Пигментные характеристики альгоценозов речной системы Оби



жүктеу 386.67 Kb.
бет1/3
Дата16.04.2019
өлшемі386.67 Kb.
түріАвтореферат
  1   2   3


На правах рукописи

Котовщиков Антон Викторович


Пигментные характеристики альгоценозов

речной системы Оби

Специальность 030208  экология (биологические науки)



Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата биологических наук

Барнаул–2012

Работа выполнена в лаборатории водной экологии

Федерального государственного бюджетного учреждения науки

Института водных и экологических проблем Сибирского отделения

Российской академии наук

Научный руководитель кандидат биологических наук, доцент Кириллов Владимир Викторович

Официальные оппоненты: Науменко Юрий Витальевич,

доктор биологических наук,

Центральный сибирский ботанический сад

СО РАН, зам. директора по науке
Минеева Наталья Михайловна,

доктор биологических наук,

Институт биологии внутренних вод

им. И.Д. Папанина РАН,

главный научный сотрудник
Ведущая организация: НИИ биологии при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Защита диссертации состоится 11 мая 2012 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.005.10 по защите докторских и кандидатских диссертаций при ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный университет":

656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Факс (3852) 36-30-77, (3852) 67-09-28

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

ФГБОУ ВПО "Алтайский государственный университет"

Автореферат разослан 10 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук, доцент Н.В. Елесова

общая характеристика работы


Актуальность. Важной составной частью современных экологических исследований является изучение структуры и функционирования водных экосистем, оценка их экологического состояния, определение трофического статуса водного объекта и качества воды, изменяющихся под влиянием природных и антропогенных факторов.

Одна из крупнейших речных систем мира – Обь, пересекает несколько природных зон и испытывает воздействие многих антропогенных факторов. Освоение природных ресурсов в бассейне Оби, в том числе нефтегазовых месторождений, создание водохранилищ, промышленных предприятий, поступление сточных вод привели к увеличению роли антропогенных факторов в формировании качества речных вод [Химический … , 1999]. Это обусловливает необходимость постоянного мониторинга и изучения состояния рек для разработки мероприятий, препятствующих их загрязнению и эвтрофированию.



Одними из основных первичных продуцентов в речных экосистемах являются альгоценозы – водоросли планктона и перифитона. Исследования водорослей горных рек бассейна Оби [Ким, 1992; 2003; Сафонова, 1997; Митрофанова, 2003; 2009] и ее равнинного участка [Куксн, 1964; Солоневская, 1964; Водоросли Оби … , 1972; Науменко, 1982; 1995; 1996; 1997; Митрофанова, 1996; 1999: 2008; Семенова, 2009] касаются в основном структурных характеристик альгоценозов и не дают цельного представления о функционировании и пространственно-временной организации автотрофного звена ее экосистемы. Содержание хлорофилла а и соотношение фотосинтетических пигментов водорослей – интегральные и доступные параметры для получения сведений об уровне развития, пространственно-временном распределении фитопланктона и литофильного перифитона (фитоэпилитона), таксономическом положении доминантов водорослей и эколого-санитарных характеристиках воды [Оуэнс, 1977; OECD, 1982; Китаев 1984; Комплексная … , 1993; Трифонова, 1993; Сиротский, 1997; Баринова, 2000; Минеева, 2011].

Цель работы – исследование пигментных характеристик альгоценозов горной (планктон и эпилитон) и равнинной (планктон) частей речной системы Оби и определение факторов их пространственной неоднородности и динамики.

Задачи:

  1. Выявить отличия уровня развития фитопланктона в реках горной и равнинной частей речной системы Оби на основе пигментных характеристик; определить роль фитоэпилитона в функционировании альгоценозов горных рек;

  2. Проанализировать пространственную неоднородность пигментных характеристик фитопланктона и фитоэпилитона в горной части речной системы;

  3. Проанализировать пространственную неоднородность пигментных характеристик фитопланктона равнинной части речной системы, в том числе Новосибирского водохранилища;

  4. Выявить характер сезонной динамики пигментных характеристик фитопланктона рек горной и равнинной частей речной системы, в том числе Новосибирского водохранилища;

  5. Определить трофический статус и качество воды различных участков речной системы Оби по содержанию хлорофилла а в воде.

