Видовой состав, динамика численности и токсичность цианобактерий шершневского водохранилища (стр. 1 )

На правах рукописи

ВИДОВОЙ СОСТАВ, ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ И ТОКСИЧНОСТЬ

ЦИАНОБАКТЕРИЙ ШЕРШНЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

03.00.16 - экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Пермь – 2009

Работа выполнена в экспериментальном отделе «Уральского научно-практического центра радиационной медицины»

Научный руководитель: доктор биологических наук

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор

кандидат биологических наук

Борис Игоревич

Ведущая организация: Институт экологии и генетики микроорганизмов УРО РАН, лаборатория водной микробиологии; г. Пермь, ул. Голева, 13

Защита состоится «18» июня 2009 г. в «16 » ч. на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственный университете г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, д. 15, в зале заседаний Ученого совета.

Адрес сайта: http://www.psu.ru

Е-mail: *****@***ru

Факс (3;

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета

Автореферат разослан «___» _______________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор биологических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. С середины 20-го века в связи с ростом антропогенного загрязнения водных экосистем и зарегулированием стока рек началось лавинообразное нарастание количества эвтрофированных водоемов. Одним из самых неблагоприятных последствий эвтрофикации является массовое развитие цианобактерий. Это явление само по себе является мощным стрессором для водных экосистем и создает множество проблем при рекреационном, хозяйственном и питьевом использовании водоемов. Кроме того, цианобактерии способны синтезировать токсические вещества – цианотоксины. Не менее 50% случаев «цветения» вызвано массовым развитием токсичных цианобактерий (Toxic Cyanobacteria.., 1999). На сегодняшний день накопилось достаточно большое количество фактических материалов о токсическом действии цианобактерий на млекопитающих и человека (Горюнова, Демина, 1974; Carmichael, 2001). В крайнем случае, попадание цианотоксинов в организм человека может привести к смерти. При длительном поступлении цианотоксинов в малых дозах с водой могут развиваться заболевания печени, а также регистрируется повышение частоты первичного рака печени (Yu, 1989, 1995).

Проблема массового развития токсичных цианобактерий в водоемах питьевого и рекреационного назначения с точки зрения опасности для здоровья населения отнесена Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) к одной из приоритетных (Toxic Cyanobacteria.., 1999). В большинстве развитых стран установлены ПДК для наиболее распространенных цианотоксинов, определена программа мониторинга токсичного цветения и комплекс мероприятий по предупреждению неблагоприятного воздействия цианотоксинов на здоровье населения. В нашей стране к настоящему времени стандарты безопасного для здоровья человека содержания цианотоксинов в воде и продуктах питания все еще не разработаны. Работы, связанные с изучением токсикологического аспекта массового развития цианобактерий, включающие определение содержания цианотоксинов в воде, в нашей стране на сегодняшний день очень малочисленны (Волошко, 2000, 2005). Непонимание масштаба развития токсического «цветения» водоемов в нашей стране не позволяет защитить население при использовании воды в питьевых и рекреационных целях. Актуальность данной работы лежит в плоскости изучения закономерностей развития токсического «цветения» водоемов, что является первым шагом к разработке системы мониторинга и обеспечения безопасности населения.

Цель работы

Изучение закономерностей сезонной динамики количественного развития, видового состава и токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища.

Задачи исследования

1. Проанализировать сезонную динамику численности цианобактерий в воде Шершневского водохранилища в гг.

2. Изучить закономерности сезонной динамики видовой структуры доминирующего комплекса цианобактерий Шершневского водохранилища.

3. Оценить токсические свойства и динамику токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища.

4. Определить содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилища

5. Адаптировать систему мониторинга развития токсичных цианобактерий, рекомендованную ВОЗ, с учетом экологических особенностей Шершневского водохранилища.

Научная новизна работы

1. Впервые выявлено, что в Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием.

2. Впервые проведена оценка динамики содержания микроцистина в воде Шершневского водохранилища.

