволяют широко применять его для оценки качества окружающей среды и нормирования факторов.

Результаты работы были использованы при выполнении ряда научных проектов по грантам РФФИ №№ 07−04−45-а, 09−04−541-а, 09−07−204-а, 10−04−13-а, 11−04−915-а, 11−04−915-а, 12−04−1 374-а, 12−07−580-а.

Апробация работы и публикации. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: 17 международная конференция «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна, 25−30 января 2010 г.), «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (РУДН, 21−23 апреля 2010 г., 21−22 апреля 2011 г.), международная научная конференция «Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М.М. Кожова». (Иркутск, 20−25 сентября 2010 г.), Пленум РАН «Биоиндикация и экологическое нормирование водоемов» (Москва, 30 марта 2011), «Проблемы территории Рыбинского водохранилища» (МГУ, 25−27 мая 2011 г.), Всероссийская конференция с международным участием «Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем» (Тольятти, 12−15 сентября 2011 г.), II международная конференция «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (Санкт-Петербург, 10−14 октября 2011 г.), «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (Цим-лянск, 23−28 июля 2012), «IV Съезд биофизиков России» (Нижний Новгород, 20−26 августа 2012).

По теме диссертации опубликовано 27 работ (из них шесть статей опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ, двенадцать в других журналах и сборниках научных работ, одна в малотиражном книжном издании, восемь тезисов докладов в материалах конференций), зарегистрирована в Роспатенте «Программа установления границ качественных классов для количественных характеристик систем и установления взаимосвязи между характеристиками» Свидетельство о гос. регистрации № 2 012 616 523, пять работ принято к печати в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав: 1) Аннотация обзора по нормированию качества среды, 2) Аннотация обзора по биоиндикации, в частности, на основании видовой и размерной структур сообществ, 3) Исходные данные и методы их сбора, 4) Методы анализа данных, 5) Поиск связей между биологическими и физико-химическими характеристиками Рыбинского водохранилища, 6) Поиск границ экологических норм для дельты Волги, заключения, выводов, списка литературы и трех приложений (обзор литературы по нормированию качества среды, обзор литературы по биоиндикации и сводная таблица размеров видов клеток Волги). Диссертация изложена на 201 странице, включает 27 рисунков и 56 таблиц.

Список литературы

содержит 376 источников.

выводы.

1) Причины неблагополучия в состоянии исследованных экосистем наиболее полно отражают простейшие из проанализированных показателей: индекс выравненное&tradeдля одного доминирующего вида ех средний объем клеткипоказатель максимальной флуоресценции фитопланктона.

2) От поздней весны (май, июнь) к середине лета и осени в дельте Волги происходит сдвиг показателей размерной структуры в сторону уменьшения объемов клеток, а также сдвиг показателей видовой структуры в сторону преобладания в пробе доминирующих видов.

3) Метод максимизации коэффициентов связи между качественными классами характеристик позволяет устанавливать границы качественных классов и выявлять больше значимых связей, чем стандартные методы статистического анализа (корреляционный и регрессионный).

4) Коэффициент существенности Чеснокова наиболее адекватен целям экологического контроля в сравнении с другими мерами связи между качественными классами характеристик.

5) Метод расчета границ локальных экологических норм (ЛЭН) позволил рассчитать количественные значения как верхних границ нормы (например, для металлов, нефтепродуктов, рН в дельте Волги), так и нижних границ (например, для фосфора и азота, как в Рыбинском водохранилище, так и в дельте Волги).

6) При помощи метода ЛЭН рассчитаны границы нормы для факторов, не нормируемых по ПДК (температура воды, рН, БПК5, ХГЖ и электропроводность вод).

7) Наибольший вклад в неблагополучие экосистем дельты Волги вносят прозрачность, цветность, содержание взвешенных веществ и хлоридов.

8) Для содержания аммонийного азота, азота нитратов, кальция, магния и хлоридов значения границ нормы факторов жестче ПДК, а для содержания азота нитритов, взвешенных веществ, железа общего, кобальта, меди, никеля, нефтепродуктов, свинца, фенолов и цинка — мягче.

9) Программа наблюдений за причинами неблагополучия для дельты Волги оказалась достаточной на 70−97% для различных индикаторов, для Рыбинского водохранилища — на 47−79%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение отметим несколько особенностей проведенных исследований.