Защищаемые положения:

  1. Пространственное распределение пигментных характеристик альгоценозов планктона в речной системе Оби характеризуется увеличением содержания хлорофилла а от горного к равнинному участку.

  2. Сезонная динамика фитопланктона в верхнем течении равнинного участка речной системы Оби вследствие длительного весенне-летнего половодья, обусловленного горным характером водосбора, характеризуется укороченным периодом летне-осенней вегетации с одним летним максимумом.

  3. Качество воды в речной системе Оби по концентрации хлорофилла а соответствует категории «предельно чистая» в горной части, «вполне чистая»-«достаточно чистая» – в верхнем и среднем течении Оби. Ухудшение качества до разряда «слабо загрязненная» отмечено в р. Оби локально у г. Барнаула, а также на участке ниже впадения рек Томь, Чулым и Иртыш.

Научная новизна исследования.

Впервые выявлены особенности и факторы пространственной неоднородности пигментных характеристик альгоценозов горного и равнинного участка речной системы Оби; проанализирована их сезонная динамика. Изучено влияние экологических факторов (температура, прозрачность, скорость течения, расход воды, концентрация биогенных веществ) на пигментные характеристики фитопланктона реки Оби. Дана оценка экологического состояния речной экосистемы Оби по содержанию хлорофилла а в воде: определен трофический статус и качество воды на различных участках.



Теоретическая и практическая значимость. Пигментные характеристики альгоценозов разнотипных рек бассейна Оби могут быть включены в базы гидробиологических данных, сведения о распределении водорослей необходимы для экологической типизации водотоков. Данные о степени развития водорослей необходимы для оценки биологической продуктивности речных экосистем бассейна Оби. Результаты исследований могут быть использованы для обоснования системы экологического мониторинга и нормирования воздействия на экосистемы рек бассейна Оби.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации были представлены на XII молодежной научной конференции Института биологии Коми НЦ УрО РАН «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2005), IV научно-практической конференции «Питьевые воды Сибири – 2007» (Барнаул, 2007), XIII Международной молодежной школе-конференции «Биология внутренних вод» (Борок, 2007), ежегодных конференциях молодых ученых ИВЭП СО РАН (Барнаул, 2005–2007), Всероссийской школе-конференции «Экосистемы малых рек: биоразнообразие, экология, охрана» (Борок, 2008), X съезде Гидробиологического общества при РАН (Владивосток, 2009), Третьей всероссийской конференции с международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010). Материалы обсуждались на семинарах лаборатории водной экологии ИВЭП СО РАН.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, 4 приложений и списка литературы. Работа изложена на 178 страницах, содержит 32 рисунка, 25 таблиц и 4 приложения. Список литературы включает 241 наименование, в том числе 40 на иностранных языках.
основное содержание работы
Глава 1. Пигментные характеристики альгоценозов речных систем

Рассмотрена значимость пигментных характеристик водорослей для изучения альгоценозов и оценки качества воды рек. Показано их широкое применение в российских и зарубежных экологических исследованиях при количественной оценке степени развития, фотосинтетической деятельности и пространственно-временного распределения альгоценозов. Доказано, что соотношение желтых и зеленых пигментов характеризует физиологическое состояние водорослей, условия обитания, обеспеченность биогенным питанием, а также является косвенным показателем отношения деструкция/продукция.

Приведены закономерности формирования и распределения альгоценозов в реках. Показано, что на характер пространственного распределения водорослей вдоль по реке влияет комплекс гидрологических, климатических и антропогенных факторов, среди них: впадение притоков, создание водохранилищ, стоки населенных пунктов. В течение года содержание пигментов фитопланктона в реке может изменяться на несколько порядков. Сезонная динамика водорослей в реках умеренной зоны в целом соответствует общей схеме сезонной сукцессии фитопланктона, подробно изученной для озер, но существуют отличия, связанные с особенностями гидрологического режима и физико-химических характеристик воды рек.