3. Впервые выявлены закономерности влияния экологических факторов на смену доминантов цианобактерий на примере Шершневского водохранилища.

Теоретическая значимость

1. Результаты работы расширяют представления о влиянии экологических факторов на количественное развитие, смену доминантов и токсичность цианобактерий. Оптимальными условиями для продукции токсинов цианобактериями Шершневского водохранилища является установление солнечной погоды в сочетании с высокой солнечной активностью и низкой проточностью.

2. Результаты работы представляют научный и практический интерес в сфере изучения закономерностей сезонной динамики видовой структуры доминирующего комплекса цианобактерий в искусственных водных экосистемах на примере Шершневского водохранилища.

Практическая значимость

Разработана «Методика выполнения измерений массовой концентрации микроцистина в природной и питьевой воде фотометрическим методом», которая прошла государственную аттестацию в соответствии с ГОСТ Р 8.563 (свидетельство об аттестации № 000.01.03.206/2008) и используется в работе экспериментального отдела Федерального государственного учреждения науки «Уральский научно-практический центр радиационной медицины».

Определены пороговые уровни количественного развития микроцистин - синтезирующих цианобактерий (Microcystis spp., Oscillatoria agardhii), соответствующие содержанию микроцистина в воде Шершневского водохранилища в количестве 1 ПДК, рекомендованной ВОЗ. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для определения и обоснования безопасных уровней количественного развития токсичных цианобактерий в воде.

Материалы диссертации используются в учебном процессе в рамках курса «Экотоксикология» на кафедре биоэкологии Челябинского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием. Среднее значение ЛД50 цианобактерий в пересчете на сухой вес составляет 126 мг/кг (доверительный интервал 103 – 154 мг/кг).

2. Цианобактерии родов Microcystis и Oscillatoria Шершневского водохранилища синтезируют микроцистин. Цианобактерии родов Aphanizomenon и Anabaena Шершневского водохранилища не синтезируют микроцистин или синтезируют его в ничтожно малых количествах.

3. Развитие цианобактерий рода Microcystis в количестве 9 млн. кл/л или цианобактерий рода Oscillatoria в количестве 19 млн. кл/л приводит к повышению концентрации микроцистина воде в среднем до 1 мкг/л. Минимальная зарегистрированная концентрация клеток цианобактерий в воде, приводящая к созданию концентрации микроцистина в воде 1 мкг/л, составляет 6 млн. кл/л.

Апробация материалов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной конференции «Экологические проблемы Челябинской области» (Челябинск, 2004), Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области» (Челябинск: Челяб. гос. ун-т. 2005), Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005), I Международной научно-практической конференции «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2006), областной научно-практической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области» (Челябинск, 2007, 2008), Научно-практической конференции, посвященной 10-летию биологического факультета ЧелГУ (Челябинск, 2008 г.), II Санкт-Петербургском Международном Экофоруме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Экология в высшей школе: синтез науки и образования» (Челябинск, 2009).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 публикации – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертации

Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы, описывающей материалы и методы исследований, главы результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов, списка литературы. Указатель использованной литературы включает 142 источника.

Благодарности

Автор выражает благодарность и глубокую признательность д. б.н. за руководство работой, помощь в освоении программных средств статистической обработки и искреннее сердечное участие; к. б.н. за ценный опыт полевых работ, всем сотрудникам экспериментального отдела УНПЦРМ за поддержку в проведении всех этапов работы; инженеру гидробиологу (Сосновские очистные сооружения г. Челябинска); к. б.н. (Ильменский заповедник) за консультации и помощь в определении видов и ценнейшее профессиональное общение.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для оценки развития фитопланктона в Шершневском водохранилище в гг. ежемесячно в период с июня по сентябрь проводили отбор средневзвешенных проб в пяти точках (установленных по GPS-навигатору). Концентрирование проб проводили фильтрационным методом с использованием мембранных фильтров с размером пор 0,45 мкм (МФАС–ОС-2 Владипор). Анализ проб фитопланктона проводили стандартными гидробиологическими методами с использованием камеры Горяева и соответствующих определителей (Голлербах, 1953; Коршиков, 1953; Матвиенко, 1954; Попова, 1955; Косинская, 1960; Дедусенко-Щеголева, 1962; Кондратьева, Коваленко, 1975; Виноградова, 1980; Паламарь-Мордвинцева, 1982; Мошкова, 1987; Царенко, 1990). Идентификацию видового состава диатомовых водорослей проводили в качественных пробах, прожженных в хромовой смеси (Методические рекомендации, 1984). Кроме того, одновременно отбирали пробы воды для гидрохимического анализа (анализ был проведен лабораторией Сосновских очистных водопроводных сооружений).

