CC BY
95
Общая биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (2), с. 107-112
УДК 591.524.11 (470.341)
СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКРОЗООБЕНТОСА И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДОЕМОВ НИЖНЕГО НОВГОРОДА И НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2011 г. Д.А. Пухнаревич
НИИ химии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 03.02.2011
На основании результатов собственных исследований макрозообентоса водоемов, подверженных антропогенной нагрузке, проведен анализ структурных характеристик донных сообществ. Установлен класс качества воды и характер сложившейся экологической ситуации.
Ключевые слова: макрозообентос, структурные характеристики.
Введение
В настоящее время велико антропогенное влияние на экологические системы водных объектов. Это влияние находит свое реальное выражение в прогрессирующей эвтрофикации водоемов, накоплении химических токсикантов в разных средах, в снижении экологической продуктивности водных экосистем [1]. Для оценки эффекта антропогенного воздействия на водные экосистемы необходимо наряду с физикохимическими и токсикологическими исследованиями проводить наблюдения за состоянием основных сообществ гидробионтов, в частности макрозообентоса. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе для оценки качества воды водоемов, подверженных антропогенному воздействию, разработано много методов, которые включают системы индикаторных организмов. Многими авторами показано, что донные животные и биоценозы благодаря особенностям биологии и экологии являются хорошими показателями изменения условий их существования, происходящих, в том числе, и под влиянием антропогенного воздействия [2-4].
Цель данной работы - анализ структурных характеристик макрозообентоса и оценка экологического состояния малых водных объектов Нижнего Новгорода и Нижегородской области.
Материалы и методы исследований
Материалом для данной работы послужили пробы макрозообентоса, отобранные в период с
2007 по 2008 гг. в Нижнем Песчаном озере, Сормовском магистральном канале, озере Ворсменском и Верхнем пруду-водохранилище Щелоковского хутора. Отбор проб производился по общепринятым гидробиологическим методикам. В местах отбора определялись глубина и характер грунта. При обработке собранных материалов определяли видовой состав, численность и биомассу зообентоса. Оценка доминирования по численности проводилась с использованием индекса доминирования [5]. Сложность структурной организации сообществ бентоса оценивали с помощью индекса видового разнообразия Шеннона [6]. С целью оценки сходства сообществ городских водоемов был использован индекс видового сходства Серенсена [7]. Для анализа полученных результатов сравнения был применен одномерный кластерный анализ методом одиночного присоединения [8]. Для сравнения количественных характеристик зообентоса (численности и биомассы) были использованы непараметрические методы статистики [9]. Для оценки качества воды применяли индекс сапробности Пантле - Букка в модификации Сладечека [7, 10, 11] и биотический индекс Вудивисса [12].
Гидрографо-гидрологические и гидрохимические характеристики
Водная система Нижнего Песчаного озера и Сормовского магистрального канала. Водная система «озеро-канал», состоящая из Сормовского магистрального канала и Нижнего Песчаного озера, расположена в Сормовском
районе к северо-западу от центра Нижнего Новгорода, в 5.6 км от правого берега реки Волги. Озеро и канал имеют искусственное происхождение. Котловина озера образовалась в середине 50-х гг. прошлого века в процессе добычи песка Высоковского месторождения. Сормовский магистральный канал построен в 70-80 годы прошлого столетия для водопонижения уровня высоких грунтовых вод. Заполнение Нижнего Песчаного озера водой осуществляется за счет грунтового питания, атмосферных осадков и поверхностного стока. Сормовский магистральный канал протянулся с юго-востока на северо-запад на 2750 м. Канал в устье соединен протокой с Нижним Песчаным озером. Прилегающая к озеру и каналу местность представляет собой плоскую равнину, занимаемую с северной стороны заводами строительной индустрии, а с западной - складами и гаражными массивами. Берега канала сильно захламлены бытовыми и промышленными отходами.
Характерным для исследуемой водной системы является сезонное изменение концентрации отдельных загрязняющих веществ. Так, в пробах воды, отобранных в весенний период, не было зарегистрировано превышение ПДК ни по одному из веществ. В осенне-летний период наблюдалось повышение концентрации ряда загрязняющих веществ. Превышение содержания нефтепродуктов обнаружено в придонных горизонтах канала (1.3-2.0 ПДК). Также в придонном слое воды отмечено повышенное содержание микроэлементов (марганца) и биогенных веществ (железа). Приоритетными для водного объекта загрязняющими веществами относительно нормативов для водоемов культурно-бытового вида водопользования являются марганец, железо общее, нефтепродукты.
