CC BY
19
УДК 579.68
О.В. Морозова, Р.П.Токинова, Н.В. Шурмина, Н.Р. Водунон
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ Р. КАЗАНКА ПО КОЛИЧЕСТВЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЯМ МИКРОБНЫХ
СООБЩЕСТВ
Проведена оценка количественных показателей бактериопланктона и бактериобентоса в устьевой области р. Казанка в летний период 2020 г. По общей численности бактериопланктона качество воды оценивалось как «слабозагрязненная», II класс. Экологическое состояние водного объекта, согласно шкале экологических модификаций, по общей численности бактериобентоса оценивалось как переходное между «норма» и «состояние риска». В течение лета наблюдалось небольшое увеличение общей численности и биомассы бактериопланктона в воде и снижение общей численности и биомассы бактериобентоса в донных отложениях.
Ключевые слова: бактериопланктон; бактериобентос; биомасса; средний объем клеток бактерий; река Казанка; устьевая область.
DOI: 10.24852/2411-7374.2021.2.41.46
Введение
Река Казанка - левый приток р. Волга. По морфометрическим показателям она относится к малым рекам с длиной 140 км и площадью водосборного бассейна 2.7 тыс. км2 (Водные объекты..., 2018). Устье Казанки расположено в черте г. Казани и находится в подпоре Куйбышевского водохранилища (р. Волга). Интенсивность антропогенного воздействия на этот участок реки достаточно высока и проявляется в загрязнении сточными водами крупных промышленных предприятий и ливневой канализации города, диффузным стоком с водосборной территории. Экологическое состояние Казанки на протяжении последних десятилетий характеризуется низким качеством воды, высоким уровнем эвтрофирова-ния, обусловливающем цветение потенциально токсичными видами синезеленых водорослей, и, как следствие, снижением эксплуатационно-хозяйственной и рекреационной ценности водоема (Шагидуллин и др., 2017; Абрамова, Токинова, 2020; Абрамова и др., 2020).
Значительная часть экологических исследований нижнего течения р. Казанка затрагивала изучение ее гидрохимического режима, гидробиологических показателей, тогда как состоянию микробных сообществ и использованию их в биоиндикации внимания практически не уделялось. Известно, что в водных экосистемах бактериальные сообщества достаточно быстро реагируют на антропогенную нагрузку, поэтому особенности развития бактериопланктона и бактериобентоса
являются важными показателями для оценки тро-фности и степени загрязненности водоема (Дзю-бан и др., 2005; Копылов, Косолапов, 2011; РД 52.24.309-2016).
Целью данного исследования является определение количественных показателей развития бактериопланктона и бактериобентоса устьевой области р. Казанка для оценки экологического состояния водного объекта по микробиологическим характеристикам.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились в устьевой области р. Казанка, находящейся в черте г. Казани. Отбор проб проводился на пяти станциях (рис. 1) с июня по август 2020 г. с периодичностью 1 раз в месяц в двухкратной повторности.
Пробы воды для микробиологического и химического анализа отбирались с глубины 10 см в стерильные емкости (ГОСТ 31942-2012).
Пробы донных отложений отбирались из поверхностного слоя с помощью дночерпателя в стерильные емкости.
В емкости с пробами воды и донных отложений вносили формалин.
Аналитическая повторность трехкратная.
Общее количество бактериопланктона и бакте-риобентоса определяли на мембранных фильтрах «Владипор» (Россия) с диаметром пор 0.2 мкм, окрашенных толуидиновым синим (Кузнецов, Дубинина, 1989; Мо1тоуа et а1., 2012). Считали количество палочковидных и кокковых форм,
2/2021
41
Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб
Fig. 1. Layouts of sampling stations
средний объем клеток, и на основе этих данных рассчитывали биомассу (Кузнецов, Дубинина, 1989). Общую численность бактерий, размерную структуру и биомассу вычисляли методом прямого счета.
Класс качества воды определяли согласно РД 52.24.309-2016. Экологическое состояние водного объекта оценивали согласно шкале экологических модификаций по общей численности бакте-риобентоса (Дзюбан и др., 2005).
Для определения класса качества воды и оценки экологического состояния водного объекта выполнено усреднение полученных данных по всем 5 станциям. Статистическую обработку проводили с использованием программы Statistica 6.0.
Результаты и их обсуждение
Количественная характеристика бактери-опланктона исследуемого участка р. Казанка представлена на рисунке 2. За время исследований (июнь-август) общая численность бактерио-планктона изменялась незначительно, от 1.76 до 2.54 млн. кл./мл, и в среднем за летний период составляла 2.1±0.03 млн. кл./мл (рис. 2а). Небольшое увеличение общей численности бактерио-планктона к концу лета указывает на появление в водах реки легкоразлагаемого органического вещества.
Согласно РД 52.24.309-2016, вода по общей численности бактериопланктона оценивалась как «условно чистая» I класса и «слабозагрязненная» II класса качества в июне и как «слабозагрязнен-ная» II класса качества в июле-августе.
Биомасса бактериопланктона в течение лета изменялась незначительно и в среднем составляла 30.0±1.07 мкг С/л (рис. 2б).
Средний объем клеток бактериопланктона за
- бактериопланктон
5 0
0,16 0,14 0,12 0,1 0, 0,06 0,04 0,02 0
Рис. 2. Общая характеристика бактериопланктона устья р. Казанка Fig. 2. General characteristics of the bacterioplankton of the Kazanka River mouth
весь период исследований составлял 0.12±0.003 мкм3. К августу происходило уменьшение средних размеров клеток бактерий (рис. 2в).
Большинство бактерий в составе бактерио-планктона вариабельно по размеру; как правило, линейные размеры клеток уменьшаются в условиях интенсивного деления. Поэтому в водоемах в летний период часто наблюдается увеличение численности бактериопланктона и уменьшение средних размеров бактериальных клеток (Уман-ская, 2002; Уманская и др., 2014). Возрастание доли более мелких клеток в структуре бактерио-планктона к концу лета может быть также связано и с развитием зоопланктона.
Установлена положительная достоверная корреляция между общей численностью и биомассой бактериопланктона (r=0.64, p<0.05), увеличение биомассы бактериопланктона в р. Казанка проис-
2.5
1,5
0
42
российский журннл им! экологии
1,4
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
3
ю
о
август
август
0,3 J
,а с g к 0,25 --
о о 0,2 --
и 3 та s 'S S 0,15 --
н и 0,1 --
Объем 0,05
0 --
август
Рис. 3. Общая характеристика бактериобентоса устья р. Казанка Fig. 3. General characteristics of bacteriobenthos of the Kazanka River mouth
ходило одновременно с увеличением общей численности бактерий.
За все время исследований общая численность бактериобентоса изменялась от 1.26 до 0.66 млрд. кл./г, в среднем общая численность бактерий в донных отложениях за период наблюдений составляла 0.91±0.03 млрд. кл./г (рис. 3а). Снижение общей численности бактериобентоса к концу лета свидетельствует об интенсивном процессе самоочищения, происходящем в донных отложениях.
Экологическое состояние водного объекта, со-
гласно шкале экологических модификаций (Дзю-бан и др., 2005), по общему количеству бактериобентоса в течение лета соответствовало уровню «норма» и «состояние риска».
Биомасса бактериобентоса в летний период в среднем составляла 20.0±1.5 мкг С/г (рис. 3б). Средний объем клеток бактериобентоса -0.18±0.02 мкм3 (рис. 3в).
Установлена слабая положительная корреляционная зависимость между общей численностью и биомассой бактериобентоса (г=0.61, р=0.05).
Морфологический состав клеток бактерио-планктона и бактериобентоса р. Казанка разнообразен. Обнаружены кокки, овоиды, вибриоид-ные клетки, палочки, нитевидные клетки. Также наблюдались колонии и консорциумы, особенно в донных отложениях.
Доля кокковых форм в составе бактериоплан-ктона варьировала от 65% до 78% в зависимости от места и времени отбора проб. Доля палочковидных форм составляла от 22% до 35%. В июне численность кокковых форм достигала в среднем 74%, а к августу снижалась до 69%. Доля кокковых форм в составе бактериобентоса варьировала от 61% до 72%, палочковидных - от 27% до 39%. Численность кокков в течение лета составляла в среднем 69% от общего числа бактерий. Доля нитевидных клеток до 10 мкм в составе бактери-опланктона была незначительна, а в составе бак-териобентоса составляла не более 1.5% от общей их численности.
Большой процент кокковых форм в составе бактериопланктона и бактериобентоса говорит о высокой активности микробных сообществ и происходящих процессах самоочищения в экосистеме реки.
По результатам гидрохимических исследований воды устьевой области р. Казанка установлено, что к концу лета снижалось значения БПК5, т.е. наблюдалось улучшение экологического состояния водного объекта (табл. 1).
Следует отметить, что в конце лета наблюдалось снижение концентрации растворенного кислорода в воде, при этом существенно увеличивались концентрации нитратов, менее заметно росли концентрации хлоридов, а также кальция (табл. 1).
Обнаружены корреляционные зависимости между микробиологическими и некоторыми гидрохимическими показателями. Так, установлена корреляция между общей численностью бактериопланктона и концентрацией кальция (г=0.6, р<0.05), а также соотношением нитратов и фосфатов (г=0.6, р<0.05). Слабая положительная корреляция отмечена между общей численностью
0
в
2/2121
43
Таблица 1. Гидрохимические показатели качества воды в устье р. Казанка Table 1. Hydrochemical parameters of water in Kazanka River mouth
Показатель Indicator Июнь June Июль July Август August
БПК5, мгО2/дм3 BOD5 mg02/dm3 5.0 3.6 1.3
О2, мг/дм3 О2, mg/dm3 10.4 14.1 6.6
Нитраты, мг/дм3 Nitrates, mg/dm3 0.1 0.1 1.9
Фосфаты, мг/дм3 Phosphates, mg/dm3 0.20 0.08 0.32
Нитраты/фосфаты, мг/дм3 Nitrates/ Phosphates, mg/dm3 0.5 1.3 5.9
Кальций, мг/дм3 Calcium, mg/dm3 189.7 192.4 272.6
Хлориды, мг/дм3 Chlorides, mg/dm3 59.7 57.6 76.8
бактериопланктона и концентрацией нитратов (г=0.6, р=0.05).
Известно, что пик численности бактериопланктона часто наблюдается в августе и обычно совпадает с окончанием цветения фитопланктона в поверхностном слое воды (Розенберг и др., 2006). Возможно, в этом кроется причина небольшого увеличения общей численности и биомассы бактериопланктона к концу лета (рис. 2а).
Снижение концентрации кислорода в августе могло способствовать развитию процесса микробной денитрификации и, соответственно, повышению концентрации нитратов в поверхностных водах (табл. 1).
Заключение
По общей численности бактериопланктона вода р. Казанка в 2020 г. характеризовалась как «слабозагрязненная», II класса качества. Экологическое состояние водного объекта по общей численности бактериобентоса оценивалось как переходное между «норма» и «состояние риска».
Серьезных изменений в количественных показателях бактериопланктона и бактериобентоса устьевого участка р. Казанка в течение лета не наблюдалось. В целом к концу лета происходило небольшое увеличение общей численности и биомассы, а также уменьшение средних размеров клеток бактериопланктона. Общая численность и биомасса бактериобентоса, напротив, к концу лета имели тенденцию к снижению.
Дальнейшие наблюдения за особенностями развития отдельных диагностических групп микроорганизмов, населяющих водную среду и
донные отложения устьевой акватории р. Казанка, помогут определить факторы, оказывающие влияние на развитие микробных сообществ, их участие в круговороте биогенных элементов и процессах самоочищения.
Список литературы
1. Абрамова К.И., Токинова Р.П., Шагидуллин Р.Р. Анализ связи фитопланктона с содержанием фенолов в устьевой области реки Казанки (г. Казань) // Бюллетень Государственного Никитского ботанического сада. 2020. Вып. 137. С. 38-46. DOI: 10.36305/0513-1634-2020-137-38-46
2. Абрамова К.И., Токинова Р.П. Межгодовая динамика летнего фитопланктона в устьевой области реки Казанки (г. Казань) // Самарская Лука: проблемы локальной и глобальной экологии. 2020. Т. 29, №3. С. 89-94. DOI: 10.24411/20731035-2020-10336
3. Водные объекты Республики Татарстан. Гидрографический справочник. Казань: «Фолиант», 2018. 512 с.
4. ГОСТ 31942-2012. Вода. Отбор проб для микробиологического анализа.
5. Дзюбан А.Н., Косолапов Д.Б., Кузнецова И.А. Микробиологические процессы в донных отложениях Рыбинского водохранилища и озера Плещеево как факторы формирования качества водной среды // Гидробиологический журнал. 2005. Т. 41, №4. С. 82-88.
6. Копылов А.И., Косолапов Д.Б. Микробная «петля» в планктонных сообществах морских и пресноводных экосистем. Ижевск: КнигоГрад, 2011. 332 с.
7. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.
8. РД 52.24.309-2016. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши.
9. Розенберг Г.С., Паутова В.Н., Поспелов А.П., Поспелова М.Д., Номоконова В.И., Горбунов М.Ю., Уманская М.В., Малиновская Е.И., Горохова О.Г., Быкова С.В., Жариков В.В., Романова Е.П., Шошин А.А. Комплексная характеристика озер юго-восточного района Самарской Луки // Самарская Лука: Бюллетень. 2006. №18. C. 38-96.
10. Уманская М.В. Лимнологические исследования в
44
российский журннл лриклнлной экологии
юго-восточной части Самарской Луки. Особенности развития бактериопланктона // Известия Самарского научного центра РАН. 2002. Т. 4, №2. С. 290-299.
11. Уманская М.В., Краснова Е.С., Комиссаров А.Б. Фито-, бактериопланктон и детрит Верхневолжского водохранилища и незарегулированного участка Верхней Волги в 2011 году // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16, №5. С. 1707-1714.
12. Шагидуллин Р.Р., Иванов Д.В., Горшкова А.Т., Урба-нова О.Н., Мустафина Л.К., Шурмина Н.В., Абдуллина Ф.М., Богданова О.А., Токинова Р.П., Абрамова К.И., Валиев В.С., Зиганшин И.И., Шамаев Д.Е., Хасанов Р.Р. Качество воды в реке Казанка: теоремы и аксиомы / «Чистая вода. Казань» / Сборник трудов VIII Специализированной выставки и Конгресса. Казань: ООО «Новое знание», 2017. С. 258-262.
13. Morozova O.V., Ratushnyak A.A., Trushin M.V. Participation of planktonic and benthic bacteria in the polyphos-phate-accumulating process in mesocosms contaminated with phosphate and nitrate // World applied science journal. 2012. V 19, №1. P. 12-19. DOI: 10.5829/idosi.wasj.2012.19.01.64182.
References
1. Abramova K.I., Tokinova R.P., Shagidullin R.R. Analiz svyazi fitoplanktona s soderzhaniem fenolov v ust'evoj oblasti reki Kazanki (g. Kazan') [Analysis of the relationship between structural indicators of phytoplankton and phenol content in the Kazan Bay of the Kuibyshev reservoir] // Byulleten' Gosudarst-vennogo Nikitskogo botanicheskogo sada [Bulletin of the State Nikitsky Botanical Gardens]. 2020. Vol. 137. P. 38-46. DOI: 10.36305/0513-1634-2020-137-38-46
2. Abramova K.I., Tokinova R.P. Mezhgodovaya dinamika letnego fitoplanktona v ust'evoj oblasti reki Kazanki (g. Kazan') [Interannual dynamics of summer phytoplankton in the mouth region of Kazanka river (Kazan)] // Samarskaya Luka: problemy lokal'noj i global'noj ekologii [Samarsky Luka: problems of regional and global ecology]. 2020. Vol. 29, No 3. P. 89-94. DOI: 10.24411/2073-1035-2020-10336
3. Vodnye ob"ekty Respubliki Tatarstan. Gidrograficheskij spravochnik [Water bodies of the Republic of Tatarstan. Hydro-graphic reference]. Kazan': «Foliant», 2018. 512 p.
4. GOST 31942-2012. Voda. Otbor prob dlia mikrobiologich-eskogo analiza [Water. Sampling for microbiological analysis].
5. Dzuban A.N., Kosolapov D.B., Kuznecova B.B. Mikro-biologicheskie processy v donnyh otlozheniyah Rybinskogo vodohranilishcha i ozera Pleshcheevo kak faktory formirovani-ya kachestva vodnoj sredy [Microbiological processes in bottom sediments of Rybinsk reservoir and Plesheevo Lake as factors in formation of the quality of aquatic environment] // Gidrobiolog-icheskij zhurnal [Hydobiological journal]. 2005. Vol. 41, No 4. P. 82-88.
6. Kopylov A.I., Kosolapov D.B. Mikrobnaya «petlya» v planktonnyh soobshchestvah morskih i presnovodnyh ekosistem [Microbial «loop» in the plankton communities of marine and freshwater ecosystems]. Izhevsk: KnigoGrad, 2011. 332 p.
7. Kuznecov S.I., Dubinina G.A. Metody izucheniya vodnyh mikroorganizmov [Methods of investigation of water microorganisms]. Moscow: Nauka, 1989. 288 p.
8. RD 52.24.309-2016. Organizaciya i provedenie rezhimnyh nablyudenij za zagryazneniem poverhnostnyh vod sushi [Organization and conduct of regime monitoring of land surface water pollution].
9. Rozenberg G.S., Pautova V.N., Pospelov A.P., Pospelova M.D., Nomokonova V.I., Gorbunov M.YU., Umanskaya M.V.,
Malinovskaya E.I., Gorohova O.G., Bykova S.V., ZHarikov V.V., Romanova E.P., SHoshin A.A. Kompleksnaya harakteris-tika ozer yugo-vostochnogo rajona Samarskoj Luki [Combined delineation of water bodies from the south-east of the national park «Samarskaya Luka»] // Samarskaya Luka: Byulleten'. [The Samarskaya Luka Bulletin]. 2006. No 18. P. 38-96.
10. Umanskaya M.V. Limnologicheskie issledovaniya v yugo-vostochnoj chasti Samarskoj Luki. Osobennosti razvitiya bakterioplanktona. [Limnological research in the southeast part of the Samarskaya Luka. Characteristics of bacterioplankton development] // Izvestia Samarskogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2002. Vol. 4, No 2. P. 290-299.
11. Umanskaya M.V., Krasnova E.S., Komissarov A.B. Fito, bakterioplankton i detrit Verhnevolzhskogo vodohranilishcha i nezaregulirovannogo uchastka Verhnej Volgi v 2014 godu [Phy-toplankton, bacterioplankton and detritus of Verkhnevolzhsky reservoir and unregulated part of the Upper Volga in 2011] // Iz-vestia Samarskogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2014. Vol. 16, No 5. P. 1707-1714.
12. Shagidullin R.R., Ivanov D.V., Gorshkova A.T., Urbano-va O.N., Mustafina L.K., SHurmina N.V., Abdullina F.M., Bog-danova O.A., Tokinova R.P., Abramova K.I., Valiev V.S., Zigan-shin I.I., SHamaev D.E., Hasanov R.R. Kachestvo vody v reke Kazanka: teoremy i aksiomy [Water quality in the Kazanka River: theorems and axioms] // «Chistaya voda. Kazan'» / Sbornik trudov VIII Specializirovannoj vystavki i Kongressa [Pure Water. Kazan / Abstracts of VIII Conference and Congress]. Kazan': OOO «Novoe znanie», 2017. P. 258-262.
13. Morozova O.V., Ratushnyak A.A., Trushin M.V. Participation of planktonic and benthic bacteria in the polyphos-phate-accumulating process in mesocosms contaminated with phosphate and nitrate // World applied science journal. 2012. Vol. 19, No 1. P. 12-19. DOI: 10.5829/idosi.wasj.2012.19.01.64182.
Morozova O.V., Tokinova R.P., Shurmina N.V., Vodounon N.R. Ecological assessment of the Kazanka River mouth area by quantitative indicators of microbial communities.
An assessment of bacterioplankton and bacteri-obenthos quantity indicators of the Kazanka River mouth area in summer period of 2020 was carried out. Based on bacterioplankton total number water quality, according to the Roshydromet classifier, was assessed as class II quality, i.e. «moderately polluted». The ecological state of the water body, based on the bacteriobenthos total number, was classified as a transitional between «normal» and «risk status». During the summer, there was a slight increase in bacterioplankton total number and biomass in the river water and in decrease of bacteriobenthos total number and biomass in sediments.
Keywords: bacterioplankton; bacteriobenthos; biomass; average bacterial cells volume; Kazanka River; river mouth.
2/2121
45
Раскрытие информации о конфликте интересов: Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов / Disclosure of conflict of interest information: The author claims no conflict of interest
Информация о статье / Information about the article.
Поступила в редакцию / Entered the editorial office: 27.05.2021
Одобрено рецензентами / Approved by reviewers: 08.06.2021
Принята к публикации / Accepted for publication: 15.06.2021
Информация об авторах
Морозова Ольга Владимировна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Токинова Римма Петровна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Шурмина Надежда Васильевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Водунон Наиля Робертовна, кандидат биологических наук, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected].
Information about the authors
Olga V. Morozova, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Rimma P. Tokinova, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28 Daurskaya Str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Nadezhda V. Shurmina, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
Nailya R. Vodounon, Ph.D. in Biology, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].
46
российский журннл приклиой экологии
