CC BY
89
Н.В. Холмогорова
ДИНАМИКА СТРУКТУРЫ МАКРОЗООБЕНТОСА В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ МАЛЫХ РЕК УДМУРТИИ
На основании исследований макрозообентоса (МЗБ) малых рек в контурах нефтяных месторождений Удмуртии и химического анализа донных отложений выявлены межвидовые различия в чувствительности и устойчивости организмов к нефтяному загрязнению. Показано существенное влияние типа донных отложений на трансформацию бентосных сообществ в условиях нефтедобычи.
Возрастающее техногенное загрязнение водоемов, одним из наиболее распространенных видов которого становится загрязнение нефтепродуктами, требует глубокого изучения возможных последствий такого воздействия на экосистемы и выработки критериев биологического контроля [1. С. 52].
Аккумуляция нефтепродуктов и других ксенобиотиков идет преимущественно в донных отложениях (ДО) [2. Т. 1. С. 34]. Содержание углеводородов и смол в ДО превышает их содержание в воде до 100-1000 раз, поэтому донные сообщества подвержены более длительному токсическому воздействию, чем другие.
Под влиянием компонентов нефти на уровне особи изменяется скорость физиологических процессов, на популяционном уровне - скорость воспроизводства численности и элиминации, на уровне сообщества в первую очередь изменяется структура самого сообщества: видовой состав и соотношение таксонов.
В данной работе произведена оценка изменения количественных и качественных характеристик макрозообентоса под воздействием компонентов нефтяного загрязнения на примере малых рек Удмуртской республики.
Сбор материала проводили с мая по октябрь 20012005 гг. на реках Вотка (66 км), Лоза (127 км), Нязь (42 км) по общепринятым методикам [3]. Кроме того, в 2004-2005 гг. были обследованы малые реки и ручьи на Ижевском, Мещеряковском, Бурановском, Греми-хинском, Архангельском, Алексеевском, Никольском, Северо-Никольском и Ельниковском месторождениях нефти, охватившие север, центр и юг республики. Все исследуемые реки являются притоками разного порядка реки Кама.
За весь период исследований отобрано 340 количественных проб макрозообентоса, 110 проб ДО на химический анализ. Отбор проб бентоса на мягких грунтах проводили трубчатым дночерпателем с площадью захвата 0,01 м2, каждая проба включала содержимое 4 дночерпателей. Степень загрязнения каменистых субстратов оценивали по концентрации компонентов нефти в наносных грунтах оседающих под камнями или в местах с замедленным течением. Массовую долю нефтяных углеводородов в пробах ДО измеряли на анализаторе жидкости «Флюорат-02», аттестованный диапазон измерений от 0,005 до 20 мг/г (ПНД Ф 16.1.21-98).
На основании данных химического анализа грунтов мы выделили три уровня загрязнения нефтью: слабое < 50 мг/кг; умеренное 51 - 400 мг/кг и экстремальное -> 400 мг/кг.
Видовое разнообразие сообществ зообентоса оценивали с помощью индекса Шеннона-Уивера (Н). Для оценки выравненности видового обилия рассчитывали показатель Пиелу (Е) [4. С. 41].
Определение биотического индекса проводили по системе Вудивисса [5], а также в модификации этой системы В.И. Пшеницыной [6. С. 45], разработанной для средней Волги.
На основании гидробиологических и химических данных расчитывали коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (г8), проводили однофакторный дисперсионный анализ, множественные сравнения средних проводили с помощью Шеффе-теста. Статистическую обработку данных вели в программе 81ай,1юа 6.0.
Результаты и обсуждение
Так как тип донного грунта играет важную роль в распределении и накоплении токсикантов, мы рассматривали воздействие нефти на бентос по типам ДО.
Всего было выделено четыре основных типа донных грунтов: илистые, глинистые, песчано-илистые и каменистые.
1. На илистых грунтах при увеличении концентрации углеводородов нефти до 51-400 мг/кг наблюдалась тенденция к уменьшению численной доли двустворчатых моллюсков (21,8% ^ 18,2%), личинок ручейников (11,7% ^ 6,2%) и пиявок (3,7% ^ 1,2% (р = 0,027)).