Ворсменское озеро. Ворсменское озеро находится в Нижегородской области, в Павловском районе, на восточной окраине г. Ворсма. Озеро представляет собой крупный карстовый водоем, расположенный в Правобережном нижнеокском эрозионно-долинном карстовом районе, в карстовой котловине бассейна реки Кишмы. Дно неровное, с многочисленными провалами, где наблюдается слабое перемешивание, что приводит к недостатку кислорода и образованию сероводородной зоны, вызывающей угнетение донных биоценозов. В провальных ямах расположены воклюзы - подводные источники. Озеро проточное. В северной части озеро подпружено плотиной.
Воды относятся к типу нейтрально-щелочных. Отмечено повышенное содержание гуми-
новых веществ. Биогенные вещества представлены легко- и трудноокисляемыми органическими веществами, железом, кремнием, соединениями азота и фосфора. В концентрациях, превышающих допустимые рыбохозяйственные нормативы, содержались ионы хрома 6+ и 3+.
Верхний пруд-водохранилище Щелоковско-го хутора. На границе Советского и Приокско-го районов Нижнего Новгорода между Сахарным долом и Дубенками расположен Щелоков-ский хутор - естественный массив широколиственного леса. В его северной части с юго-запада на северо-восток протянулся каскад из 3-х прудов-водохранилищ общей длиной около 2-х км, созданный в 1963-1967 гг. на ^знечихинском ручье - правом притоке р. Старки, впадающей в р. Рахму. Возведение прудов-водохранилищ осуществлялось путем сооружения 3-х земляных дамб (плотин) и коллекторов, служащих для саморегулирования уровенного режима прудов в соответствии с величиной притока к ним. Верхний пруд-водохранилище является первым в каскаде водохранилищ.
По данным протокола результатов анализа вод Верхнего пруда-водохранилища Щелоков-ского хутора, ни по одному из анализируемых химических веществ не наблюдалось превышения значения ПД^ Содержание нитратов, хлоридов и сульфатов составляло 16±2, 60±6 и 56±6 мг/дм3 соответственно. Содержание тяжелых металлов, таких как медь и свинец, не превышало 0.002 мг/дм3.
Результаты и их обсуждение
Видовой состав и количественное развитие. В целом во всех исследуемых водных объектах было обнаружено 34 вида донных беспозвоночных, относящихся к 24 семействам, 11 отрядам, 7 классам и 3 типам. Большинство из встреченных видов было обнаружено исключительно в качественных пробах. Обнаруженные таксономические группы являются типичными представителями донной фауны Европейской части России. Наибольшее количественное развитие получили олигохеты, обнаруженные во всех водоемах. Среди них - устойчивый к загрязнениям вид - Tubifex tubifex (Muller), который явно доминирует по численности в озерах
Н. Новгорода. Также обычны другие представители олигохет - Limnodrillus hoffmeisteri (Claparede), Isochaetides columbensis (Muller).
Представители отряда Diptera (двукрылые) наиболее обширно представлены в водной системе Нижнее Песчаное озеро - Сормовский канал. Из этого отряда наиболее много-
Таблица 1
Структурные характеристики макрозообентоса исследуемых водоемов в течение сезона
Водоем Время сбора проб Индекс Шеннона Биомасса, г/м2 Численность, экз/м2 Число видов
Нижнее Песчаное озеро Лето 1.37±0.58 6.31±3.17 1070±327 15
Осень 1.11 ±0. 19 1.91±0.57 260±140 6
Сезон 1.27±0.36 3.63±2.05 725±349 17
Сормовский магистральный канал Лето 0.92 0.99±0.23 110±10 4
Осень 0.81 0.73±0.59 100±60 3
Сезон 0.86±0.05 0.68±0.0085 110±5.77 6
Ворсменское* озеро Лето 0/0.81 0.70/2.24 60/160 15
Осень 0 0.30/1.2 30/120 7
Сезон 0/0.81 0.50/1.72 45/140 16
Верхний пруд-водохранилище Ще-локовского хутора Весна 2.21±0.29 17.51±14.79 1460±900 12
Лето 1.97±0.18 20.06±18.36 840±600 10
Осень 2.35±0.48 11.35±8.49 700±260 11
Сезон 2.18±0.11 16.31±2.59 1000±233 17
* Приведены макс./мин. значения биомассы, численности и индекса Шеннона.