В приплотинной области Шершневского водохранилища в течение вегетационных сезонов гг. еженедельно проводились исследования количественного развития, видового состава, токсических свойств цианобактерий и содержания микроцистина в воде ( гг.). Для оценки численности и видового состава цианобактерий и содержания микроцистина отбирали поверхностные пробы воды и концентрировали их на мембранных и стеклянно-волокнистых фильтрах. Содержание микроцистина в воде определяли с помощью непрямого иммунносорбентного анализа (ELISA) с использованием стандартного набора для определения микроцистина (Microcystin plate kit, Beacon).

Для оценки токсических свойств получали концентрированную суспензию цианобактерий путем фильтрации большого объема воды через двухслойную сеть из мельничного газа. Животным внутрибрюшинно вводили взвесь препарата из цианобактерий. В каждом опыте испытывали 7 доз цианобактерий в диапазонемг/кг (сухой вес). Экспериментальные группы состояли из 5 животных. Длительность наблюдения за животными в остром опыте составляла не менее 14 дней после введения. Всего в экспериментах было использовано более 1500 животных.

Для установления статистических параметров токсичности вещества использовались протоколы наблюдений. Среднюю летальную дозу, ошибку и 95% доверительный интервал вычисляли с помощью метода пробит-анализа по Личфилду. Влияние различных факторов (температуры воды, количества солнечных дней, количества осадков, солнечной активности (по числам Вольфа), средней скорости ветра, содержания биогенных веществ (P, N, N/P), средней проточности, численности и биомассы цианобактерий, качественного состава проб цианобактерий) оценивали с помощью регрессионного анализа, однофакторного дисперсионного анализа и многофакторного дисперсионного анализа признаков сопряженности в главной линейной модели.

результаты исследования и их обсуждение

Анализ многолетней динамики состояния экосистемы Шершневского водохранилища. Предпосылки развития цветения. Шершневский гидроузел расположен на р. Миасс, введен в эксплуатацию в 1968 году. Водохранилище выполняет функции многолетнего регулирования стока на среднем участке реки – от Аргазинского водохранилища до г. Челябинска. Шершневское водохранилище имеет статус водоема первой категории водопользования как источник питьевого и хозяйственно-бытового использования. Кроме того, водохранилище интенсивно используется населением в рекреационных целях.

Со времени пуска водохранилище претерпело ряд изменений, характерных для любого искусственного водоема. На первой стадии формирования происходили интенсивные процессы выщелачивания веществ из затопленных почв и характеристики речной воды изменялись. Начиная с 70х годов, эти процессы уменьшились, и к 80-м годам наступило некоторое равновесное состояние экосистемы водоема, характеризовавшееся стабильным качеством воды. К началу 90-х годов антропогенная нагрузка на водоем все больше и больше увеличивается, что сказывается на качестве воды и его общем экологическом состоянии.

В научно-исследовательских работах разных лет (Обоснование мероприятий…, 1996; Разработка системы мероприятий, 2004; Комплексная оценка…, 2007) отмечалось ухудшение качества воды и экологического состояния экосистемы водохранилища. Бедствием для водопользователей являются ситуации, возникающие в летний период года, связанные с интенсивным «цветением» воды, что вызывает усиление цветности, привкусов и запахов воды, авральные ситуации на очистных сооружениях, а также заболеваемость и гибель рыбы в водоеме.

