CC BY
74
УДК 504.455.058:574.52.64 (470.61)
ЭКОТОКСИЧНОСТЬ ВОД ПРИПЛОТИННОГО УЧАСТКА ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова, Г.Г. Черникова
Южный отдел Института водных проблем РАН, Гидрохимический институт, Научно исследовательский институт
физики при Южном федеральном _университете_
Southern Division of the Institute of Water Problems of RAS, Hydrochemical Institute, Research Institute of Physics, Southern Federal University
Биологическими методами в ходе комплексных экспедиций Южного отдела Института водных проблем РАН (2006, 2007, 2011) исследована динамика экотоксичности вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища. Результаты анализа данных видового и структурного состояния фитопланктона, концентрации хлорофилла а, биотестирования свидетельствуют о неоднородности пространственно-временного распределения фитопланктона, в частности синезеленых микроводорослей, и токсичности.
Ключевые слова: Цимлянское водохранилище, биотестирование, токсичность, фитопланктон, эвтрофикация, «цветение», токсификация, синезеленые микроводоросли, хлорофилл а.
Biological methods in integrated missions of the Southern Institute of Water Problems of RAS (2006, 2007, 2011) investigated the dynamics of ecotoxicity water reservoir dam sactin Tsimlyansk. The results of data analysis the structural state of the species of phytoplankton, chlorophyll a concentration, bioassay indicated the heterogeneity of spatial and temporal distribution of phytoplankton, especially blue-green algae, and toxicity.
Keywords: Reservoir Tsimlyanskoe, bioassay, toxicity, phytoplankton, eutrophication, «bloom», toxification, blue-green algae, chlorophyll a
В современный период изучение состояния водохранилищ, как объектов важного народнохозяйственного значения, требует пристального внимания. Продолжающаяся антропогенная нагрузка в условиях изменяющегося климата вызывает усиление негативных процессов в экосистемах водных объектов.
Наиболее общей, и в тоже время специфической, проблемой всех современных водохранилищ является эвтрофикация, приводящая к интенсивному развитию фитопланктона - первого трофического звена, поставщика органического вещества. Проявлением этого является «цветение» воды в основном за счет синезеленых микроводорослей (Cyanophytd). Вследствие этого усиливается процесс токсификации вод и донных отложений экосистемы водохранилища. Наиболее активно процессы эвтрофикации и токсификации протекают в водохранилищах южных регионов, что обусловлено особенностями климата. Усиливает эти процессы антропогенное загрязнение.
Цимлянское водохранилище, расположенное на территории Волгоградской и Ростовской областях, образовано в результате перекрытия плотиной ГЭС долины
Нижнего Дона (рис.1). Строительство ГЭС началось в 1948 году. Заполнено водохранилище в 1952-1953 годах. Его акватория имеет площадь 2700 км2, общий
3 «-» 3
объем - 23,9 км , в том числе полезный - 11,5 км . Средняя ширина водоема около 12 км, наибольшая - 30 км. По морфологическим характеристикам и гидрологическим показателям акватория водохранилища делится на 3 участка: верхний - от г. Калача-на-Дону до х. Ильмень-Суворовского, центральный - от х. Ильмень-Суворовского до х.Кривского и приплотинный - от х. Кривского до плотины Цимлянской ГЭС.
Цимлянское водохранилище и Нижний Дон имеют определяющее значение для устойчивого экономического развития Ростовской области и повышения качества жизни населения. Они используются для судоходства, рыболовства, водоснабжения, гидроэнергетики.
Рисунок 1 - Расположение створов наблюдений Цимлянского водохранилища в сети мониторинга поверхностных вод суши Росгидромета (▼ - пункт наблюдений, - вертикали)
Проблемы Цимлянского водохранилища. Создание водохранилища привело к существенному изменению гидрологического режима бассейна Нижнего Дона и Азовского моря, снижению рыбопродуктивности. Интенсивное хозяйственное освоение водосборного пространства, и прежде всего водоохранных зон, привело к усилению негативного воздействия на экосистему Цимлянского водохранилища и Нижнего Дона.