численны в водоемах Н. Новгорода виды Chaoborus sp. и Chironomus gr. plumosus (Linne). В исследуемых водоемах обнаружены 10 видов моллюсков, относящихся к 6 семействам. Наиболее часто встречающимся видом был представитель отряда Ectobranchia - Val-vata depressa (Pfeiffer). Также были встречены представители семейств Bithyniidae, Pisidiidae - Sphaerium nucleus (Studer), Sphaeriastrum rivicola (Lamark) и др. Наибольшее количественное развитие моллюски получили в Верхнем пруду-водохранилище Щелоковско-го хутора. Из представителей класса Hiru-dinea в Нижнем Песчаном озере, Ворсмен-ском озере и пруду Щелоковского хутора были обнаружены два вида - Glossiphonia com-planata (Linne) и Erpobdella octoculata (Linne). Водяные клещи (отр. Hydracarina) составляли значительную часть биомассы зообентоса Нижнего Песчаного озера и пруда-водохранилища Щелоковского хутора. В литоральной зоне Ворсменского озера и Нижнего Песчаного озера были встречены поденки Baetis rhodani и Caenis macrura (Linne).
В целом во всех водоемах наибольшее развитие получили представители типов Annelida и Mollusca. Самым бедным по числу видов оказался Сормовский магистральный канал, там были обнаружены всего 6 видов донных беспозвоночных. В Нижнем Песчаном озере, Верхнем пруду-водохранилище и озере Ворсмен-ском обнаружены по 17 видов зообентонтов. При этом в составе донных сообществ Ворсменского озера 15 из 17 видов встречались исключительно в литоральной зоне. Крайняя бедность видового состава глубоководных участков профундали объясняется, по-видимому,
напряженным кислородным режимом и наличием сероводородной зоны.
Наибольшее среднесезонное значение индекса видового разнообразия Шеннона было отмечено для Верхнего пруда-водохранилища Щело-ковского хутора (2.18), наименьшее - для Ворсменского озера (0.81). Среднесезонные значения численности и биомассы достигали наивысших значений в Верхнем пруду-водохранилище Щелоковского хутора (1000±233 экз/м2 и 16.31±2. 59 г/м2 соответственно) в основном за счет массового развития олигохет и моллюсков. Наименьшая биомасса и численность зообентоса наблюдались в Ворсменском озере (0.50 г/м2 и 45 экз/м2 соответственно). Тенденция увеличения численности и биомассы во всех водоемах наблюдалась в летний период. Основные структурные характеристики макрозообентоса исследуемых водных объектов представлены в табл. 1.
Анализ биоценотического сходства. С целью оценки биоценотического сходства исследуемых водоемов был рассчитан индекс Серен-сена. В ходе анализа дополнительно были использованы данные по видовому составу озер Н. Новгорода и Дзержинска, исследовавшихся в период с 1999 по 2005 гг. На основе индекса биоценотического сходства Серенсена по видам макрозообентоса был проведен одномерный кластерный анализ, в результате которого выявлено разбиение изучаемых водных объектов на 3 кластера (рисунок). В первый кластер отошли озера Счастливое, Парковое, Земснаряд, Больничное, Дунайка, Святое и Круглое. Наибольшее сходство наблюдается между озерами Счастливое и Дунайка (64.7%), Также значительное сходство обнаружено между озерами
Рис. Дендрограмма биоценотического сходства макрозообентоса исследуемых водоемов по индексу Серенсена, построенная методом одиночного присоединения (1 - Нижнее Песчаное озеро, 2 - Сормовский магистральный канал, 3 - Ворсменское озеро, 4 - Верхний пруд-водохранилище Щелоковского хутора, 5 - озеро Счастливое, 6 -озеро Парковое, 7 - озеро Земснаряд, 8 - озеро Больничное, 9 - озеро Дунайка, 10 - озеро Святое, 11 - озеро Круглое)
Парковым и Земснаряд (48.2%). Во второй кластер вошли следующие водоемы Н. Новгорода: Нижнее Песчаное озеро, Сормовский магистральный канал и Верхний пруд Щелоковского хутора. Сходство обусловлено, в основном, доминированием олигохет. В третий кластер вошел один водоем - Ворсменское озеро (рисунок).
Оценка доминантности видов. Расчет индекса доминирования позволил выделить основные виды-доминанты для исследуемых водных объектов. Для Нижнего Песчаного озера, Сормовского канала и Верхнего пруда Щело-ковского хутора наиболее высокий показатель индекса у представителя класса Oligochaeta — Tubifex tubifex ^ = 31.9, 17.86 и 11.94 соответственно). Субдоминантами оказались Lmnodrittus hoffmeisteri {й = 3.29) и Chironomus plumosus {й = 2.35) для Нижнего Песчаного озера, Chironomus plumosus {й = 8.93) и Chaoborus sp. (й = 2.69) для Сормовского магистрального канала, Bithynia tentaculata {й = 7.33) и представитель отряда Hydracarina {й = 3.9) для Верхнего пруда-водохранилища Щелоковского хутора.