В целом общая картина развития процессов «цветения» воды Шершневского водохранилища сводится к конкуренции цианобактерий и диатомовых водорослей. Численность представителей обеих таксономических групп периодически достигает степени массового развития. После весеннего размножения диатомовых водорослей следует короткий период чистой воды, после чего начинается вегетация цианобактерий. В последние годы, с повышением температуры в июне в водохранилище более интенсивно начинают развиваться цианобактерии из рода Anabaena (Anabaena flos-aquae (L.) Ralfs., Anabaena sheremetievi Elenk.), к которым в июле присоединяются Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. и Gomphoshaeria lacustris Chod. Далее в процесс «цветения» могут включаться разные виды Microcystis (M. aeruginosa Kütz.emend Elenk., M. wesenbergii Kom., M.flos-aquae (Wittr.) Kirchn., M. ichtyoblabe Kütz.) и Oscillatoria agardhii. Вегетация синезеленых продолжается до глубокой осени с короткими периодами депрессии между пиками. Кроме того, периодически случаются вспышки развития диатомей Aulacoseira granulata (Ehr.) Simons. Зеленые водоросли и представители других отделов в течение всего сезона представлены в незначительных количествах по численности и биомассе.

Общепризнано, что за редким исключением главным регулятором продукционного процесса является фосфор. По данным одних исследователей для поддержания максимального роста фитопланктона в естественном озере вполне достаточно 0,02 мг фосфора на литр воды. По наблюдениям других - в водоемах, содержащих не более 0,01 мг/л растворенных фосфатов в верхнем 10м слое воды, наблюдается хотя бы одно цветение в год (Разработка системы…, 2004).

Необходимо отметить, что в Шершневском водохранилище по данным Челябинского центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды концентрация ортофосфатов очень редко снижается до уровня 0,02 мг/л и ниже, такие случаи скорее можно назвать единичными. Большую часть времени (гг.) по данным ЦГМС, в среднем она находится в пределах 0,05-0,09 мг/л, часто поднимаясь до 1-1,5 мг/л во второй половине лета и в период паводка. Причем средний показатель содержания ортофосфатов в 90-е годы составил 0,08 мг/л, а с 2000 по 2,11 мг/л, что указывает на повышение уровня эвтрофирования водоема.

Таким образом, в Шершневском водохранилище создаются оптимальные условия для массового развития цианобактерий из-за достаточно высокой концентрации фосфора в воде, наличия озеровидной части с низким водообменом и большим запасом биогенных веществ, накопленным в донных отложениях.

Пространственно-временная динамика развития фитопланктона в Шершневском водохранилище в течение сезона вегетации

Анализ сезонной и пространственной динамики развития фитопланктона в Шершневском водохранилище проведен на примере данных, полученных в 2007 году. Текущее состояние Шершневского водохранилища существенно не отличалось от средне-многолетних характеристик: концентрации органических и неорганических веществ и клеток фитопланктона находились в пределах средних значений за многолетний период.

Пространственное распределение фитопланктона. В Шершневском водохранилище летом 2007 года количественное развитие фитопланктона и видовой состав характеризовались значительной неравномерностью по акватории. Данные о численности фитопланктона, относительном вкладе представителей различных таксонов, количестве видов и индексе сапробности представлены в таблице 1. Было выявлено, что акватория Шершневского водохранилища довольно четко делится на две части отличающиеся по численности фитопланктона и структуре альгоценоза. В южной части соответствующей речному плесу водохранилища на мелководных станциях ШВ1 и ШВ2 численность фитопланктона меньше, а вклад представителей таксонов более сбалансирован. На глубоководных станциях ШВ3 - ШВ5 в малопроточной части водохранилища регистрируется «цветение» воды с резко выраженным доминированием цианобактерий, степень которого к концу лета возрастает с 85 до 99% .

