Comparative bioelectronic diagnostics of the ecological state of contaminated water areas (on the example of some ducts of the Volga River Delta)

Full Text

СОКРАЩЕНИЯ:

EQR – коэффициент экологического качества;

ХПК – химическое потребления кислорода;

БПК₅ – биохимическое потребление кислорода за 5 суток;

ПДК – предельно допустимая концентрация;

НИЦЭБ РАН – Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности Российской академии наук;

КИср – средняя величина кардиоинтервала;

СКО – среднеквадратичное отклонение;

ЧСС (HR) – частота сердечных сокращений;

Твосст. – время восстановления ЧСС;

ЕВРД – Европейская водная рамочная директива.

ВВЕДЕНИЕ

Волга − самая протяженная река Европы (3530 км). Она является объектом интенсивного водопользования и антропогенного загрязнения, так как протекает через субъекты РФ с общей численностью населения более 30 млн. человек и судоходна почти на всем своем протяжении. Вдоль ее берегов расположены многие промышленно развитые города, для которых Волга является не только источником централизованного водоснабжения, но и приемником сточных вод.

Такое интенсивное водопользование обусловливает высокое антропогенное воздействие, которое приводит к нарушению структурно-функциональной организации многих акваторий реки, снижению их рекреационного потенциала, рыбохозяйственного и водохозяйственных показателей. Как пример повышенной антропогенной нагрузки на рис. 1 приведены данные за 2010–2017 годы по среднегодовому содержанию ряда загрязняющих веществ в нижнем течении Волги в районе Астрахани [1]. Вода участка реки ниже и на территории города характеризуется как «грязная» [2]. Перечень наиболее характерных загрязняющих веществ на этом участке реки включает органические вещества (по ХПК и БПК5), нитритный азот, нефтепродукты, соединения меди, железа, цинка, никеля и молибдена.

Рис. 1. Динамика среднегодового содержания загрязняющих веществ в р. Волга (г. Астрахань)

Fig. 1. Trends in the average annual concentration of pollutants in the Volga River water (near the city of Astrakhan)

Из диаграммы видно, что в 2015−2017 гг., по сравнению с предыдущими годами, возрос до 3-4 ПДК средний уровень загрязненности воды нефтепродуктами. Среднегодовые концентрации остальных характерных загрязняющих веществ, в основном, колеблются около двух ПДК, а соединения меди достигают трех ПДК.

При этом Волга имеет высокое разнообразие ихтиофауны и важное рыбохозяйственное значение. В ней водится более 70 видов рыб, многие из которых являются промысловыми.

Как указано выше, все протоки в нижнем течении относятся к загрязненным. При этом в дельте реки они подвержены еще и дополнительным факторам местного загрязнения, которые по-разному могут ухудшать их экологическое состояние и состояние местной биоты [3]. Представляло интерес выяснить возможность использования разработанной ранее технологии биоэлектронной диагностики экологического состояния водных экосистем [4, 5] для дифференциации уровня влияния факторов, обусловленных местными загрязнителями этих акваторий, на экологическое состояние протоков дельты Волги.

Цель работы: провести на основе оценок функционального состояния (здоровья) обитающих в реке моллюсков, при использовании биоэлектронных измерительных систем, сравнительный анализ экологического состояния исследуемых протоков с различной антропогенной нагрузкой.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследований в настоящей работе служили три протока дельты Волги, расположенные как непосредственно в г. Астрахани, так и в Астраханской области. Исследуемые протоки были выбраны в связи с тем, что региональная антропогенная нагрузка на них значительно различается как по источникам, так и по интенсивности. На рис. 2 стрелками указаны станции отбора моллюсков на выбранных протоках.

