Экологическая оценка реки днепр (в пределах смоленской области) по комплексу гидрохимических и гидробиологических показателей

На правах рукописи

Зверькова ЮЛИЯ СЕРГЕЕВНА

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕКИ ДНЕПР

(В ПРЕДЕЛАХ СМОЛЕНСКОЙ ОБЛАСТИ)

ПО КОМПЛЕКСУ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ

И ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Специальность 03.02.08 – экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Тольятти – 2011

Работа выполнена на кафедре экологии

Смоленского государственного университета

Научный руководитель:	доктор биологических наук, доцент, Гильденков Михаил Юрьевич
Официальные оппоненты:	доктор биологических наук, профессор Зинченко Татьяна Дмитриевна
	доктор химических наук, профессор, член-корреспондент АН РТ Латыпова Венера Зиннатовна
Ведущая организация:	Национальный исследовательский Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Защита диссертации состоится 25 октября 2011 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д.002.251.01. при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел. (8482) 48-99-77 факс (8482) 48-95-04 Е-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – на сайте ИЭВБ РАН по адресу:

www.ievbras.ru

Автореферат разослан «_____» сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук А.Л. Маленев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ качества поверхностных вод на территории России показывает, что они загрязнены различными химическими веществами, поступающими со сточными водами промышленных предприятий, сельского и коммунального хозяйства, а также с поверхностным стоком урбанизированных территорий (Моисеенко, Яковлев, 1990; Экология бассейна…, 2003; Биоиндикация экологического состояния…, 2007). Ухудшение качества поверхностных вод связывают также и с неблагоприятным воздействием вторичного источника загрязнений – донными отложениями (ДО), которые служат индикатором техногенного воздействия на гидросферу и способны вторично загрязнять воду и биоту (Латыпова и др., 2002; Боев и др., 2003).

Среди загрязнителей неорганической природы, представляющих приоритетный интерес для системы мониторинга, одними из важнейших являются тяжелые металлы (ТМ). Это вызвано, прежде всего, их высокой токсичностью по отношению к гидробионтам и человеку (Перевозников, Богданова, 1999). Загрязнение водных экосистем может приводить к снижению самоочищающей способности, понижению уровня разнообразия сообществ водных организмов и упрощению их структуры с преобладанием видов с широким экологическим спектром.

Днепр – третья по величине, после Волги и Дуная, река Европы. В 1991 г. после образования независимых государств – Российской Федерации, Белоруссии и Украины, р. Днепр превратилась в трансграничный водный объект (Большой энциклопедический словарь, 1997), в связи с чем остро возник вопрос о совместном международном использовании и охране р. Днепр и его бассейна (Лосев, Апапичева, 2000; Chernogaeva, 2003).

Несмотря на то, что р. Днепр является основной водной артерией Смоленской области, в экологическом плане река изучена фрагментарно, без учета унифицированных методов исследований. Главное Управление Смоленского областного центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ГУ «Смоленского ЦГМС») на основе данных гидрохимических исследований осуществляет оценку качества поверхностных вод на отдельных участках водотока, используя удельный комбинаторный индекс загрязнения вод (УКИЗВ). Изучение экологического состояния р. Днепр и определение качества вод с учетом комплекса биотических показателей ранее не проводилось.

Цель и задачи исследования. Цель исследования – комплексная оценка экологического состояния р. Днепр (в границах Смоленской области).

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Оценить гидрохимическое состояние и качество воды прибрежной зоны р. Днепр.
2. Провести анализ донных отложений как индикатора техногенного воздействия.
3. Исследовать таксономические характеристики макрозообентоса; определить возможность использования массовых видов моллюсков для региональной оценки степени загрязнения р. Днепр тяжелыми металлами.
4. Оценить экологическое состояние р. Днепр в границах Смоленской области с помощью интегрального показателя ИИЭС.

Научная новизна. Впервые проведена комплексная оценка экологического состояния р. Днепр на территории РФ на основе данных гидрохимических и гидробиологических исследований. Изучено распределение ТМ в системе вода – ДО – гидробионты. Выявлены закономерности накопления ТМ донными беспозвоночными и установлены объекты биомониторинга для оценки состояния р. Днепр.

Теоретическое значение. Данные, изложенные в диссертации, вносят вклад в теоретические основы гидроэкологии и факториальной экологии и служат для разработки стратегии природоохранных мероприятий, проводимых на территории Смоленской области.

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для совершенствования мониторинга загрязнения тяжелыми металлами водной экосистемы р. Днепр на федеральном и региональном уровнях и создания базы гидробиологических данных; для прогнозирования дальнейших изменений в экосистеме при сохранении существующей антропогенной нагрузки; для информационной поддержки процесса принятия решений, связанных с охраной окружающей среды в трансграничных водных объектах. Результаты исследований по содержанию ТМ в системе вода – донные отложения – гидробионты могут быть использованы в качестве региональных критериев при оценке состояния водотоков. Материал диссертационных исследований передан в Департамент Смоленской области по природным ресурсам.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования представлены на Международной молодежной научной конференции «Экология 2007» (Архангельск, 2007), Всероссийских научно-практических конференциях «Мониторинг природных экосистем» (Пенза, 2007, 2008), «Ресурсообеспечение и экологическая безопасность» (Смоленск, 2006), «Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем» (Тольятти, 2011), региональной научно-практической конференции «Здоровье и здоровый образ жизни: состояние и перспективы (методологические и медико-психологические аспекты)» (Смоленск, 2006), Смоленском областном конкурсе молодых ученых в номинации «Исследования в области естественных наук» (Смоленск, 2007, 2009), где автору в 2009 году было присуждено первое место.

