Связь структуры макрозообентоса с гидрохимическими показателями в реках разного порядка бассейна Немана

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Проанализирована связь между гидрохимическими и структурными показателями сообщества макрозообентоса, включая биотические индексы, для рек бассейна Немана в весенний и летний периоды. Перечень гидрохимических показателей включал рН, концентрацию растворенного кислорода, содержание ионов аммонийного и нитратного азота, растворенного фосфора и тяжелых металлов. Установлена тесная корреляционная связь между структурными показателями макрозообентоса и гидрохимическим составом воды, она четко выражена для летнего периода. Максимальные величины коэффициентов корреляции получены для связи доли ЕРТ и доли олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса. Связь общего числа видов макрозообентоса с гидрохимическими показателями оказалась недостоверной. Подчеркивается важность мультиметрического подхода, учитывающего как гидробиологические, так и гидрохимические показатели.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Водные беспозвоночные, в частности макрозообентос, – основные биоиндикаторы при оценке экологического статуса поверхностных вод, поскольку аккумулируют различные токсические вещества, биогенные элементы, а также реагируют на изменения среды обитания, вызванные гидроморфологическими процессами [4, 6, 17].

Несмотря на ряд исследований по разработке разного рода биотических индексов с учетом сообщества макрозообентоса, связь структурных показателей сообщества с гидрохимическими данными слабо исследована. Следует отметить, что в отличие от гидрохимических величин, которые характеризуют качество воды в момент отбора проб, макрозообентос реагирует с запаздыванием, что отражает длительное воздействие различного рода факторов.

Определение связи структурных показателей сообщества макрозообентоса с гидрохимическими данными имеет чисто практическое значение. Во-первых – это составная часть мониторинга, результаты которого могут быть использованы при управлении водными ресурсами [11]. Во-вторых, в настоящее время широко используется установка автоматических станций или сходного оборудования для определения различных гидрохимических величин или в режиме реального времени, или с затратой небольшого времени для измерения (“high-frequency water quality measurements”) [5]. В связи с этим определение гидрохимических показателей, которые в наибольшей степени отражают воздействие на макрозообентос, как индикаторов качества воды – одна из приоритетных задач при установке автоматических станций.

Цель данной работы – анализ связи структурных показателей сообщества макрозообентоса, включая биотические индексы, с гидрохимическими данными для рек разного порядка бассейна р. Неман, находящихся при различной степени антропогенной нагрузки, для выделения наиболее информативных из них.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проведены в весенний и летний периоды на створах рек бассейна Немана (рис. 1). Следует отметить, что на р. Неман выше г. Гродно построена плотина Гродненской гидроэлектростанции, в результате этого образовалось водохранилище руслового типа.

 

Рис. 1. Створы отбора проб на реках бассейна Немана (1 – р. Неман; 53.761538 с.ш.; 23.81058 ю.д.); 2 – р. Неман; 53.6395 с.ш.; 23.9822 ю.д.); 3 – р. Котра (53.5621 с.ш.; 24.0770 ю.д); 4 – р. Скиделянка (53.6065 с.ш.; 24.2255 ю.д.); 5 – р. Неман (53.5128 с.ш.; 24.0755 ю.д.); 6 – р. Неман (53.4723 с.ш.; 24.2403 ю.д.); 7 – р. Щара (53.1176 с.ш.; 25.3000 ю.д.); 8 – р. Неман (53.8650 с.ш.; 25.7462 ю.д.); 9 – р. Неман (53.6714 с.ш.; 25.4432 ю.д.); 10 – р. Берестовичанка (53.1884 с.ш.; 23.9572 ю.д.)

 

Исследованные реки в течение длительного времени испытывают значительный антропогенный пресс, в основном вызванный сбросом различного рода загрязняющих веществ из очистных сооружений.

Перечень гидрохимических показателей для анализа следующий: содержание растворенного кислорода, рН, БПК5, аммонийный и нитратный азот, растворенный фосфор, ионы меди и цинка. Концентрация тяжелых металлов (марганец, хром, никель), а также содержание нефтепродуктов и СПАВ в большинстве случаев соответствовало классу 1 качества воды.

Методика определения гидрохимических показателей была следующей:

– растворенный кислород – HI9143 (HANNA Instruments);

– рН – HI98108 (HANNA Instruments);

– БПК5 – флуориметрический метод;

– аммонийный азот – спектрометрический;

– нитратный азот – система капиллярного электрофореза;

– растворенный фосфор – флуориметрический метод;

– ионы меди, цинка и других металлов – метод атомной адсорбционной спектрометрии.