Статистический анализ. Перед проведением статистического анализа необходима проверка на нормальность распределения количественных характеристик (численности и биомассы), что было осуществлено с помощью теста Шапиро-Уилка. Тест показал, что значения численности нормально распределены во всех водоемах. Значения биомассы зообентоса Нижнего Песчаного и Ворсменского озер распределены ненормально. Далее был проведен тест Левена на равенство дисперсий для значений численности и биомассы зообентоса исследуемых водоемов. Тест Левена показал статистически значимые (по численности р = 0.03, по био-
массе р < 0.01) различия дисперсий сравниваемых показателей. Таким образом, применение дисперсионного анализа не обосновано. Был использован непараметрический аналог дисперсионного анализа - критерий Краскела - Уоллиса.
Тест Краскела - Уоллиса показал, что исследуемые водоемы статистически значимо отличаются друг от друга по численности и биомассе (Н = 10.82, р = 0.013 и Н = 12.07, p = 0.007 соответственно).
С целью выяснения, какие именно водоемы отличаются друг от друга, было проведено парное сравнение групп с использованием непараметрического теста Манна - Уитни (табл. 2).
Тест Манна - Уитни показал, что имеются значимые различия между количественными характеристиками (численность и биомасса) зообентоса Сормовского магистрального канала и остальными изученными водоемами. Сормовский магистральный канал является единственным водотоком из всех исследуемых объектов и испытывает большой антропогенный пресс.
Оценка качества воды исследуемых водных объектов. Анализ качества воды проводили с помощью трех широко используемых в гидробиологии индексов: индекс видового разнообразия Шеннона, индекс сапробности Пантле -Букка в модификации Сладечека и биотический индекс Вудивисса.
Нижнее Песчаное озеро. Метод вычисления сапробности является одним из наиболее простых методов интерпретации результатов са-пробиологического анализа. Данный индекс, рассчитанный по численности видов, характеризует Нижнее Песчаное озеро как а-мезоса-пробный водоем в течение всего сезона.
Таблица 2
Результаты парного сравнения водоемов с помощью теста Манна - Уитни
Структурные характеристики Водные объекты Сормовский магистральный канал Ворсменское озеро Верхний пруд-водохранилище Щелоковского хутора
Численность Нижнее Песчаное озеро 0.0163 1.0000 0.6889
Сормовский магистральный канал - 0.0131 0.0039
Ворсменское озеро - 0.6889
Биомасса Нижнее Песчаное озеро 0.0104 1.0000 0.2002
Сормовский магистральный канал - 0.0202 0.0039
Ворсменское озеро - 0.2002
Жирным шрифтом выделены статистически значимые различия.
Таблица 3
Оценка качества воды исследуемых водных объектов с помощью гидробиологических индексов в течение сезона
Водоем Индексы Время отбора проб Сапробности Вудивисса
значение индекса зона сапробности значение индекса класс качества воды
Нижнее Песчаное озеро Лето 3.13±0.50 a-мезосапробная 2 V,грязная
Осень 3.35±0.45 a-мезосапробная 2 V,грязная
Сезон 3.20±0.34 a-мезосапробная 3 V,грязная
Сормовский магистральный канал Лето 3.75±0.05 полисапробная 1-2 V,грязная
Осень 3.8 полисапробная 2 V,грязная
Сезон 3.77±0.03 полисапробная 1-2 V,грязная
Ворсменское озеро Лето 2.93 a-мезосапробная 0-2 ^У[, очень грязная
Осень 2.25 Р-мезосапробная 0-1 VI, очень грязная
Сезон 2.59 a-P-мезосапробная 0-2 ^У[, очень грязная
Верхний пруд-водохранилище Весна 2. 8±0. 10 a-мезосапробная 2 V,грязная
Лето 2.52±0.30 a-мезосапробная 2 V,грязная
Осень 2.1±0.08 Р-мезосапробная 2 V, грязная
Сезон 2.5±0.20 a-P-мезосапробная 2 V,грязная
Колебания индекса Вудивисса в течение сезона были незначительными. На относительно глубоководных участках индекс принимал значения от 1 до 2, что соответствует V классу качества воды и характеризует воду Нижнего Песчаного озера как «грязную». Воды литорали индекс Вудивисса характеризовал как чистые, что соответствует II классу качества воды. Значения индекса Шеннона (1.27±0.36) характерны для загрязненных вод.