Личный вклад автора. Автор лично участвовала в проведении исследований, выполнила все работы по сбору первичного материала, обработке и анализу данных. Написание текста диссертации, формулирование основных теоретических положений и выводов осуществлено по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу авторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Воды р. Днепр на территории Смоленской области имеют повышенное содержание биогенных и органических соединений, а также ТМ (Zn, Cu, Pb, Fe, Mn). Загрязнение ТМ обусловлено как геохимическими особенностями региона, так и антропогенным воздействием.
2. Донные отложения р. Днепр загрязнены тяжелыми металлами (Zn, Pb, Mn, Cd, Cu, Ni, Co) практически на всем протяжении водотока. Приоритетными загрязняющими веществами являются Zn, Pb, Cd и Cu.
3. Сообщества макрозообентоса прибрежной зоны р. Днепр в пределах Смоленской области характеризуются низким разнообразием и численностью. Моллюски Viviparus viviparus и Tumidiana muelleri могут быть использованы для оценки степени загрязнения р. Днепр ТМ (Mn, Fe, Zn, Cu, Pb, Ni, Co, Cd).
4. Донные сообщества трансформируются под воздействием загрязнения тяжелыми металлами: происходит выпадение чувствительных к загрязнению организмов и изменение доминирующего комплекса видов.
5. Оценка экологического состояния р. Днепр выявила необходимость использования интегрального индекса (ИИЭС), который дает наиболее адекватные результаты.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе три в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 192 страницах, из них основного текста 165 страниц; состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и 12 приложений (на 30 страницах); содержит 21 рисунок и 35 таблиц. Библиографический список включает 275 источников, в том числе 34 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Влияние внешних факторов

на экологическое состояние бассейна реки Днепр

В главе дана общая характеристика бассейна р. Днепр на территории Смоленской области, природно-климатических условий (рельеф, почвы, почвообразующие породы, климат, растительность) района исследований, описываются его гидрологические и гидрохимические особенности. Показано, что геохимические особенности региона способствуют формированию вод гидрокарбонатного класса кальциевой группы с повышенным фоновым содержанием солей железа, марганца, меди, а также органических соединений уже в истоке, где антропогенное воздействие отсутствует (Скакальский, 1966; 1983; 1995; Природа Смоленской области, 2001; Экология бассейна..., 2003; Государственный доклад..., 2003; Маймусов, 2004; Гусакова, 2004; Зеленова, 2006).

Приведены сведения об антропогенном воздействии на водосборный бассейн р. Днепр предприятий машиностроения, химической и электрохимической промышленности, топливно-энергетического комплекса и предприятий жилищно-коммунального хозяйства. Максимальный сброс сточных вод, среди которых отсутствует категория «нормативно очищенные», приходится на участки с. Болшево – г. Дорогобуж и г. Смоленск – с. Красное. Притоки Днепра – р. Вязьма, р. Вопь, р. Вопец загрязняют его воды легкоокисляемыми органическими веществами, аммонийным и нитритным азотом, тяжелыми металлами (Регионы России, 2002; 2003; Государственный доклад..., 2003; 2008; Зеленова, 2006).

Таким образом, экологическое состояние бассейна Верхнего Днепра формируется под воздействием как природных, так и антропогенных факторов.

Глава 2. Анализ Методов оценки экологического

состояния водных экосистем

Проведен анализ существующих методов оценки экологического состояния водных экосистем по гидрохимическим и гидробиологическим показателям. Систему ПДК, используемую для оценки уровня загрязнения природных вод по гидрохимическим показателям, многие авторы (Эколого-геохимическая оценка..., 1993; Белеванцев, Гущина, 1995; Чермных, 2004) считают недостаточно эффективной, особенно при оценке загрязнения водных экосистем ТМ. Динамика качества воды находится в прямой зависимости от состояния трех основных компонентов водных экосистем – воды, биоты и ДО. Устойчивость экосистем к ТМ зависит от взаимосвязи аккумулирующей способности организмов, комплексообразующей способности взвешенного вещества и депонирующей способности ДО. Токсикологическая ситуация в водных экосистемах определяется в большей степени накоплением загрязняющих веществ ДО и гидробионтами, и водоем может быть опасно загрязненным при минимальном содержании загрязняющих веществ в воде (Лесников, 1992). Являясь своеобразным барьером для ТМ, гидробионты, в свою очередь, испытывают на себе их токсическое действие, что может привести к снижению разнообразия сообществ водных организмов, упрощению их структуры и, как следствие, к снижению самоочищающей способности водоема. Следовательно, оценка экологического состояния водных экосистем должна основываться на интегральном индексе, включающем наиболее информативные гидрохимические и гидробиологические показатели, адекватно отражающие ту или иную специфичность в характере жизнедеятельности конкретной экосистемы.

Глава 3. Материал и методы исследования

С целью комплексной оценки экологического состояния р. Днепр в период с 2005 по 2008 гг. были проведены гидрохимические и гидробиологические исследования воды, ДО и макрозообентоса на 12 станциях (рис. 1), испытывающих различную антропогенную нагрузку на участке от с. Болшево (ст. 1) до границы с Республикой Беларусь (ст. 12). Места отбора проб выбраны с учетом расположения источников загрязнения, наличия населенных пунктов, характера биотопов. В качестве фонового, или эталонного участка, был принят участок верхнего течения р. Днепр – с. Болшево (ст. 1), антропогенное воздействие на который минимальное (поверхностный сток с водосборной территории).

Химический анализ воды, а также анализ ДО и моллюсков на содержание ТМ осуществляли в аккредитованных лабораториях «Горводоканала» и Инженерно-технического центра «Экология».

Предварительное обследование русловой и прибрежной части реки позволило нам для проведения мониторинговых исследований ограничиться более тщательным изучением литоральной мелководной зоны.

Пробы воды отбирали согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 в прибрежной зоне участков реки на протяжении 503 км (рис. 1) на глубине 0,5 – 1 м в стеклянные емкости объемом 1 л (трехкратная повторность). Донные отложения верхнего 5-см слоя отбирали согласно ГОСТ 17.1.5.01-80 (трехкратная повторность). Отобранные пробы обрабатывали по общепринятым методикам (Руководство..., 1977).