Рис. 2. Станции отбора тест-организмов: 1 – Рукав Городской, 2 – Проток Малый, 3 – река Гандурино

Fig. 2. Stations for the selection of test organisms: 1 – Gorodskaya duct, 2 – Maly duct, 3 –Gandurino River

Наибольшие концентрации тяжелых и переходных металлов в воде дельты Волги приходятся на медь, цинк и барий. Показатели этих элементов достигают 20 мкг/л для меди и цинка (при ПДК – 10 мкг/л) и 50 мкг/л для бария. Остальные элементы присутствуют в меньших количествах:

– мышьяк и хром – менее 6 мкг/л;

– свинец, ванадий, никель – менее 10 мкг/л;

– кадмий – менее 1,5 мкг/л;

– ртуть – менее 0,1 мкг/л [6, 7].

Предметом исследования являлось функциональное состояние обитающих в этих акваториях широко распространенных в большинстве рек и озер России двустворчатых моллюсков беззубок Anodonta anatina (L., 1758). Длина взрослого моллюска колеблется в пределах 8−12 см, высота 42−63 мм, выпуклость 26−46 мм.

Являясь активными фильтраторами, беззубки способствуют биологическому самоочищению водоемов [8]. Их личинки и молодые особи поедаются рыбами, а мясо и раковины самих беззубок идут на корм домашним животным.

Координаты станций отбора моллюсков, соответственно:

– станция 1 – 46°22’14.2»N; 48°02’17.1»E;

– станция 2 – 46°11’49.6»N; 47°56’13.3»E;

– станция 3 – 45°51’59.1»N; 47°59’35.8»E.

Рукав Городской (рис. 3) имеет активный водообмен. Берег пологий, максимальная глубина рукава 15 метров. Дно водоема илистое. Течение быстрое, вода не прозрачная, мутная. Уровень антропогенной нагрузки высок в связи с судоходством (здесь расположена организация, занимающаяся перевозкой грузов водным транспортом – «Астрахань Обь-Иртышфлот»). В акватории протока расположен рекреационный объект − городской пляж. В связи с неорганизованным туризмом, во время летнего сезона возможно попадание в проток значительного количества различного бытового мусора. Чуть выше по течению находится водозабор водопроводной станции города Астрахани.

Рис. 3. Рукав Городской, р. Волга

Fig. 3. Gorodckoy duct of the Volga River

Рис. 4. Рукав Городской, Городской остров

Fig. 4. Gorodskoyduct, GorodskoyIsland

Сбор моллюсков осуществлялся со стороны острова Городской (на рис. 3 станция отмечена красным кружком).

Проток Малый (рис. 5) обладает высоким водообменом. Берег протока пологий, максимальная глубина до 9 метров. Дно илистое. Течение быстрое, вода прозрачная.

Рис. 5. Проток Малый

Fig. 5. Maly Duct

Уровень антропогенной нагрузки достаточно высок, так как выше по течению работает Волго-Каспийский судоремонтный завод. Основными источниками загрязнения от данного вида производства являются:

1) Термическая и механическая обработка металла.

2) Гальваническое производство с применением цианистого калия.

3) Зачистные работы.

4) Окрасочные работы.

5) Электродуговая сварка.

6) Работы по утилизации отходов.

Станция сбора моллюсков (отмечена на рис. 5 красным кружком) располагалась со стороны поселка Волго-Каспийский, ниже по течению от судоремонтного завода.

Река Гандурино (рис. 6) имеет активный водообмен. Берег пологий, глубина до 10 метров. Дно водоема илистое. Течение воды быстрое, вода прозрачная.

Рис. 6. Река Гандурино (Камызякский район). Станция отбора моллюсков отмечена красным кружком

Fig. 6. Gandurino River (Kamyzyaksky District). Red marker indicates the station for the selection of mussels)

Поскольку вблизи реки Гандурино отсутствуют какие-либо промышленные объекты и крупные населенные пункты (единственный – пос. Гандурино с населением всего около 300 человек), этот проток может быть отнесен к фоновому, условно референтному участку, так как местная антропогенная нагрузка на него – очень низкая.