При загрязнении свыше 400 мг/кг отмечалось уменьшение численной доли двустворчатых моллюсков до 3,6%, личинок ручейников - до 1,2% и пиявок (сем. 01о5$1рЬопШае и сем. Erpobdellidae) до 0,4% (рис. 1). Чувствительность пиявок к нефтяному загрязнению в литературе не освещена, однако, по мнению Е.И. Лукина, [7. С. 62] обилие пиявок напрямую зависит от количества пищи, в качестве которой выступают обитатели чистых вод (брюхоногие моллюски, мелкие хирономиды и олигохеты).
При экстремальном загрязнении донных отложений компонентами нефти достоверно увеличивалась доля личинок хирономид (26% ^ 42,3%; р = 0,0029), особенно подсемейства Prodiamesinae (р = 0,0049), и отмечалась тенденция к росту численности олигохет семейства Tubificidae (23,2% ^ 28,2%).
Макрозообентос илистого дна в ответ на рост концентрации нефтяных углеводородов от 50 до 401 мг/кг реагировал уменьшением общей биомассы (р = 0,004), сокращением числа видов (р = 0,0017) и снижением индекса Шеннона (р = 0,0076).
Отмечена отрицательная корреляция между массовой долей нефтяных углеводородов в донных отложениях и численной долей двустворчатых моллюсков (г, = -0,5; п = 36; р < 0,05), пиявок (г, = -0,4; п = 36; р < 0,05), показателем выровненности по Шеннону (г, = -0,35; п = 36; р < 0,05) и биотического индекса Вудивисса в модификации Пшеницыной (г, = -0,56; п = 36; р < 0,05).
% 100 п
80
60
40
20
0
< 50
51-400
> 400 мг/кг
□ Chironomidae □ O1igochaeta □ Gastropoda
□ Biva1via □ Trichoptera □ Ephemeroptera
Рис. 1. Трансформация макрозообентоса при загрязнении илистого дна нефтяными углеводородами
2. На глинистых грунтах увеличение концентрации нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг ведет к сокращению численной доли личинок хирономид (44% ^ 32,6%). Доля двустворчатых моллюсков при этом возрастает (5,9% ^ 13,4%, р = 0,013).
Дальнейший рост концентрации компонентов нефти в донных отложениях (> 400 мг/кг) вызывал наиболее заметные изменения в видовой структуре аргиллореофильных сообществ (рис. 2). Резко увеличивалась доля олигохет (с 9
до 31,3%), преимущественно сем. Tubficidae (р = 0,001), до 0,8% сократилась доля двустворчатых моллюсков (р = = 0,006). Достоверно снизилась численность поденок (р = = 0,002), причем снижение происходило как за счет фито-фильных личинок (сем. Baetidae), так и живущих непосредственно в донных отложениях (сем. Caenidae).
Численная доля семейства хирономид менялась незначительно, но, несмотря на это, доля подсемейства продиамезин достоверно возрастала (р = 0,001).
% 100 -| 80 60 40 20
0
< 50
□ Chironomidae
□ Biva1via
51-400
□ O1igochaeta
□ Trichoptera
>400
□ Gastropoda
□ Ephemeroptera
мг/кг
Рис. 2. Трансформация макрозообентоса при загрязнении глинистого дна нефтяными углеводородами
Отрицательная корреляция установлена между массовой долей нефтяных углеводородов в ДО и численной долей брюхоногих моллюсков (г, = -0,44; п = 30; р < 0,05), сем. Lymnaeidae (г, = -0,38; п = 30; р < 0,05), сем. Va1vatidae (г, = -0,39; п = 30; р < 0,05), а также долей личинок поденок (г, = -0,55; п = 30; р < 0,05).
Как и на илистых грунтах, общая биомасса макрозообентоса, индекс Шеннона и число видов в аргилло-реофильных сообществах достоверно снижались (р < 0,01) при увеличении степени загрязнения донных отложений от слабого уровня до экстремального.
3. Песчано-илистые ДО. При увеличении концентрации нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг наблюдалась
тенденция к уменьшению доли двустворчатых моллюсков (17,6% 13,1%), ручейников (10,9% 9,5%) и поденок
(11,2% ^ 8,8%). Было отмечено достоверное увеличение доли брюхоногих моллюсков на песчаных ДО (1,9% ^ 5,3%) (р = 0,003) и хирономид подсемейства Prodiamesinae (р = 0,008), незначительно повышалась численность олигохет (17,8% ^ 18,4%). Однако при экстремальном загрязнении в пробах полностью отсутствовали как брюхоногие, так и двустворчатые моллюски (рис. 3).