Сормовский магистральный канал. Индекс сапробности, рассчитанный по численности видов, характеризует воду Сормовского магистрального канала как полисапробную на протяжении всего сезона. Индекс Вудивисса принимал значения от единицы до двух, что характеризует воду как грязную и соответствует V классу каче-
ства воды. Значения индекса Шеннона (0.86±0.05) относят воду Сормовского магистрального канала к категории грязных вод.
Ворсменское озеро. Поскольку в донных биоценозах преимущественное развитие получили гидробионты, являющиеся а- и Р-сапро-бионтами, индекс сапробности, рассчитанный по численности видов, имеет значения в пределах 2.93-2.25 и характеризует водный объект как «загрязненный» - «тяжело загрязненный». Биотический индекс Вудивисса, величина которого в бентали колебалась от 0 до 2, характеризует качество воды V-VI классами и относит придонные слои воды к разряду «грязных» - «очень грязных». В литоральной зоне индекс Вудивисса достигал 7 и характеризовал воду как чистую, II
класса качества. Индекс Шеннона равнялся 0.81, что характерно для грязных вод.
Верхний пруд-водохранилище Щелоковского хутора. Среди бентосных организмов-индикаторов степени сапробности преобладали полисапробион-ты и а-Р-мезосапробионты. Индекс сапробности Пантле - Букка, рассчитанный по численности видов, в придонных слоях колебался от 2.2 до 2.9 и характеризовал водоем как «загрязненный».
Биотический индекс Вудивисса в течение всего сезона был равен 2, на основании чего Верхний пруд-водохранилище отнесен к V классу качества воды и характеризуется как «грязный». Индекс Шеннона отличался относительным постоянством (2.18±0.11) и характеризовал воду как «загрязненную».
Таким образом, по степени сапробности наиболее загрязненным водоемом является Сормовский магистральный канал, по значениям индекса Вудивисса - Ворсменское озеро.
Оценка качества воды исследуемых водных объектов по различным гидробиологическим индексам в течение сезона представлена в табл. 3.
Список литературы
1. Смирнова Н.Ф., Тимм В.Я. Антропогенное воздействие на малые озера. Л.: Наука, 1980. 172 с.
2. Тимм Т.Э. Малощетинковые черви (Oligo-chaeta) водоемов Северо-Запада СССР. Таллин: Вал-гус, 1987. 299 с.
3. Балушкина Е.В. Применение интегрального показателя для оценки качества вод по структурным характеристикам донных сообществ // Тр. Зоологического института РАН. 1997. Т. 272. С. 266-291.
4. Milbrink G. Communities of Oligochaeta as indicators of the water quality in Lake Hjalmaren // Zo-onews. 1973. V. 1. № 1. Р. 77-88.
5. Попченко В.И. Мониторинг макрозообентоса // Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. СПб.: Г идрометеоиздат, 1992. С. 64-104.
6. Мэгарран Э. Экологическое разнообразие и его измерение. М.: Мир, 1992. 181 с.
7. Макрушин А.В. Биологический анализ качества вод. Л.: Наука, 1974. 60 с.
8. Песенко Ю.И. Принципы и методы количественного анализа в фаунистических исследованиях. М.: Наука, 1982. 287 с.
9. Гланц С. Медико-биологическая статистика. М: Практика, 1999. 459 с.
10. Sladecek V. System of water quality from biological point of view // Arch. Hudrobiol. 1973. Bd. 7. H. 7. S. 808-816.
11. Wegl R. Index fuer die Limnosaprobitaet // Was-ser und Abwasser. 1983. Bd. 26. №. 1. S. 175.
12. Woodiwiss F.S. The biological System of Stream classification used by the Trent River Board // Chemistry and Industry. 1964. V. 11. P. 443-447.
STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF MACROZOOBENTHOS AND THE ASSESSMENT OF WATER QUALITY IN RESERVOIRS OF NIZHNI NOVGOROD AND THE NIZHNI NOVGOROD REGION
D.A. Pukhnarevich
An analysis of structural characteristics of benthic communities has been made on the basis of our own investigation results of macrozoobenthos in reservoirs subjected to anthropogenic load. The class of water quality has been established and the current environmental situation has been characterized.
Keywords: macrozoobenthos, structural characteristics.
