на правах рукописи

ГОРДЕЕВА МАРИЯ ЭДУАРДОВНА

Комплексная оценка состояния экосистемы озер

урбанизированной территории

Специальность: 03.02.08 – Экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Астрахань – 2013

Работа выполнена на кафедре «Водные биоресурсы и аквакультура»

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

доктор биологических наук, профессор

Научный руководитель:

Калайда Марина Львовна Курапов Алексей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, исполнительный директор ООО «Научно-исследовательский институт экологии южных морей»

Габдрахманова Лейла Асхатовна доктор биологических наук, старший научный сотрудник ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Татарское отделение ФГБНУ

Ведущая организация:

«ГосНИОРХ»

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в « » часов на заседании диссертационного совета Д.307.001.05 при Астраханском государственном техническим университете по адресу: 414025, г.

Астрахань, ул. Татищева, 16, _ ауд..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета по адресу: 414025, Астрахань, ул. Татищева, 16.

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических Мелякина Эльвира Ивановна наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в условиях усиления антропогенного воздействия на водные ресурсы особенно актуальным становится определение приоритетных задач в области охраны вод и их рациональное использование. Особую значимость в данном контексте приобретают озера в черте крупных мегаполисов, которые являются объектами многоцелевого использования, в результате чего возникает необходимость сочетания разнонаправленных задач использования водных ресурсов. Однако, рациональное использование и охрана природных водоемов невозможны без знания особенностей их экосистем, зависящих от разных факторов, особенно антропогенного воздействия. При комплексном изучении экосистем озер урбанизированной территории особую значимость приобретают такие составляющие как физико-химические, биотические особенности и особенности формирования донных отложений. Озера, расположенные внутри городской черты городов-миллионников часто используются и как водоемы охладители объектов энергетики. В связи с этим в антропогенном воздействии выделяется как самостоятельный фактор температурное воздействие на водную экосистему.

В г.Казань, являющимся промышленно развитым городом-миллионником располагается система озер Кабан. При этом одно из озер – озеро Средний Кабан является водоемом-охладителем Казанской ТЭЦ-1.

Выявление закономерностей изменения состояния экосистем озер в условиях воздействия хозяйственной деятельности человека при комплексном использовании водоемов позволяет наметить пути их реабилитации.

Целью работы является комплексная оценка состояния экосистемы озер урбанизированной территории в условиях разной степени антропогенного воздействия и выбор методов реабилитации водоемов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследовать особенности абиотических (температуры воды, растворенного кислорода, pH, окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), суммарной антиоксидантной активности (САОА), ХПК, БПК5) характеристик озер Средний и Верхний Кабан г. Казань, отличающихся разной степенью антропогенной нагрузки;

2. Исследовать особенности биотических (состояние бактерио-, фито-, зоопланктона, зообентоса, ихтиофауны) характеристик озер Средний и 3. Дать комплексную оценку состояния водных экосистем изученных озер по физико-химическим и биологическим характеристикам;

4. Выявить закономерности, определяющие состояние экосистемы озера в условиях разной степени антропогенной нагрузки, включая изменения в зависимости от теплового загрязнения водоема.

Научная новизна работы. Установлено, что промышленное загрязнение, в частности тепловое, существенно влияет на величины ОВП воды, ее САОА, состояние гидробионтов и ихтиофауны. Впервые проведена комплексная оценка, включившая показатель САОА воды, в результате которой выявлены изменения в экосистеме озера Средний Кабан г. Казань под воздействием антропогенных факторов урбанизированной территории.

Разработан индекс качества вод, основанный на физико-химических показателях и с учетом показателя САОА.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны рекомендации по улучшению состояния экосистемы озер на урбанизированной территории с учетом целевого использования и особенностей состояния экосистем.

Разработана и зарегистрирована интерактивная компьютерная программа комплексной оценки состояния экосистемы озер Средний (оз. С. Кабан) и Верхний (оз. В. Кабан) Кабан, которая используется в государственных учреждениях Республики Татарстан и позволяет наметить соответствующие реабилитационные мероприятия на исследуемых озерах.

';

Методология и методы исследований. Работа выполнена с применением традиционных методов сбора, получения и обработки информации.

Морфометрические исследования озер проводились методом gps-навигации и эхолокации. Физические показатели измерялись контактным методом; САОА – кулонометрическим. Количественный и качественный состав тяжелых металлов в воде и донных отложениях исследовался рентгенофлуоресцентным методом анализа. Микробиологическое исследование проводилось методом разведения отобранных проб с последующим посевом на питательные среды.