В настоящее время содержание Хл а в воде широко используется для биологического анализа качества вод и определения трофического состояния поверхностных вод.


Глава 2. Природные условия формирования альгоценозов бассейна реки Оби. Материалы и методы исследования

2.1. Природные условия исследованных рек. Площадь бассейна реки Оби составляет около 3 млн. км2, из них 49 % покрыто лесами, лесостепная зона занимает около 404,6 тыс. км2, степи – около 707,2 тыс. км2. Горные районы (222,1 тыс. км2) и тундра (199,6 тыс. км2) сравнимы по площади [Савкин, 2000].

Объектом нашего исследования является речная система Оби (рис. 1) протяженностью по главной реке – 3303 км, включая Новосибирское водохранилище, которая имеет общее направление с юга на север и пересекает несколько природных зон, включающих горные и равнинные ландшафты [Национальный … , 2008].




Рис. 1 Схема речной системы Оби с указанием участков отбора проб
Горный участок речной системы рассмотрен на примере бассейна р. Бии включающего притоки оз. Телецкое, в том числе р. Чулышман от истока. Данные по бассейну р. Катунь приводятся в сравнительном аспекте.

Пункты и створы отбора проб располагали в устьевых участках рек, а также на характерных участках течения рек в зоне и вне зоны влияния основных притоков и крупных населенных пунктов.

Обь почти на всем протяжении является типично равнинной рекой. По гидрологическим условиям и характеру водного режима Обь разделяют на Верхнюю, Среднюю и Нижнюю [Плащев, Чекмарев, 1967].

Бассейн Верхней Оби включает реки Бию, Катунь, участок реки Обь от Бийска до устья р. Томь, включая Новосибирское водохранилище. Участок Средней Оби начинается от устья р. Томь. Нижнее течение Оби начинается от места слияния с Иртышом; нами исследован участок протяженностью 166 км (до п. Карымкары). Характеристика различных участков речной системы Оби дана по [Ресурсы поверхностных вод, 1962; Селегей, Селегей, 1978; Многолетние .. , 1984; Химический состав … , 1999; Савкин,2000; Савичев, 2005] (табл. 1).


Таблица 1

Характеристика исследованных участков речной системы Оби

Характеристика

Участок речной системы

Горный

(басс. Бии)



Равнинный (р. Обь)

Верхний

Средний

Нижний

Длина главной реки, км

622

980

1535

166

Площадь водосбора, тыс. км2

37

264

1040

2690

Преобладающие типы ландшафтов водосбора

высокогор-ные, горные

лесо-степные

таежно-болотные

таежные

Среднегодовой

расход воды*, м3



476

1916

5801

10300

Уклон дна, ‰

3,29

0,09

0,03

0,01

Скорость течения, м/с

1,0–3,0

0,6–1,5

0,5–0,9

0,5–0,7

Среднемноголетняя темпера-тура воды в июле*, ºС

15,2

20,9

19,8

19,8

Прозрачность воды, м

0,5–3,0

0,2–1,0

0,3–1,0

0,3–0,6

Минерализация воды, мг/дм3

12–180

60–280

100–213

170–240

* – в замыкающем створе участка.
2.2. Материалы и методы исследования. В работе использованы данные, полученные автором в 2004–2011 гг. в рамках комплексных исследований, а также архивные частично опубликованные, материалы ЛВЭ ИВЭП СО РАН за 1993–2002 гг. Общее количество натурного материала, включает 1242 пробы воды для анализа пигментов фитопланктона (табл. 2). Кроме этого собрано 60 образцов фитоэпилитона каменисто-галечникового субстрата для определения концентрации пигментов и 28 образцов для определения первичной продукции. Автором лично проанализировано 88 % проб.