Станции	Расстояние от истока, км
Район с. Болшево	22
Ниже впадения р. Вязьма	95
1 км выше п. Верхнеднепровский	164
0,5 км ниже п. Верхнеднепровский	172
1 км выше г. Дорогобуж	192
0,5 км ниже г. Дорогобуж	204
Район с. Соловьево	282
База отдыха Соколья гора	380
1 км выше очистных сооружений г. Смоленска	404
0,5 км ниже очистных сооружений г. Смоленска	406
Район п. Гнездово	435
На границе с Республикой Беларусь	503

Рис. 1. Схема расположения станций на участке р. Днепр от с. Болшево

до границы с Республикой Беларусь

Воду анализировали по следующим показателям: температура, водородный показатель среды (рН), жесткость, концентрация растворенного кислорода, биохимическое потребление кислорода (БПК5), анионный состав (Cl–, SO42–, NO3–, F–, PO43–), катионный состав (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Sr2+), а также содержание тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Co, Fe, Mn). Температуру, рН и содержание кислорода измеряли в придонном горизонте воды.

Анализ катионного и анионного состава вод проводили методом электрофореза на приборе «Капель». Водородный показатель среды измеряли с помощью прибора рН – 150 М. Общую жесткость воды определяли комплексонометрическим методом. Концентрацию растворенного кислорода, а также БПК5 измеряли с помощью оксиметра.

Концентрации Zn, Cu, Pb, Cd, Co, Ni, Mn и Fe в воде, ДО и моллюсках определяли на пламенном атомно-абсорбционном спектрофотометре «Квант АФА». Концентрацию металлов в воде выражали в мг/л, в моллюсках и ДО – в мг/кг массы сухого вещества.

Для оценки степени загрязненности воды использовали сравнение с соответствующими значениями ПДК для водоемов рыбохозяйственного значения (Руководство…, 1977; Временные…, 1983; Санитарные…, 1986; Обобщенный…, 1990; Фомин, 2000) и индекс загрязненности вод (ИЗВ), расчет которого проводили по формуле: ИЗВ = (Сi/ПДКi)/6, с учетом содержания растворенного кислорода и БПК5, а также приоритетных по токсичности ТМ: меди, свинца, кадмия и цинка (Временные методические указания..., 1986).

Для адекватного сравнения уровня загрязненности ДО различных участков реки мы использовали методику нормирования содержания ТМ в ДО по железу (Папина, 2004), которая нивелирует различия между накоплением ТМ в различных фракциях ДО, отличающихся гранулометрическим и минералогическим составом. Нормированные по железу значения ТМ (ТМ/Fe) сравнивали с отношениями соответствующих кларков (кларк/ Fe).

Гидробиологические исследования макрозообентоса включали изучение таксономического состава, численности (N, экз./м2), биомассы (В, г/м2) и распределения гидробионтов.

Сбор материала и его обработку проводили согласно методике гидробиологических исследований (Жадин, 1960; Руководство по методам, 1983; Руководство по гидробиологическому..., 1992).

Сбор качественных образцов макрозообентоса осуществляли на мелководных участках (глубины до 1 м) гидробиологическим скребком с длиной ножа 20 см, грунты промывали через капроновый газ № 23, организмы фиксировали 4 % раствором формалина. Моллюсков и ракообразных фиксировали отдельно от других групп животных 70 % этиловым спиртом (Определитель пресноводных..., 1995; 2004).

Количественные пробы макрозообентоса в литорали реки отбирали с помощью рамки Герда площадью 0,25 м2 в 20-кратной повторности (Временные методические указания..., 1994), в медиали – дночерпателем Экмана-Берджи (ДАК-250) площадью захвата 1/40 м2 по два подъема на каждой станции. (Жадин, 1960; Руководство по методам..., 1983). Всего было собрано 720 количественных и 80 качественных проб.

Для характеристики сообществ макрозообентоса использовали индексы: видового богатства Маргалефа, видового разнообразия Шеннона, видового сходства Жаккара и Серенсена, доминирования Энгельмана. Для выбора объектов биомониторинга водной экосистемы р. Днепр нами были рассчитаны коэффициенты накопления (Ктк, Кр), характеризующие отношение концентраций ТМ в тканях и раковинах моллюсков к их содержанию в ДО, а также коэффициенты размаха (КLim) содержания ТМ в организмах моллюсков в зависимости от биотопа (Никаноров с соавт., 1985): КLim = Mmax / Mmin.

Комплексную оценку экологического состояния р. Днепр на территории Смоленской области проводили на основе ИИЭС*, рассчитанного по формуле А.А. Карандашовой (2002), которая является модификацией формулы Т.Д. Зинченко (2000) с учетом содержания ТМ в ДО:

,

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОХИМИЧЕСКИХ

И ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ реки ДНЕПР

на территории смоленской области

Глава посвящена изложению и обсуждению собственных результатов, полученных в ходе исследования.

4.1. Оценка экологического состояния реки Днепр

по гидрохимическим показателям

4.1.1. Основные гидрохимические показатели и ионный состав вод

В ходе решения первой задачи исследования установлено, что по органолептическим показателям, значениям водородного показателя среды рН, жесткости и содержанию растворенного кислорода воды р. Днепр соответствуют рыбохозяйственным требованиям. Содержание растворенного кислорода 6,3-6,8 мг/дм3 характерно для участка водотока ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10-12), что связано, прежде всего, с неудовлетворительной работой очистных сооружений. Анализ БПК5 показал превышение предельно допустимого значения (2,0 мг/дм3) практически на всех станциях наблюдения, включая фоновый участок реки (ст. 1), что свидетельствует о загрязнении легкоокисляемыми формами органических соединений. Максимальные значения БПК5 (от 2,5 до 8 ПДК) были отмечены в районе очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10). Установлено, что по основному ионному составу (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl–, SO42–, F–, PO43–) воды р. Днепр на территории Смоленской области соответствуют рыбохозяйственным нормативам (за исключением нитратов, концентрации которых превышают ПДКв.р. в 2,2 раза на ст. 10). Минерализация растет со значительным превышением фоновых показателей на ст. 2 (ниже впадения р. Вязьма), в районе Дорогобужского промузла (ст. 3-6) и достигает максимального значения на ст. 10 (ниже очистных сооружений г. Смоленска). На участке п. Верхнеднепровский – г. Дорогобуж – г. Смоленск, несущем основную антропогенную нагрузку предприятий области, отмечается неустойчивое, низкого или среднего уровня загрязнение нитритным и аммонийным азотом (данные ГУ «Смоленского ЦГМС»). На участке п. Верхнеднепровский – п. Гнездово (ст. 3-10) нами установлено загрязнение вод (в среднем до 4 ПДК на ст. 10) стронцием стабильным, в основном природного характера, связанное с геохимическими особенностями региона.