Двустворчатые моллюски Anodonta anatina отлавливались вручную с глубины 0,5–1 м в прибрежной зоне описанных выше акваторий. В течение часа после отлова они доставлялись в лабораторию в пластиковых изотермических контейнерах объемом 10 литров.

В лаборатории на створки моллюсков в область проекции сердца наклеивались миниатюрные держатели (рис. 7), в которых затем закреплялись волоконно-оптические зонды (рис. 8) для измерения кардиоактивности с помощью разработанной ранее в НИЦЭБ РАН [9–11] оригинальной биоэлектронной системы (рис. 9).

Рис. 7. Моллюск с наклеенным миниатюрным держателем волоконно-оптического зонда

Fig. 7. The mussel with miniature fiber-optic probe holder glued

Рис. 8. Моллюски с закрепленными на створках волоконно-оптическими зондами для неинвазивной регистрации их кардиоактивности

Fig. 8. Mussels with fiber-optic probes attached to the valves for non-invasive recording of the cardiac activity

Рис. 9. Блок-схема установки и автоматической обработки хронотропных параметров сердечного ритма моллюска [11]

Fig. 9. Block diagram of setup and automatic processing of chronotropic parameters of the cardiac activity in a mollusc [11]

Примечание: ЛВОФ – лазерный волоконно-оптический фотоплетизмограф; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ПК – персональный компьютер, КИср – средняя величина кардиоинтервалов; СКО – среднее квадратичное отклонение.

Note: LFOP – laser fiber-optic photoplethysmograph; ADC – analog-to-digital converter; PC – personal computer; CIav – average value of cardiac time intervals; CD – standard deviation.

Повышенное внимание к измерению и анализу кардиоактивности моллюсков обусловлено тем, что сердечно-сосудистая система животных является одной из основных функциональных систем организма, отличается быстротой отклика на все стрессоры, воздействующие на животных, отражает работу других систем организма, а также характеризуется наличием ритмичности.

В качестве физиологических биомаркеров с помощью представленной биоэлектронной системы измеряют в реальном времени следующие характеристики кардиоритма животных:

– частоту сердечных сокращений или ее обратную величину – среднюю величину кардиоинтервала;

– стресс-индекс SI=0,5 х КИср х СКО2, где СКО – среднеквадратичное отклонение выборки кардиоинтервалов за 100 или 50 сердечных сокращений [10].

В последние несколько лет на основе использования рассмотренной выше биоэлектронной системы БиоАргус-W была предложена и опробована в лабораторных и полевых условиях технология оценки состояния (здоровья) морских и пресноводных экосистем на основе оценки здоровья обитающих в них моллюсков. Показатель быстроты восстановления ритма сердца свидетельствует о функциональных резервах организма и, в случае медленного восстановления ритма или отсутствия такого восстановления, является показателем ранних признаков ухудшения здоровья [12, 13].

Это обусловлено тем, что моллюски обладают высокой чувствительностью и относительно быстро реагируют на загрязнение, защищаясь и изолируясь закрытием створок своих раковин от внешних воздействий. В результате значительно изменяется их кардиоритм, что можно использовать при разработке инструментальных систем и алгоритмов диагностики состояния среды их обитания.

После прикрепления волоконно-оптических зондов моллюски помещались в аквариум с постоянно аэрируемой природной водой из места отбора животных. Затем включали систему непрерывного измерения частоты сердечных сокращений в реальном времени. Животных не кормили, хотя некоторое питание они могли получать во время тестирования из природной воды аквариума. Использовали естественное освещение. Температура воды в ходе экспериментов была аналогичной температуре воды в исследуемых акваториях – 25-26ºС.

Тестирование функционального состояния моллюсков проводили после их акклиматизации к лабораторным условиям в течение суток. К этому времени у каждого из моллюсков ЧСС стабилизировалась на своем, индивидуальном, уровне, соответствующем состоянию фильтрации (раскрытые створки) конкретного животного.