Главный результат работы усовершенствованный метод расчета локальных экологических норм (ЛЭН) и рассчитанные границы норм индикаторов и факторов (которые могут играть роль нормативов аналогичных ПДК, целевых показателей качества вод, границ в классификаторах качества вод, адаптивных фоновых значений факторов).

Ввиду того, что на биоиндикаторы, помимо качества среды, могут влиять факторы, не имеющие отношения к экологическому благополучию (географическое положение, горизонт отбора пробы, сезон года), необходимо установление групп, отражающих влияние таких факторов на индикаторы и установление границ норм в каждой такой группе. В работе предложен метод установления таких групп.

Поскольку корреляционный и регрессионный анализ количественных зависимостей «доза-эффект» для факторов среды и индикаторов может не обнаружить существующие между переменными связи из-за размытости зависимостей ввиду воздействия на индикаторы множества природных факторов необходимо выделение качественных классов количественных переменных. Однако переход к анализу качественных классов экологических переменных сталкивается с необходимостью строгого обоснования границ классов. В диссертации предложен метод, позволяющий устанавливать границы качественных классов и находить значимые связи. Предложенные в диссертации подходы (сравнения реальных выборок с массивами случайных чисел, оценки по критерию х2) позволяют оценить доверительную вероятность неслучайности исследуемых связей между качественными классами индикаторов и факторов.

Метод расчета локальных экологических норм (ЛЭН) апробирован в целях выявления существенных для экологического неблагополучия факторов среды, расчета границ нормы для биоиндикаторов и физико-химических факторов, определения вклада факторов в степень экологического неблагополучия и оценки полноты программ наблюдения за этими факторами. Метод ЛЭН решает указанные задачи по объективным критериям, основываясь только на исходных данных совместных измерений значений индикаторов и факторов, не требуя от распределения наблюдений подчинения какому-либо закону распределения, решая проблему совокупного влияния на индикатор в природных условиях всех факторов среды. Преимущество метода ЛЭН перед лабораторными методами биотестирования состоит в том, что он:

1) позволяет рассчитать границы нормы для биологических и физико-химических показателей, локальные как в пространстве (например, различные для дельты Волги и для Рыбинского водохранилища), так и во времени (например, отличаются в различных сезонах года для дельты Волги);

2) учитывает фоновые концентрации веществ без необходимости их измерения;

3) учитывает не изолированные вредные воздействия, а реально сложившиеся в природе их полные комплексы;

4) учитывает многочисленные косвенные эффекты воздействий, совокупное влияние которых может быть более сильным, нежели прямое;

5) позволяет рассчитать границы нормы не только для загрязняющих веществ, но и для факторов нехимической природы, например, для тепловых, радиационных, гидрологических и др.;

6) позволяет рассчитать как верхние, так и нижние границы нормы для факторов;

7) позволяет рассчитать границы, дифференцированные для природных объектов различного целевого назначения и для различных требований к качеству среды;

8) позволяет уточнять значения найденных границ нормы по мере накапливания новых данных.

Однако метод ЛЭН работоспособен только при наличии достаточного набора данных как биологических, так и физико-химических наблюдений (достаточность понимается как необходимость исключить случайные и недостоверные конфигурации данных). Если данные мониторинга отсутствуют, то применение лабораторных нормативов ПДК оправдано. Нормативы ПДК играют упреждающую роль: испытание вновь появляющихся веществ в лаборатории возможно задолго до накапливания необходимых данных в природе. Приведем несколько цифр, которые разъясняют место метода ЛЭН в системе контроля, основанной на нормативах ПДК. В биосфере циркулирует около 5−10 веществ, тем или иным образом воздействующих на биоту. Норо мативы ПДК установлены для примерно 10 веществ. В программах физико-химического мониторинга России предусмотрено измерение около 102 характеристик. Соответственно, метод ЛЭН может предложить уточнение в пределах сотни нормативов ПДК (вместе с новыми нормативами для факторов нехимической или химической природы, для которых нормативы ПДК просто отсутствуют). Однако эти 10 характеристик именно те, которые существенны для экологического благополучия в регионах, в силу чего они и были включены в программы локального мониторинга. Малое по сравнению с количеством установленных ПДК число возможных ЛЭН связано не с ограничениями метода, а с ограниченностью программ мониторинга. Востребованность новых ЛЭН может служить стимулом расширения программ мониторинга.