Содержание фотосинтетических пигментов определяли стандартным спектрофотометрическим методом согласно ГОСТ 17.1.4.02-90 [2003] и методическим рекомендациям [Определение…, 1982]. Пробы воды объемом



0,1–6,0 дм3 или суспензию смыва с камней фильтровали через мембранные фильтры с диаметром пор 0,8 мкм. В работе использованы следующие пигментные характеристики: содержание хлорофилла а (Хл а), доля хлорофиллов a, b и c в их сумме, относительное содержание феопигментов (Фео), соотношение общих каротиноидов и хлорофилла (К/Хл), а также дополнительно – пигментный индекс (Е430664) и пигментное отношение (Е480664). Для определения первичной продукции фитоэпилитона использовали метод склянок в кислородной модификации с экспозицией в аквариуме с поддержанием исходной температуры в течении 2–4 часов. Статистическую обработку результатов выполняли с использованием программных пакетов Statistica 6.0 и Microsoft Excel–2003.

Таблица 2

Количество проб фитопланктона по участкам бассейна, годы исследования

Участок бассейна

Год исследования

Кол-во проб

Бассейн р. Бия




184

Бассейн р. Чулышман

2001, 2007, 2008

37

Бассейн оз. Телецкое

2004–2009

90

р. Бия

2002, 2005–2010

53

устьевые участки притоков

2002, 2010

16

Бассейн р. Катунь




93

р. Катунь

2006, 2009–2011

23

устьевые участки притоков

2009–2011

70

Верхняя Обь




941

Участок у г. Барнаула

1993–2009

297

в том числе ежедекадно

2001–2002

114

устьевые участки притоков

2010

47

с. Малышево–г. Камень-на-Оби

2004–2011

74

Новосибирское водохранилище

2007–2011

541

г. Новосибирск–устье р. Томь

2000, 2001, 2009

31

Средняя Обь (в т. ч. устья притоков)

2001, 2008, 2009

90

Нижняя Обь (в т. ч. устье р. Иртыш)

2001, 2005, 2009

25

Итого:




1242



Глава 3. Пигментные характеристики фитопланктона и фитоэпилитона рек горной части речной системы Оби

Альгоценозы горных рек бассейна р. Бия представлены фитопланктоном и фитоэпилитоном.



3.1. Фитопланктон. Содержание Хл а фитопланктона в водотоках бассейна оз. Телецкое изменялось от 0,10 до 5,20 мг/м3 и в среднем составило 1,27±0,12 мг/м3. Минимальное содержание Хл а (от 0,10 до 1,75 мг/м3) отмечено в реках бассейна р. Чулышман, в южных и восточных притоках Телецкого озера. В северных и западных притоках озера наблюдали более высокие концентрации Хл а до 5,2 мг/м3. Хл а составлял основную долю в сумме зеленых пигментов фитопланктона исследованных рек (58±3,5 мг/м3). Преобладающие значения К/Хл превышали единицу. Содержание Фео было высоким с минимальными значениями (21–50 %) в июле-августе. Максимальные достигали 100 %.

В составе фитопланктона присутствовало большое количество бентосных форм и обрастателей (43 вида), при этом истинных планктеров обнаружено 28 видов. Большинство видов – индикаторов сапробности относилось к бетамезосапробам [Митрофанова, 2009].

Большинство рек бассейна в верховьях протекают через многочисленные горные озера, в которых обилие фитопланктона может быть значительно выше, чем в реках (рис. 2). Видовое разнообразие фитопланктона в них также увеличивается [Митрофанова, 2009]. Концентрация Хл а в воде этих озер достигает мезотрофного (до 7,4 мг/м3) и иногда эвтрофного уровня (до 14,3 мг/м3).


Рис. 2 Содержание хлорофилла а в фитопланктоне озерно-речных систем бассейна Телецкого озера

В фитопланктоне горных речных систем доля Хл а в общей сумме хлорофиллов составляла от 31 до 90 %, в среднем 61±2,0 %. Состав зеленых пигментов различался в разных водных объектах горных речных систем (рис. 3).