В настоящее время хозяйственное использование вод водохранилища, прежде всего, для питьевого и промышленного водоснабжения региона, затруднено из-за ряда проблем. Так, на сегодняшний день остро обозначились следующие основные проблемы Цимлянского водохранилища: загрязнение вод сточными водами от сосредоточенных и диффузных источников, расположенных в акватории водохранилища и в его водоохраной зоне; эвтрофикация - бурное развитие синезеленых микроводорослей («цветение»), приводящее к эвтрофикации и токсификации экосистемы; снижение рыбопродуктивности; разрушение берегов и заиление ложа водохранилища.
Биологические характеристики эвтрофикации. К числу показательных биологических характеристик эвтрофирования водных объектов можно отнести увеличение содержания хлорофилла а, последовательную смену видов
микроводорослей с преобладанием синезеленых (Cyanophyta) и зеленых (Chlorophyta) водорослей, увеличение биомассы фитопланктона в целом.
Эвтрофирование приводит к изменению характера сезонной динамики и структуры фитопланктона. В фитоценозах снижается роль диатомовых (Bacillariophyta) и золотистых (Chrisophyta) водорослей, увеличивается - синезеленых (Cyanophyta) и динофитовых (Dinophyta). Также увеличивается роль хлорококковых зеленых (Chlorophyta) и эвгленовых (Euglenophyta) водорослей.
Известно, что в ответ на действие различных экологических факторов и антропогенных загрязнений на водные экосистемы в первую очередь изменяются физиологическое состояние и видовой состав первого трофического звена водных объектов - фитопланктона. Его изменения приводят к изменениям во всех остальных звеньях экосистемы. Численность, биомасса, таксономический состав, физиологическая активность фитопланктона позволяют сделать выводы о благополучии водоема или о его кризисном состоянии. Микроводоросли являются основой пищевой сети и необходимой частью сбалансированной экосистемы. Однако, слишком высокая концентрация микроводорослей может блокировать солнечный свет, уменьшать содержание кислорода, повышать содержание органических веществ за счет большого количества отмерших клеток. Таким образом, регистрация характеристик фитопланктона важна для оценки состояния водной среды в целом.
Концентрация хлорофилла а является косвенным показателем биомассы фитопланктона. Значения хлорофилла а очень сильно различаются по сезонам, годам, месту, поскольку концентрации определяются загрязнением, температурой, освещением, сезонами и климатическими условиями.
Высокие концентрации хлорофилла а, как правило, - это ответ на повышение содержания в воде органических питательных веществ, и свидетельство высокой биомассы водорослей в толще воды. Осаждение и последующее разложение отмерших микроводорослей в значительной степени ответственны за процессы снижения кислорода и явления гипоксии в поверхностных водах. Поэтому концентрации хлорофилла а служат важным показателем величины нагрузки питательными органическими веществами и потенциальной гипоксии.
Наиболее актуальной и признанной приоритетной в современный период Всемирной организацией здравоохранения является проблема токсичности синезеленых микроводорослей в питьевом и рекреационном водопользовании, усиливающая процессы токсификации экосистемы водохранилища. Адекватную оценку токсичности позволяет получить метод биотестирования. Ответная реакция гидробиоты на загрязнение гораздо показательнее сравнения измеренных концентраций химических элементов и соединений с ПДК. Значимость интегральной оценки качества вод растет с ростом антропогенной нагрузки в связи с тем, что экологический контроль прогрессирующего возрастания количества новых химических веществ невозможен, к тому же он осложнен аддитивностью и синергетическим действием большинства соединений. Только сама биота может дать оценку суммарного токсического действия загрязняющих веществ, которое является одной из главных причин негативных последствий антропогенного загрязнения поверхностных вод.
Помимо того, что метод биотестирования наиболее показателен с экологической точки зрения, его применение более целесообразно и в экономическом плане, поэтому часто предвосхищает ресурсоемкие гидрохимические исследования.