Рост концентрации компонентов нефти до 400 мг/кг и выше привел к полному исчезновению моллюсков, сокращению численной доли личинок ручейников (4,9%), поденок (5,6%). Общая доля малощетинковых
червей в сообществе сокращалась (10,4%), но доля офильных сообществах играли личинки длинноусых
олигохет сем. Lumbriculidae возрастала (р = 0,048). При двукрылых (сем. Limoniidae и Tipulidae), их численная
экстремальном загрязнении важную роль в псамморе- доля увеличилась до 15%.
% 100 -80 -60 -40 -20 -0
□ Chironomidae □ Oligochaeta □ Gastropoda
□ Bivalvia DTrichoptera □ Ephemeroptera
Рис. 3. Трансформация макрозообентоса при загрязнении песчаного дна нефтяными углеводородами
Отрицательная корреляция отмечена между численной долей двустворчатых моллюсков (г, = -0,65; п = 31; р < 0,05), брюхоногих моллюсков семейства Valvatidae (г, = -0,48; п = 31; р < 0,05), личинок ручейников семейства Hydropsychidae (г, = -0,45; п = 31 ; р < 0 ,05) и концентрацией нефтяных углеводородов в ДО. Также загрязнение нефтью вызвало сокращение числа видов (г, = -0,48; п = 31; р < 0,05), обилия (г, = -0,44; п = 31; р < 0,05) и общей биомассы макрозообентоса (г, = -0,53; п = 31; р < 0,05) в псаммореофильных сообществах.
4. Каменистый грунт. Увеличение массовой доли нефтяных углеводородов до 51-400 мг/кг ведет к сокращению доли олигохет (сем. ТиЫй^ае, сем. Ьиш-ЪпсиМае) (24,2% ^ 13,4%) и общей доли личинок поденок (16,1% ^ 14%). При этом достоверно возрастала доля пелореофильных моллюсков сем. Valvatidae
(р = 0,037). Показатели личинок хирономид и ручейников практически не менялись (рис. 4).
Концентрация углеводородов нефти свыше 400 мг/кг вызвала упрощение структуры литорео-фильного биоценоза. Это проявилось в сокращении доли олигохет (1,74%), гастропод (0,1%), двустворчатых моллюсков (0,5%), ручейников (1,6%). Представители семейств Hydropsychidae (отр. Тг^-hoptera), Heptageniidae и Caenidae (отр. Ephemerop-tera) при отмеченной выше концентрации углеводородов полностью отсутствовали. В то же время значительно повысилась доля личинок поденок сем. Baetidae (с 9,7 до 23%).
Достоверное увеличение численной доли при экстремальном загрязнении отмечено только для комаров-звонцов подсемейства Prodiamesinae (р = 0,006).
% 100 -80 б0 40 20 0
□ Chironomidae □ Oligochaeta □ Gastropoda
□ Bivalvia □ Trichoptera □ Ephemeroptera
Рис. 4. Трансформация макрозообентоса при загрязнении каменистого дна нефтяными углеводородами
На основании корреляционного анализа выявлено олигохет (rs = -0,48; n = 28; p < 0,05), в частности сем.
отрицательное воздействие нефтепродуктов на фауну Lumbriculidae (rs = -0,47; n = 28; p < 0,05), хирономид
подсемейства Orthoc1adiinae (г, = -0,40; п = 28; р < < 0,05), и двукрылых сем. Limoniidae (г, = -0,40;
п = 28; р < 0,05).
Заключение
Максимальные изменения в структуре макрозообентоса малых рек отмечались при концентрации нефтепродуктов в донных отложениях >400мг/кг. При этом наблюдалось снижение видового разнообразия (общее число видов МЗБ) на всех типах грунтов (р < 0,01). Подобный эффект отмечался и другими исследователями [8. Т. 1. С. 32; 9. С. 106-115; 10. С. 42-43; 11; 12; 13. Т. 3. С. 46; 14. Т. 34. С. 44]. На илах, глинах и песках отмечалось снижение общей биомассы макрозообентоса. Подобная зависимость отмечена Ю.В. Ершовым с соавт. для Чебоксарского водохранилища [15. С 91]. Индекс Шеннона достоверно снижался на всех биотопах, за исключением песчаных.
При загрязнении донных отложений нефтью возрастала доля личинок хирономид и реже олигохет.
На всех типах ДО отмечено достоверное увеличение численной доли комаров-звонцов подсемейства Prodiamesinae. Устойчивость продиамезин к нефтепродуктам в литературе не освещена, однако есть данные, что вид Prodiamesa olivacea (Meigen) менее чувствителен к загрязнению металлами, чем другие представители семейства. Это свидетельствует о толерантности вида к разным загрязнителям пресных вод.