Рис. 3 Содержание хлорофиллов в фитопланктоне речных систем бассейна Телецкого озера
Концентрация Хл а в воде реки Бия изменялась в диапазоне от 0,7 до 14,8 мг/м3 и в среднем по створам за все периоды исследования составила 2,0±0,4 мг/м3. Наиболее часто встречающиеся величины не превышали 3,4 мг/м3. Максимальные значения показателя отмечены в 2002 г. в створе ниже г. Бийска вблизи устья. Значения относительных пигментных показателей (К/Хл, Фео) соответствовали фитопланктону малой плотности, функционирующему в неблагоприятных условиях. Наиболее низкое содержание феопигментов обнаружено в июне. Доля Хл а в общей сумме хлорофиллов в июле и сентябре 2002 г. составила в среднем по всем створам 41,5 и 68,1 %, соответственно. Средняя концентрация Хл а в устье р. Бия по всем наблюдениям составила 1,49±0,21 мг/м3 (n=8). Значение показателя в устье р. Катунь также не высокое и составляет 2,54±0,59 мг/м3 (n=8). Таким образом, по развитию фитопланктона исток р. Обь характеризуется как олиготрофный.

3.2. Фитоэпилитон. Содержание Хл а в фитоэпилитоне устьевых участков притоков Телецкого озера и истока р. Бия изменялось от 0,27 до 93,8 мг/м2 и в среднем по всем рекам бассейна р. Бия за все периоды исследования составило 24,3±7,1 мг/м2. Минимальные концентрации наблюдали в конце мая, максимальные – во второй половине июля. В р. Катунь и основных ее притоках содержание Хл а в фитоэпилитоне было значительно выше чем в реках бассейна р. Бия. Среднее значение по данным 2010 г. в апреле составило 20,9±5,56 мг/м2, в октябре – 181±53,2 мг/м2.

Среднее значение валовой первичной продукции фитоэпилитона притоков оз. Телецкое за все периоды исследования составило 36,0±4,3 мгО22*ч; наибольшая часть значений – от 14,1 до 54,6 мгО22*ч. В реках Камга и Колдор было отмечено постепенное повышение валовой первичной продукции с июля по октябрь. Значения удельной скорости фотосинтеза или ассимиляционные числа (АЧ) в фитоэпилитоне р. Камга также увеличивались с июля по октябрь (с 0,1 до 3,3 мгО2/мг Хл∙ч). Максимальные АЧ (до 92 мгО2/мг Хл∙ч) получены для притоков южной оконечности озера (Кыга, Чулышман).



Глава 4. Пигментные характеристики фитопланктона равнинной части речной системы Оби

4.1. Пространственная неоднородность. Содержание Хл а в планктоне верхнего течения р. Обь в районе г. Барнаула изменялось от 3,6 до 79 мг/м3 с наиболее часто встречающимися значениями 5–25 мг/м3. В 1993, 1994 и 1998 гг. отмечали незначительное повышение показателя в створе ниже города (9), по сравнению со створами, расположенными выше города. В 2005–2007 гг. повышение концентрации Хл а и снижение показателей К/Хл и Фео особенно в периоды летне-осенней межени отмечали в черте города в устье затона Ковш (4) и в протоке Повалихинской (8), под влиянием пойменных водоемов и стоков г. Новоалтайска (рис. 4). Доля различных хлорофиллов в их сумме оставалась постоянной выше и ниже города. Доминантами по биомассе на этом участке реки в большинстве случаев выступали крупные водоросли из разных отделов [Митрофанова, 1996, 1999].



Новосибирское водохранилище. В течение летне-осенних периодов 2007–2011 гг. содержание Хл а изменялось в широких пределах – от 1,3 до 298 мг/м3. Диапазон наиболее часто встречающихся значений составил 5–20 мг/м3. Горизонтальное распределение Хл а вдоль по водохранилищу было неоднородным (рис. 5). Минимальные концентрации во все периоды наблюдали в средней части водохранилища (створ 5); наибольшие – в речной части (створы 1–3) и в озеровидном расширении (створы 6–7).

Рис. 5 Распределение средней по створам концентрации Хл а (p=0,05) в июле–августе в поверхностном слое вдоль продольной оси Новосибирского водохранилища (по данным 2007–2011 гг.)