Также определялась концентрация синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ) и нефтепродуктов.

Для расчета структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотических индексов использован пакет программ ASTERICS 4.04.

Для оценки связи гидрохимических показателей со структурой сообщества макрозообентоса использован регрессионный и корреляционный анализ. Полученные величины структурных показателей в случае нелинейных связей трансформированы в logх+1.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гидрохимические показатели

В табл. 1 приведены данные по гидрохимическим показателям, полученным в весенний и летний периоды. В весенний период для большинства исследованных створов они менялись в относительно небольших пределах. Исключение – створ 7 на р. Щаре, где отмечено низкое содержание растворенного кислорода, а также створ 10, где наблюдалась высокая концентрация аммонийного азота. Для большинства створов величины БПК5 были относительно невысоки. Содержание СПАВ и нефтепродуктов было в пределах 0.025–0.055 и <0.005 мг/л.

 

Таблица 1. Гидрохимические показатели для исследованных створов в весенний и летний периоды (числитель – весенний период, знаменатель – летний период)

Показатель

Створ 1

Створ 2

Створ 3

Створ 4

Створ 5

Створ 6

Створ 7

Створ 8

Створ 9

Створ 10

T, °C

15.9

24.8

15.4

25.1

14.7

22.3

13.7

18.8

22.8

17.1

23.2

13.4

21.3

12.7

21.6

12

22.6

13

18.8

О2, мг/л

9.4

3.8

9.3

2.9

10.5

2.9

6.9

5.3

11.2

8.3

8.5

3.4

7.6

5.8

9.2

7

6.8

11.3

1.3

pH

8.9

6.8

8.9

6.9

8.2

6.9

8.1

7.1

7.7

8.4

7.8

7.7

7.4

8.2

7.9

8.2

7.8

7.8

7.0

БПК5

5.4

4.7

3.2

4.4

4.0

9.3

5.9

3.6

5.6

5.6

5.7

5.1

2.6

9.3

4.6

9.1

3.3

9.3

3.0

8.6

NH4+,мг/л

0.668

0.338

0.033

0.256

0.058

0.069

0.062

0.067

0.024

0.02

0.017

0.017

0.099

0.069

0.019

0.198

0.013

0.069

1.34

0.963

NO3, мг/л

0.116

0.278

0.13

0.129

1.32

0.51

2.29

1.18

0.104

0.067

0.048

0.067

1.71

0.51

0.6

0.428

0.76

0.51

1.56

3.5

РО4, мг/л

0.027

0.087

0.026

0.089

0.05

0.023

0.15

0.15

0.013

0.01

0.027

0.012

0.07

0.023

0.015

0.045

0.017

0.023

0.6

0.41

Cu, мг/л

0.003

<0.001

0.006

<0.001

0.0036

<0.001

0.0038

<0.001

0.0057

<0.001

0.0064

<0.001

0.0048

<0.001

0.0031

1<0.001

0.0057

<0.001

0.004

0.0049

Zn, мг/л

0.009

0.0195

0.0121

0.0162

0.0188

0.0048

0.0082

0.0064

0.005

0.0079

0.0128

0.0094

0.0113

0.0103

0.0062

0.0162

0.0123

0.0048

0.0107

0.013

 

Ситуация значительно изменилась в летний период. На ряде створов наблюдался дефицит растворенного кислорода, снизилась величина рН, увеличились концентрации фосфата иона, цинка, величина БПК5.

Концентрация СПАВ менялась в пределах 0.025–0.039 мг/л, а нефтепродуктов – 0.009–0.02 мг/л.

Эта ситуация связана с уменьшением скорости течения и расхода воды на изученных створах в летний период. Так, в р. Скиделянке (створ 4) скорость расхода воды уменьшилась в 1.3, а в р. Берестовичанке (створ 10) – в 1.2 раза. Это приводит к снижению разбавления загрязняющих веществ и, соответственно, концентрации растворенного кислорода.

С учетом значительных изменений гидрохимии в летний период дальнейшие расчеты уравнений регрессии и коэффициентов корреляции гидробиологических показателей с гидрохимическими были основаны на данных для этого времени года.