Гидробиологический анализ проводился классическими методами количественного и качественного учета гидробионтов. Распределение рыб изучалось методом эхолокации.

Положения, выносимые на защиту Промышленное загрязнение, включая тепловое, приводит к изменению физико-химических показателей – величины ОВП и САОА воды, а также донных отложений экосистемы озер урбанизированной территории.

Промышленное загрязнение, включая тепловое, приводит к изменению биотических показателей экосистемы озер урбанизированной территории – состояния планктона и бентоса, распределения рыб.

Комплексная оценка состояния экосистемы озера выявила периоды с наиболее низким качеством вод в сезонном аспекте – лето и зима. Наихудшее состояние водной экосистемы характерно для района с комплексным антропогенным воздействием.

Степень достоверности результатов определяется объёмом собранного материала, применением современных аналитических приборов, статистической обработкой полученных результатов.

Апробация. Материалы диссертации докладывались на Всероссийской молодежной конференции с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы» (Улан-Удэ, 2011), XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2011), Third international NACEE (Network of Aquaculture in Central and Eastern Europe) conference of young researchers (Санкт-Петербург, 2011), II научно-практической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2011), VI, VII и VIII международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011- 2013).

опубликованы в 6 статьях в научных журналах, в том числе 3 – в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также 11 тезисах докладов на конференциях различного уровня.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, материалов и методов исследования, результатов собственных исследований и выводов. Материал изложен на 158 страницах, содержит 98 рисунков и 27 таблиц. Список использованной литературы содержит 235 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ

ЭКОСИСТЕМЫ ОЗЕР

Данная глава содержит следующие разделы: 1.1. Оценка состояния абиотических факторов водной среды; 1.2. Оценка состояния биотических факторов водной среды; 1.3. Особенности воздействия на экосистему температурного фактора как антропогенного фактора воздействия.

Глава ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ,

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оз. Средний входят в систему озер Кабан (рис.1), располагаясь на Кабан первой надпойменной террасе реки Волга, в черте города Оз. Верхний Кабан Рис.1. Оз. С. Кабан и В. Кабан (вид из космоса) Выбор оз. С. Кабан в качестве объекта исследования связан с тем, что экосистема озера испытывает высокую степень антропогенной нагрузки, в первую очередь за счет поступления сточных вод промышленных предприятий (ОАО «Генерирующая компания» Казанская ТЭЦ-1, ОАО «Казанский завод синтетического каучука», ЗАО «Казанский завод искусственных кож», ОАО «Казанский электротехнический завод», ОАО «Завод ЖБИ-3», ОАО «Промышленные строительные материалы», ОАО «Татстрой»), теплых вод Казанской ТЭЦ-1, системы ливневой канализации города, поверхностного стока с муниципальных земель, частных домовладений, садовых товариществ. Оз.

В. Кабан, расположенное в зеленой зоне г. Казань и испытывающее незначительное воздействие с урбанизированной территории, выбрано как модельное.

Рис. 2. Схема использования вод оз. С. Кабан в системе технического водоснабжения Сбор, обработка и анализ данных проводился в 2010-2013 гг. Схема исследования показана на рис.3.

Анализ физико-химических показателей. Пробы отбирались еженедельно в течение года с обоих озер. Температура воды (поверхностный, серединный и придонный слои) (3148 измерений), содержание растворенного кислорода ( измерений) измерялись с помощью анализатора растворенного кислорода МАРК 302Э (Мониторинг …, 2001). Погрешность ±0,3°С. pH водной среды и ОВП (по 636 измерений) с помощью pH-метра марки pH-150МИ. САОА воды ( измерения) с помощью кулонометра «Эксперт-006-антиоксиданты» по сертифицированной методике МВИ-001-44538054. Измерения ХПК и БПК проводились ежемесячно в соответствии с ГОСТ Р 52708-2007 и ПНД Ф 14.1;2;3;4.123-97.

Анализ морфометрии и распределения донных отложений. Включил 2966 измерений методом эхолокации и gps-навигации.

Химический и гранулометрический анализ. Ряд тяжелых металлов в рентгенофлуоресцентным методом анализом по стандартизированной методике с помощью приборов СУР-02 «Реном ФВ» и S2 PICOFOX. Гранулометрический анализ донных отложений осуществлялся на основе ГОСТ 12536-79. Оптикомикроскопическое исследование образцов проводилось на оптическом микроскопе Leica при увеличениях 60х, 125х, 300х.

