Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

OPPORTUNITIES FOR USAGE OF SPONGILLA LACUSTRIS IN BIOMONITORING SYSTEM OF WATER QUALITY OF SOUTH URAL RIVERS

Research article
Chaus B.Yu.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2017.66.004
Issue: № 12 (66), 2017
Published:
2017/12/18
PDF

Чаус Б. Ю.

ORCID: 0000-0003-4465-6872, кандидат биологических наук, доцент, Башкирский государственный университет (филиал) в г. Стерлитамаке

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ SPONGILLA LACUSTRIS  В СИСТЕМЕ БИОМОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ВОДЫ РЕК ЮЖНОГО УРАЛА

Аннотация

В статье приводится анализ возможности использования Spongilla lacustris (тип  Porifera) в системе биоиндикационных исследований в ходе экологического мониторинга рек Южного Урала.  Анализ встречаемости Spongilla lacustris проводился в районах 17 государственных водопостов, находящихся на реках, протекающих по территории Южного Урала в летнюю межень с 2005 по 2016 годы.  В качестве химических характеристик на створах, использовались данные по содержанию в речных водах соединений марганца, никеля и железа, нефтепродуктов, фенолов, азота аммонийного, меди, цинка, сульфатов, хлоридов, азота нитритного. В качестве комплексного показателя  использовался удельный  комбинаторный индекс  загрязненности  воды. Впервые изучена динамика встречаемости  Spongilla lacustris и выявлены статистически значимые корреляционные связи между показателем встречаемости Spongilla lacustris с рядом поллютантов, определяемых в воде на изученных участках рек Южного Урала.

Ключевые слова: биоиндикация, Spongilla lacustris, Южный Урал, динамика встречаемости вида, гидрохимические показатели, поллютанты, удельный  комбинаторный индекс  загрязненности воды.

Chaus B.Yu.

ORCID: 0000-0003-4465-6872, PhD in Biology, Associate professor, Bashkir State University (branch) in Sterlitamak

OPPORTUNITIES FOR USAGE OF SPONGILLA LACUSTRIS IN BIOMONITORING SYSTEM OF WATER QUALITY OF SOUTH URAL RIVERS

Abstract

The article presents the analysis of the feasibility of using of Spongilla Lacustris (Porifera type) in the bioindication research system during the ecological monitoring of rivers of the Southern Urals. Spongilla Lacustris was analyzed in the districts of 17 state water points located on the rivers flowing through the territory of the Southern Urals during the summer low-water period from 2005 to 2016. Data on the content of manganese, nickel and iron compounds, petroleum products, phenols, ammonium, copper, zinc, sulfate, chloride, nitrogen nitrite in water from these rivers were used as chemical characteristics on the sections. The specific combinatorial index of water pollution was used as a complex indicator. The dynamics of occurrence of Spongilla Lacustris was first studied, statistically significant correlations between the Spongilla lacustris incidence rate and a number of pollutants determined in water in the studied sections of the South Urals rivers were revealed.

Keywords: bioindication, Spongilla Lacustris, Southern Urals, species occurrence dynamics, hydrochemical parameters, pollutants, specific combinatorial index of water pollution.

Контроль качества водной среды осуществляется в настоящее время посредством химических и физико-химических методов. Однако анализ концентрации отдельных химических веществ не в состоянии дать полную характеристику вредного действия антропогенных факторов. Этих недостатков лишены биологические методы (биоиндикация и биотестирование) оценки качества вод [1, С. 41-51]. Несмотря на большое количество видов-эндемиков и бедность видового состава в целом, пресноводные губки являются весьма успешной группой, о чем свидетельствует их чрезвычайно широкое распространение [2, С. 27–33]. Успешная стратегия выживания заключена в необыкновенной организационной и эволюционной пластичности пресноводных губок. Существуя в дискретных пресноводных экосистемах, космополитические виды пресноводных губок выработали адаптивные приспособления в виде резистентных тел – геммул, которые позволяют губкам переживать неблагоприятные условия среды, связанные с промерзанием или пересыханием водоемов [3, С. 1–44]. Было показано, что соли многих тяжелых металлов (Cd, Pb, Hg, Ni, Co, Cr, Mo, Sn, As и др.), а также галогены (Cl, Br, I) накапливаются пресноводными губками [4, С. 209–231] в очень высоких концентрациях (в десятки, сотни и тысячи раз превышающих концентрации этих веществ в окружающей воде). Таким образом, губки являются удобным объектом для оценки уровня антропогенного загрязнения водной среды [5, С. 397-408]. Анализ научной литературы не позволил выявить работы, посвященные изучению индикаторных качеств губок, обитающих в поверхностных водах Южного Урала.