Гидробиологические показатели

В основу расчетов положены следующие структурные характеристики сообщества макрозообентоса:

– число видов n;

– численность N;

– доля ЕРТ (Ephemeroptera+Plecoptera+Trichoptera) в общей численности макрозообентоса;

– доля олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса (% олиго) [13];

– индекс Зелинки–Марвана (Индекс З–М) [20];

– индекс BMWP (Biological Monitoring Working Party) [10];

– индекс Шеннона.

Численность макрозообентоса колебалась в широких пределах, достигая максимума на створах с высоким уровнем загрязнения (рис. 2).

 

Рис. 2. Численность N макрозообентоса на изученных створах в летний период

 

Это вызвано массовым развитием нескольких устойчивых к загрязнению видов. Так, максимальная численность в створах 9 и 10 в основном связана с двумя видами: моллюском Viviparus viviparus на створе 9 (30% общей численности) и Asselus aquaticus на створе 10 (70% общей численности).

Величины структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотические индексы на исследованных створах менялись в широких пределах (табл. 2).

 

Таблица 2. Величины структурных показателей сообщества макрозообентоса и биотические индексы в летний период на исследованных створах

№ створа

N

% ЕРТ

% олиго

Индекс З–М

Индекс BMWP

Индекс Шеннона

1

38

5.59

3.58

2.49

97

3.07

2

38

13.90

7.09

2.18

75

2.78

3

45

29.05

12.00

2.34

107

2.79

4

17

22.00

4.46

2.16

59

2.20

5

30

27.30

14.39

2.02

130

1.72

6

40

60.06

9.31

2.25

91

3.18

7

51

28.85

8.27

2.37

121

2.71

8

41

31.46

12.04

2.23

164

2.49

9

47

31.22

9.86

2.10

142

2.74

10

30

0.29

0.64

2.78

79

0.97

 

Максимальные значения индекса Шеннона и доли (%) ЕРТ получены для створа 8, который не подвергался антропогенному загрязнению, а минимальные значения – для створов 4 и 10, где наблюдался дефицит кислорода.

С использованием структурных показателей сообщества макрозообентоса и результатов гидрохимического анализа рассчитаны соответствующие уравнения регрессии и величины коэффициентов корреляции между структурными показателями и гидрохимией (табл. 3).

 

Таблица 3. Коэффициенты корреляции между структурными показателями сообщества макрозообентоса и гидрохимией (н.д. – недостоверно)

Показатель

Индекс З–М

Индекс Шеннона

BMWP

% олиго-

EPT

Число видов

О2, мг/л

–0.565

0.459

0.534

0.65

0.839

0.22

н.д.

*

*

**

**

н.д.

рН

0.583

0.067

0.701

0.64

0.699

0.214

*

н.д.

**

**

**

н.д.

РО4, мг/л

0.81

–0.71

–0.503

–0.914

–0.909

–0.39

**

**

*

**

**

н.д.

NH4+, мг/л

0.834

–0.724

–0.264

–0.899

–0.968

–0.195

**

**

н.д.

**

**

н.д.

NO3, мг/л

0.813

–0.811

–0.181

–0.84

–0.891

–0.129

**

**

н.д.

*

**

н.д.

* При р < 0.05.

** При р < 0.01.

 

Для ряда структурных показателей и биотических индексов получены достоверные коэффициенты корреляции с гидрохимическим составом воды.

Связь структурных показателей с концентрацией ионов меди, цинка и БПК5 оказалась статистически недостоверной.

ОБСУЖДЕНИЕ

Использование структурных показателей сообщества макрозообентоса как метрик для оценки экологического качества воды широко распространено в работах Агенства по защите окружающей среды США (USЕРА) [4] и в Европейской водной рамочной директиве [17]. При этом подчеркивается важность мультиметрического подхода с использованием как гидробиологических (доля таксономических групп в общей численности, биотические индексы и др.), так и гидрохимических показателей [7].

Один из наиболее широко распространенных индексов на основе видового богатства – ЕРТ Index. В расчетах в настоящей работе использована доля (%) видов ЕРТ в общей численности макрозообентоса. Аналогично рассчитана доля олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса.

Кроме структурных показателей макрозообентоса есть ряд биотических индексов, в частности индекс BMWP [10], который широко используется в странах Европы и имеет ряд модификаций [3], и др. Индекс З–М [15, 20] до сих пор используется в ряде стран Восточной Европы [13, 14] и в основном показывает степень органического загрязнения.