В соответствии с выделенными по физико-химическим особенностям зонами было проведено исследование биоты озер.

Микробиологический анализ. Сделано 180 анализов на исследуемых озерах в соответствии с МУК 4.2.1884-04 по определению общего числа микроорганизмов, образующих колонии на питательном агаре. Для определения качества воды использовались классификации А.А. Былинкиной (1962), ГОСТ 17.1.3.07-82.

Анализ степени зарастания озер. Исследование проводилось с помощью натурных наблюдений (Лепилова, 1934) и с использованием спутниковых снимков, полученных со спутника Landsat и из программы Google Earth.

Гидробиологический анализ. В течение вегетационного периода 2012 года было отобрано и обработано 450 проб на количественный состав фито-, зоопланктона (сеть Апштейна) и зообентоса (дночерпатель Петерсона, площадь захвата 0,025 м2). Сбор и обработка проводилась в соответствии с методическими рекомендациями (Жадин, 1960; Константинов, 1979; Максимович, 1986;

Методика изучения …, 1975; Руководство по методам …, 1983). Для определения качества воды использовались классификации С.П. Китаева (1984), В. Сладечека (1967) Ихтиологический анализ. Исследование распределения рыб на двух озерах проводилось с помощью эхолота Humminbird Piranha Max 210.

Построение карт местности с точками отбора проб, распределения грунтов, зонирования, зарастания высшей водной растительностью, пространственное распределение фито-, зоопланктона и зообентоса проводилось с помощью ГИСпродукта GeoMedia Pro 6.1, в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера (Пулкова, 1942); 2D и 3D моделей глубин, распределения температур – Surfer 10. Статистическая обработка фактических и экспериментальных данных выполнялась с помощью программ Statgraphics Plus 5.1, Microsoft Excel.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АБИОТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЕР СРЕДНИЙ И ВЕРХНИЙ КАБАН

3.1. Исследование гидрологических и морфологических характеристик Результаты морфометрического и гидрологического исследования озер приведены в табл. 1, рис. 4. По площади водной поверхности оз. С. Кабан относится к категории «малый» водоем, оз. В. Кабан – «очень малый» по классификации П.В. Иванова (1948), по объему – малые водоемы по ГОСТ 17.1.1.02-77, по средней глубине – «средние», по максимальной глубине – «с повышенной» (рис.3) по классификации С.П. Китаева (1984), по форме озерной котловины оз. С. Кабан – «конус», оз. В. Кабан – параболоид, коэффициент удлиненности оз. С. Кабан составляет 6,6, оз. В. Кабан – 4,2.

Таблица 1 – Результаты морфометрического и гидрологического исследования озер Ширина, м минимальная – максимальная Коэффициент извилистости береговой линии Питание озера:

Рис. 4. 3D модель морфологических характеристик оз. С. Кабан (а) и В. Кабан (б) 3.2. Исследование физико-химических особенностей озер в условиях разной степени антропогенного воздействия Проведенное нами исследование температурного режима позволило охарактеризовать озера как умеренные по классификации Ф. Фореля (1892), димиктические по Д. Хатчинсону (1969). Исследование морфологических характеристик (табл.1), распределения глубин (рис.4) дало возможность отнести озера к классу гипометотермических по классификации С. П. Китаева (1970, 1978). По количеству градусо-дней озеро с естественным режимом было отнесено к категории «теплые» (3395°), озеро с искусственным термическим режимом – «очень теплые» (4074°) по классификации С.П. Китаева (1975, 1978).

Повышение температуры в озере на 679° в результате теплового загрязнения способствует развитию дополнительной генерации личинок хирономид.

Годовые динамики и 2D модели горизонтального распределения температур воды озер с естественным и искусственным температурным режимом представлены на рисунках 5 и 6 соответственно.

Рис. 5. Температурный режим оз. В. Кабан: а – годовой температурный режим;

б – 2D модель горизонтального распределения поверхностных температур (июль 2011 г.) Современный температурный режим оз. В. Кабан характеризуется периодами в соответствии с предложенным С.А. Зерновым (1934) годовым ходом температуры (рис. 5): летняя и зимняя стагнация (1, 4); частичная летняя (2) и зимняя (5), полная осенняя (3) и весенняя (6) циркуляции. Температура оз.

В. Кабан в поверхностном слое воды в течение года изменялась от 0,3 до 31,1°С, в придонном – от 1,9 до 15,4°С.

