с международным участием «Водоросли: проблемы таксономии и экологии, использование в мониторинге и биотехнологии» (12–18 сентября 2022, Москва, Россия) Фитопланктон озер города Мурманска в оценке качества вод урбанизированных территорий
Денисов Д.Б. Dmitrii B. Denisov
Институт проблем промышленной экологии Севера – обособленное подразделение ФИЦ «Кольский научный центр РАН» (Апатиты, Россия)
УДК 504.03:504.4.062.2
Проведены первые комплексные исследования сообществ фитопланктона озер города Мурманска. Выявлены значительные отличия видового состава и структуры водорослей и цианопрокариот от типичных, характерных для удаленных от источников прямого загрязнения водоемов региона. В некоторых озерах наблюдалась ежегодная смена доминирующих по численности таксонов, что отражает высокую степень дестабилизации условий водных экосистем. Основной причиной наблюдаемых изменений следует считать резкую смену гидрохимических условий, в первую очередь – динамику концентрации биогенных элементов, как следствие антропогенного загрязнения вод. Значимым фактором также является токсическое воздействие целого ряда микроэлементов, включая тяжелые металлы, концентрация которых в воде исследованных водоемов может многократно превышать фоновые. В составе фитопланктона оз. Семеновское доминируют цианопрокариоты, включая виды, способные вызывать цветение воды и являющиеся потенциально токсичными для водных организмов и человека. Отмечен высокий биоиндикационный потенциал сообществ фитопланктона урбанизированных территорий арктической зоны, что необходимо учитывать при решении задач оценки качества вод и нормирования антропогенной нагрузки на водные ресурсы. Ключевые слова: антропогенное загрязнение; биоиндикация; пресноводные альгоценозы; цианопрокариоты; Арктика; Мурманск
Введение Разработка и совершенствование систем биоиндикации на основе водорослевых сообществ является важнейшим научным направлением в связи с мощным развитием промышленности и освоением стратегических ресурсов Арктической зоны РФ. В этой связи перспективными представляются исследования водорослевых сообществ, развивающихся в водных экосистемах урбанизированных территорий. Мурманск является одним из крупнейших городов мира, расположенным за Северным полярным кругом, и принадлежит к региону с высокой концентрацией промышленных объектов. Основными источниками загрязнения окружающей среды в Мурманске являются предприятия теплоэнергетики, работающие на мазутном топливе, автомобильный транспорт, а также сточные воды местных предприятий – ОАО «Завод ТО ТБО», ПАО «Мурманская ТЭЦ», ОАО «Мурманоблгаз» и др. Долговременная антропогенная нагрузка привела к кардинальному изменению гео- и гидрохимических условий формирования качества вод и донных отложений озер на территории города. В воде и донных отложениях отмечены высокие концентрации биогенных элементов, нефтяных углеводородов, а также токсичных микроэлементов – V, Ni, Cu, Zn, Co, As, Mo, W и др. (Guzeva et al., 2020; Даувальтер и др., 2021; Postevaya et al., 2021). В свою очередь, это повлекло за собой изменения в видовом составе и структуре сообществ фитопланктона. Большая часть предыдущих исследований альгоценозов на территории г. Мурманска была посвящена макрофитам акватории Кольского залива Баренцева моря. Данные о пресноводной альгофлоре городских озер практически отсутствуют или являются фрагментарными. Так, некоторые сведения о гидробионтах мурманских водоемов были получены студентами Мурманского государственного технического университета (Минченок, Пахомова, 2016).