Наиболее уязвимыми организмами в бентоценозе оказались личинки ручейников и двустворчатые моллюски. Их численная доля сокращалась при загрязнении нефтью на всех грунтах.
Личинки поденок относятся в основном к фито-или литореофилам, поэтому имеют слабую связь с мягким грунтом. Их количественные показатели незначительно менялись на илистых и песчаных грунтах, а на каменистых даже возрастали. Только в ар-гиллореофильных биоценозах, где велика численность поденок родов Ephemera и Caenis, отмечено достоверное уменьшение доли личинок при экстремальном загрязнении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дзюбан А.Н., Масленникова Т.С., Кузнецова И.А., Цветков А.И. Микробиологический контроль нефтяного загрязнения донных отложений
водоемов // Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга: Тез. докл. XI Междунар. симпозиума по биоиндикаторам. Сыктывкар, 2001. С. 52.
2. Барабашин Т.О., Цыбульский И.Е., Кленкин А.А., Чередников С.Ю., Виноградов А.Ю. и др. Изменение физиолого-биохимических показате-
лей мидий (Mytilus galloprovincialis) под воздействием нефтяного загрязнения донных отложений // Тезисы докладов IX съезда Гидробиологического общества РАН (г. Тольятти, Россия, 18-22 сент. 2006 г.). Тольятти: ИЭВБ РАН, 2006. Т. 1. С. 34.
3. Методические рекомендации по сбору и обработке материалов при гидробиологических исследованиях на пресноводных водоемах. Зообен-
тос и его продукция / Под ред. Ю.А. Барулина. Л.: ГосНИОРХ, 1984. 51 с.
4. Мэгарран Э. Экологическое разнообразие и его измерение. М.: Мир, 1992. 181 с.
5. Woodiwiss F.S. The biological system of streem classification used by the Trent river board // Chemistry and industry. 1964. P. 443-447.
6. ПшеницынаВ.И. Об эффективности шкалы Вудивисса при биоиндикации качества воды // Гидробиологический журнал. 1986. № 4. С. 42-45.
7. ЛукинЕ.И. Пиявки пресных и солоноватых водоемов // Фауна СССР. Пиявки. Л.: Наука, 1976. Т. 1. 484 с.
8. Балушкина Е.В. Оценка состояния экосистем водоемов и водотоков северо-запада России // Тезисы докладов IX съезда Гидробиологического
общества РАН (г. Тольятти, Россия, 18-22 сент. 2006 г.). Тольятти: ИЭВБ РАН, 2006. Т. 1. С. 32.
9. Богатов В.В., Морозова Н.И. Загрязнение вод нефтепродуктами в районе Амурско-комсомольского ТПК // Изучение природной среды
Амурско-комсомольского территориально-производственного комплекса под влиянием хозяйственной деятельности. Владивосток, 1984. С.106-115.
10. Михайлова Л.В., Исаченко-Боме Е.А. Изменение качественного и количественного состава зообентоса реки Ватинский Еган в связи с ан-
тропогенным воздействием // Чистая вода: Тезисы докладов научно-практического семинара. Тюмень, 1998. С. 42-43.
11. Лозовой Д.В. Биологический способ обнаружения нефтяного загрязнения: Дис. ... канд. биол. наук. Иркутск, 2003. 172 с.
12. Панов Г.Е., Петряшин Л.Ф., Лысяный Г.И. Охрана окружающей среды на предприятиях нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра,
1986. 245 с.
13. Строганов Н.С. Токсическое загрязнение водоемов и деградация водных экосистем // Итоги науки и техники. Общая экология, биогеоце-нология, гидробиология. М.: ВИНИТИ, 1976. Т. 3. С. 5-47.
14. Шарапова Т.А. Зообентос и зооперифитон реки Иртыш // Гидробиологический журнал. 1998. Т. 34, N° 4. С. 32-44.
15. Ершов Ю.В., Баканов А.И., Бисеров В.И., Бикбулатова Е.М. Органическое вещество, битумоиды и углеводороды в донных отложениях водохранилищ Волги и их влияние на бентос // Органическое вещество донных отложений Волжских водохранилищ: Тр. Российской АН. Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина. 1993. Вып. 66(69). С. 74-91.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 25 сентября 2007 г.