Рис. 6. Температурный режим оз. С. Кабан: а – годовой температурный режим;

б – 2D модель горизонтального распределения поверхностных температур (июль 2011 г.) Оз. С. Кабан характеризуется 5 периодами: исчезает период зимней стагнации (4). Температура поверхностного слоя воды в течение года изменяется от 0,3 до 34,5°С, а придонного – от 1,9 до 28,2°С. Значительный вклад, особенно в зимний период времени, вносят подогретые воды Казанской ТЭЦ-1, которые не позволяют средней температуре опуститься ниже 4°С. Большая часть акватории (77%) покрывается ледовым покровом, который держится 4 месяца (табл. 2). На оз. С. Кабан температура поверхностного слоя воды в горизонтальном направлении в самый теплый месяц года изменяется в пределах 9°С (рис.6б), на оз. В. Кабан – в пределах 2°С (рис.5б).

Если на оз. С. Кабан на участке влияния теплых вод ТЭЦ в зимний период времени наблюдается прямая стратификация (рис.7а), то на оз. В. Кабан без теплового загрязнения – обратная (рис.7б). Термоклин на оз. С. Кабан продолжается 2 месяца: июль и август (рис.7в), на оз. В. Кабан 1 месяц – июль (рис.7г). В придонном слое воды озер отмечается повышение температуры на 0,2С, связанное с разложением органического вещества в подстилающем слое грунта.

Рис.7. Распределение температуры по глубине озер Средний (а, в) и Верхний (б, г) Кабан Таблица 2 – Температурные периоды мезотрофных озер умеренной зоны Источник Сравнивая современный температурный режим оз. С. Кабан в условиях теплового загрязнения с результатами первого исследованиями этого же озера, проведенного Н.Н. Никольским в 1901 г., а также с наиболее характерными особенностями термического режима озер средней полосы России, описанными С.А. Зерновым (1932) и А.Н. Липиным (1950) можно отметить:

- в современном озере без теплового загрязнения (оз. В. Кабан) наблюдается удлинение периода летней стагнации на 1 мес.; сдвиг температурного максимума с июня на июль с увеличением его значения на 24,4%; сокращение продолжительности периодов частичной летней и полной осенней циркуляции на 0,5 мес. и периода зимней стагнации на 1 мес. по сравнению с озером, описанным Н.Н. Никольским в 1901 г. По сравнению с озером, описанным А.Н. Липиным (1950 г.) наблюдается подвижка всех выделенных температурных периодов на 0,5 мес. вперед и увеличение значения температурного максимума на 35,2%.

- в современном озере с тепловым загрязнением (оз. С. Кабан) наблюдается удлинение периодов летней стагнации на 2 мес., частичной летней и полной осенней циркуляции на 1 мес., сдвиг во времени температурного максимума с июня на июль и увеличение его значения на 38%; отсутствие периода зимней стагнации по сравнению с этим же озером, описанным Н.Н. Никольским в 1901 г.

Как видно из данных, представленных на рис.5, 6, табл.2 при термическом антропогенном воздействии на водоем температурный режим озера значительно меняется: если при одинаковых температурах воздуха коэффициент вариации (V,%) значений температуры воды в озере без промышленного загрязнения водоема составил 4,6%, то при тепловом загрязнении соответственно 16,4%.

Проведенное исследование позволило провести зонирование акватории оз.

С. Кабан по характеристикам состояния экосистем, которые находятся в зависимости от особенностей температурного режима зоны (рис.8). Поскольку оз.

В. Кабан по результатам исследования характеризуется как водоем со слабым антропогенным воздействием, то значения показателей оз. В. Кабан были использованы нами в качестве характерных значений для урбанизированной территории в настоящее время («Н» - рис.8).

Рис.8. Зонирование оз. С. Кабан г. Казани по характеристике температурного режима: а – Зона I типа – зона промышленного загрязнения. Охватывает акваторию юго-восточной части озера. Температурные значения (табл.3) и количество Рис.9. Годовая динамика pH оз. С.Кабан (зона I, II, III типа) и В. Кабан нейтральная реакция среды в течение года за исключением июля – щелочная (10,03), вызванная массовым развитием фитопланктона (рис.9). Значения ХПК изменялись от 14 до 29 мгО2/дм3, составив в среднем 23,8±1,43 мгО2/дм3. Была отмечена обратная зависимость между значениями pH и ОВП (r2 = -0,93) и максимальное отклонение среднесезонных значений ОВП от аналогичных значений показателя на озере В.Кабан: весной отклонение отсутствует, летом на 24,3%, осенью на -29,6%, зимой на -74,5% (табл.3).