Исходя из вышеизложенного, цель работы - анализ возможности использования пресноводной губки Spongilla lacustris для биоиндикационных исследований в ходе экологического мониторинга рек Южного Урала.

Для достижения цели с 2005 по 2016 гг. решались 2 задачи: 1) изучение динамики встречаемости Spongilla lacustris  в районах 17 государственных водопостов на реках, протекающих по территории Южного Урала; 2) анализ связи показателя встречаемости на створах Spongilla lacustris с концентрацией химических веществ, определяемых в воде в районах изученных створов.

Исследования проводились с 2005 по 2016 гг. в летнюю межень в районах 17 государственных водопостов (створов) на 8-ми реках, протекающих по территории  Южного Урала - на р. Белой в р-не ж/с станция «Шушпа» (створ 1),  в р-не д/о «Арский камень» (створ 2), выше г. Мелеуз (створ 3),  ниже г. Мелеуз (створ 4),  выше г. Салават (створ 5), ниже г. Ишимбай (створ 6),  выше г. Стерлитамака (створ 7), ниже г Стерлитамака (створ 8),  ниже п.  Прибельский (створ 9), выше г. Уфы (створ 10); на р.  Нугуш,  д. Нижнеташево (створ 11); на р. Ашкадар,  в черте г. Стерлитамак (створ 12); на р. Селеук, д. Нижнеиткулово (створ 13); на р. Инзер, д. Азово (створ 14);  на р.  Юрюзань, д. Чулпан (створ 15); на р. Зилаир, с. Зилаир (створ 16); на р.  Большой  Ик,  с. Мраково (створ 17).

Анализ встречаемости  Spongilla lacustris проводился на десяти участках (N) (расстояние между участками 100—150 м) на каждом створе. Данный подход был применен для оценки динамики встречаемости Spongilla lacustris  (С, в долях единицы) на биотопах: C = n/N, где n — число участков, где был встречен изучаемый вид, N — общее число участков. Наименование категорий постоянства Spongilla lacustris приводилось по А. С. Степановских [6, С. 288]. В зависимости от значения встречаемости вида на створе определялись следующие его категории: постоянный вид — (С > 0,5); добавочный вид —  (0,25<С<0,5); случайный вид — С < 0,25.

Определение Spongilla lacustris проводилось непосредственно на створе. Для изучения гемул, макро и микросклер небольшой, расщепленный препаровальной иглой кусочек губки (2-4 мм), включающий участок дермальной мембраны с подлежащим мезохилом и базальный участок, содержащий гемулы, помещался в мелкую пробирку и заливался хозяйственным отбеливателем «Белизна». После растворения тканей жидкость сливалась, осадок несколько раз промывался водой, после чего лишняя вода отсасывалась фильтровальной бумагой, а осадок заливался 900 спиртом. Затем на предметное стекло помещалось несколько капель осадка и препарат подсушивался на воздухе.  После этого он заключался в глицерин и накрывался покровным стеклом [7, С. 9-10].