4.1.2. Содержание тяжелых металлов в воде

Данные анализа вод на содержание ТМ (Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co) показали (рис. 2), что содержание меди превышает ПДКв.р. на всех станциях наблюдения, составляя уже в верхнем течении реки (ст. 1) от 5 до 13 ПДК, что свидетельствует о природном повышенном содержании меди. Максимальные концентрации меди (до 60 ПДК) отмечены на ст. 4 ниже сброса сточных вод заводом азотных удобрений (ЗАУ), а также на ст. 6 ниже г. Дорогобуж (до 18 ПДК) и на ст. 10 ниже очистных сооружений г. Смоленска (до 2,4 ПДК), что говорит о наличии как природного, так и антропогенного загрязнения солями меди.

Концентрации цинка превышают ПДКв.р. на всех станциях. Уже в истоке (ст. 1), не испытывающем антропогенного воздействия, содержание цинка в разные годы составляет 1,2-2,7 ПДК, а в районе г. Дорогобуж (ст. 5, 6) достигает максимальных значений со значительными колебаниями от 3 до 87 ПДК.

Концентрации кадмия на всем исследуемом участке не превышают ПДКв.р. Значительное устойчивое превышение фоновых значений наблюдается на ст. 3, 4, 5, 6, 9, что говорит об антропогенном поступлении солей кадмия с промышленными сточными водами.

На фоновом участке содержание свинца не превышает ПДКв.р., что свидетельствует об отсутствии природного загрязнения. Самое низкое содержание свинца на всех станциях наблюдалось в 2006 г. с превышением рыбохозяйственного норматива (1,5-3 ПДК) на ст. 3, 4, 6, 8. В остальные годы концентрации свинца превышали ПДК в районе Дорогобужского промузла (ст. 3-6), очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9, 10) и п. Гнездово (ст. 11). Максимальное содержание свинца было зафиксировано в 2005 г. на ст. 5 (7,3 ПДК), в 2007 г. – на ст. 6 (3,7 ПДК).

Присутствие никеля в концентрациях ниже ПДКв.р. отмечалось на всех станциях со значительным устойчивым превышением фоновых показателей (в 6-8 раз) на ст. 4, 6, 8, 11, имеющим явно техногенный характер. На ст. 12 на границе с Республикой Беларусь содержание никеля падает до фоновых значений.

Концентрации кобальта на всем протяжении исследуемого водотока составляли менее 0,001 мг/дм3 при ПДКв.р. равной 0,01 мг/дм3.

ИЗВ, рассчитанные с учетом содержания ТМ, характеризуют воды р. Днепр как «умеренно загрязненные» (III класс) на фоновом участке реки; «загрязненные» (IV класс) – ниже впадения р. Вязьма, на участке с. Соловьево – г. Смоленск, на границе с Республикой Беларусь; «грязные» (V класс) – выше п. Верхнеднепровский, ниже очистных сооружений г. Смоленска и в районе п. Гнездово; «очень грязные» (VI класс) и «чрезвычайно грязные» (VII класс) – в районе Дорогобужского промузла.

Таким образом, установлено загрязнение вод Днепра цинком, свинцом и медью на всем протяжении водотока, причем загрязнение свинцом имеет главным образом антропогенный характер.

4.1.3. Донные отложения как индикатор загрязнения р. Днепр тяжелыми металлами

Для более достоверной оценки уровня загрязнения р. Днепр ТМ нами был проведен анализ ДО, являющихся конечным звеном в последовательной цепи распределения загрязняющих веществ по компонентам водной экосистемы, служащих своеобразным депо ТМ и индикатором длительного техногенного воздействия. Поскольку бассейн р. Днепр на территории Смоленской области характеризуется повышенным природным содержанием железа и марганца, роль оксидов последних, как сорбентов, чрезвычайно высока.

Решая вторую задачу исследования, мы выявили, что пространственное распределение ТМ в ДО (рис. 3) имеет несколько иной характер, чем в воде, что связано, по-видимому, с гидродинамическим фактором, а также с характером грунта, определяющим сорбцию ТМ.

Однако из рис. 3 видно, что в целом имеет место корреляция пространственного распределения ТМ в ДО в различные годы (2005-2008 гг.). Наибольшие концентрации Zn, Pb, Cd, Cu, Ni и Co отмечены на ст. 1, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 12, что хорошо согласуется с высокой концентрацией железа на этих станциях, оксидные формы которого с примесью оксидов и гидроксидов марганца, способны активно накапливать другие ТМ.

Максимальные концентрации всех ТМ зафиксированы на ст. 10 (ниже очистных сооружений г. Смоленска), что объясняется сосредоточенным сбросом в р. Днепр сточных вод, среди которых отсутствует категория «нормативно очищенных», а также илистым характером грунта с достаточно высоким содержанием оксидных форм железа и марганца.