Зона II типа – зона верховьев озера, занимающая северо-западную часть озера, где наблюдается циркуляция воды. Данная зона характеризуется более высокими среднесезонными значениями температуры воды весной и осенью по сравнению с зоной I типа: повышение составляет 65,7% и 8,1% соответственно;

количество температурных периодов – 6. В температурном режиме зимой наблюдается обратная стратификация и ледовый покров. Отмечаются более высокие концентрации растворенного кислорода в воде в весенний период времени (в поверхностном слое воды на 39%, в придонном на 13,3%) и более низкие в осенний (в поверхностном на 30,1%, в придонном на 14,6%) по сравнению с зоной I типа. Величина испарения изменяется от 7,1 до 8,3 тыс.м3.

Значения pH сдвигаются в слабощелочную сторону, однако не выходят за границы установленных нормативов 6,5-8,5 за исключением летнего периода времени (11,1) (рис.9). Значения ХПК изменялись от 16 до 30 мгО 2/дм3, среднее значение составило 23,8±1,58 мгО2/дм3. Летом и зимой отклонение среднесезонных значений ОВП от аналогичных значений на озере без промышленного загрязнения отсутствует, весной на -30,1%, осенью на -29,5%.

Значение САОА аналогично значению данного показателя на оз. В. Кабан и составляет 4,64 мг.рутин/л.

Зона III типа – зона промышленного и теплового загрязнения. Данная зона характеризуется отсутствием периодов полной осенней циркуляции (3) и частичной зимней циркуляции (5), зимней стагнации (4). Отсутствие ледового покрова приводит к прямой стратификации температуры воды. Среднесезонные значения температуры воды максимальны (табл.3). В весенний, летний и осенний периоды температура данной зоны превышает температуру оз. В.Кабан в 1,5 раза, в зимний – в 4,7 раз. Несмотря на значительное повышение температуры в летний период, значения растворенного кислорода в поверхностном слое аналогичны озеру с естественным температурным режимом, а в зимний период повышаются на 81% (табл.4) в результате поступления насыщенных кислородом вод с открытого сбросного канала ТЭЦ и отсутствия ледового покрова. Наблюдаются максимальные величины испарения с водной поверхности – более 8,3 тыс.м3, что приводит к повышению минерализации до 0,97 г/л. Значения pH соответствуют слабощелочной реакции среды (рис.9). Значения ХПК колебались от 12 до мгО2/дм3, составив в среднем 22,2±1,55 мгО2/дм3. Значения ОВП ниже по сравнением с значениями данного показателя на оз. В. Кабан только в осенний период времени на -29,6%. Наблюдаются более низкие значения САОА по сравнению с зоной I типа и оз. В. Кабан – 3,19 мг.рутин/л.

Таким образом, для водоема, подверженного промышленному, в том числе тепловому загрязнению, по комплексу абиотических показателей выделяются зоны, которые отличаются по значениям температуры, растворенного кислорода, pH, ОВП, САОА. Отмечается превышение БПК5 до 2,6ПДКрх с максимальными значениями в апреле и июле – времени массового развития фитопланктона. В среднем БПК5 за год составляет 2,6±0,3 мгО2/дм3. Максимальные значения ХПК, достигающие 30 мгО2/дм3, отмечаются при повышении концентрации растворенного кислорода (май-июнь, август-октябрь). По значениям ХПК различий между зонами не отмечается.

Таблица 3 – Среднесезонная динамика абиотических показателей воды оз. С. Кабан и В. Кабан Из созданного уравнения баланса САОА воды и абиотических факторов среды экосистемы озер С. Кабан и В. Кабан выведен новый комплексный показатель качества вод – Икв [1].

Где САОА – суммарная антиоксидантная активность (мг.рут./л); Tпов – температура поверхностного слоя воды (°С); Со2 – концентрация растворенного кислорода в воде (мг/л); pH – pH среды; ОВП – окислительно-восстановительный потенциал среды (мВ). Достоверность прогнозной модели подтверждает стандартная ошибка 0,09 и коэффициент детерминации 99,32%.

Если значения индекса лежат в пределах от -1 до 1, то воды относятся к чистым (олигосапробным в соответствии с данными параллельного микробиологического анализа). Если в промежутках от 1 до 2 и от -1 до -2, то мезосапробная зона, если от 2 до 3 и от -2 до -3, то -мезосапробная зона. При