Содержание Хл а в р. Обь на участке от г. Новосибирска до п. Карымкары в 2001 г. варьировало от 0,7 до 38,0 мг/м3 и в среднем составило 14,3±1,5 мг/м3; наиболее часто встречающиеся значения (85 %) – от 3 до 30 мг/м3. Увеличение показателя отмечено на участке после впадения р. Чулым, ниже впадения р. Вах и г. Нижневартовска и ниже слияния Оби с Иртышом. Наименьшие концентрации Хл а в воде отмечены на 731-м км (ниже г. Новосибирска), 1128-м км (ниже устья р. Томь), на участке ниже впадения рек Кеть, Васюган, Тым, и на участке от г. Сургута до слияния с Иртышом.

В 2009 г. также наблюдали значительные изменения содержание Хл а в водах р. Обь (рис. 6). Повышение показателя было отмечено выше устья р. Чулым (створ 5) и ниже устья Иртыша (створ 20). Повышенное содержание Хл а отмечали в устьях рек Чулым (25,6 мг/м3), Вах (28,4 мг/м3) и Иртыш (30,8 мг/м3). Доля Хл а в сумме хлорофиллов была высокой и составила в среднем для всего участка 90 % при незначительных колебаниях по створам. Соотношение К/Хл не превышало 1, средние для створов значения изменялись в узких пределах от 0,62 до 0,70. Содержание Фео было относительно низким (<49 %). Распределение показателей К/Хл и Фео по длине реки было одинаковым.




Рис. 6 Содержание Хл а в фитопланктоне реки Оби от г. Новосибирска до п. Карымкары в период осенней межени 2009 г. Ось абсцисс – расстояние от истока в км (номер створа)


4.2. Сезонная и межгодовая динамика в Верхней Оби. Внутригодовые изменения пигментных характеристик фитопланктона р. Обь в створе г. Барнаула подробно изучали в течение 2001–2002 гг. Среднегодовые значения содержания Хл а были близки и составили 7,27±1,19 мг/м3 (n=56) в 2001 г. и 6,89±1,12 (n=45) в 2002 г. Наиболее часто встречающиеся величины находились в диапазоне 5–15 мг/м3, максимальные значения не превышали 28 мг/м3. В годовом цикле среднего по водности 2002 г. минимальное содержание Хл а характерно для периода ледостава, максимум отмечен в конце июля (рис. 7).

Рис. 7 Сезонная динамика содержания Хл а в фито-планктоне (1) и температуры воды (2) реки Оби у г. Барнаула в 2001–2002 гг.

По мере охлаждения вод в течение августа обилие фитопланктона постепенно снижалось и в сентябре средняя величина составляла не более 6,8 мг Хл а3.В октябре количество Хл а уменьшилось до зимних меженных значений и после образования устойчивого ледового покрова (10 ноября) не превышало 2,1 мг/м3.

Сезонные колебания содержания Хл а в многоводном 2001 г. отличались от таковых в 2002 г.: весенние величины были ниже, срок наступления летнего максимума был сдвинут к середине июля. Второй, менее выраженный максимум продолжался со второй декады августа до второй декады сентября.

Доля Хл а в общей сумме зеленых пигментов фитопланктона была минимальна в период весенне-летнего половодья. Значения показателей К/Хл и Фео в этот период были высоки и соответствовали угнетенному состоянию сообщества планктонных водорослей при неблагоприятных условиях периода половодья.

Межгодовые различия средних по створам значений содержания Хл а в планктоне р. Обь на участке у г. Барнаула в период осенней межени за восемь лет наблюдений (от 4,2 до 13,2 мг/м3) не связаны с колебаниями среднегодовых расходов, и обусловлены, по-видимому, особенностями метеорологических условий.

Характер сезонной динамики концентрации Хл а в Новосибирском водохранилище в июне–октябре (по данным 2007–2011 гг.) был различен в разных частях. В речной части наблюдали постепенное повышение с июня по сентябрь. В средней части динамика отсутствовала. В нижней озеровидной части обилие фитопланктона с начала лета нарастало, достигая максимума в июле–августе, далее следовал спад в сентябре–октябре.




Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет