ГЛАВНАЯ » ОБЗОРЫ И СТАТЬИ » СТАТЬИ » ИСКОПАЕМЫЕ ВОДОРОСЛИ » Преимущества нового способа реконструкции pH по диатомовым комплексам из озерных осадков (сравнительный анализ)

по Материалам Международной конференции «Экологическая физиология водных фототрофов: распространение, запасы, химический состав и использование»
V Сабининские чтения 29 ноября 2016 - 29 января 2017


Преимущества нового способа реконструкции pH по диатомовым комплексам из озерных осадков (сравнительный анализ)

Advantages of the new method of pH reconstruction using diatoms from lake sediments (comparative analysis)

 

Разумовский Л.В.

Lev V. Razumovskiy

 

Институт водных проблем РАН (г. Москва)

 

УДК 574.5+561.26+556.551

 

В работе анализируются преимущества нового способа реконструкции pH озерных вод, основанного на авторском принципе унификации биоиндикационных методик. Проводится сравнительный анализ с другими способами биоиндикации по диатомовым комплексам. Делается вывод, что данные способы имеют региональную приуроченность. Предлагаемый метод подразумевает анализ смещения pH во времени (тренд), а не реконструкцию численных значений.

Ключевые слова: закисление вод; озера; биоиндикация; диатомовые водоросли..

 

Одной из наиболее значимых и востребованных геоэкологических проблем второй половины 20-го столетия был вопрос об антропогенном закислении озер. В начале 21-го столетия стало очевидным, что данная проблематика должна обсуждаться на региональном уровне, поскольку сочетание природных и антропогенных факторов для каждого региона разительно отличается. Соответственно и выводы о темпах и наличии антропогенного закисления для каждого региона могут быть абсолютно разными. Это позволило более взвешенно обсудить в научном контексте проблему антропогенного закисления, а также преимущества и недостатки применяемых методик биоиндикации при палеореконструкциях и долговременных прогнозах.

В свою очередь, это привело к обоснованному выводу о необходимости унификации имеющихся методов биоиндикации в целом и принципов реконструкции численных значений pH в частности.

При оценке трансформаций, происходящих в озерных экосистемах во времени и пространстве, традиционно используется метод диатомового анализа. Диатомовые водоросли (класс Bacillariophyceae, отдел Ochrophyta) – широко распространенная группа водорослей, которая хорошо сохраняется в озерных осадках благодаря наличию кремнеземного панциря.

Наличие широкого спектра видов-индикаторов по приуроченности к тем или иным значениям pH в сочетании с авторским принципом унификации биоиндикационных методов, позволили достоверно сопоставить и реконструировать долговременные тенденции изменения этого параметра для равнинных озер Европейской части России (Разумовский, 2008 а, б; Разумовский, Гололобова, 2008). Этот методологический подход был избран и при оценке возможных процессов закисления в районах расположения горных озер Кавказа (Моисеенко и др., 2003; Моисеенко, Разумовский, 2009, 2010).

Для того, чтобы объективно оценить преимущества и недостатки предлагаемого способа реконструкции pH, в работе проведен совместный анализ авторской методики реконструкции pH и тех методик, которые пользуются наибольшим признанием среди научной общественности (индексы B и α) (Nygaard, 1956; Renberg, Hellberg, 1982).

 

Материал и методы

Структуру и объем первичного материала составили образцы озерных осадков из колонок донных отложений (ДО) двух озер, расположенных на территории Западного Кавказа (озера Большое и Кардывач), а также опубликованные результаты исследований двух озер на Кольском полуострове: озера в Чуна-Тундре и оз. Сердцевидное (Моисеенко и др., 1997, 2003).

При расчете численных значений были применены расчеты индексов B и α. Оба индекса основаны на расчетах процентного содержания створок диатомей, относящихся к различным группам (категориям) по их pH-приуроченности (Hustedt, 1939).

По своей pH-приуроченности диатомовые водоросли традиционно разделяются на 5 групп: ацидобионты (оптимальное развитие при pH ниже 7), ацидофилы (широкое, диффузное распространение при pH менее 7), алкалибионты (оптимальное развитие при pH выше 7), алкалифилы (широкое, диффузное распространение при pH выше 7), индифференты, или циркумнейтралы (равномерное развитие при pH около 7).

Индекс α рассчитывается, как соотношение кислотных и щелочных единиц (Nygaard, 1956):

α = кислотные единицы / щелочные единицы .

Под терминами «кислотные единицы» и «щелочные единицы» подразумевается следующее:

кислотные единицы = 5 (ациобионтическая категория) + ацидофильная категория, %;

щелочные единицы = 5 (алкалобионтическая категория) + алкалифильная категория, %.