Сезонная сукцессия фитопланктона в Шершневском водохранилище в 2007 году в общих очертаниях повторяет многолетние данные (рис. 1). В конце мая наибольшей численности достигали диатомовые водоросли родов Stephanodiscus и Cyclotella (11.6 млн. кл/л). Позиции субдоминантов разделяли между собой зеленые водоросли и золотистая водоросль Chrysococcus rufescens Klebs..

В июне состав фитопланктонного сообщества довольно сбалансирован (рис. 1). В середине месяца началось развитие цианобактерий рода Anabaena и регистрировалось образование первых нагонных явлений (4 млрд. кл/л).

С июля по сентябрь численность фитопланктона в среднем по акватории нарастает с 62 до 120 млн. кл/л, достигая точечных максимумов порядка 180-200 млн. кл/л. При этом индекс сапробности Пантле-Букка находится в пределах 1.51-2.50, что соответствует b-мезосапробной зоне.

В целом по акватории в альгоценозе с июня по сентябрь возрастает роль цианобактерий. Параллельно происходит смена видов-доминантов цианобактерий, в числе которых в 2007 году были Anabaena flos-aquae, Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria agardhii. Субдоминантами в Шершневском водохранилище в течение лета являются Aulacoseira spp. и Anabaena flos-aquae, в августе в их рядах появляются Gomphosphaeria lacustris и Microcystis aeruginosa. А в сентябре на позиции субдоминанта остается только Microcystis aeruginosa. Кроме того, с небольшой численностью постоянно встречаются Asterionella formosa Hass., Fragilaria crotonensis Kitt. и виды родов Stephanodiscus и Cyclotella.

Рис. 1. Сезонная сукцессия фитопланктона в 2007 г.

Всего в гг. в пробах из Шершневского водохранилища нами обнаружено 62 вида водорослей и цианобактерий. Зеленые водоросли (особенно хлорокковые) отличаются наибольшим видовым разнообразием (при невысокой численности), их доля составила чуть более половины обнаруженных видов (32 вида).

Динамика количественного развития цианобактерий Шершневского водохранилища в гг. На рисунке 2 представлена динамика среднемесячных показателей численности клеток цианобактерий в воде. Наиболее высокая среднемесячная численность цианобактерий в Шершневском водохранилище ежегодно наблюдается в июле. Хотя отдельные пики численности в 200 – 300 млн. кл/л могут возникать в течение периода с июня по сентябрь. На графике видны четкие отличия между июльскими показателями среднемесячной численности цианобактерий в 2004 и 2005 гг. с одной стороны и показателями 2006 и 2007 гг. с другой стороны. При проведении регрессионного анализа влияния различных факторов на численность цианобактерий в июле и августе гг. были получены следующие результаты.

Таблица 1 Пространственно-временная динамика показателей развития фитопланктона летом 2007 года
Станции	Июль 2007	Август 2007	Сентябрь 2007
N	% от N	S	n	N	% от N	S	n	N	% от N	S	n
ЦБ	Д	З	ЦБ	Д	З	ЦБ	Д	З
ШВ1	3	27	55	18	1,84	20	2.6	3	14	77	1,88	22	1.7	47	17	31	1,96	27
ШВ2	20	30	62	7	1,88	31	51	70	26	3	1,98	32	154	99	0,3	0	1,84	35
ШВ3	72	85	13	2	1,93	23	201	93	6	1	2,01	24	108	99	0,8	0,1	1,95	21
ШВ4	148	91	8	1	1,97	24	63	85	12	2	2,02	31	190	99	0,7	0,2	1,94	29
ШВ5	70	93	6	1	1,98	24	130	91	4	2	2,00	26	149	99	0,8	0,1	1,95	21
Среднее	62	65	29	5,8	1,92	24,4	89	68	12	17	1,98	27	120	89	3,9	6,3	1,93	27
Примечание — N – общая численность фитопланктона в воде (млн. кл/л); ЦБ – цианобактерии; Д – диатомовые водоросли; З – зеленые водоросли; S – индекс сапробности Пантле-Букка; n – количество видов фитопланктона в пробе