CC BY
47
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2016. № 4
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
НАУКИ О ЗЕМЛЕ SCIENCE OF EARTH
УДК 504.455.058:574.52.64 (470.61) DOI 10.18522/0321-3005-2016-4-57-61
ЭКОТОКСИЧНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД БАССЕЙНА РЕКИ СЕВЕРСКИЙ ДОНЕЦ (РОСТОВСКАЯ ОБЛАСТЬ) ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАБОРА БИОТЕСТОВ*
© 2016 г. Е.Н. Бакаева, М.Н. Тарадайко
ECOTOXICITY OF SURFACE WATERS OF THE SEVERSKY DONETS RIVER BASIN (ROSTOV REGION) BY BIOASSAYS KIT RESULTS
E.N. Bakaeva, M.N. Taradayko
Бакаева Елена Николаевна - доктор биологических наук, Elena N. Bakaeva - Doctor of Biology, Leading Researcher,
ведущий научный сотрудник, гидрохимический отдел, Ин- Hydrochemical Department, Institute of Water Problems, RAS,
ститут водных проблем РАН, пр. Стачки, 198, г. Ростов- Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia; Head of the
на-Дону, 344090; заведующая филиалом кафедры геоэколо- Branch of the Department of Environmental Geoscience and
гии и прикладной геохимии в Гидрохимическом институ- Applied Geochemistry in Hydrochemical Institute, Institute of
те, Институт наук о Земле Южного федерального уни- Earth Sciences, Southern Federal University; Leading Research-
верситета; ведущий научный сотрудник, Гидрохимический er, Hydrochemical Institute, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don,
институт, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, 344090, Russia, e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]
Тарадайко Марина Николаевна - студентка, кафедра гео- Marina N. Taradayko - Student, Department of Environmental
экологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле Geoscience and Applied Geochemistry, Institute of Earth Scienc-
Южного федерального университета, ул. Зорге, 40, г. Рос- es, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don,
тов-на-Дону, 344090, e-mail: [email protected] 344090, Russia, e-mail: [email protected]
Изучается экотоксичность вод участков малых рек Восточного Донбасса с различной антропогенной нагрузкой в 2014-2015 гг. Использованы четыре тест-объекта из числа автотрофов и гетеротрофов и восемь тест-показателей. Выявлены отличия в токсичности поверхностных вод в оба года исследований. Рассмотрены особенности отклика тест-объектов и предложен набор биотестов для получения объективной оценки токсичности вод.
Ключевые слова: биотесты, токсичность, тест-объекты, автотрофы, гетеротрофы, устья, техногенно изменённые шахтные воды, поверхностные воды, малые реки.
The article is devoted to the ecotoxicity study of water plots of the small rivers of the Eastern Donbass with various anthropogenic load in the years 2014-2015. Used with four bioassay test objects from among the autotrophs and heterotrophs and eight test parameters. Were revealed differences in the toxicity of surface water in both years of research. The features of the response of test objects and is proposed set of bioassays for obtaining an objective assessment of water toxicity.
Keywords: bioassays, toxicity, test objects, autotrophs, heterotrophs, estuary, technogenic modified mine waters, surface waters, small rivers.
Результаты многолетнего мониторинга загряз- ритории обусловлена различными видами антро-нения водных объектов Ростовской области свиде- погенного воздействия. Основная нагрузка посту-тельствуют о продолжающейся на них по настоя- пает от сосредоточенных здесь важных промыш-щее время антропогенной и техногенной нагрузке ленных центров, в первую очередь угледобываю-различной степени. Наиболее интенсивное воздей- щего, зон орошаемого земледелия и вод, уже под-ствие приходится на малые реки бассейнов Север- вергшихся антропогенной нагрузке в соседних обский Донец и Тузлов, расположенных на террито- ластях России и содержащих трансграничные за-рии Восточного Донбасса. Особенность этой тер- грязнения.
' Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-17-00376).
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2016. No. 4
Следствием разнообразных видов нагрузки на водные объекты является возникновение их токсичности. В современных условиях, как в локальном, так и в глобальном масштабе, токсичность представляет собой одну из наиболее опасных характеристик качества поверхностных вод. Наличие токсичности и степень токсического действия поверхностных вод определяют с использованием представителей биоты. Приоритет использования биологических компонентов экосистемы при оценке её состояния прописан в Водной рамочной директиве ЕС 2000/60 (ВРД), принятой в странах европейского сообщества [1]. Наиболее адекватную характеристику токсичности вод получают приёмами биотестирования.