Процентное содержание створок в двух крайних категориях, ациобионтической и алкалобионтической произвольно увеличиваются в пять раз, поскольку диатомеи в этих категориях являются более значимыми индикаторами pH.

Предложенный и внедренный индекс B был так же основан на использовании категорий диатомовых по отношению к pH (Renberg, Hellberg, 1982):

Индекс B имеет ряд преимуществ по сравнению с индексом α ввиду использования большего количества информации и меньшей зависимости от щелочных таксонов, которые обычно встречаются редко или отсутствуют в закисленных озерах (Кислотные выпадения…, 1990).

Помимо этого, для расчета численных значений pH в работе был применен авторский принцип унификации биоиндикационных методов (Моисеенко, Разумовский, 2009).

Принцип унификации состоит в следующем. В качестве образца взята методика расчета индекса сапробности (S) по Сладечеку (Slàdeček, 1973):

где s– индивидуальное численное значение для каждого таксона-индикатора, а k – коэффициент относительного обилия, рассчитанный по шестиступенчатой шкале (Руководство…, 1992).

При расчете pH применен аналогичный метод, что и при расчете численных значений S:

 где phi  – индивидуальные численные значения для каждого таксона-индикатора.

При наличии данных, представленных для данного таксона в виде численного интервала, рассчитывается его среднее значение: 

Исходной информационной базой данных для расчета численных значений pH послужила работа С.С. Бариновой с соавт. (Баринова и др., 2006).

Определение возраста ДО было проведено методом изотопного датирования (137Cs, 210Pb) в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН по стандартным методикам (Appleby, Oldfield, 1978; Appleby, 1997).

 

Результаты и обсуждение

Для демонстрации объективности предложенной авторской методики, был проведен сравнительный анализ с результатами расчетов индекса B для двух озер, расположенных на Кольском п-ве: озера в Чуна-Тундре и оз. Сердцевидного. Расчет проводился по тому же, опубликованному, первичному списку таксонов-индикаторов, что исключало любые разночтения (Моисеенко и др., 1997, 2003).

При применении новой методики была получена сходная, но более детальная картина изменения численных значений pH по разрезам колонок из озера в Чуна-Тундре и оз. Сердцевидного (рис. 1). Кроме того, в результате применения двух различных методик, был получен доверительный интервал, определяющий динамику изменения во времени уровня pH в этих озерах. Наиболее важным результатом была абсолютная сонаправленность (параллельность) полученных трендов изменения численных значений pH во времени.

В пробах из осадков оз. Большое было идентифицировано 58 таксонов-индикаторов pH, которые подразделяются на четыре группы: ацидофилы (30 таксонов), ацидобионты (1 таксон), алкалифилы (7 таксонов), алкалибионты (2 таксона) и индифференты (18 таксонов).

Расчет изменения численных значений pH по авторской методике не выявил значимых тенденций смещения этого показателя (тренда) ни в сторону защелачивания, ни в сторону закисления озерных вод (рис. 2а).

Реконструкция на основе индекса α оказалась невозможной из-за отсутствия во многих пробах представителей видов, предпочитающих щелочную среду (алкалифилов и алкалибионтов) (рис. 2а). Одна из многочисленных модификаций индекса α позволяет в этом случае проводить расчеты по соотношению «нейтральных» и «кислых» единиц, исходя из процентных пропорций между таксонам-индикаторами из соответствующих групп (αmod) (Merilainen, 1967; Huttonen, Merilainen, 1983; Кислотные выпадения, 1990). Построенный по рассчитанным значениям тренд свидетельствует о незначительной тенденции к защелачиванию озерных вод (рис. 2а).

 

Рис. 1. Расчет численных значений pH и трендов по диатомовым комплексам из ДО озера в Чуна-Тундре и оз. Сердцевидного: А – по авторской методике, В – по индексу α (Моисеенко, Разумовский, 2009).

Fig. 1. pH trend numerical value estimation by diatoms from lake sediments of Chuma-Tundre lake and Serdcevidnoe lake: A – by author’s method, B – by α index (Moiseenko, Rasumovskii, 2009).

 

Рис. 2. Расчет численных значений pH и трендов по диатомовым комплексам из ДО оз. Большого:
а) черными линиями () по авторской методике и пунктирными линиями (---) по индексу αmod,
б) серыми линиями () по индексу В и пунктирными линиями (---) индексу αmod.