Для доли ЕРТ и видов, приуроченных к олигосапробным условиям, получены максимальные значения коэффициентов корреляции с гидрохимическими величинами. Cвязь общего числа видов макрозообентоса с гидрохимией оказалась статистически недостоверной, в то время как для индекса Шеннона получен ряд достоверных значений коэффициентов корреляции. Наименьшие коэффициенты корреляции получены для связи структурных показателей макрозообентоса с концентрациями нитратного и аммонийного азота, а также с рН среды. По данным Д.М. Безматерных [2], достоверная отрицательная корреляция числа видов макрозообентоса умеренно загрязненной р. Барнаулки получена только с ионом нитратного азота.

Несколько неожиданной оказалась более тесная корреляционная связь индекса З–М, чем BMWP, с гидрохимическими величинами. Возможно, это объясняется тем, что исследованные створы на реках подвергались сильному антропогенному прессу, в частности сбросу вод с очистных сооружений, содержащих органические вещества, за исключением створа 8, который можно рассматривать как эталонный.

В целом, связь структурных показателей макрозообентоса с гидрохимическими показателями во многих случаях оказалась достаточно жесткой, о чем свидетельствуют высокие уровни значимости, которые в большинстве случаев <0.01. Это свидетельствует о важности мультиметрического подхода к оценке экологического состояния водного объекта в условиях антропогенного пресса.

При анализе данных по створам на р. Неман четко прослеживается нарушение принципа речного континуума. Так, максимальные значения большинства структурных показателей получены для створа 8, находящегося в верхней части реки, а минимальные – для створов 1 и 6, расположенных ниже по течению и подвергающихся антропогенному загрязнению.

Следует учитывать тот факт, что существует косвенное влияние температуры, рН и других факторов на полученные регрессионные зависимости. Так, увеличение рН приводит к усилению влияния аммонийного азота на живые организмы, особенно при повышенной температуре [18]. Снижение количества растворенного кислорода и повышение температуры влияют на процесс нитрификации [16]. При разрушении СПАВ увеличивается концентрация растворенного фосфора, особенно при повышенной температуре [19]. В связи с этим возможны как синергический эффект воздействия различных факторов на полученные регрессионные связи [1, 8, 12], так и косвенное влияние какого-либо из изученных факторов [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В условиях высокого антропогенного пресса на реки бассейна Немана, вызванного сбросом сточных вод, наблюдается тесная корреляционная связь между структурными показателями макрозообентоса с гидрохимическим составом воды, которая четко выражена для летнего периода. Максимальные величины коэффициентов корреляции получены для связи доли ЕРТ и доли олигосапробных видов в общей численности макрозообентоса. В то же время связь общего числа видов макрозообентоса с гидрохимическими показателями оказалась недостоверной. Полученные данные – основа для определения перечня гидробиологических и гидрохимических показателей как в системе мониторинга экологического состояния рек, так и для контроля. Одной из проблем при оценке воздействия гидрохимических показателей на структуру макрозообентоса может быть синергический эффект различных факторов.

Авторы выражают признательность В. Вежновцу и Д. Куницкому (НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам) за оказанную помощь в сборе полевого материала, а также анонимным рецензентам за их комментарии и предложения по улучшению текста статьи.