В связи с этим цель работы заключалась в изучении токсичности поверхностных вод бассейна р. Северский Донец методом биотестирования.
Объекты и методы исследований
В качестве предмета исследований выбраны поверхностные водные объекты (малые реки) бассейна р. Северский Донец в пределах Восточного Донбасса на территории Ростовской области. В бассейнах этих рек расположены города: Шахты, Красный Сулин, Новошахтинск, Зверево, Каменск-Шахтинский, Белая Калит-ва и др. Восточный Донбасс сохраняет статус экологически проблемного региона России на протяжении многих лет. Экологическое неблагополучие здесь является следствием интенсивного техногенного воздействия на природный комплекс предприятий угольной промышленности. Начавшаяся в 90-е гг. реструктуризация, основу которой составляет ликвидация нерентабельных шахт, заметно усилила негативные явления [2]. Наиболее отрицательно это отразилось на состоянии гидросферы региона.
В основу работы положены результаты изучения токсичности вод, полученные в ходе комплексных экспедиционных исследований поверхностных водных объектов бассейна р. Се-верский Донец на террито-
рии Восточного Донбасса в пределах Ростовской области. Исследования проведены совместно сотрудниками кафедры геоэкологии и прикладной геохимии Института наук о Земле ЮФУ и ФГБУ «Гидрохимический институт» в 2014-2015 гг.
Предметом исследования служила токсичность вод восьми малых рек бассейна р. Северский Донец (рис. 1, табл. 1). Створы отбора проб были сгруппированы по трём основным участкам рек: верховьям, устьям и ниже выхода шахтных вод. Кроме того, выбранные створы отражали различные виды антропогенной нагрузки: отсутствие промышленной нагрузки в верховьях рек, воздействие техно-генно изменённых шахтных вод в местах ниже их выхода, хозяйственно-бытовую нагрузку населённых пунктов, устья рек.
Оценку токсичности поверхностных вод проводили с помощью набора из четырёх биотестов, включавших тест-объекты различных трофических уровней и систематической принадлежности: общепринятый ветвистоусый рачок Daphnia magna [3], коловратки Brachionus calyciflorus [4], зеленые микроводоросли Scenedesmus obliquus [3] и биотест по фитотоксичности семян редиса Raphanus sativus [5]. Биотесту по фитотоксичности поверхностных вод в отношении высших растений уделяется всё
Рис. 1. Карта-схема пунктов отбора проб поверхностных вод бассейна р. Северский Донец / Fig. 1. Map-scheme of settlements sampling of surface water Seversky Donets River basin
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
более пристальное внимание. Тест-объектами при этом биологическом анализе являются семена высших растений, как правило, представители сельскохозяйственных культур.
Таблица 1
Перечень створов отбора проб поверхностных вод бассейна р. Северский Донец / The list of cross-sections of surface water sampling Seversky Donets River basin
Тест-показателями воздействия вод служили гибель рачков, гибель и плодовитость коловраток, коэффициент прироста микроводорослей и метрические (длина корней и проростков) и биологические (всхожесть, количество проростков) характеристики редиса. Рассчитывали отклонения получаемых значений тест-показателей от контроля. Отклонения со знаком «плюс» свидетельствуют о стимулирующем действии, со знаком «минус» - об угнетающем действии исследуемых вод. Воды оценивали как оказывающие/не оказывающие острое (ОТД), подострое (ПОТД) токсическое действие. В качестве контроля использовали дехлорированную водопроводную воду.