Для анализа корреляционной связи между динамикой встречаемости Spongilla lacustris на створах и гидрохимическими показателями использовались  данные  из ежегодно публикуемых докладов [8, С. 21-44], [9,   С.  60-79], [10, С. 65-84], [11,  С. 54-72], [12, С. 53-69], [13, С. 73-93], [14,  С. 79-100], [15, С. 74-91], [16, С. 73-98], [17, C. 75-98], [18, С. 69-91]. Это данные по содержанию соединений марганца (Mn), никеля (Ni), железа (Fe), нефтепродуктов (Н/п), фенолов (Фен), азота аммонийного (NН4), меди (Cu), цинка (Zn), сульфатов (SO2), и азота нитритного (NO2). В качестве обобщенного показателя анализировался удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ).

Статистическая обработка материала проводилась в прикладной программе MS Excel for Windows.  Для окончательной обработки - проведения регрессионного анализа и интерпретации результатов использовался калькулятор онлайн-сервиса сайта Математического форума Math Help Planet [10].

В ходе исследования рек  Южного Урала в качестве объекта была использована пресноводная губка Spongilla lacustris Linnaeus (1758) (рис. 1,2), которая относительно легко определяется визуально, что очень важно для проведения регулярного биомониторинга на водотоках.

09-02-2018 11-29-59

Рис. 1 – Внешний вид Spongilla lacustris

09-02-2018 11-30-54

Рис. 2 – Геммулы Spongilla lacustris с микро- и макросклерами

 

Анализ встречаемости Spongilla lacustris показал, что данный вид на створах в разные годы исследований может быть отнесен как к категории постоянного, так и добавочного и случайного вида (рис. 3).

09-02-2018 11-20-30

Рис. 3 – Динамика встречаемости Spongilla lacustris в реках Южного Урала за период с 2006 по 2016 годы

Результаты исследований за период с 2005 по 2016 годы показали, что встречаемость озерной губки в р. Белой ниже г. Мелеуз и ниже п. Прибельский характеризуется относительным постоянством (Р - интервал = max - min = 0,2), что, по-видимому, связано адаптацией данного вида губок  к экологическим условиям на этих участках рек.

На остальных створах встречаемость Spongilla lacustris обладала значительной динамикой по годам, что, по-видимому, можно объяснить влиянием динамики качества воды (в том числе и гидрохимического режима) на этот вид в этих районах исследований.

Корреляционный анализ  показал отсутствие значимых связей между динамикой встречаемости Spongilla lacustris с УКИЗВ на изученных участках рек за период с 2005 по 2016 гг. Анализ корреляционных матриц связи встречаемости Spongilla lacustris  и химическими веществами, определяемых  в воде рек Южного Урала, позволил выявить сильную отрицательную связь между встречаемостью Spongilla lacustris  с содержанием в воде р. Белой азота нитритного (р-н Д/о «Арский камень», r = -0,8) и  с содержанием меди  (ниже г. Мелеуз и ниже п. Прибельский, r = -0,7). В  р.  Юрюзань (д. Чулпан) вышеуказанная связь встречаемости Spongilla lacustris выявлена с содержанием азота аммонийного (r = -0,7). Данное обстоятельство позволило рассчитать   регрессионные зависимости между встречаемостью Spongilla lacustris и коррелирующими с ней поллютантами (табл. 1).

 

Таблица 1 – Результаты регрессионного анализа связи между встречаемостью  Spongilla lacustris (Y) и химическими поллютантами (x,  в кратности превышения ПДК), содержащимися в водах рек Южного Урала

09-02-2018 11-26-57

Примечание: r – коэффициент корреляции; mrxy  - ошибка коэффициента корреляции; R2 – коэффициент детерминации; F – критерий Фишера; А(%) - средняя ошибка аппроксимаци (― - А = Infinity11⋅100%\approxInfinity%;).

 

Исходя из вышеизложенного можно составить диагностические карты (пример карты представлен в табл. 2) прогноза и индикации содержания в воде реки Белой азота нитритного (р-н ж/д ст. «Шушпа»)  и меди (ниже г. Мелеуз и ниже п. Прибельский) по показателю встречаемости Spongilla lacustris.  В  р.  Юрюзань (д. Чулпан) подобную карту можно составить для прогноза и индикации содержания в воде азота аммонийного.