Материалы и методы Отбор и анализ проб фитопланктона был осуществлен стандартными, общепринятыми в гидробиологической практике методами, адаптированными к условиям Арктики, по схеме, принятой в ИППЭС КНЦ РАН (Методы …, 2019). Основная часть проб для анализа была отобрана из фотического слоя в интервале 0–5 м (если позволяла глубина водоема) с помощью батометра с последующим процеживанием через планктонную сеть с размером ячеи 29 мкм. Эта же сеть была использована для получения качественных проб. Ежегодная съемка в период с 2018 по 2020 гг. проводилась во второй половине июля, в период интенсивного развития сообществ фитопланктона. В 2018 г. был исследован фитопланктон озер Среднее, Южное, Окуневое, Северное, Семеновское и Ледовое; в 2019 г. были отобраны пробы из оз. Треугольное, в 2020 – из оз. Рогозеро (рис. 1). Биологический материал фиксировали в растворе Люголя, в некоторых случаях были изучены нефиксированные образцы с целью таксономического определения деформирующихся от фиксатора представителей фитопланктона. Рис. 1. Карта-схема района работ и расположение озер: 1 – Среднее, 2 – Южное, 3 – Окуневое,
Пробы планктона концентрировали в лабораторных условиях седиментационным (отстойным) методом. Биомассу фитопланктона подсчитывали счетно-объемным методом на основе определения индивидуального объема клеток (или плотных колоний) каждого вида, рассчитанного по формулам объема сходных геометрических фигур (Гусева, 1959; Кузьмин, 1984; Tikkanen, 1986). Подсчет численности и таксономическую идентификацию водорослей и цианопрокариот осуществляли в камере Нажотта объемом 0,1 мл на световых микроскопах «Motic BA300» и «Nikon Eclipse E200» с иммерсионными объективами. Названия таксонов были приведены в соответствие с международной альгологической базой данных (Guiry, Guiry, 2022). Обработка планктонных проб, определение видов и необходимые расчеты проводили по общепринятым методикам гидробиологического мониторинга (Руководство .., 1992; Методы …, 2019). Отбор проб для исследования химического состава воды осуществлялся одновременно с отбором фитопланктона, с помощью пластикового батометра объемом 2 л, стандартными методами, описанными ранее (Методы …, 2019; Даувальтер и др., 2021). Аналитические исследования химического состава воды проводили в Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН (Апатиты) и в Институте геологии Карельского научного центра РАН (Петрозаводск). Химический состав воды определяли согласно методикам (Standard method…, 1999; Моисеенко и др., 2002).
Результаты и обсуждение За период исследований с 2018 по 2020 гг. всего в планктоне озер г. Мурманска было выявлено 210 таксонов водорослей и цианобактерий рангом ниже рода. Из них диатомовых (Bacillariophyta) – 57 таксонов; золотистых (Chrysophyceae) – 15; зеленых (Chlorophyta) – 53; динофлагеллят (Dinoflagellata) – 11; харовых (Charophyta) – 24; криптофитовых (Cryptophyta) – 5; эвгленовых (Euglenozoa) – 3; эустигматофитовых (Eustigmatophyceae) – 1; желто-зеленых (Xanthophyceae) – 1; цианобактерий (Cyanobacteria) – 40. Структура сообществ фитопланктона исследованных озер отличается присутствием значительной доли цианопрокариот, включая виды, способные вызывать цветение воды и являющиеся потенциально токсичными для водных организмов и человека, включая: Aphanocapsa planctonica (G.M.Smith) Komár. & Anag., Aphanizomenon gracile Lemm.; Dolichospermum solitarium (Klebahn) Wacklin, L.Hoffm. & Komár.; D. lemmermannii (Richter) P.Wacklin, L.Hoffm. & J.Komár.; D. affine (Lemm.) Wacklin, L.Hoffm. & Komár. (Белякова и др., 2006). В некоторых водоемах в отдельные годы была зарегистрирована высокая доля динофлагеллят и золотистых водорослей (рис. 2, а). Обращает на себя внимание сравнительно высокое таксономическое богатство зеленых водорослей, сопоставимое с таковым у диатомовых. Подобная структура сообществ фитопланктона зачастую характерна для более низких широт, например, реки Самара (Горохова, 2020) и урбанизированных рек Беларуси (Прибыловская и др., 2020). Наибольшее видовое богатство отдела зеленых водорослей (Chlorophyta) выявлено в оз. Семеновское. Сравнительно высоким оказалось флористическое сходство с типичными арктическими пресноводными альгоценозами у сообществ фитопланктона оз. Рогозеро, где доминировали диатомовые и золотистые водоросли, характерные для олиготрофных водоемов. Прочие исследованные озера характеризуются в различной степени антропогенно-трансформированными альгоценозами. Выявлены существенные изменения в структуре сообществ фитопланктона многих исследованных водоемов от года к году. Так, в оз. Ледовое ежегодно наблюдалась полная смена доминирующих видов фитопланктона (рис. 2, а). В 2018 г. в июле массово развивались криптофитовые водоросли (Cryptomonas marssonii Skuja), в 2019 – диатомовые (Diatoma tenuis C.Agardh) и динофлагелляты (Tyrannodinium edax (A.J.Schilling) Calado), в 2020 – диатомовые (Asterionella formosa Hass.) и золотистые (Dinobryon divergens Imh.). Кроме того, в 2020 г. в озере наблюдалось резкое падение уровня биомассы фитопланктона – на два порядка по сравнению с предыдущими годами (рис. 2, б). Значительные изменения в структуре сообществ наблюдались и в других озерах. Так, в оз. Северное с 2018 по 2020 гг. увеличилась доля золотистых водорослей наряду с сокращением диатомовых. Аналогично снизилась доля диатомовых водорослей в сообществах фитопланктона оз. Среднее. Сравнительно стабильные в качественном и количественном отношении сообщества развиваются в озерах Семеновское и Треугольное, где доминируют цианопрокариоты. Рис. 2. Сообщества фитопланктона озер г. Мурманска в различные годы: а) соотношение численности крупных таксономических категорий; б) биомасса (г/м3). 1 – Среднее, 2 – Южное,
Наблюдаемые изменения во многом оказались обусловлены гидрохимическими факторами. Химический состав воды озер г. Мурманска значительно отличается от состава озер ненарушенных территорий (Даувальтер и др., 2021). Определяющее значение для фитопланктона имели ежегодные изменения содержания биогенных элементов в воде. Так, максимальные концентрации соединений фосфора (до 45 мкгP/л) и азота (до 1600 мкгN/л) в оз. Ледовое в 2018 г. обусловили массовое развитие фитопланктона и экстремально высокий уровень биомассы – до 36,9 г/м3 (рис. 2, б). В последующие годы наблюдалось резкое снижение концентрации фосфатов, общего фосфора и аммиачного азота в воде озера, что привело к уменьшению биомассы фитопланктона. Наряду с этим, было отмечено увеличение суммарной концентраций токсичных металлов Co, Pb, Cr и Cd с 2018 по 2020 гг. более чем в 2 раза – с 1,5 до 5,1 мкг/л. В совокупности эти процессы, очевидно, явились причиной ежегодных кардинальных изменений в структуре сообществ и видовом составе планктонных альгоценозов (рис. 2). Важным обстоятельством следует также считать экстремально высокий уровень нитратов в воде оз. Ледового в июле 2020 г. – до 793 мкгN/л, что более чем в 6 раз превышает концентрации в других исследованных водоемах. Проф. С.С. Бариновой (Barinova, 2018), а также нашими исследованиями (Denisov et al., 2020) было показано, что нитратный азот полностью используется фотоавтотрофными организмами, если какое-либо иное воздействие, например, токсическое, не препятствует фотосинтетической активности. Резкая смена доминирующих в июле представителей фитопланктона была отмечена также для оз. Южное, где в 2018 г. активно развивались динофлагелляты (Ceratium hirundinella (O.Müll.) Dujardin) – до 65% в составе фитопланктона, в то время как в последующие годы возросла доля диатомовых – до 84% и 91% в 2019 г. и 2020 г. соответственно. Вероятно, эти изменения были обусловлены высокой токсичностью среды, из-за экстремальных концентраций свинца (до 30,6 мкг/л) в поверхностном слое воды оз. Южное в июле 2018 г. В этих условиях при угнетении функции фотосинтеза могли развиваться динофлагелляты, способные к гетерофтрофному питанию. Снижение концентраций свинца в последующие годы (до 0,03 мкг/л) позволило успешно развиваться диатомовым фотоавтотрофам (рис. 2, а). Авторами (Pal et al., 2020) было показано, что массовое развитие цианопрокариот обуславливает не только достаточное общее содержание биогенных элементов, но и низкая величина соотношения NO3-:NH4+. В оз. Семеновское, где значительную долю в составе фитопланктона составляют цианопрокариоты, за весь период наблюдений это соотношение было нулевым. При этом в оз. Треугольном, где также господствуют цианопрокариоты, соотношение NO3-:NH4+ варьировало с 0,01 до 3,15. При этом биомасса цианопрокариот была значительно ниже, чем в оз. Семеновское. Возможно, причиной этого является недостаток аммиачного азота в воде, содержание которого было на порядок ниже, чем в оз. Семеновское. Было установлено, что развитие уникальных для арктической зоны сообществ фитопланктона в оз. Семеновское, отличающихся высоким таксономическим богатством зеленых водорослей и цианопрокариот, в значительной мере зависит от величины pH и концентрации нитратного азота (рис. 3). При анализе изменений в структуре и видовом составе летнего фитопланктона малых арктических озер необходимо учитывать комплекс метеорологических факторов, изменения которых могут в значительной степени модулировать качественные и количественные показатели альгоценозов. Особенно это актуально для водоемов с низким уровнем водообмена и малой буферной емкостью. Следует принять во внимание, что отбор проб фитопланктона в период с 2018 по 2020 гг. на всех озерах осуществлялся во второй половине июля, когда на территории г. Мурманска устанавливалась жаркая погода (http://kolgimet.ru). Благодаря этому обстоятельству можно оценить полученные результаты как объективно сопоставимые.