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
Токсичность вод рек бассейна р. Северский Донец по биотестам с автотрофными тест-объектами
Биотест с микроводорослями Scenedesmus obliquus выявил угнетающее действие вод исследуемых створов рек бассейна р. Северский Донец на развитие микроводорослей в 2014 г. Негативный эффект был отмечен в динамике значений коэффициента прироста микроводорослей с первых суток биотестового анализа. Отклонение коэффициента прироста микроводорослей более 55 % со знаком «минус» обнаружено в створах ниже выхода шахтных вод в ряде рек: М. Каменка (-62,2 %) — шахта «Центрально-Восточная» (створ 17.1), Лихая (—65,9 %) — шахта «1-я Вертикальная» (створ 19.1), Калитва (—56,7 %) — шахта № 4 «Калитва» (створ 21,1), Кундрючья (—50,9) (створ 27.1). А также в устьях рек Б. Каменка (—57,3 %) (створ 15.1), Калитва (—66,3 %) (створ 20.1), Быстрая (—51,9 %) (створ 22.1), Б. Гнилуша (—55,7 %) (створ 25.1) и в реке Северский Донец (—62,0 %) ниже впадения ручья балки Свидова (створ 29.1).
Степень токсичности вод в створах ниже выхода шахтных вод была наиболее высока, преобладали пробы с ОТД и ПОТД, несколько ниже - в створах устьев рек (рис. 2).
Рис. 2. Токсичность вод участков малых рек бассейна р. Северский Донец по данным биотестирования /
Fig. 2. Toxicity of water areas of small rivers in the basin of the Seversky Donets according bioassay
Это позволяло оценить воды исследуемых участков как оказывающие ОТД, которое было обнаружено в 10 из 19 исследованных в 2014 г. створов.
В 2015 г. выявлено снижение токсичности в напряжённых участках рек - устьях и ниже выхода шахтных вод (рис. 2). Это может быть связано с более прохладным вегетационным периодом, препятствовавшим интенсивному испарению вод малых рек. Воды створов верховьев малых рек в оба года исследований не оказывали токсического действия на развитие микроводорослей.
Река Номер створа Расположение створа
Большая Каменка 15.1 Устье
Малая Каменка 16.1 Устье
17.1 Ниже выхода шахтных вод ш. «Центрально-Восточная» (п. Волченский)
17.2 Выше выхода шахтных вод ш. «Центрально-Восточная» (южнее п. Волчен-ского)
Лихая 18.1 Устье (ниже х. Богураев)
19.1 Ниже сброса шахтных вод ш. «1-я Вертикальная» (восточная окраина х. Лихого)
19.2 Выше сброса шахтных вод ш. № 40 по безымянной балке, впадающей в районе х. Тацин
Калитва 20.1 Устье
21.1 Ниже места выхода шахтных вод ш. № 4 «Калитва» (севернее х. Погорелова)
21.2 Выше устья балки Обливинской (х. Рудаков)
Быстрая 22.1 Устье (х. Нижнесеребряковский ниже впадения ручья балки Б. Чеканная)
23.1 Севернее х. Карпово-Обрывского
Большая Гнилуша 25.1 Устье
Кундрючья 26.1 Устье
24.2 Ниже места выхода шахтных вод ш. № 62 (х. Прохоровка)
Северский Донец 28.1 Устье
28.2 Ниже устья р. Кундрючьей (у моста автодороги на Константиновск)
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Биотест по фитотоксичности с Raphanus sativus выявил ОТД в ограниченном числе створов исследуемых рек в 2014 г. Воды оказывали незначительное подавляющее действие на метрические, а не на биологические показатели Raphanus sativus. Тем не менее к числу особо токсичных створов отнесены створ 25.1 — устье р. Б. Гнилуша и два створа р. Северский Донец: ниже устья р. Кундрючьей (створ 28.2) и ниже выхода шахтных вод р. Кундрючьей (створ 27.1).
В 2015 г. по показателю всхожести семян редиса на последние сутки эксперимента ОТД не было выявлено ни в одном створе, а имевшиеся отклонения от контроля являлись несущественными и не превышали —25 %.
Наибольшую чувствительность по отношению к токсичности вод поверхностных водотоков бассейна реки Северский Донец проявил биологический показатель редиса — количество ростков на последние сутки эксперимента. ОТД по этому показателю было выявлено в трёх створах: р. Лихая (18.1) — устье, р. Быстрая (23.1) — севернее х. Карпово-Обрывского, а также устье р. Кундрючьей (26.1). Метрические показатели: длина корней и длина стеблей подтвердили токсичность вод в створе устья р. Кундрючьей. Отклонение тест-показателей составило от —75 до —80,3 %. В остальных створах значения отклонений от контроля были значительно ниже.
Токсичность вод рек бассейна р. Северский Донец по биотестам с гетеротрофными тест-объектами
Биотест с ветвистоусым рачком Daphnia magna. Воздействие вод в 2014 г. не оказало токсического действия на дафний. Такой результат оказался неожиданным, поскольку автотрофные тест-объекты обнаружили токсичность вод. Отсутствие токсичности для дафний объясняется тем, что биотестовый анализ на токсичность с рачками проводили на фильтрованной воде. Это связано со спецификой их жизнедеятельности — по способу питания дафнии относятся к фильтраторам. Мутные воды с большим количеством взвеси априори приводят к гибели гидробионтов-фильтраторов, поскольку взвесь механически забивает их фильтровальный аппарат. Для исключения такой необъективной оценки (гибель от механического забивания фильтровального аппарата) при изучении токсичности мутные воды фильтруют для отделения взвешенных частиц.
Снижение токсичности при удалении взвеси из воды и проявление в то же время токсичности на других тест-объектах, относящихся к другим трофическим группам, свидетельствуют о том, что токсичные вещества, вероятно, находятся на взвесях.
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
В 2015 г. токсичность в биотесте на дафниях выявлена в водах всех трёх исследуемых участков рек. Так, в устьевых участках рек Б. Каменка (створ 15.1), Северский Донец (створ 28.1) отмечена гибель 40 % дафний, в створе 20.1 р. Калитвы -100%-я гибель рачков. В местах выхода шахтных вод выявлена гибель 80 % дафний. Также отмечена гибель дафний в водах верховьев рек. Превышение значений более 50 % позволяет оценить воды как оказывающие ОТД.
Появление токсичности в водах всех трёх участков малых рек бассейна р. Северский Донец с разной антропогенной нагрузкой позволяет предположить о негативном воздействии фактора, поступившего с сопредельных территорий.
Биотест с коловраткой Brachionus calyciflorus. Воздействие исследуемых вод на оба тест-показателя коловраток было негативным. Гибель коловраток зафиксирована во всех створах, где также отмечено снижение плодовитости. Именно этот показатель оказался наиболее чувствительным. Средние значения отклонений от контроля показателя гибели коловраток на всех участках рек были близки — в пределах 32,8—38,7 %. Средние значения отклонений от контроля показателя плодовитости были наиболее высоки в устьях (—54,6 %), диапазон колебаний был в пределах 45,5—70 %.
Короткий жизненный цикл коловраток позволяет получать несколько поколений в течение 4 сут биотестового эксперимента. Полученные результаты по биотесту с коловратками позволили оценить воды как оказывающие ОТД и ПОТД.
Обобщённые данные о токсичности вод исследованных участков рек по результатам набора биотестов за оба года исследований сведены в табл. 2.
Таблица 2
Изменение количества проб с разным уровнем токсичности на участках малых рек бассейна р. Северский Донец, % от общего количества проб / Changing the number of samples with different levels of toxicity in the small river basin Seversky Donets, % of the total number of samples
Участки рек 2014 г. 2015 г.
ОТД ПОТД Нет ОТД ОТД ПОТД Нет ОТД
Верховье 0 0 24 11 5 6
Ниже выхода шахтных вод 0 12 17 25 5 0
Устье 0 18 29 30 6 12
Общее кол-во 0 30 70 66 16 18
Как видим, в 2015 г. поверхностные воды были более токсичны и диапазон уровней токсичности был более широк (табл. 2). Отмечено 66 % проб воды, оказывающих ОТД. В оба года исследований наибольшую долю от общего числа проб составляли пробы с высоким токсическим действием, которое сохранялось в устьевых участках и в
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
створах ниже выхода шахтных вод.
Анализ результатов биотестового анализа токсичности поверхностных вод бассейна р. Север-ский Донец с использованием четырёх тест-объектов и восьми тест-показателей позволил сделать следующие выводы:
1. Чётко выявлены наиболее напряженные с точки зрения токсичности участки малых рек: устья рек и места выхода техногенно изменённых шахтных вод.
2. Токсичность вод 17 створов восьми малых рек за два года исследований отличалась. Наиболее токсичны были воды в 2015 г., в котором 66 % проб оказывали ОТД, 16 % - ПОТД. Усиление токсичности на всех участках, как находящихся под влиянием антропогенной нагрузки, так и без неё, вероятно, связано с негативным воздействием фактора, поступившего с сопредельных территорий.
3. Токсичность вод - характеристика очень динамичная, зависящая от многих факторов и по-разному влияющая на представителей биоты, требует использования набора биотестов. Набор биотестов с тест-объектами разных трофических уровней и систематической принадлежности позволяет получить наиболее объективную информацию о токсичности исследуемых вод.
4. В качестве тест-объектов необходимо использовать:
- автотрофные организмы из представителей как низших (микроводоросли), так и высших растений;
- гетеротрофные организмы из представителей гидробионтов с коротким жизненным циклом, позволяющим в краткие сроки (3-4 сут) получить данные о плодовитости - наиболее важном показателе сохранения популяции в условиях негативного антропогенного воздействия.
5. Использованный набор биотестов дает возможность определять уровень интегральной токсичности вод, следить в динамике за процессами самоочищения и восстановления вод.
6. Современное экотоксикологическое состояние поверхностных вод бассейна р. Северский Донец требует проведения регулярных наблюдений за изменением токсичности и инвентаризации источников загрязнения.
Литература
1. Романенко В.Д., Ляшенко А.В., Афанасьев С.А., Зорина-Сахарова Е.Е. Биоиндикация экологического
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
состояния водоемов в черте г. Киева // Гидробиол. журн. 2010. Т. 46, № 2. С. 3-24.
2. Бакаева Е.Н., Тарадайко М.Н. Экотоксикологи-ческий мониторинг малых рек в условиях влияния техногенных шахтных вод // Актуальные проблемы региональной экологии и биодиагностика живых систем : материалы XIII Всерос. науч.-практ. конф. c ме-ждунар. участием. Киров, 1-2 декабря 2015 г. Киров, 2015. Кн. 2. С. 71-74.
3. РД 52.24.566-94. Методы токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем. М., 1994. 130 с.
4. РД 52.24.662-2004. Оценка токсического загрязнения природных вод и донных отложений пресноводных экосистем методами биотестирования с использованием коловраток / A.M. Никаноров, Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова, Л.М. Ходурская. М., 2006. 60 с.
5. ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Качество почв. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. М., 2010. 15 с.
References
1. Romanenko V.D., Lyashenko A.V., Afanas'ev S.A., Zorina-Sakharova E.E. Bioindikatsiya ekologi-cheskogo sostoyaniya vodoemov v cherte g. Kieva [Bioindication of ecological status of water bodies within the boundaries of Kiev]. Gidrobiol. zhurn. 2010, vol. 46, no. 2, pp. 3-24.
2. Bakaeva E.N., Taradaiko M.N. [Ecotoxicological monitoring of small rivers under the influence of man-made mine water]. Aktual'nye problemy regional'noi ekologii i biodiagnostika zhivykh sistem [Actual problems of regional ecology and living systems biodiagnostics]. Materials of the XIII All-Russian scientific-practical conf. c int. participation. Kirov, December 1-2, 2015. Kirov, 2015, vol. 2, pp. 71-74.
3. Metody toksikologicheskoi otsenki zagryazneniya presnovodnykh ekosistem [Methods of toxicological evaluation of pollution of freshwater ecosystems]. Certificate, no. 52.24.566-94. Moscow, 1994, 130 p.
4. Nikanorov A.M., Bakaeva E.N., Ignatova N.A., Khodurskaya L.M. Otsenka toksicheskogo zagryazneniya prirodnykh vod i donnykh otlozhenii presnovodnykh ekosistem metodami biotestirovaniya s ispol'zovaniem kolovratok [Evaluation of the toxic pollution of natural waters and sediments of freshwater ecosystems bioassay methods using rotifers]. Certificate, no. 52.24.662-2004. Moscow, 2006, 60 p.
5. Kachestvo pochv. Biologicheskie metody. Khroni-cheskaya fitotoksichnost' v otnoshenii vysshikh rastenii [The quality of the soil. Biological methods. Chronic phy-totoxicity to higher plants]. Certificate, no. 22030-2009. Moscow, 2010, 15 p.
Поступила в редакцию /Received_1 августа 2016 г. / August 1, 2016