 

Таблица 2 – Диагностическая карта прогноза и индикации содержания азота нитритного (X,  в кратности превышения ПДК) в воде р.  Белой (р-н Д/о «Арский камень») в зависимости от встречаемости (Y) на створе  Spongilla lacustris

Х 1,7 1,3 1,0 0,7 0,3 0,0 ― ― ― ― ―
Y 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
 

Проведенные прогностические расчеты показывают, что если встречаемость Spongilla lacustris в р. Белой в районе  дома отдыха «Арский камень» будет равна 0,2, то можно предположить, что содержание азота нитритного в воде на этом створе будет в пределах 1 ПДК (3,3 мг/л). Такой подход, по-видимому, позволит разработать рекомендации по замене ряда химических анализов на менее дешевые биологические анализы и выявлять влияющие на водную фауну химические вещества, что крайне важно для принятия технологических решений по очистке сточных вод, сбрасываемых в поверхностные воды Южного Урала.

Список литературы / References

  1. АбакумовВ. А., Сущеня Л. М. Гидробиологический мониторинг пресноводных экосистем и пути его совершенствования / В. А. Абакумов, Л. М. Сущеня // Экологические модификации и критерии экологического нормирования: труды Международного симпозиума. - Ленинград, 1991. С.41- 61.
  2. Manconi R., Pronzato R. Global diversity of sponges (Porifera: Spongillina) in freshwater / R. Manconi, R. Pronzato // Hydrobiologia. – 2008. – Vol. 595. – P. 27–33.
  3. Fell P. E. Porifera / P. E. Fell // Reproductive biology of invertebrates: asexual propagation and reproductive strategies. – 1993. – Vol. VI. – Part. A. – P. 1– 44.
  4. Rishelle E., Degoudenne Y., Dejonghe L., Van De Viver G. Experimental and field studies on the effect of selected heavy metals on three freshwater sponge species: Ephydatia fluviatilis, Ephydatia muelleri and Spongilla lacustris / E. Rishelle, Y. Degoudenne, L. Dejonghe, G. Van De Viver // Archiv für Hydrobiologie. – 1995. – Vol. 135. – P. 209–231.
  5. АнакинаР. П. Губки - биологические индикаторы и оздоравливающие составляющие пресноводных экологических систем / Р. П. Анакина  // Биосфера. Фонд научных исследований «XXI век». – 2010. – Т.2. –  № 3.– С.  397-408.
  6. Степановских А. С. Экология: Учебник для вузов. / А. С. Степановских. – Москва: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – С. 288.
  7. Иванова Л. В. Porifera / Л. В. Иванова // Определитель пресноводных беспозвоночных России и сопредельных территорий. Низшие беспозвоночные. – Санкт-Петербург, 1994. – Т. 1. – С. 9-10.
  8. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2005 году». – Уфа. – 2006. –С. 21-44.
  9. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2006 году». – Уфа. – 2007. – С. 60-79.
  10. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2007 году». – Уфа. – 2008. – С. 65-84.
  11. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2008 году». – Уфа. – 2009. – С. 54-72.
  12. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2009 году». – Уфа. – 2010. – С. 53-69.
  13. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2010 году». – Уфа. – 2011. – С. 73-93.
  14. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2011 году». – Уфа. – 2012. – С. 79-100.
  15. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2012 году». – Уфа. – 2013. – С. 74-91.
  16. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2013 году». – Уфа. – 2014. – С. 73-98.
  17. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2014 году». – Уфа. – 2015. – С. 75-98.
  18. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и окружающей среды республики Башкортостан в 2015 году». – Уфа. – 2016. – С. 69-91.
  19. Математический форум Math Help Planet – URL: http://mathhelpplanet.com/static.php?p=onlayn-mnk-i-regressionniy-analiz (дата обращения: 25.01.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Abakumov V. A., Sushchenya L. M. Gidrobiologicheskij monitoring presnovodnyh jekosistem i puti ego sovershenstvovanija [Hydrobiological monitoring of freshwater ecosystems and way of its perfecting] / V. A. Abakumov, L. M. Sushchenya // Jekologicheskie modifikacii i kriterii jekologicheskogo normirovanija: trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma [Ecological modifications and criteria of ecological rationing: works of the International symposium]. – Leningrad, 1991. P. 41 - 61. [in Russian]