На сегодняшний момент в условиях эвтрофикации и токсификации водохранилищ особо важным представляется изучение экотоксичности компонентов экосистем.
Цель нашей работы заключалась в изучении динамики экотоксичности вод
приплотинного участка Цимлянского водохранилища.
Материал и методы. Исследования экотоксичности вод Цимлянского водохранилища проводили биологическими методами (биоиндикация, биотестирование). Использовали общепринятый гидробиологический метод изучения планктона, в частности фитопланктона, и метод биотестирования с тест-объектами различной систематической принадлежности и трофического уровня.
В работе представлены результаты экспедиционных исследований Южного отдела Института водных проблем РАН, проведенных в октябре 2006, мае 2007, августе, октябре 2011гг. в Цимлянском водохранилище. Исследования включали отбор, обработку, анализ проб фитопланктона, концентраций хлорофилла а, токсичности вод методом биотестирования. Исследованиями было охвачено 5 створов: 23 и 24 вертикали в районе ст. Жуковской (350 км от устья), 20 вертикаль (312 км от устья) в районе города Волгодонска, 19 вертикаль (311 км от устья) в районе г. Цимлянска, 69 вертикаль (319 км от устья) в районе Ростовской АЭС (рис. 1).
Тест-объектами при исследовании токсичности проб воды служили четыре вида гидробонтов: ветвистоусые рачки Dahnia magna, коловратки Brachionus calicyflorus, инфузории Paramecium caudatum, микроводоросли Scenedesmus obliquus. [1,2] Использовали следующие тест-показатели: выживаемость зоопланктеров, коэффициет прироста микроводорослей.
Фитопланктон. В видовом составе фитоценозов во все годы ведущая роль принадлежала синезеленым микроводорослям родов Anabena (3 вида), Oscillatoria (4 вида) и Microcystis (2 вида), Aphanisomenon (2 вида). Основную биомассу всего фитопланктона составляли именно синезеленые микроводоросли, достигая в отдельных створах до 42,8 мг/л (створ 20, 2007 г.) и составляя до 99,2% всей биомассы (рис. 2). В сравнении с 80-ми годами отмечено увеличение общей биомассы фитопланктона - с 31,2 до 51,7 мг/л и возрастание доли синезеленых микроводорослей. [3,4]
Разряд трофности по биомассе фитопланктона и концентрации хлорофилла а несколько отличался в разных створах и в разные годы. Вода характеризовалась по биомассе от мезотрофной до полигипертрофной, по хлорофиллу а - от олигомезотрофной до политрофной. Содержание хлорофилла а варьировало в пределах 13,4 - 139,4. Высокая концентрация хлорофилла а соответствовала самой высокой концентрации микроводорослей в створе 23 в 2007 г. (рис. 3).
Значения индекса сапробности фитопланктона в диапазоне 1,92-2,26 характеризовали воду как бета-мезосапробную.
Биомасса и структурно-видовой состав фитопланктона, концентрация основного пигмента - хлорофилла а, свидетельствуют о повышении сапробности и трофности вод Цимлянского водохранилища.
Токсичность вод. Биотестовые исследования вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища выявили разное токсическое действие воды створов как в пространственном, так и во временном аспекте. Диапазон токсичности вод был широк и составлял от полного отсутствия острого токсического действия до 100-процентной гибели в течение 1 часа (табл. 1). Соответственно уровень (классы) токсичности вод по классификации Оксиюк, Жукинкого [5] был непостоянен, колебался как в пространственном плане, так и во временном аспекте. Воды по данным биотестирования отнесены к различным классам качества вод - от удовлетворительной чистоты (3) до грязной (5); разряды качества вод - от слабозагрязненной (3б) до весьма загрязненной (5 а). Согласно шкале Брагинского [6] от олиготоксичной до гипертоксичной.