Оценка физиологического состояния моллюсков проводилась с помощью метода функциональной нагрузки, подробно описанного в предыдущих работах [4, 5].В качестве функциональной нагрузки использовалось быстрое повышении солености воды до 6‰ (при повышении концентрации NaCl в воде до 6 г/л) на один час с последующим возвращением тестируемых животных в воду из акватории их отлова. Оценку проводили на основе измерения времени восстановления ЧСС (Твосст.) после смены воды на исходную (природную).

В табл. 1 представлен предложенный в одной из предыдущих работ [5] вариант ранжирования экологического статуса акваторий на основе данных тестирования методом функциональной нагрузки обитающих в них моллюсков.

Табл. 1.

Ранжирование экологического статуса водоемов по времени восстановления ЧСС (Т_восст.) моллюсков после снятия функциональной нагрузки

Table 1.

Ranking the ecological status of water bodies by the heart rate recovery time (T_rec) in mussels after removal of functional loading

Экологический статус	Tвосст. (мин)
Высокий	Меньше 50
Хороший	50–70
Посредственный	70–100
Плохой	100–200
Очень плохой	Больше 200

После тестирования все моллюски оставались живы и возвращались обратно в акватории своего обитания.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

С каждой станции тестировали не менее 16 моллюсков Anodonta anatina.

В табл. 2 представлены Твосст. моллюсков из популяций, обитающих в экосистемах всех трех выбранных акваторий дельты Волги. Из таблицы видно, что во всех акваториях средние величины Твосст. моллюсков заметно превышают величину 100 минут, что, в соответствии с данными табл. 1, характерно для моллюсков, обитающих в водоемах с экологическим статусом «Плохой».

Табл. 2.

Величины Т_восст. для популяций моллюсков в протоках дельты Волги

Table 2.

T_rec valuesfor mollusc populations in the ducts of the Volga river delta

Наименование протоки	Твосст.
Река Гандурино	117 ±4
Проток Малый	166±6
Рукав Городской	141±5
Плохой	100–200
Очень плохой	Больше 200

Следует отметить, что, как указывалось выше, вода реки Волги в нижнем течении, еще до поступления на территорию Астраханской области, уже характеризуется, как «грязная». Поступая в Астраханскую область, протоки Волги имеют дополнительные, местные источники антропогенной нагрузки, разные по уровням и видам загрязнений. Выделение их дополнительных биологических эффектов на фоне эффектов от антропогенного загрязнения воды выше по течению, представляет интерес с точки зрения разграничения трансграничной экологической ответственности за загрязнение Волги между регионами, расположенными в верхнем и нижнем течении реки.

Анализ результатов тестирования моллюсков из реки Гандурино свидетельствует о значительно более хорошем функциональном состоянии (здоровье) обитающих в ней моллюсков по сравнению с моллюсками Рукава Городской и Протока Малый. Это обусловлено тем, что акватория реки Гандурино является относительно более чистой, чем акватории других двух станций.

К анализу полученных данных можно подойти также на основе использования коэффициента экологического качества EQR, рекомендованного ЕВРД для ранжирования экологического состояния экосистем акваторий [14]. Величина EQR определяется как отношение референтного (фонового) значения измеряемого биомаркера к наблюдаемому. Значения EQR, близкие к единице, означают высокую степень сходства между наблюдаемыми и референтными (фоновыми) условиями и, как следствие, хорошее экологическое состояние. При этом, в соответствии с ЕВРД, весь диапазон водного объекта можно разделить на пять категорий качества: высокое, хорошее, посредственное, плохое и очень плохое. Для биомаркера Твосст. такое количественное разделение по категориям впервые было предложено в работе «Оценка качества пресноводных экосистем по функциональному состоянию двухстворчатых моллюсков» [5].