Рис. 3. Пространственные изменения содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Ni,

Co, Fe, Mn) в донных отложениях р. Днепр на территории Смоленской области

На рис. 4 и в табл. 1 приведены данные, полученные после проведения нормирования содержания ТМ в ДО по железу, из которых видно, что наиболее загрязненными всеми ТМ являются участки ниже впадения р. Вязьма (ст. 2), ниже п. Верхнеднепровский (ст. 4), ниже г. Дорогобуж (ст. 6), выше и ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9, 10), что адекватно отражает антропогенную нагрузку на эти участки водотока. Сравнение нормированных по железу значений ТМ с величинами отношений кларков металлов для глин показало загрязнение ДО с превышением критерия по цинку, свинцу, марганцу и кадмию по всему водотоку; по меди – на ст. 6, 9, 10, 12; по никелю – на ст. 2, 4, 6, 10 (в отдельные годы); по кобальту – на ст. 2, 4, 6 (в отдельные годы).

Сравнение нормированных значений ТМ с фоновыми показателями (ст. 1) позволило нам выделить антропогенную составляющую загрязнения цинком и свинцом преимущественно на ст. 2, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 12; кадмием – на ст. 2, 4, 6, 10, 12; медью – на ст. 2, 4, 6, 9, 10, 11, 12. Загрязнение марганцем носит преимущественно природный характер.

Рис. 4. Пространственные изменения нормированных по железу концентраций

тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb, Cd, Ni, Co, Mn) в донных отложениях р. Днепр

на территории Смоленской области

Таблица 1 – Средние (нормированные по железу) концентрации ТМ

в донных отложениях и отношение кларков

Номер станции	Zn/Fe x103	Pb/Fe x103	Cu/Fe x103	Cd/Fe х103	Ni/Fe x103	Mn/Fe x103	Co/Fe х103
1	1,990	0,498	0,261	0,015	0,430	48,418	0,181
2	5,086	2,376	0,829	0,078	0,947	75,097	0,373
3	3,840	0,656	0,374	0,016	0,419	46,466	0,168
4	6,383	1,431	1,100	0,046	1,274	47,095	0,432
5	4,499	0,636	0,478	0,014	0,306	44,246	0,156
6	9,642	2,044	2,024	0,053	1,129	52,100	0,504
7	1,773	0,555	0,284	0,013	0,224	27,444	0,097
8	2,171	0,522	0,562	0,009	0,321	30,281	0,149
9	7,183	1,268	2,150	0,032	0,469	36,706	0,170
10	12,895	1,672	5,922	0,155	1,828	43,553	0,153
11	4,133	1,012	1,233	0,022	0,769	48,451	0,207
12	3,856	1,072	1,461	0,037	0,546	44,625	0,168
отношение кларков	1,5	0,4	1,1	0,006	1,25	17	0,38

Коэффициенты распределения ТМ между придонным слоем воды и ДО меняются в широком интервале от 10–1 до 10–4 в зависимости от характера грунта, содержания в ДО железа и марганца и физико-химических свойств самого металла. По сорбционной активности исследуемые металлы составляют ряд: Cd < Zn < Cu Pb < Ni.

Таким образом, исследования ДО р. Днепр на территории Смоленской области в течение четырех лет показали загрязнение ТМ практически на всем протяжении водотока. Приоритетными загрязняющими веществами являются цинк, свинец, кадмий и медь. Загрязнение носит как природный, так и антропогенный характер.

4.2. Оценка экологического состояния реки Днепр

по гидробиологическим показателям

4.2.1. Таксономический состав и распределение макрозообентоса р. Днепр

В процессе решения третьей задачи исследования в прибрежье нами установлено 97 видов и таксономических групп бентосных организмов. Представлены хирономиды – 34, моллюски – 21, олигохеты – 11, личинки стрекоз – 7, ракообразные – 5, клопы и личинки ручейников – по 4 вида, личинки поденок и пиявки – по 3 вида, единичными видами характеризуются личинки жуков, вислокрылок и прочих двукрылых.

Частоту встречаемости более 50 % имеют следующие таксоны: олигохеты Limnodrilus sp., L. hoffmeisteri Claparede, 1862, L. udekemianus Claparede, 1862, Tubifex tubifex (O.F. Mller, 1773), Potamothrix hammoniensis (Michaelsen, 1901), личинки хирономид Procladius ferrugineus Kieffer, 1919, Cricotopus gr. sylvestris, Chironomus plumosus (Linnaeus, 1758), Dicrotendipes nervosus (Staeger, 1839), Microchironomus tener (Kieffer, 1918), Polypedilum nubeculosum (Meigen, 1804), Cladotanytarsus mancus (Walker, 1856), моллюски Viviparus viviparus (Linnaeus, 1758), Tumidiana muelleri (Rossmaessler, 1836), Pseudanodonta nordenskioldi Bourguignat, 1881, Pisidium amnicum (O.F. Mller, 1774), Sphaeriastrum rivicola (Lamarck, 1818), Rivicoliana morini (Servain, 1882).

В верхнем течении реки (выше г. Дорогобуж) зарегистрировано 85 видов и форм бентоса, на участке г. Дорогобуж – г. Смоленск число таксонов составило 71, ниже г. Смоленска – 55 (табл. 2). Обращает на себя внимание уменьшение числа видов моллюсков, олигохет и прочих насекомых, а также исчезновение личинок поденок, жуков, ручейников, клопов на участке ниже г. Смоленска.

Таблица 2 – Число видов различных систематических групп макрозообентоса

р. Днепр (в пределах Смоленской области) в 2005-2008 гг.

Таксономическая группа	с. Болшево – г. Дорогобуж ст. 1-5	г. Дорогобуж – г. Смоленск ст. 6-9	г. Смоленск – с. Красное ст. 11-12
Oligochaeta	11	11	6
Chironomidae	30	23	28
Hirudinea	3	3	2
Crustacea	3	4	2
Ephemeroptera	3	3	–
Heteroptera	4	–	–
Trichoptera	4	–	–
Coleoptera	2	1	–
Mollusca Bivalvia Mollusca Gastropoda	11 7	12 5	9 4
Прочие*	7	9	4
Всего	85	71	55

Примечание: * – прочие: нематоды, личинки стрекоз, вислокрылок, двукрылых (кроме хирономид).