×

About the authors

В. П. Семенченко

Научно-практический центр НАН Беларуси по биоресурсам

Author for correspondence.
Email: semenchenko57@mail.ru
Belarus, Минск

В. Н. Корнеев

Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов

Email: semenchenko57@mail.ru
Belarus, Минск

М. Д. Мороз

Научно-практический центр НАН Беларуси по биоресурсам

Email: semenchenko57@mail.ru
Belarus, Минск

Г. М. Тищиков

Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов

Email: semenchenko57@mail.ru
Russian Federation, Минск

References

  1. Остроумов С.А. Опасность двухуровневого синергизма при синэкологическом суммировании антропогенных воздействий // ДАН. 2001. Т. 380. № 6. С. 847–849.
  2. Безматерных Д.М. Влияние антропогенного загрязнения на структуру макрозообентоса реки Барнаулки (бассейн верхней Оби) // Вод. ресурсы. 2018. Т. 45 (1). С. 52–61.
  3. Семенченко В.П., Разлуцкий В.И. Экологическое качество поверхностных вод. Минск: Беларуская навука, 2011. 329 с.
  4. Barbour M.T., Gerritsen J., Snyder B.D., Stribling J.B. Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Wadeable Rivers: Periphyton, Benthic Macroinvertebrates and Fish. Washington, D.C.: Ed. U.S. Environ. Protection Agency, 1999. 337 р.
  5. Bieroza M., Benisch J., Benisch J. at al. Advances in Catchment Science, Hydrochemistry, and Aquatic Ecology Enabled by High-Frequency Water Quality Measurements // Environ. Sci. Technol. 2023. V. 57 (12). Р. 4701–4719.
  6. Birk S., Bonne W., Borja A. et al. Three hundred ways to assess Europe’s surface waters: an almost complete overview of biological methods to implement the Water Framework Directive // Ecol. Indicators. 2012. V. 18. Р. 31–41.
  7. Camargo J.A., Alonso A., De la Puente M. Мultimetric assessment of nutrient enrichment in impounded rivers based on benthic macroinvertebrates // Environ. Monitoring Assessment. 2004. V. 96. Р. 233–249.
  8. Ferreira V., Chauvet E. Synergistic effects of water temperature and dissolved nutrients on litter decomposition and associated fungi // Global Change Biol. 2011. V. 17 (1). Р. 551–564.
  9. Fleeger J.W. How Do Indirect Effects of Contaminants Inform Ecotoxicology? // A Rev. Processes. 2020. V. 8. Р. 1659.
  10. Hawkes H.A. Origin and development of the biological monitoring working party score system // Water Res. 1998. V. 32 (3). Р. 964–968.
  11. Kenney M.A., Sutton-Grier A.E. Smith R.F., Gresens S.E. Benthic macroinvertebrates as indicators of water quality: The intersection of science and policy // Terrestrial Arthropod Rev. 2009. V. 2 P. 99–128.
  12. La Porta C.A.M., Fumagalli M.R., Gomarasca S. et al. Synergistic effects of contaminants in Lombardy waters // Sci. Rep. 2021. V. 11. 13888. doi: 10.1038/s41598-021-93321-6
  13. Novaković B. Indicative ecological status assessment of the Južna Morava River based on aquatic macroinvertebrates // Water Res. Management. 2012.V. 2 (4). Р. 45–50.
  14. Paunović M., Simić V., Pantović N. et al. Water Quality Assessment Based on Saprobiological Analyses of the Macroinvertebrate Communities in the Zapadna Morava River Basin // BALWOIS 2010. Ohrid, Republic of Macedonia, 2010. Р. 1–3.
  15. Sládecek V. System of water quality from the biological point of view // Archiv für Hydrobiologie. 1973. V. 7. Р. 1–218.
  16. Stief P., Schramm A., Altmann D. Temporal variation of nitrification rates in experimental freshwater sediments enriched with ammonia or nitrite // FEMS Microbiol. Ecol. 2003. V. 46. Р. 63–71.
  17. WFD 2003. Directive of the European Parliament and of the Council establishing a framework for Community action in the field of water policy 2000/60/EC. http://ec.europa.eu/environment/water/water-framework/index_en.html
  18. Wurts W. Pond pH and Ammonia Toxicity // World Aquaculture. 2003. V. 34 (2). Р. 20–21.
  19. Ying G.G. Fate, behavior and effects of surfactants and their degradation products in the environment // Environ Int. 2006. V. 32 (3). Р. 417–431.
  20. Zelinka M., Marvan P. Zur Prazisierung der biologischen Klassification der Reinheit flissender Gewasser // Archiv für Hydrobiologie. Bd. 1961. V. 57 (3). Р. 389.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Sampling gates on the rivers of the Neman basin (1 - Neman River; 53.761538 N; 23.81058 S); 2 - Neman River; 53.6395 N; 23.9822 S); 3 - Kotra River (53.5621 N; 24.0770 S); 4 - Skidelinka River (53.6065 N; 24.2255 S); 5 - Neman River. Neman (53.5128 N; 24.0755 S); 6 - Neman River (53.4723 N; 24.2403 S); 7 - Shchara River (53.1176 N; 25.3000 S); 8 - Neman River (53.8650 N; 24.0770 S); 6 - Neman River (53.4723 N; 24.2403 S); 7 - Shchara River (53.1176 N; 25.3000 S); 8 - Neman River (53.8650 S; 25.0300 S); 8 - Neman River (53.1176 N; 25.0300 S). Neman River (53.8650 N; 25.7462 S); 9 - Neman River (53.6714 N; 25.4432 S); 10 - Berestovichanka River (53.1884 N; 23.9572 S)

Download (98KB)
3. Fig. 2. N macrozoobenthos abundance at the studied sites during summer period

Download (65KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences