CC BY
67
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
УДК 504.455.058:574.52.64 (4 70.61)
ЭКОТОКСИЧНОСТЬ ВОД ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В ПЕРИОД ЦВЕТЕНИЯ СИНЕ-ЗЕЛЕНЫХ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
© 2012 г. Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова
Южный отдел Института водных проблем РАН, ФБГУ Гидрохимический институт Росгидромета,
Ростов-на-Дону
Поступила в редакцию 02.05.2012 г.
Биологическими методами в ходе комплексных экспедиций Южного отдела Института водных проблем РАН (2006, 2007, 2011) исследована динамика экотоксичности вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища. Приведена динамика пространственно-временной токсичности, трофности, концентрации сине-зеленых микроводорослей. Отмечено усиление процессов токсификации водохранилища в период цветения сине-зеленых микроводорослей.
Ключевые слова: Цимлянское водохранилище, биотестирование, токсичность, фитопланктон, эвтрофикация, «цветение», токсификация, сине-зеленые микроводоросли, хлорофилл а.
Важность 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 [1]. В современных условиях эвтрофикации и токсификации водохранилищ особо важным представляется изучение экотоксичности компонентов экосистем.
Ответ о качестве вод и реальной ситуации в водном объекте может дать только биота [2]. Биологические методы, с помощью которых определяют качество воды, подразделяют на две группы: биоиндикацию и биотестирование. Биоиндикация позволяет определить сапробность, трофность и класс качества вод. На основе биотестирования получают оценку токсичности вод и донных отложений, синхронное определение которых дает оценку экотоксикологического статуса водного объекта.
Неблагоприятные экотоксические эффекты рассматривают на уровне организма (аутэкотоксические), популяции (демэкотоксические) и биогеоценоза (синэкотоксические). В случае оценки экотоксичности природных вод в отношении представителей одного вида живых существ, получаемой методом биотестирования, используют качественные и количественные характеристики, принятые в классической токсикологии. В первую очередь - величины острой, подострой и хронической токсичности. В случае оценки экотоксичности вод и донных отложений, проводимых одновременно, можно говорить об опасности или экологическом риске для экосистемы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Экотоксичность вод Цимлянского водохранилища оценивали по результатам экспедиционных исследований Южного отдела Института водных проблем РАН, проведенных в 2006, 2007, 2011 годах. В ходе работ проводили анализ токсичность вод
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2012
методом биотестирования с использованием трех тест-объектов, концентрацию хлорофилла а, видовой состав, численность и биомассу фитопланктона. Пробы отбирали в створах наблюдений Цимлянского водохранилища (19, 20, 23, 24, 69) в сети мониторинга поверхностных вод суши Росгидромета (рис. 1).
Тест-объектами при исследовании токсичности проб воды служили четыре вида гидробонтов: коловратки Brachionus calicyflorus, инфузории Paramecium caudatum, ветвистоусые рачки Dahnia magna, микроводоросли Scenedesmus obliquus [3,4].
Рис. 1. Расположение створов наблюдений Цимлянского водохранилища в сети мониторинга поверхностных вод суши Росгидромета (▼ - пункт наблюдений, Х - вертикали).
Цимлянское водохранилище - один из крупнейших искусственных водоемов Юга России. Оно создано в 1952-1953 гг. перекрытием плотиной реки Дон в нижнем течении у г. Цимлянска (рис. 1). Это - водохранилище многоцелевого использования, оно является важнейшим звеном технической водохозяйственной схемы бассейна Нижнего Дона, обеспечивает транзитное судоходство по Волго-Донскому каналу, выработку электроэнергии Новочеркасской ГРЭС и Цимлянской ГЭС, орошение земель в засушливых районах Ростовской области (РО), служит основным рыбохозяйственным фондом Азово-Донского бассейна, используется для рекреации.
ПРОБЛЕМЫ ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Значительный возраст водохранилища - более 50 лет, интенсивное многоплановое использование привело к ряду негативных проблем (табл. 1). К числу основных причин появления проблем следует отнести зарегулирование реки Дон, интенсивное хозяйственное использование и наметившееся изменение климата, в частности, - повышение температуры.
Это привело к негативным последствиям, к главным из которых следует отнести эвтрофикацию, снижение рыбопродуктивности и интенсивно возрастающую токсификацию.
Одними из основных биологических характеристик эвтрофикации являются увеличение общей биомассы фитопланктона и замена его видового состава (более чем на 90% во время «цветения») сине-зелеными микроводорослями (табл. 2). Характерными показателями увеличения биомассы фитопланктона и вероятной гипоксии служит концентрация хлорофилла а. Результирующей всех сложных внутриводоемных процессов являются интенсивно наступающий процесс токсификации.
Таблица 1. Проблемы Цимлянского водохранилища
Причина Последствия
Зарегулирование реки Дон Существенное изменение гидрологического режима бассейна Нижнего Дона и Азовского моря
Разрушение берегов, заиление ложа
Сукцессии гидробиоценозов с заменой реопланктона на
потамопланктон, зарастание ложа макрофитами
Эндогенная эвтрофикация
Снижение рыбопродуктивности
Интенсивное хозяйственное использование Усиление негативного воздействия на экосистему:
загрязнение вод сточными водами от сосредоточенных и диффузных источников, расположенных в акватории водохранилища и в его водоохраной зоне
экзогенная эвтрофикация - бурное развитие сине-зеленых микроводорослей в виде «цветения»
экзогенная токсификация экосистемы (вода, донные отложения)
эндогенная токсификация за счет СуапорЬу1а
снижение рыбопродуктивности за счет уменьшения кормовой базы
ухудшение санитарно-гигиенического состояния
Изменение климата -повышение температуры Экзогеная и эндогенная эвтрофикация
Эндогенная токсификация
Снижение рыбопродуктивности
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Динамика развития фитопланктона в наблюдаемых створах за период исследований свидетельствует о значительном преобладании сине-зеленых микроводорослей (рис. 2). Наиболее полно сине-зеленые были представлены в створе 19. Здесь во все годы и сезоны биомасса сине-зеленых составляла не менее 60%, доходя практически до 100% общей биомассы в мае 2007 и в августе 2011 года. Ведущим фактором развития сине-зеленых микроводорослей является, как известно, температурный.
Изменение природных процессов в водохранилище обусловлено глобальным изменением климата. Так установлен значимый рост среднегодовых температур воздуха, интенсивность которого менялась в отдельные периоды. Скорости потепления в 1982-2008 гг. были в 2-3 раза больше, чем в течение периода с 1952 по 2008 г.
Температура воздуха в нижнем бьефе водохранилища увеличивалась в последние десятилетия со скоростью 0,051°С/год, в верхнем - 0,071°С/год. [5] Процесс потепления в Ростовской области имеет выраженную сезонную направленность и происходит преимущественно весной. Установлена устойчивость этих тенденций. [5]
Таблица 2. Биологические характеристики эвтрофикации
Показатель Последствия
Увеличение биомассы микроводорослей в целом Блокировка солнечного света.
Уменьшение содержание кислорода.
Повышение содержания органических веществ за счет большого количества отмерших клеток -эвтрофикация.
Последовательная смена видов планктоценозов Замена реопланктона на потамопланктон.
Преобладание в фитопланктоне Cyanophyta и Chlorophyta.
Изменение характера сезонной динамики и структуры фитопланктона В фитоценозах снижается роль Bacillariophyta и Chrisophyta, увеличивается - Cyanophyta, Dinophyta, а также роль Chlorophyta и Euglenophyta.
Увеличение содержания хлорофилла а Важный показатель величины нагрузки питательными органическими веществами.
Важный показатель потенциальной гипоксии.
Токсификация эндогенная (токсичность по биотестированию) Угроза токсического отравления людей и животных гепато- и нейротоксинами, выделяемыми Cyanophyta.
Ухудшение органолептических качеств воды за счет большого отмершего фитопланктона
Токсификация экзогенная (токсичность по биотестированию) Ухудшение органолептических свойств воды за счет промышленных, бытовых и сельскохозяйственных стоков.
Выявлен значительный разброс в пространственно-временной динамике трофности вод водохранилища по значениям хлорофилла а, как по годам в пределах одного створа, так и в разных створах за одну съемку (табл. 3). Например, в створе 20 воды оценивались как олигомезотрофные в 2006 году, в 2007 году - как политрофные. Соответственно класс вод относился к 2а и 4б. В одну съемку 2006 года в створе 20 воды оценивались как олигомезотрофные, а в створе 69 как эвполитрофные. Соответственно класс вод относился 2а и 4а.
Рис. 2. Динамика биомассы сине-зеленых микроводорослей (% от общей) в створах приплотинной части Цимлянского водохранилища.
Неравномерное мозаичное распределение фитопланктона, трофности, класса качества вод связано с особенностями ветровых и гидродинамических процессов Цимлянского водохранилища.
Таблица 3. Динамика трофности и класса качества вод створов приплотинной части Цимлянского водохранилища по значениям хлорофилла а*
Створ Время наблюдений
2006, октябрь 2007, май 2011, август 2011, октябрь
19 эвтрофная (3б) эвполитрофная (4а) эвтрофная (3б) мезотрофная (2б)
23 мезоэвтрофная (3 а) мезотрофная (2б) эвполитрофная (4а) эвтрофная (3б)
24 Эвтрофная (3б) эвтрофная (3б) эвтрофная (3б) эвтрофная (3б)
20 олигомезотрофная (2а) политрофная (4б) эвтрофная (3б) олигомезотрофная (2а)
69 эвполитрофная (4а) эвтрофная (3б) эвтрофная (3б) мезоэвтрофная (3а)
*по шкале Оксиюк, Жукинского, 1993
Результаты биотестирования вод створов Цимлянского водохранилища с использованием четырех тест-объектов различных систематических групп и трофических уровней свидетельствуют об их неоднозначном токсическом действии (табл. 4). Так, в мае 2007 года вода всех створов оказывала острое токсическое действие, в октябре 2011 года только вода створа 19. Ответная реакция всех тест-объектов на воздействие проб воды была практически одинаковой и свидетельствовала об остром токсическом действии вод. На микроводоросли (показатель коэффициента прироста численности) пробы воды оказывали угнетающее действие. Высокое токсическое действие вод в 2007 году, вероятно, можно связать не только с химическим загрязнением, но с «цветением» сине-зеленых водорослей. Последние, как известно, в процессе жизнедеятельности выделяют токсические вещества. В 2007 году их биомасса составляла почти 100 % общей биомассы.
Таблица 4. Динамика токсичности вод приплотинной части Цимлянского водохранилища по результатам четырех биотестов
Створ Время наблюдений
2006, октябрь 2007, май 2011, август 2011, октябрь
19 ОТД ОТД ОТД ОТД
20 нет ОТД нет нет
23 ОТД ОТД ОТД нет
24 ОТД ОТД ОТД нет
69 нет ОТД ОТД нет
Таким образом, результаты биоиндикационных и биотестовых исследований свидетельствуют о наличии процессов эвтрофикации и токсификации в Цимлянском водохранилище, которые сопровождаются резкими колебаниями биомассы и видового состава всех отделов фитопланктона, трофности и токсичности вод. Сочетанное возрастание трофности (по данным биомассы и концентрации хлорофилла а), и что крайне важно, - токсичности вод (по данным биотестирования), свидетельствует о сохранении и усилении токсификации экосистемы Цимлянского водохранилища.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бакаева, Е.Н., Игнатова, Н.А., Черникова, Г.Г. Экотоксичность вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища [Текст] / Е.Н. Бакаева ; Н.А. Игнатова ; Г.Г. Черникова // Глобальная ядерная безопасность. - 2012. - Спецвыпуск. - С. 5-10.
2. Бакаева, Е.Н., Никаноров, А.М. Гидробионты в оценке качества вод суши [Текст] / Е.Н. Бакаева, А.М. Никаноров. - М. : Наука, 2006.- 236 с.
3. РД 52.24.566-94. Методы токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем [Текст]. - М. : ФСР Госкомгидромета, 1994. - 130 с.
4. РД 52.24.662-2004. Оценка токсического загрязнения природных вод и донных отложений пресноводных экосистем методами биотестирования с использованием коловраток [Текст]. -М. : Метеоагенство Росгидромета, 2006. - 60 с.
5. Шаврак Е.И. Современное состояние Цимлянского водохранилища и тенденции его изменения [Текст] / Е.И. Шаврак // Актуальные проблемы обеспечения продовольственной безопасности юга России: Материалы международной научной конференции, 27-30 сентября 2011 г. -Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. - С. 136-139.
Water ecotoxicity of Tsimlyansk reservoir during the flowering of blue-green algae
E. N. Bakaeva*, N.A. Ignatova**
Southern Division of the Institute of Water Problems of RAS, FBGU Hydrochemical Institute Roshydromet,
Stachki avenue, Rostov-in-Don, Russia 344090, e-mail*: [email protected], e-mail**: [email protected]
Abstract - The dynamics of water ecotoxicity of Tsimlyansk reservoir dam has been investigated with the help of biological methods during complex research expeditions of the Southern Division of the Institute of Water Problems, RAS (2006, 2007, 2011). The dynamics of spatio-temporal toxicity, trophics and blue-green algae concentration is presented. Strengthening of the toxification process in the reservoir during the flowering of blue-green algae is noted.
Keywords: Tsimlyansk reservoir, biotesting, toxicity, phytoplankton, eutrophication, "flowering", toxification, blue-green algae, chlorophyll a.