Рис. 3. Зависимость биомассы фитопланктона (B, г/м3) от величины pH и содержания нитратов (NO3-, мкгN/л) в оз. Семеновское (2018–2020 гг.)
Трехлетние наблюдения за динамикой показателей фитопланктона позволяют заключить, что малые водоемы, подверженные многофакторной антропогенной нагрузке, отличаются заметными межгодовыми изменениями структурно-функциональных показателей сообществ фитопланктона от года к году. Это выражается в смене доминантных видов и резких колебаниях уровня биомассы, что свидетельствует о крайне нестабильных условиях развития фитопланктона.
Исследование выполнено в рамках в рамках государственного задания Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН (полевые работы), при частичной поддержке гранта № 19-77-10007 РНФ (химический анализ). Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.
Список литературы
Статья поступила в редакцию 20.06.2022
Об авторе Денисов Дмитрий Борисович – Dmitrii B. Denisov кандидат биологических наук proffessuir@gmail.com Корреспондентский адрес: 184209, Мурманская область, г. Апатиты, Академический городок, 14а. Телефон: (81555) 79776.
ССЫЛКА: Денисов Д.Б. Фитопланктон озер города Мурманска в оценке качества вод урбанизированных территорий // Вопросы современной альгологии. 2022. № 1 (28). С. 42–49. URL: http://algology.ru/1817 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-1(28)-42-49 EDN – MBZSNV При перепечатке ссылка на сайт обязательна Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно.
Phytoplankton of the Murmansk lakes in the urbanized territories water quality assessment Dmitrii B. Denisov Institute of the North Industrial Ecology Problems – Subdivision of FRS «Kola Science Center RAS» (Apatity, Russia)
The first comprehensive studies of phytoplankton of the Murmansk lakes have been carried out. Significant differences in the species composition and structure of algae and cyanoprokaryotes communities comparing with references were revealed. In some lakes, an annual change in the dominant taxa was observed, which reflects a high degree of destabilization of the aquatic ecosystems. The main reason for the observed changes should be considered a sharp change in hydrochemical parameters, primarily – the concentration of nutrients dynamics, because of anthropogenic water pollution. A significant factor is also the toxic effect of a number of trace elements, including heavy metals; the concentration in the water of the studied reservoirs can be many times higher than the references. Cyanoprokaryotes are dominated in Semenovskoye Lake, and bloom-causing potentially toxic species have been revealed. A high bioindicative potential of phytoplankton communities in the urbanized territories of the Arctic zone was noted, which must be taken into account when solving the problems of assessing water quality and normalizing the anthropogenic load on water resources. Key words: anthropogenic pollution; bioindication; Cyanobacteria; freshwater algocenoses; Arctic; Murmansk
References
Author Denisov Dmitrii B. ORCID – https://orcid.org/0000-0001-5403-5661; eLIBRARY Author ID - 158478. Institute of the North Industrial Ecology Problems KSC RAS (Apatity, Russia) proffessuir@gmail.com
ARTICLE LINK: Denisov D.B. Phytoplankton of the Murmansk lakes in the urbanized territories water quality assessment. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2022. № 1 (28). P. 42–49. URL: http://algology.ru/1817 DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-1(28)-42-49 EDN – MBZSNV When reprinting a link to the site is required Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free.
На ГЛАВНУЮ
|
|||
|
|