Fig. 2. pH trend numerical value estimation by diatoms from lake sediments of Bol’shoe lake:
a) black line () by author’s method and dotted line (---) by index αmod, b) gray line () by index B and dotted line (---) by index αmod.

 

Расчет численных значений по индексу В привел к получению малодостоверных результатов, которые свидетельствуют о выраженном интенсивном защелачивании озерных вод (рис. 2б). Это не соответствует действительной обстановке в озере, исходя из значительного присутствия в пробах по всему разрезу колонки ацидофилов и ацидобионтов (20,8-58,9%) и незначительного количества представителей группы алкалифилов и алкалибионтов (0-5%).

В пробах из осадков оз. Кардывач было идентифицировано 173 таксона-индикатора pH, которые подразделяются на четыре группы: ацидофилы (25 таксонов), алкалифилы (61 таксон), алкалибионты (17 таксонов) и индифференты (70 таксонов).

Расчет численных значений pH, по методике предложенной автором, установил высокий уровень стабильности оз. Кардывач, как единой экосистемы (рис.3а, б). 

 

Рис. 3. Расчет численных значений pH и трендов по диатомовым комплексам из ДО оз. Кардывач:
а) черными линиями () по авторской методике и пунктирными линиями (---) по индексу αmod, б) черными линиями () по авторской методике и пунктирными линиями (---) по индексу α, в) черными линиями () по индексу В и пунктирными линиями (---) по индексу α.

Fig. 3. pH trend numerical value estimation by diatoms from lake sediments of Kardivach lake:
a) black line () by author’s method and dotted line (---) by index αmod, b) black line () by author’s method and dotted line (---) by index α, c) black line () by index B and dotted line (---) by index α.

 

Большинство рассчитанных значений pH меняются в очень незначительном интервале (7,38-7,22). Исключение составляет значение pH, рассчитанное для интервала 11-12 см (7,02). Однако это отклонение от остальных значений относительно невелико и не меняет общей картины стабильного катионно-анионного баланса в озере. Наиболее вероятно, что это отклонение связано с погрешностью при подсчете и идентификации створок диатомовых водорослей.

Для более корректной оценки возможных изменений катионно-анионного баланса, был проведен расчет соотношения «нейтральной» и «кислой» составляющей в анализируемых диатомовых комплексах (αmod). Аналогичные расчеты уже были проведены при анализе диатомовых комплексов из оз. Большого. Полученные результаты так же подтвердили высокий уровень стабильности катионно-анионного баланса на акватории оз. Кардывач (рис. 3а).

Наличие в диатомовом комплексе группы ацидофилов позволило сделать расчеты классического индекса α (соотношение «кислых» и «щелочных» единиц). По результатам этих расчетов на акватории озера происходит процесс постепенного, слабого защелачивания (рис. 3б). Однако индекс α обычно применяется для оценки скорости обратного процесса – закисления водоема (Кислотные выпадения…, 1990), поэтому полученный результат достаточно спорен.

Расчет индекса В позволил получить для оз. Кардывач более достоверные результаты, чем для оз. Большого. Полученные результаты подтверждают вывод о процессах слабого защелачивания озерных вод (рис. 3в). Необходимо также учитывать неполноту всех данных при расчете индекса В, поскольку ацидобионты в проанализированных пробах не отмечены.

Следует отметить, что в акватории оз. Кардывач доминируют две группы диатомовых водорослей: индифференты, предпочитающие нейтральную среду, и группа таксонов-индикаторов щелочной среды (алкалибионты и алкалифилы). Обе группы меняют свою относительную численность по разрезу колонки. При этом наблюдается высокий уровень отрицательной корреляционной зависимости между ними (– 0,88).

Диатомовые водоросли, предпочитающие кислую реакцию среды, также составляют значимое количество в осадках из оз. Кардывач. Динамика изменения относительной численности этой группы, по разрезу проанализированной колонки, весьма своеобразна. Изменение относительной численности имеет «компенсационный» характер. Иначе говоря, изменение относительной численности в этой группе водорослей приводит к минимизации изменения расчетных значений pH. Соответственно индексы корреляции с двумя основными индикационными группами невелики (– 0,1 с группой индифференов; – 0,3 с группой алкалифилов и алкалибионтов). 

 

Заключение

Полученные результаты позволили усомниться в обоснованности применения для других ландшафтно-климатических зон (Западный Кавказ) индексов α и В, разработанных для северных озер. Более того, спорными являются обоснованность введения самих произвольных коэффициентов для различных групп таксонов-индикаторов по их pH-приуроченности, как таковых. Вероятно, включение в формулы расчетов упомянутых коэффициентов преследовало цель максимального соответствия значений pH в современных озерах с теми данными, которые были получены при помощи диатомового анализа. Это особенно наглядно прослеживается на примере упомянутых коэффициентов в формуле при расчете индекса В. Очевидно, что для озер Скандинавии и сопредельных территорий, где эти индексы были разработаны, их эффективность была максимальна. Однако при значительном удалении и использовании этих индексов в иных ландшафтно-климатических зонах, их эффективность и показательность уменьшалась. Очевидно, что в данном случае для каждой ландшафтно-климатической зоны необходимо введение иных численных значений (коэффициентов) в расчетные формулы этих индексов.

Предлагаемая авторская методика лишена этого недостатка по двум основополагающим причинам. Во-первых, проводится реконструкция темпов и направленности изменения pH, а не расчет численных значений как таковых. Во-вторых, расчеты проводятся без исходного, формализованного разделения видов индикаторов на пять групп, а исключительно на основе индивидуальной приуроченности каждого-таксона индикатора к тому или иному интервалу pH.

 

Выводы

1. Проведенные исследования продемонстрировали достоверность авторского метода расчета численных значений pH для долговременных реконструкций.

2. Индексы В и α имеют региональную приуроченность и существенно утрачивают свою информативность в других ландшафтно-климатических зонах (Западный Кавказ).

3. Для озер, расположенных в районе Западного Кавказа, характерно отсутствие заметных изменений показателя pH в новейшее время.

 

Список литературы

1. Баринова С.С., Медведева Л.А., Анисимова О.В. Биоразнообразие водорослей – индикаторов окружающей среды. – Тель-Авив, 2006. – 500 с.

2. Кислотные выпадения. Долговременные тенденции / Пер. с англ. под ред. Ф.Я. Ровинского, В.И. Егорова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 440 с.

3. Моисеенко Т.И., Даувальтер В.А., Каган Л.Я. Горные озера, как индикаторы загрязнения воздуха // Водные ресурсы. 1997. Т.24, №5. С. 600-608.

4. Моисеенко Т.И., Разумовский Л.В. Новая методика реконструкции катионно-анионного баланса в озерах (диатомовый анализ) // Доклады академии наук. Общая биология. 2009. Т. 427, №1. С. 132-135.

5. Моисеенко Т.И., Разумовский Л.В. Горные озера как индикаторы загрязнения атмосферы / Гл. 8, в кн.: Моисеенко Т.И., Гашкина Н.А. Формирование химического состава вод озер в условиях изменения окружающей среды. – М.: Наука, 2010. – С. 219-240.

6. Моисеенко Т.И., Разумовский Л.В., Каган Л.Я. Биоиндикация pH и ее приложение к историческим реконструкциям / Гл. 8, в кн.: Моисеенко Т.И. Закисление вод: Факторы механизмы и экологические последствия. — М.: Наука, 2003. – С. 174-199.

7. Разумовский Л.В. Новейшая история озера Борое по результатам диатомового анализа // Водные ресурсы. 2008. Т. 35, № 1. С. 98-109.

8. Разумовский Л.В. Реконструкция температурных циклов и сукцессионных изменений по диатомовым комплексам из донных осадков на примере Галичского озера // Водные ресурсы. 2008. Т. 35, №6. С. 595-608.

9. Разумовский Л.В., Гололобова М.А. Реконструкция температурного режима и сопряженных гидрологических параметров по диатомовым комплексам из озера Глубокого // Водные ресурсы. 2008. Т.35, № 4. С. 490-504.

10. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. / Под ред. В.А. Абакумова. – С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992. – 320 с.

11. Appleby P.G. Sediment records of fallout radionuclides and their application to studies of sediment-water interactions // Water, Air and Soil Pollution. 1997. №99. P. 573-586.

12. Appleby P.G., Oldfield F. The calculation of lead-210 dates assuming a constant rate of supply of unsupported 210Pb to the sediment // Catena 5. 1978. P.1-8.

13. Hustedt F. Systematishe und ökologische Untersuchungen uber die Diatomeen – Flora von Java, Bali, und Sumatra nach dem Material der Deutschen Factorin und ihr Einfluss auf die Diatomeenflora // Arch. Hydrobiol. Suppl. 1939. №16. S. 247-394.

14. Huttonen P., Merilainen J. Interpretation of lake quality from contemporary diatom assemblages // Hydrobiologia. 1983. №103. P. 91-97.

15. Merilainen J. The diatom flora and the hydrogenion concentration of the water // Ann. Bot. Fenn. 1967. №4. P. 51-58.

16. Nygaard G. Ancient and recent flora of diatoms and Chrysophyceae in Lake Gribsø. In Studies on Homic, Acid Lake Gribsø / Eds. Berg K. and Peterson I.C. // Folia Limnol. Scand. 1956. № 8. P. 32-94.

17. Renberg I., Hellberg T. The pH history of lakes in south-western Sweden, as calculated from the subfossil diatom flora of the sediments // Ambio. 1982. №11. P. 30-33.

18. Slàdeček V. System of water quality from biological point of view // Arch. Hydrobiol. Ergeb. Limnol, 1973. – Sp.Is., V.7. – 218 p.

Статья поступила в редакцию 6.12.2016

 

Advantages of the new method of pH reconstruction using diatoms from lake sediments (comparative analysis)

Lev V. Razumovskiy

In this work author analyzes advantages of the new pH reconstruction method for lakes. It’s main feature is unification of bioindicative methods. Comparison with most common diatom bioindicative methods was made. Landscape climatic dependency was confirmed. The method involves analysis of pH changes in time and reconstruction of it’s actual numbers.

Key words: acidification; lakes; bioindication; diatoms.

 

Об авторе

Разумовский Лев Владимирович – Razumovskiy Lev V.

доктор географических наук
ведущий научный сотрудник, Институт водных проблем РАН, Москва, Россия (Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia)

lazy-lion@mail.ru

Корреспондентский адрес: 119333, Россия, г. Москва, ул. Губкина, 3; тел. 8-499-135-54-30.

 

ССЫЛКА НА СТАТЬЮ:

Разумовский Л.В. Преимущества нового способа реконструкции pH по диатомовым комплексам из озерных осадков (сравнительный анализ) // Вопросы современной альгологии. 2017. № 1 (13). URL: http://algology.ru/1091

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

 

 

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

 

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

 

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ








ГЛАВНАЯ

НОВОСТИ

О ЖУРНАЛЕ

АВТОРАМ

12 номеров журнала

ENGLISH SUMMARY

ОБЗОРЫ И СТАТЬИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ


АКВАРИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
И  ИХ  СОДЕРЖАНИЕ


КОНФЕРЕНЦИИ

АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЙ СЕМИНАР

СТУДЕНЧЕСКИЕ РАБОТЫ

АВТОРЕФЕРАТЫ

РЕЦЕНЗИИ


ПРИЛОЖЕНИЕ к журналу:


ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОПРЕДЕЛИТЕЛИ И МОНОГРАФИИ

ОТЕЧЕСТВЕННАЯ АЛЬГОЛОГИЯ
СЕГОДНЯ


ИСТОРИЯ АЛЬГОЛОГИИ

КЛАССИКА
ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АЛЬГОЛОГИИ


ПУБЛИКАЦИИ ПРОШЛЫХ ЛЕТ

ВЕДУЩИЕ АЛЬГОЛОГИЧЕСКИЕ
ЦЕНТРЫ


СЕКЦИЯ  АЛЬГОЛОГИИ  МОИП

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫЙ РАЗДЕЛ

СЛОВАРИ И ТЕРМИНЫ



НАШИ ПАРТНЕРЫ


ПРЕМИИ

КОНТАКТЫ

Новые публикации



Карта сайта






Рассылки Subscribe.Ru
Журнал "Вопросы современной альгологии"
Подписаться письмом


Облако тегов:
микроводоросли    макроводоросли    пресноводные    морские    симбиотические_водоросли    почвенные    Desmidiales(отд.Сharophyta)    Chlorophyta    Rhodophyta    Phaeophyceae    Диатомеи     Dinophyta    Prymnesiophyta_(Haptophyta)    Cyanophyta    Characeae    бентос    планктон    перифитон    кокколитофориды    Экология    Систематика    Флора_и_География    Культивирование    Химический_состав    Минеральное_питание    Ультраструктура    Загрязнение    Биоиндикация    Размножение    Морфогенез    Морфология_и_Морфометрия    Физиология    Морские_травы    Использование    ОПРЕДЕЛИТЕЛИ    Фотосинтез    Фитоценология    Черное_море    Белое_море    Баренцево_море    Дальний_Восток    Азовское_море    Каспийское_море    Чукотское_море    КОНФЕРЕНЦИИ    ПЕРСОНАЛИИ    ИСТОРИЯ    РЕЦЕНЗИЯ    Биотехнология    Динамические_модели    Экстремальные_экосистемы    Ископаемые_водоросли    Сезонные_изменения    Биоразнообразие    Аральское_море    

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147