Л т
■ ■ ■
Рисунок 2 - Процентное содержание синезеленных водорослей (В с-з) от общей биомассы фитопланктона в створах приплотинной части Цимлянского водохранилища
2006
2007
авг.11
окт.11
Рисунок 3 - Динамика концентрации хлорофилла а в створах приплотинной части Цимлянского водохранилища
Таблица 1 - Изменение острого токсического действия вод створов приплотинного участка Цимлянского водохранилища по данным биотестирования (% гибели Daphnia magna за время, ч)
Годы 19 створ 23 створ 24 створ 20 створ 69 створ
Октябрь 2006 80 за 6 ч 50 за 6 ч 50 за 6 ч нет ОТД нет ОТД
Май 2007 100 за 1 ч 50 за 1 ч 50 за 1 ч 50 за 24 ч 100 за 96 ч
Август 2011 80 за 24 ч 90 за 24 87 за 48 ч нет ОТД 80 за 96 ч
Октябрь 2011 66 за 96 ч нет ОТД нет ОТД нет ОТД нет ОТД
На микроводорослях острое токсическое действие (ОТД) не выявлено
Различие экотоксичности вод в разных створах связано с гидрологическими и морфометрическими особенностями, присутствием синезеленых микроводорослей, ветровыми процессами и с разной антропогенной нагрузкой и ее последствиями.
Одновременное возрастание трофности, сапробности и, что крайне важно, -токсичности вод, свидетельствует о значительной токсификации экосистемы Цимлянского водохранилища. Сравнение с данными прошлых лет показало сохранение и усиление негативных процессов в приплотинной части экосистемы Цимлянского водохранилища.
Т.о. проведенные биологическими методами (биоиндикация по фитопланктону, биотестирование токсичности вод) исследования свидетельствуют об усилении процесса эвтрофикации, о токсичности вод, интенсивном развитии синезеленых водорослей (в том числе «токсичных» видов), что представляет опасность в виде усиления процессов токсикофикации экосистемы.
Литература
1. РД 52.24.566-94. Методы токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем. М.: ФСР Госкомгидромета, 1994. 130 с.
2. РД 52.24.662-2004. Оценка токсического загрязнения природных вод донных отложений пресноводных экосистем методами биотестирования с использованием коловраток. М.: Метеоагенство Росгидромета, 2006. 60 с.
3. Бакаева Е.Н., Черникова Г.Г., Игнатова Н.А. Современная эколого-токсикологическая ситуация в отдельных створах Цимлянского водохранилища // Экология. Экономика. Информатика. XXXVI конференция Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования: материалы конф., 712 2009 г. Ростов-на-Дону, 2009. С. 147-149.
4. Бессонов О.А., Белова С.Л., Водолазкин Д.И. и др. Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистеме Нижнего Дона. Ростов-на-Дону, 1991. 112 с.
5. Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Брагинский Л.П. и др. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши // Гидробиологический журнал. 1993. Т 29. № 4. С. 62-76.
6. Брагинский Л.П. Некоторые принципы классификации пресноводных экосистем по уровням токсической загрязненности // Гидробиологический журнал. 1985. Т 21. № 6. С. 65-74.
Бакаева Елена Николаевна - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник, Гидрохимический институт, Южный отдел Института водных проблем РАН. E-mail: [email protected]
Игнатова Надежда Анатольевна - младший научный сотрудник, Гидрохимический институт, Южный отдел Института водных проблем РАН E-mail: [email protected]
Черникова Галина Геньевна - инженер, Южный отдел Института водных проблем РАН.
Bakaeva Elena N. - doctor of biology, the scientific employer, Hydrochemical institute, Southern department of Institute of water problems of the Russian Academy of Sciences.E-mail: [email protected]
Ignatova Nadeschda A. - the scientific employer, Hydrochemical institute, Southern department of Institute of water problems of the Russian Academy of Sciences. E-mail: [email protected]
Chernikovа Galina -engineer, Southern Division of the Institute of Water Problems of
RAS