На наш взгляд, важным преимуществом возможности ранжирования статуса акваторий по EQR является следующее. Далеко не во всех регионах (особенно там, где рядом отсутствуют особо охраняемые природные территории) можно найти условно чистые акватории, в которых заведомо обитают условно здоровые животные. В связи с этим, для дифференциации акваторий в таких регионах, на наш взгляд, в качестве фоновых можно пользоваться условно референтными акваториями. А именно: акваториями с исторически сложившимися условиями отсутствия антропогенного воздействия, обусловленного местными близкорасположенными загрязнителями.

Учитывая минимальное местное антропогенное воздействие на реку Гандурино, ее, на наш взгляд, можно рассматривать в качестве фоновой, условно референтной для данного региона дельты Волги. В таком случае акватории «Рукав Городской» и «Проток Малый» с точки зрения оценки величин местной антропогенной нагрузки можно относить к региональному экологическому статусу «Хороший» (табл. 3).

Табл. 3.

Сравнительный экологический статус протоков дельты Волги, определенный по величине показателя экологического качества EQR

Table 3.

Comparative ecological status of the Volga delta ducts, determined by the value of Ecological Quality Ratio (EQR)

Наименование протоки	Величина показателя экологического качества EQR для дельты Волги	Относительный экологический статус
Река Гандурино	1,0	высокий
Проток Малый	0,70	хороший
Рукав Городской	0,83	хороший

ВЫВОДЫ

В Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2017 году» [1] вода протоков дельты р. Волги ниже и на территории г. Астрахань характеризуется как «грязная». Настоящее исследование подтвердило это.

Так, было установлено, что пресноводные двустворчатые моллюски вида Anodonta, отобранные из различных акваторий, отличающихся по уровню загрязнения местными источниками антропогенного загрязнения, реагируют неодинаково на функциональную нагрузку: кратковременное (одночасовое) воздействие солоноватой воды (6 г/л по NaCl). При этом у особей из более загрязненных мест обитания: «Рукав Городской» (с повышенной местной рекреационной антропогенной нагрузкой) и «Проток Малый» (с повышенной местной антропогенной нагрузкой, обусловленной производственной деятельностью расположенного в нем судоремонтного завода), – период восстановления ЧСС после смены солоноватой воды на пресную, природную был достоверно продолжительнее, чем у моллюсков из наименее загрязненного из исследованных протоков – реки Гандурино.

Все три исследованных протока соответствовали уровню «Плохой». Однако некоторые моллюски реки Гандурино демонстрировали «посредственное» состояние здоровья.

Вместе с тем, если использовать оценку экологического статуса исследованных акваторий по величине коэффициента экологического качества EQR для дельты Волги, то акватории «Рукав Городской» и «Проток Малый» можно относить к региональному экологическому статусу «Хороший», а акваторию реки Гандурино – «Высокий». Последнюю можно использовать в качестве условно референтной для региона дельты Волги.

About the authors

Sergey V. Kholodkevich

Saint Petersburg State University; Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: kholodkevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7561-9743

D. Sc. In Engineering, Professor, Saint Petersburg State University; Chief Researcher, Head of the Laboratory of Bioelectronic Methods for Geo-Ecological Monitoring of Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Maxim K. Motruk

Saint Petersburg State University

Email: maximotruc@mail.ru

Master Student, Saint Petersburg State University

Russian Federation, Saint Petersburg

Vasiliy A. Lyubimtsev

Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences

Email: lyubimcev55@mail.ru

Ph.D. in Physics and Mathematics, Senior Researcher of the Laboratory of BioelectronicMethods for Geo-Ecological Monitoring of Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Saint Petersburg

Olga N. Susloparova

Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution “All-Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography” named after L.S. Berg

Email: olga_susloparova@mail.ru

Ph.D. in Biology, Adviser to the Manager,Saint Petersburg branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution “All-Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography” named after L.S. Berg, Leading Researcher of the Scientific Research Center for Ecological Safety of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

References

Supplementary files