Следует отметить, что ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10) донные организмы не были обнаружены в течение всего периода исследований, что свидетельствует о химической природе и токсичном характере воздействия городских сточных вод и стоков промышленных предприятий.

Для сравнения степени видового сходства исследуемых участков мы воспользовались индексами Жаккара и Серенсена, значения которых изменялись от 0,17 до 0,50 и от 0,29 до 0,66 соответственно. Анализ состава зообентоса показывает, что наибольшее сходство наблюдается между незагрязненными или слабозагрязненными участками – ст. 1-3, 1-8, 3-7, 3-8, 3-11 (индекс Серенсена 0,60-0,66). Близки по составу и наиболее загрязненные участки – ст. 2-4, 2-6, 4-9, 6-9 (индекс Серенсена 0,50-0,54). Индекс Жаккара подтверждает данные индекса Серенсена.

4.2.2. Пространственная динамика численности и биомассы макрозообентоса р. Днепр

Численность донных организмов в среднем за период исследований составила 438 экз./м2 при общей биомассе 410,67 г/м2. По количеству организмов в бентосе преобладали моллюски (34,1 % – 53,9 %) и олигохеты (12,4 % – 33,2 %), а из всех видов насекомых доминировали хирономиды (13,8 % – 36,0 %) (рис. 5). Основу биомассы составляли моллюски (до 99,8 %), без крупных моллюсков в формировании биомассы бентоса значительна роль олигохет (до 26,2 %) и личинок хирономид (до 47,4 %).

Динамика количественных показателей и структурные особенности макрозообентоса на исследуемых станциях обусловлены как различиями в гидрологических характеристиках отдельных участков реки, так и степенью антропогенной нагрузки. Верхний участок реки (ст. 1) характеризуется относительно высокими количественными показателями развития макрозообентоса (750 экз./м2; 476,82 г/м2) и доминирующим комплексом видов, характерным для чистоводных рек: Rivicoliana morini (d = 15,3), Tumidiana muelleri (d = 13,2), Pseudanodonta nordenskioldi (d = 5,1), Procladius ferrugineus (d = 4,4), Tanytarsus sp. (d = 4,7).

Рис. 5. Продольное распределение численности макрозообентоса (экз./м2) и соотношений основных таксономических групп (%) р. Днепр на территории Смоленской области в 2006-2008 гг.

В результате загрязнения на ст. 2, 4, 6, 9 резко (в 3 раза на ст. 9) снижается численность и биомасса макрозообентоса, вплоть до полного его исчезновения (ст. 10). Происходят изменения в структуре донных сообществ, связанные с увеличением в составе макрозообентоса доли олигохет и хирономид. Доминирующий бентоценоз выше очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9) представлен исключительно личинками хирономид Chironomus plumosus (d = 32,7), Cladotanytarsus mancus (d = 11,4) и олигохетами Tubifex tubifex (d = 9,2), Limnodrilus hoffmeisteri (d = 4,5).

На этих же станциях (2, 4, 6, 9) отмечены минимальные показатели индекса видового разнообразия Шеннона (1,63; 1,87; 1,75; 1,55 соответственно), что свидетельствует о процессах деградации бентоценозов, связанных с техногенным поступлением ТМ и их накоплением ДО на этих участках. На ст. 4 ТМ поступают со сточными водами Дорогобужского ЗАУ, производящего также катализаторы, и котельного завода п. Верхнеднепровский; ст. 6 испытывает нагрузку ТМ, вымываемых из золоотвалов Дорогобужской ТЭЦ, расположенных на берегу р. Днепр; загрязнение Днепра в черте г. Смоленска (ст. 9) связано с тем, что в большей части города отсутствуют сеть сбора поверхностного стока с промплощадок города и очистные сооружения ливневого стока, а также с неорганизованным сбросом сточных вод. Максимальное поступление ТМ на ст. 10 связано с недостаточной очисткой очистными сооружениями г. Смоленска сточных вод, содержащих промышленные стоки заводов «Аналитприбор», «Измеритель», «Протон», АО «Айсберг», АО «Свет», авиационного, автоагрегатного, радиодеталей.

4.3. Накопление тяжелых металлов раковинами и мягкими тканями

моллюсков как метод оценки степени загрязнения р. Днепр

Проведенный анализ на содержание ТМ в мягких тканях и раковинах моллюсков Tumidiana muelleri и Viviparus viviparus показал, что в обоих случаях концентрации соответствующих металлов в мягких тканях в целом выше, чем в раковинах, исключение составляет накопление кобальта моллюсками Viviparus viviparus и свинца моллюсками Tumidiana muelleri.

При сравнении полученных в работе данных с результатами исследования слабозагрязненных водоемов России (Никаноров, Жулидов, 1991) отмечено значительное превышение содержания Cu, Ni, Mn (в 5 раз), Co (в 10 раз) в тканях моллюска Viviparus viviparus, а также содержания Zn, Co (в 2 раза) и Mn (в 31,5 раз) в тканях моллюска Tumidiana muelleri. Содержание Zn, Cu и Mn в тканях исследуемых моллюсков в 2-9 раз превышает данные, приведенные в литературе для заповедных территорий Беларуси (Байчоров, 2006). Количество Cu и Ni в тканях Tumidiana muelleri, Zn – в тканях Viviparus viviparus обследованных участков было сравнимо с концентрацией у гидробионтов, обитающих на заповедных территориях России (табл. 3).

Таблица – 3. Содержание (мг/кг сухого вещества) тяжелых металлов в мягких тканях

моллюсков Tumidiana muelleri и Viviparus viviparus р. Днепр в 2005-2008 гг.

Вид	Металлы
	Cu	Zn	Mn	Co	Ni	Pb
Viviparus viviparus	137,80	234,90	599,75	0,39	3,54	6,89
Tumidiana muelleri	26,86	382,26	3778,39	0,87	1,43	2,33
Фоновое по России*	25,0	80,0-200,0	10,4-120	0,04-0,40	1,8	–
Фоновое по Беларуси**	2,1-15	10,0-45	320-901	–	2,0-15,0	–

Примечание: * – слабозагрязненные водоемы России (Никаноров, Жулидов, 1991)

** – слабозагрязненные водоемы Беларуси (Байчоров, 2006).

Сравнение содержания ТМ в раковинах и мягких тканях моллюсков Tumidiana muelleri показало наличие достоверной связи (p < 0,05) между накоплением в них Zn, Cu, Cd, Co, Ni, Mn; коэффициенты корреляции соответственно равны 0,77; 0,50; 0,82; 0,45; 0,85; 0,30 (средние значения по данным анализа за 2005-2008 гг.). В то же время содержание Pb и Fe в раковинах не связано с их концентрацией в мягких тканях. Относительно, по сравнению с раковинами, в тканях моллюсков Tumidiana muelleri больше накаливается Zn и Mn, меньше Co и Ni, еще меньше – Cd, а Pb накапливается в раковинах приблизительно столько же, сколько и в тканях.

Сравнение концентраций ТМ в раковинах и тканях моллюсков Viviparus viviparus позволяет сделать вывод о наличии достоверной связи (p < 0,05) между накоплением Zn, Cu, Ni, Co, Fe, Mn; коэффициенты корреляции составляют соответственно 0,61; 0,30; 0,46; 0,50; 0,51; 0,46. Содержание Cd в раковинах не зависело от их концентрации в мягких тканях Viviparus viviparus, а для Pb выявлена слабая корреляционная зависимость (коэффициент корреляции равен 0,17). Относительно, по сравнению с раковинами, в тканях моллюсков Viviparus viviparus больше накапливается Zn и Cu, меньше Mn, Cd и Ni, еще меньше Fe и Pb, а Co накапливается в раковинах значительно больше, чем в тканях.

Наличие корреляции между накоплением большинства ТМ в тканях и раковинах обоих видов моллюсков свидетельствует об адекватной реакции их организмов на изменение содержания ТМ во внешней среде.

Пространственная динамика содержания ТМ в моллюсках хорошо коррелирует с их концентрациями в ДО, нормированными по железу (коэффициенты корреляции равны 0,30-0,78, p < 0,05 для Tumidiana muelleri и 0,34-0,69, p < 0,05 для Viviparus viviparus). Так, максимальное содержание цинка и никеля, как в раковинах, так и в тканях обоих моллюсков на ст. 2, 4, 6, 9; меди в раковинах Tumidiana muelleri на ст. 2, 4, 6, 9, 12; свинца в раковинах и тканях Tumidiana muelleri на ст. 2, 4, 6, 9; кадмия в раковинах Viviparus viviparus на ст. 2, 4, 6, 9, 12; кобальта в раковинах и тканях Viviparus viviparus на ст. 2, 4, 6 хорошо согласуется с максимальным поступлением соответствующих ТМ на этих участках.

С учетом пространственной динамики содержания ТМ в ДО и моллюсках, а также коэффициентов накопления (Ктк, Кр) и размаха КLim, принимающих высокие значения, наиболее перспективными для анализа загрязнения цинком и никелем могут служить как ткани, так и раковины обоих моллюсков, медью и свинцом – раковины Tumidiana muelleri, кадмием – раковины Viviparus viviparus, кобальтом – раковины и ткани Viviparus viviparus.

4.4. Интегральная оценка экологического состояния р. Днепр

на территории Смоленской области

Для решения четвертой задачи исследования нами был рассчитан ИИЭС*, полученные значения которого позволяют отнести к зоне относительного экологического благополучия (ИИЭС* = 3,05-3,16) участки реки в районах с. Болшево (ст. 1) и с. Соловьево (ст. 7), не подверженные промышленным стокам. Зона экологического кризиса (ИИЭС* = 2,15) занимает район реки выше очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9), где регистрируются максимальные отклонения значений химических и биологических показателей от таковых в других зонах. Участок реки ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10) охватывает зона экологического бедствия (ИИЭС* = 1,63), которая характеризуется высокой степенью концентрации ТМ и отсутствием донных организмов. На основном протяжении водотока (ст. 2-6, ст. 8, ст. 11-12) имеет место зона напряженной экологической ситуации (ИИЭС* = 2,41-2,93).

Глава 5. Анализ экологического состояния

российской части реки днепр

В главе приведен анализ результатов гидрохимических и гидробиологических исследований, из которого видно, что экологическое состояние р. Днепр на территории Смоленской области нельзя считать благополучным. Основной причиной, на наш взгляд, является загрязненность вод и ДО ТМ, как природного, связанного с геохимическими особенностями региона, так и техногенного происхождения. Приоритетными загрязнителями среди ТМ, оказывающими угнетающее воздействие на всех представителей макрозообентоса, являются медь, цинк, свинец и кадмий, содержание которых в компонентах водной экосистемы р. Днепр достаточно высоко. Низкая численность бентосных организмов, прежде всего, двустворчатых моллюсков-фильтраторов, а также олигохет, являющихся мощным фактором самоочищения дна водоемов от загрязнений, ограничивает способность экосистемы к самоочищению. При сохранении существующей антропогенной нагрузки на водную экосистему р. Днепр можно прогнозировать ее дальнейшую деградацию.

ВЫВОДЫ

1. Воды прибрежной зоны р. Днепр соответствуют рыбохозяйственным требованиям по основному ионному составу (за исключением аммонийного, нитритного и нитратного азота), жесткости, величине водородного показателя среды рН и содержанию растворенного кислорода. К неудовлетворительным гидрохимическим показателям относится высокое содержание легкоокисляемых органических веществ с превышением допустимых значений БПК5 по всему водотоку, а также ТМ с превышением ПДКв.р. по Cu, Zn, Fe и Mn на всех участках, по Pb – в районе Дорогобужского промышленного узла, очистных сооружений г. Смоленска и п. Гнездово.
2. Пространственная изменчивость концентраций ТМ в ДО коррелирует с содержанием в них железа и марганца, а также с характером грунта. По сорбционной активности к ДО ТМ составляют ряд: Cd < Zn < Cu Pb < Ni.
3. Сравнение нормированных по железу значений ТМ с отношением их кларков для глин выявило загрязнение ДО цинком, свинцом, кадмием и марганцем по всему водотоку, медью – ниже г. Дорогобуж (ст. 6), выше и ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9, 10), на границе с Республикой Беларусь (ст. 12); никелем – ниже впадения р. Вязьма (ст. 2), ниже п. Верхнеднепровский (ст. 4), ниже г. Дорогобуж (ст. 6), ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10); кобальтом – ниже впадения р. Вязьма (ст. 2), ниже п. Верхнеднепровский (ст. 4), ниже г. Дорогобуж (ст. 6). Наибольшее поступление ТМ имеет место на антропогенно нагруженных участках ниже впадения р. Вязьма (ст. 2), ниже п. Верхнеднепровский (ст. 4), ниже г. Дорогобуж (ст. 6), выше и ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9, 10).
4. Сообщества макрозообентоса прибрежной зоны р. Днепр в границах Смоленской области характеризуются низким разнообразием и численностью, что может быть связано с загрязнением как придонного слоя воды, так и ДО тяжелыми металлами, оказывающими угнетающее воздействие на гидробионтов. Основную роль в количественном развитии макрозообентоса р. Днепр играют моллюски, хирономиды и олигохеты.
5. Для региональной оценки степени загрязнения р. Днепр могут использоваться моллюски Viviparus viviparus и Tumidiana muelleri, адекватно реагирующие на изменение нагруженности тяжелыми металлами отдельных участков водотока.
6. Значения ИИЭС* экосистемы р. Днепр позволяют выделить зону относительного экологического благополучия в истоке (ст. 1) и в районе с. Соловьево (ст. 7), зону напряженной экологической ситуации на основном протяжении водотока (ст. 2-6, ст. 8, ст. 11-12), зону экологического кризиса выше очистных сооружений г. Смоленска (ст. 9) и зону экологического бедствия ниже очистных сооружений г. Смоленска (ст. 10).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Зверькова Ю.С. Использование раковин пресноводных моллюсков для мониторинга загрязнения тяжелыми металлами экосистемы реки Днепр на территории Смоленской области // Экология. – 2009. – № 6. – С. 468-472.
2. Зверькова Ю.С. Современное состояние реки Днепр на территории Смоленской области в условиях антропогенного воздействия // Вестник Московского государственного областного университета. – 2011. – № 3. – С. 112-116.
3. Зверькова Ю.С. Таксономический состав и пространственное распределение макрозообентоса реки Днепр на территории Смоленской области // Известия Смоленского государственного университета. – 2011. – № 2. – С. 7-19.

Статьи в научных журналах и сборниках

4. Зверькова Ю.С, Якушева А.Д. О загрязненности вод и грунтов Верхнего Днепра // Материалы V Всеросс. науч.-практ. конф. «Ресурсообеспечение и экологическая безопасность». – Смоленск: Смоленская городская типография, 2006. – С. 56-59.
5. Зверькова Ю.С, Якушева А.Д. Тяжелые металлы в гидросфере как опасный экологический фактор // Материалы IV науч.-практ. конф. «Здоровье и здоровый образ жизни: состояние и перспективы». – Смоленск: Универсум, 2006. – С. 180-187.
6. Зверькова Ю.С. Экологический риск загрязнения вод и грунтов Верхнего Днепра тяжелыми металлами // Материалы сб. № 14, Ч. 2. – Смоленск: Военная академия войсковой противовоздушной обороны Вооруженных Сил Российской Федерации, 2006. – С. 112-113.
7. Зверькова Ю.С. Донные отложения как индикатор загрязненности водной экосистемы Верхнего Днепра тяжелыми металлами // Информационный бюллетень № 14 Смоленского регионального отделения АВН. – Смоленск, 2007. – С. 14-16.
8. Зверькова Ю.С. О мониторинге загрязнения тяжелыми металлами водной экосистемы Днепра // Материалы Всеросс. науч.-практ. конф. «Мониторинг природных экосистем». – Пенза, 2007. – С. 44-46.
9. Зверькова Ю.С, Якушева А.Д. Оценка уровня загрязненности тяжелыми металлами водной экосистемы Верхнего Днепра по донным отложениям // Материалы междунар. молодежной науч. конф. «Экология 2007». – Архангельск, 2007. – С. 56-58.
10. Зверькова Ю.С. Оценка уровня полиметаллического загрязнения водной экосистемы Днепра на территории Смоленской области // Конкурс молодых ученых: Сборник материалов. – Смоленск: Универсум, 2007. – С. 100-103.
11. Зверькова Ю.С. Мониторинг загрязнения тяжелыми металлами водной экосистемы р. Днепр на территории Смоленской области с помощью пресноводных моллюсков // Материалы II Всеросс. науч.-практ. конф. «Мониторинг природных экосистем». – Пенза, 2008. – С. 60-64.
12. Зверькова Ю.С. Некоторые аспекты экологического состояния водной экосистемы Днепра на территории Смоленской области // Известия Смоленского государственного университета. – Смоленск, 2008. – № 2. – С. 24-33.
13. Зверькова Ю.С. Оценка уровня загрязнения водной экосистемы Днепра тяжелыми металлами на территории Смоленской области // Конкурс молодых ученых: Сборник материалов. – Смоленск: Универсум, 2009. – С. 119-122.
14. Зверькова Ю.С. Макрозообентос литорали реки Днепр в границах Смоленской области // Тез. докл. Всеросс. конф. «Экология малых рек в XXI веке: биоразнообразие, глобальные изменения и восстановление экосистем». – Тольятти: ИЭВБ РАН, 2011.