  2. Manconi R., Pronzato R. Global diversity of sponges (Porifera: Spongillina) in freshwater / R. Manconi, R. Pronzato // Hydrobiologia. – 2008. – Vol. 595. – P. 27–33.
  3. Fell P.E. Porifera / P. E. Fell // Reproductive biology of invertebrates: asexual propagation and reproductive strategies. – 1993. – Vol. VI. – Part. A. – P. 1–44.
  4. Rishelle E., Degoudenne Y., Dejonghe L., Van De Viver G. Experimental and field studies on the effect of selected heavy metals on three freshwater sponge species: Ephydatia fluviatilis, Ephydatia muelleri and Spongilla lacustris / E. Rishelle, Y. Degoudenne, L. Dejonghe, G. Van De Viver // Archiv für Hydrobiologie. – 1995. – Vol. 135. – P. 209–231.
  5. Anakina R. P. Gubki - biologicheskie indikatory i ozdoravlivajushhie sostavljajushhie presnovodnyh jekologicheskih sistem [Sponges - biological indicators and the revitalizing components of freshwater ecological systems] / R. P. Anakina // Biosfera. Fond nauchnyh issledovanij «XXI vek» [The Biosphere. Fund of scientific research "21-st century"]. – T.2. – No. 3. – 2010. – P. 397-408. [in Russian]
  6. Stepanovskikh A. S. Ekologia: Jekologija: Uchebnik dlja vuzov. [Ecology: The textbook for higher education institutions]. / A. S. Stepanovskikh // UNITY-DANA. – 2001. – P. 288. [in Russian]
  7. Ivanova L. V. Porifera / L. V. Ivanova // Opredelitel' presnovodnyh bespozvonochnyh Rossii i sopredel'nyh territorij. Nizshie bespozvonochnye. [Continuant of freshwater invertebrates of Russia and adjacent territories. The lowest invertebrates]. – St. Petersburg, 1994. – T. 1. – P. 9-10. [in Russian]
  8. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2005 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2005"]. – Ufa. – 2006. – P. 21-44. [in Russian]
  9. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2006 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2006"]. – Ufa. – 2007. – P. 60-79. [in Russian]
  10. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2007 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2007"]. – Ufa. – 2008. – P. 65-84. [in Russian]
  11. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2008 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2008"]. – Ufa. – 2009. – P. 54-72. [in Russian]
  12. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2009 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2009"]. – Ufa. – 2010. – P. 53-69. [in Russian]
  13. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2010 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2010"]. – Ufa. – 2011. – P. 73-93. [in Russian]
  14. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2011 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2011"]. – Ufa. – 2012. – P. 79-100. [in Russian]
  15. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2012 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2012"]. – Ufa. – 2013. – P. 74-91. [in Russian]
  16. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2013 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2013"]. – Ufa. – 2014. – P. 73-98. [in Russian]
  17. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2014 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2014"]. – Ufa. – 2015. – P. 75-98. [in Russian]
  18. Gosudarstvennyj doklad «O sostojanii prirodnyh resursov i okruzhajushhej sredy respubliki Bashkortostan v 2015 godu [The state report "About a condition of natural resources and a surrounding medium of the Republic of Bashkortostan in 2015"]. – Ufa. – 2016. – P. 69-91. [in Russian]
  19. Matematicheskij forum Math Help Planet [The mathematical forum Math Help Planet]. – URL: http://mathhelpplanet.com/static.php?p=onlayn-mnk-i-regressionniy-analiz