Мониторинг гидроэкосистемы на примере реки ишим республики казахстан
На правах рукописи
Кобетаева Назира Кулумбетовна
МОНИТОРИНГ ГИДРОЭКОСИСТЕМЫ НА ПРИМЕРЕ РЕКИ ИШИМ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
03.02.08 – экология (биология)
Автореферат
диссертации на соискание
ученой степени кандидата биологических наук
.
Красноярск – 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО « Красноярский государственный аграрный университет» на кафедре городского кадастра и планировки населенных мест, Евразийском национальном университете им. Л.Н.Гумилева на кафедре управления и инжиниринга в сфере охраны окружающей среды.
Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент
Бадмаева Софья Эрдыниевна
Официальные оппоненты: Мучкина Елена Яковлевна –
доктор биологических наук, профессор
кафедры экологии и естествознания
Красноярского государственного аграрного
университета
Заделенов Владимир Анатольевич –
кандидат биологических наук, старший
научный сотрудник Федерального бюджетного
научного учреждения «НИИ экологии
рыбохозяйственных водоемов»
Ведущая организация: Научно – исследовательский институт биологии
Иркутского государственного университета
Защита состоится «18» мая 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира,90.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан « » апреля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор биологических наук, профессор Г.А.Демиденко
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. За последние десятилетия значительно изменился гидрологический режим многих водных объектов, возросли непродуктивные потери воды, произошло загрязнение речных и озерных вод тяжелыми металлами, нефтепродуктами, пестицидами.
Экологический мониторинг поверхностных водоемов является одним из ведущих для отслеживания общей экологической ситуации в регионе. В Экологическом Кодексе Республики Казахстан большое внимание уделено мониторингу окружающей среды, включая водные объекты страны. Такой интерес к проблеме мониторинга водных объектов не случаен, т. к. в последнее время проблемы чистой воды и охраны водных экосистем становятся все более острыми и глобальными. В настоящее время увеличение антропогенной деятельности оказывает сильное влияние на гидрохимические показатели поверхностных вод, а это неизбежно приводит к нарушению равновесия в гидробиоценозах (Константинов, 1986).
Рост и развитие столицы Казахстана Астаны вызвал усиление техногенной нагрузки на территорию Акмолинской области. В регионе располагается уникальная водная система- бассейн р. Ишим. Это трансграничная река, имея свои истоки на территории Казахстана, приобретает за последние годы все возрастающее важное народнохозяйственное значение. На реке расположены Вячеславское и Сергеевское водохранилища. Воды Ишима используются для водоснабжения и орошенияв особенности это повлияло на поверхностные водоемы области. Развитие промышленного и сельскохозяйственного сектора, коммунально-бытовой сферы в регионе сопровождается загрязнением поверхностных вод сточными водами, поверхностным стоком с водосборной площади водоемов (Доскаев, Рахманкулова, 2007)..
Одним из показателей устойчивости и стабильности гидроэкосистемы является биологическое разнообразие составляющих ее видов. Особый интерес вызывает ихтиофауна реки Ишим, представители которой способны аккумулировать загрязняющие воду вещества. Ихтиофауна надежный индикатор медленных изменений фоновых уровней токсичных металлов в природных водах. Поллютанты в воде имеют невысокие концентрации, в тканях рыб они могут достигать высоких значений, опасных для самих рыб, и для человека, употребляющего рыбу в пищу.
Оценка состояния гидроэкосистем бассейна реки Ишим и разработка рекомендаций по обеспечению качества вод и сохранению биоразнообразия является важной научной проблемой.
Цель исследований. Экологический мониторинг за состоянием бассейна реки Ишим в пределах Республики Казахстан на основе комплексных гидроэкологических исследований.
Задачи исследований:
1. Гидрохимическая характеристика бассейна реки Ишим на территории Республики Казахстан.
2. Оценка качества вод на основе расчета комплексного гидрохимического индекса загрязнения вод и гидробиологического индекса сапробности.
3. Исследование видового разнообразия ихтиофауны, определение массового видов рыб.
4. Определение особенностей накопления тяжелых металлов в теле рыб.
5. Выявление возможности использования учета индекса неблагополучного состояния (ИНС) рыб в биоиндикации загрязнения вод.
Защищаемые положения:
1. Основными загрязняющими веществами реки Ишим являются: сульфаты, нефтепродукты, органические вещества (по БПК), и тяжелые металлы (кадмий, железо общее, свинец, медь, цинк).
2. Ихтиофауна реки наряду с планктоном и бентосом является адекватным индикатором экологического состояния бассейна трансграничной реки Ишим.
Научная новизна. Впервые для бассейна реки Ишим в пределах Республики Казахстан проведена комплексная оценка экологического состояния компонентов гидроэкосистемы. Установлена возможность использования показателей состояния рыб для дифференциации районов водоема по качеству вод. Выявлены пути миграции и аккумуляции тяжелых металлов в системе: вода – рыба – донные отложения в бассейне реки Ишим.
Практическое значение работы заключается в возможности использования полученных данных для проведения мониторинга поверхностных вод в регионе, моделирования техногенной нагрузки на гидроэкосистемы и получения экологически безопасной рыбопродукции.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 статьях, а также докладывались и обсуждались на 15 Международном курсе Александра Холландера «Взаимодействие генома и окружающей среды. Генетическая токсикология» (Астана, 2009), Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные проблемы географии на рубеже столетия. ЕНУ им. Л.Н. Гумилева» (Астана, 2009), Международном форуме «III – тысячелетие – Новый мир. Проблемы науки, техники и образования» (Москва, 2009), Международной научно-практической конференции «Формирование профессиональной компетентности будущих специалистов в условиях кредитной технологии обучения: опыт, проблемы и перспективы» (Кокшетау, 2010), Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы в контексте устойчивого развития. Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева» (Астана, 2010).
Личный вклад автора. Сбор и обработка материала проведены автором лично. Также проанализированы данные гидрохимического анализа, предоставленные Республиканским государственным предприятием «Казгидромет». Ей принадлежит постановка и решение задач исследования, обобщение результатов, обоснование выводов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, практических рекомендаций, списка использованных источников из 174 наименований, из них 15 на иностранном языке, 13 приложений. Текст диссертации изложен на 138 страницах, иллюстрирован 29 таблицами и 28 рисунками.
Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю Бадмаевой Софье Эрдыниевне, к.б.н., доценту Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева Акбаевой Л.Х., доценту кафедры зоологии и гистологии КазНУ им. Аль – Фараби Мамилову Н.Ш., директору РГКП «Майбалыкский рыбопитомник» Гудыно Д.Н., сотрудникам РГП «Казгидромет» за помощь и поддержку при подготовке диссертационной работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1 Теоретические и методические основы мониторинга гидроэкосистем
На основе анализа литературных источников и фондовых материалов дано современное представление о проблемах, связанных с гидроэкосистемами. Поверхностные воды испытывают колоссальную антропогенную нагрузку, что сказывается на гидрологических, гидрохимических и гидробиологичеких режимах водоемов. Исследованиями, проведенными С.М.Драчевым (1964), О.А.Алекиным (1970), Ramamurthi R., Usha Rani A.(1987), В.Н.Майстренко (1996), Н.Ю.Евтушенко (1996), Г.К.Будниковым (1998), Л.П.Брагинским (1998), Ю.В.Чеботаревым (1999), В.М.Захаровым (2000), А.А.Айтжановым (2000), Л.Ф.Голдовской (2005), С.Э.Бадмаевой (2008) и др. установлены основные источники загрязнения поверхностных водоемов. При оценке экологического состояния водных экосистем помимо гидрохимических и микробиологических показателей в качестве индикаторов могут быть использованы гидробионты (Мина, 1986; Ветров, Кузнецов, 1997; Леонова, Бычинский, 1998; Леонова, Аношина,2002; Кузнецов и др., 2003; Говоркова, 2004; Ашихмина, 2006; Гольд, 2008). Наряду с широко использованными в оценке качества вод безпозвоночными, ихтиофауна также может быть объектом гидроэкологического мониторинга поверхностных вод. (Строганов,1962; Метелев и др.,1971; Никольский,1974; Чибилев,1984; Гершанович и др.,1987; Глуховцев,1988; Новикова,1991; Huusko A, 1993; Курукбаева, 2008; Литвиненко, 2009; Лукьяненко, 2009, Федоров, 2011).
Глава 2 Объект и методы исследований
2.1 Характеристика объекта исследований
Исток реки Ишим расположен на высоте 560 м над уровнем моря (500300с.ш., 730120 в.д.) впадает в реку Иртыш слева ( 570420 с.ш.,710120 в.д.). Русло реки извилистое, ширина его от 40 до 200 м. Дно преимущественно песчаное. Глубины на перекатах 0,1 – 0,3 м, на плесах – до 8 – 10 м. Средняя ширина долины от 4 до 22 км. Пойма широкая с большим количеством озер. Длина реки 2450 км, это самый длинный в мире приток второго порядка. Площадь водосбора реки составляет 177000 км2. Падение реки от истока до устья составляет 513 м, средний уклон – 21 см/км. Формирование стока реки Ишим происходит в пределах Казахского мелкосопочника.
Река Ишим - жизненно важная артерия не только для Казахстана, но и для всего региона Евразии. Река Ишим относится к системе р. Обь.
Сток реки Ишим формируется почти исключительно за счет талых снеговых вод. Территория бассейна характеризуется резкой континентальностью и аридностью климата, разнообразием рельефа, почвообразующих пород, гидрогеологических условий.
Объект исследований – компоненты гидроэкосиситемы бассейна трансграничной реки Ишим на территории Республики Казахстан.
Для анализа выбраны пять створов (табл. 1).
Таблица 1 - Места отбора проб в бассейне р. Ишим
| № створа | Местонахождения по течению | Глубина средняя, м | Ширина, м | Характер водопользования |
| 1 | Вячеславское водохранилище, 60 км выше г. Астана | 25 | 10000 | Малое судоходство, рыболовство, рекреация и питьевое водоснабжение |
| 2 | п. Тельмана, 3 км выше г. Астана | 4 | 40 | Рыболовство любительское |
| 3 | р. Ишим, в пределах г. Астана | 4 | 40 | Рекреация, рыболовство любительское, поступление хозяйственно-бытовых и промышленных стоков |
| 4 | 0,2 км ниже сброса ливневой канализации г. Астаны | 4 | 40 | Сброс ливневой канализации |
| 5 | п. Коктал, 8 км ниже г. Астана | 5 | 45 | Ирригация, рыболовство любительское |
2.2 Методы исследований
Материалами для данной работы послужили сборы гидрохимических, гидробиологических и ихтиологических проб. Исследования проводились с 2006 по 2010 гг. (табл. 2). Мониторинг на реке Ишим проводился по пяти створам. Гидрохимические пробы отбирались у поверхности и дна с последующим анализом в лабораторных условиях по существующим методикам (Унифицированные методы...,1974; Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, 1977).
В пробах воды учитывалось общее количество микробиального планктона методом прямого счета (Разумов,1947). Определялось количество гетеротрофных бактерий, вырастающих на РПА (Горбенко, 1961).
Пробы зоопланктона отбирали отцеживанием 100 л воды через планктонную сеть Апштейна, с последующей фиксацией формалином и идентификацией организмов ( Методы изучения зоопланктона, 2000).
Сбор бентоса осуществлялся дночерпателем Петерсена (S - 1/40 м2). Обработку взятых проб проводили по общепринятым методикам (Методические рекомендации по сбору и обработке материалов при гидробиологических исследованиях на пресноводных водоемах. Зообентос и его продукция, 1983).
Согласно руководствам (Правдин, 1966; Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем, 1992; Аннотированный каталог.., 1988), изучали ихтиофауну: видовую принадлежность рыб, численность по видам, длину и массу тела, пол и стадию зрелости.
Таблица 2 - Объем материала исследований гидроэкосистем р. Ишим
| № пп | Исследуемый материал | Число проб | Период | Источник |
| 1 | Гидрохимический анализ | 300 | 2006-2010 | Представлен РГП «Казгидромет» |
| 2 | Гидробиологический анализ | 24 | 2008 – 2009 | Наши данные |
| 2.1 | Бактериопланктон | 18 | 2008,2010 | Наши данные |
| 2.2 | Зоопланктон | 18 | 2008, 2010 | Наши данные |
| 2.3 | Зообентос | 18 | 2008, 2010 | Наши данные |
| 3 | Содержание тяжелых металлов в воде | 72 | 2008, 2010 | Наши данные |
| 4 | Содержание тяжелых металлов в донных осадках | 36 | 2008, 2010 | Наши данные |
| 5 | Содержание тяжелых металлов в тканях рыб | 206 | 2008, 2010 | Наши данные |
| 6 | Ихтиофауна | 2560 | 2008,2010 | Наши данные |
| 7 | Оценка ИНС рыб | 240 экз | 2008, 2010 | Наши данные |
Расчет индекса неблагополучного состояния (ИНС) определяли как сумму всех баллов по всем органам, включая зараженность паразитами и жиронакопление (Решетников, 1999).
Для анализа уровня техногенного загрязнения окружающей среды приоритетными для данного района токсикантами, относящихся к группе тяжелых металлов (железо, медь, цинк, кадмий, свинец) коллектированы образцы воды и донных отложений.
Перед определением содержания тяжелых металлов пробы воды концентрировали выпариванием при нагревании до 50-60° С. Пробы грунтов высушивали до постоянного веса при температуре 50-60° С. Высушенные пробы растирали в фарфоровой ступке, просеивали через сита с диаметром ячей не более 500 мкм, квартировали и отбирали соответствующие навески.
Все пробы для определения содержания тяжелых металлов переводили в растворенное состояние методом мокрого озоления. Анализ содержания железа, цинка, меди, кадмия, и свинца проводили методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии на спектрофотометре АА8-3 фирмы Цейсс Иена (Германия).
Также проводились анализы проб щуки, плотвы, сазана выловленных в реке Ишим. на содержание тяжелых металлов в разных органах. Образцы мышечной ткани, жабр и печени рыб были приготовлены стандартными методами. В пробах рыб определяли содержание валовых форм железа,кадмия, свинца, цинка и меди методом инверсионной вольтамперометрии по методике МУ № 31-04/04 ФР.1.31.2004.00986. По результатам анализа нами были составлены ряды убывания среднего содержания металлов в различных органах рыб (печень, мышцы, жабры) (Кудрявцева, Моисеенко,1988).
Для изучения ихтиофауны проводили отлов рыбы жаберными сетями и крючковой снастью.
Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по пакетам программ Microsoft Word Excel 2007.
Глава 3 Современное экологическое состояние бассейна реки Ишим
3.1 Гидрохимический режим
Установлено, что в р. Ишим минерализация воды колеблется в пределах от 530 до 803 мг/л (ПДК 1000 мг/л), во время весеннего половодья снижается до 200 – 350 мг/л. Содержание растворенного в воде кислорода во все сезоны года находится в оптимальных величинах – 9,3 – 11,0 мг/л (ПДК 6,0мг/л). По содержанию растворенных в воде органических веществ, превышений ПДК для рыбохозяйственных водоемов не наблюдается.
По некоторым створам в отдельные годы зафиксировано повышенное содержание отдельных веществ (табл. 3). В воде реки отмечается повышенное содержание сульфатов 111 – 334 мг/л (ПДК 100 мг/л), нефтепродуктов до 0,051 – 0,089 мг/л (ПДК 0,05 мг/л) и значений БПК5 - 1,8 – 3,4мгО2/л( ПДК – 1,2 мгО2/л)
По ряду элементов по створам 3 – 5 отмечено значительное превышение ПДК (меди от 1,3 до 3,4 раза, цинка – от 4,4 до 5,9 раза, кадмия – 4 – 5,9 раза, свинца в 4 – 5 раза и железа общего – от 1,4 до 4,7 ).
В расчет индекса загрязнения вод бассейна реки Ишим по пяти створам включали 7 ингредиентов – рН, БПК5,кадмий, железо общее, свинец, медь, цинк. В среднем за период исследования с января 2006 года по декабрь 2010 года в створе № 1 значение ИЗВ7 было равно 1,67 балла, что соответствует второму классу качества вод – умеренно – загрязненные, а в створе № 5 значение ИЗВ7 было равно 3,3 баллам – загрязненные. (рис.1).
3.2 Гидробиологические показатели индикации состояния вод
Оценивали уровень развития гетеротрофных компонентов экосистемы реки Ишим в рамках комплексных исследований: бактериопланктона, зоопланктона, макрозообентоса. Соотношение доли гетеротрофных бактерий (N гет.) к общему содержанию бактерий (N бакт.), как показатель доли легкоразлагаемой органики увеличивается от створа № 2 (0,0044 в 2008 году и 0,0076 в 2009 году) к створу №3 (0,021 – 0,022) и к створу № 4 ( 0,025 – 0,032).
Таблица 3 - Среднегодовое содержание загрязняющих веществ в воде р. Ишим
(среднее за 2006-2010 годы)
| № п/п | Определяемый ингредиент | Концентрация по створам за 2006-2010 годы мг/л | ||||
| Створ №1 | Створ№2 | Створ №3 | Створ № 4 | Створ №5 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 1 | Растворенный кислород | 10,5 | 9,5 | 9,3 | 11 | 9,5 |
| 2 | БПК5 | 2,2 | 1,8 | 2,6 | 3,2 | 3,4 |
| 3 | Взвешенные вещества | 18,3 | 18,2 | 20,1 | 53,4 | 67,4 |
| 4 | рН | 8,0 | 8,7 | 8,3 | 7,5 | 8,2 |
| 5 | Нитриты | 0,007 | 0,006 | 0,096 | 0,198 | 0,278 |
| 6 | Нитраты | 24,0 | 28,6 | 44,0 | 51,4 | 63,2 |
| 7 | Кадмий | 0,0015 | 0,0020 | 0,0043 | 0,0052 | 0,0054 |
| 8 | Цинк | 2,68 | 2,86 | 4,72 | 5,38 | 5,04 |
| 9 | Железо общее | 0,17 | 0,21 | 0,38 | 0,43 | 0,21 |
| 10 | Медь | 0,0012 | 0,0013 | 0,0013 | 0,0024 | 0,0016 |
| 11 | Свинец | 0,07 | 0,07 | 0,13 | 0,11 | 0,14 |
| 12 | Сульфаты | 111 | 165 | 179 | 276 | 334 |
| 13 | Нефтепродукты | 0,051 | 0,071 | 0,089 | 0,072 | 0,089 |
| 14 | Ртуть | 0,0006 | 0,0007 | 0,0008 | 0,0006 | 0,0007 |
| 15 | Фториды | 0,5 | 0,46 | 0,52 | 0,55 | 0,55 |
По уровню развития бактериопланктона исследуемый участок реки Ишим относится к водоемам мезотрофного типа в соответсвии с классификацией О.П.Оксиюк и др. (1994).
Скорость размножения бактерий (время удвоения численности) значительно не менялась ( 20 – 26 часов в 2008 году и 28 – 30 часов в 2009 году).
В соответствии с ГОСТом 17.1.3.07. – 82 оценено качество воды исследуемого района реки Ишим по показателям бактериопланктона (табл.4).
Зоопланктон. В пределах исследуемого района зоопланктон реки Ишим включает широко распространенные речные виды. Всего зарегистрировано 37 видов планктонных организмов в числе которых 20 коловраток, 14 ветвистоусых и 4 веслоногих рачка. В планктоне реки на всем ее протяжении встречались копепоитные и науплиальные стадии циклопов.
Были рассчитаны величины индекса сапробности зоопланктона по исследуемому участку реки Ишим в 2008 – 2009 годах.
Таблица 4 – Оценка качества воды бассейна р. Ишим в соответствии с ГОСТ 17.1.3.07. – 82
| Створ | Год | Численность бактерий млн. кл/мл | Класс качества, степень загрязнения |
| 1 | 2008 2009 | 1,78±0,123 1.96±0,112 | 3 – умеренно – загрязненный 3 – умеренно – загрязненный |
| 2 | 2008 2009 | 3.41±0158 3,15±0,095 | 4 – загрязненная 4 – загрязненная |
| 3 | 2008 2009 | 3,65±0,170 4,02±0,168 | 4 – загрязненная 4 – загрязненная |
| 5 | 2008 2009 | 3,72±0,142 3,58±0,177 | 4 – загрязненная 4 – загрязненная |
По уровню биомассы зоопланктона река Ишим относится к водоемам мезотрофного типа (биомасса 1,2 – 1,8 г/см3). По оценке уровня индекса сапробности, рассчитанного для зоопланктонного сообщества, вода реки Ишим соответствует классу умеренно – загрязненных вод. (табл. 5).
Таблица 5 – Распределение величин индекса сапробности зоопланктонного сообщества р. Ишим ( 2008 – 2009 гг.)
| Район | Sз, балл | Класс качества, степень загрязнения |
| Створ №2 | 1,65 | 3 – умеренно – загрязненная |
| Створ №3 | 1,87 | 3 – умеренно – загрязненная |
| Створ №5 | 1,72 | 3 – умеренно – загрязненная |
Зообентос. За период исследования в реке Ишим зарегистрировано 24 таксона донных животных, из них до вида определено 14, в том числе моллюски – 2 вида, плоские черви – 4 вида; членистоногие – 18 таксонов, всключая 1 представителя клещей, 1 – ракообразных; 16 личинок насекомых. По уровню развития зообентоса водоем может быть отнесен к мезотрофному типу 3 класса средней кормности (2,5 – 3,0 г/см3) в соответствии со шкалой С.П.Китаева (1984).
Оценка видового разнообразия донных организмов с учетом индекса сапробности позволили определить степень сапробности вод в исследуемом районе реки Ишим (табл.6).
Таблица 6 – Распределение величин индекса сапробности макрозообентоса и качества воды р. Ишим (2008 – 2009 гг.)
| Створ | Sб, балл | Класс качества, степень загрязнения |
| 1 | 2,1 | 3 – умеренно – загрязненная |
| 2 | 2,5 | 3 – умеренно – загрязненная |
| 3 | 2,98 | 4 – загрязненная |
| 4 | 3,04 | 4 – загрязненная |
| 5 | 3,06 | 4 – загрязненная |
Оценка качества воды показала 3 и 4 класс, умеренно – загрязненная и загрязненная вода по створам.
Для исследуемого района нами при комплексной оценке качества вод реки Ишим, как среды обитания ихтиоценоза, применен подход З.Г.Гольд (2008), который наряду с ГОСТ 17.1.3.07-82, учитывает ряд дополнительных показателей.В таблице 7 дана оценка качества вод реки Ишим по комплексу показателей. Установлено ухудшение качества воды от створа № 1 к створу № 5 по всем изученным показателям
Глава 4 Ихтиофауна – индикатор экологического мониторинга
реки Ишим
Характер водных масс реки, поступление загрязняющих веществ определяют развитие как микробного сообщества, сообщества беспозвоночных, так и высшего трофического звена речной экосистемы – ихтиофауны. В связи с чем изучали видовой состав рыб, аккумуляцию тяжелых металлов в тканях рыб, определяли их состояние.
4.1 Видовое разнообразие рыбного населения р. Ишим
Результаты изучения видового разнообразия ихтиофауны реки Ишим показали, что сообщество рыб реки Ишим формируется, прежде всего, за счет аборигенных видов. В верховьях реки оно беднее, чем ниже по течению. В частности, здесь не отмечается сибирская щиповка (Cobitis melanoleuca Nichols, 1929).
Таблица 7 – Оценка качества вод р.Ишим по комплексу гидрохимических и биологических показателей (среднемноголетние значения) в соответствии с унифицированным классификатором З.Г.Гольд (2008 )
| Показатель | Створы | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |||
| ИЗВ,балл, класс качества | 1,67 3 | 1,93 3 | 3,1 4 | 3,58 4 | 3,3 4 | ||
| Общее количество бактерий,млн. кл/мл класс качества | 1,87 3 | 3,28 4 | 3,84 4 | - | 3,65 4 | ||
| Индекс сапробности, балл класс качества | 2,1 3 | 2,5 3-4 | 2,98 4 | 3,04 4 | 3,06 4 | ||
| Итоговая оценка класса качества и степень загрязнения | 3- умер-загр. | 3-4- ум.-загр., загр. | 4 – загрязн. | 4 – загрязн. | 4 – загрязн | ||
| Зона сапротоксобности | -мезосапро- токсобные воды, -mst | а- -мезо- сапроток- собные воды, а,- mst | а- мезосап- ротоксобные воды,аmst | а- мезосап- ротоксобные воды,аmst | а- мезосап- ротоксобные воды,аmst | ||
| Степень токсичности | Слаботок- сичные | Слабо – среднеток сичные | Среднеток- сичные | Среднеток- сичные | Среднеток- сичные | ||
Общее количество видов рыб, обитающих в реке Ишим в пределах Казахстана составляет 18, а интродуцированных – 8.
Из акклиматизантов присутствуют лещ и карп, судак, уклея, верховка (Доброхотов,1948; Митрофанов,1968; Титар, Дубровский,1990). Наиболее встречаемыми являются 15 видов. По структуре уловов выделяются 5 видов (рис. 2).
По условиям размножения в реке можно выделить следующие группы:
- фитофилы - откладывают икру на отмершие или вегетирующие растения (щука, сазан, лещ, плотва, окунь и др.);
- псаммофилы - нерестятся на песке, иногда икринки прикрепляются к корешкам растений (пескарь, некоторые гольцы);
- пелагофилы - мечут икру в толще воды (некоторые карповые и др.) (Крайнюк и др., 1995).
Из аборигенных видов рыб наиболее встречаемыми видами как в верхнем течении реки, так и в нижнем является щука. В уловах наибольшую долю составляют окунь и плотва, щука и елец (рис. 2).
Рисунок 2 - Видовая структура летних уловов рыбы в реке Ишим
4.2 Особенности накопления тяжелых металлов
в разных органах рыб
Проведены анализы органов рыб, ила и воды на тяжелые металлы в пробах, отобранных на гидрологических постах в реке Ишим.
Накопление тяжелых металлов в организме рыб рассмотрено на примере щуки и плотвы (табл. 8).
Содержание металлов- токсикантов в организме рыб на 2-3 порядка выше, чем в воде реки Ишим и на порядок ниже, чем в донных отложениях. Анализ содержания отдельных элементов – токсикантов во внешней среде и в тканях рыб выявил неоднозначный характер их аккумуляции.
Содержание свинца в створе № 1увеличивается следующем порядке для щуки: вода – мышца – печень – жабры – донные отложения; для плотвы: вода – мышцы – жабры – печень – донные отложения. В створе № 3 для обоих видов зафиксировано однотипное распределение по концентрации свинца: вода – печень – жабры – донные отложения.
Концентрация кадмия в створе № 1 возрастает в следующем ряду: для щуки – вода – печень – мышцы – жабры – донные отложения; для плотвы: вода – мышцы – жабры – печень – донные отложения.
Таблица 8 – Среднемноголетние концентрации металлов (сухая масса, мг/кг) в тканях рыб р. Ишим (2006 – 2010 гг)(р=0,95)
| Вид, возраст | Наименование пробы | Pb | Cd | Zn | Cu | Fe | ||||
| 1 | Щука, 4+ | Печень | 0,21±0,01 | 0,04±0,02 | 40,20±5,15 | 2,06±1,35 | 24,48±8,13 | |||
| Створ 1 | Жабры | 3,33±0,32 | 0,21±0,02 | 116,38± 14,53 | 0,71±0,12 | 34,82±7,45 | ||||
| мышцы | 0,1±0,04 | 0,09±0,01 | 4,12±0,50 | 0,41±0,04 | 25,49±3,10 | |||||
| 2 | Щука, 4+ | Печень | 0,67±0,08 | 0,08±0,03 | 58,88±6,15 | 5,10±0,61 | 64,02±4,10 | |||
| Створ 3 | Жабры | 4,10±0,30 | 0,26±0,04 | 110,52± 9,24 | 0,88±0,06 | 45,79±5,64 | ||||
| 4 | Плотва, 4+ | Печень | 1,84±0,15 | 0,26±0,03 | 45,44±6,40 | 6,63±0,76 | 47,89±5,11 | |||
| Створ 1 | Жабры | 0,56±0,19 | 0,25±0,02 | 48,33±7,62 | 0,23±0,01 | 47,39±4,93 | ||||
| мышцы | 0,26±0,10 | 0,15±0,01 | 2,95±0,30 | 0,22±0,01 | 12,31±1,32 | |||||
| 5 | Плотва,4+ | Печень | 0,82±0,06 | 0,11±0,01 | 30,37±5,58 | 2,70±0,15 | 41,74±4,86 | |||
| Створ 3 | Жабры | 1,58±0,03 | 0,35±0,01 | 68,93±6,10 | 0,81±0,04 | 40,39±4,75 | ||||
| мышцы | 0,91±0,01 | 0,22±0,01 | 5,71±0,45 | 0,21±0,01 | 19,90±2,02 | |||||
В створе № 3 кадмий накапливается у щуки и плотвы аналогично, как у щуки в створе № 1. Содержание цинка имеет особенности в системе среда – организм. Для обоих видов и на створе № 1 и на створе №3 зарегистрировано максимальное содержание цинка в жабрах и печени, которое превышает его концентрацию в донных отложениях, а содержание в мышцах выше, чем в воде. Накопление меди для щуки и плотвы: вода – мышцы – жабры – печень – донные отложения; для плотвы: вода – мышцы – жабры – печень – донные отложения. Содержание железа возрастает для щуки и плотвы в створе № 3 в направлении вода – мышцы – жабры – печень – донные отложения. Очевидно, что из проанализированных компонентов наименьшим содержанием для всех элементов отличается вода. Максимальное содержание элементов, за исключением цинка, зафиксировано в донных отложениях. Из тканей рыб в наибольшей степени аккумуляция токсикантов происходит в тканях печени (Fe, Cu, Zn) и жабрах (Pb, Cd). Превышение допустимого содержания цинка обнаружено в печени плотвы, щуки, превышение ПДК свинца в печени плотвы, в печени и жабрах щуки выявлено превышение ПДК кадмия. Выявлено превышение ПДК свинца в печени плотвы. В печени и жабрах щуки выявлено превышение ПДК кадмия. У всех исследованных рыб в печени железо превышает ПДК.
Обнаружение в организме рыб сравнительно высоких концентраций тяжелых металлов при загрязнении среды свидетельствует об их аккумуляции.
4.3 Рыбы в биоиндикации загрязнения вод
Комплексная оценка состояния водной биоты, ее прогностическая ценность может быть надежно осуществима на основании детальных характеристик основных компонентов гидробиоценоза: планктона, бентоса и дополнительная оценка состояния жизненно – важных органов представителей рыб разных экологических групп. Именно рыбы, являясь конечным звеном трофических цепей, кумулируют огромное количество токсикантов различной природы. А органы, ответственные за выполнение тех или иных функций, могут служить важными индикаторами морфо-функционального состояния не только отдельной особи, но и популяции в целом.
В данной работе был произведен расчет индекса неблагополучного состояния (ИНС) для щуки, плотвы и леща. Были подобраны особи примерно одного возраста по 10 рыб для каждого вида ежемесячно в летний период по годам исследований. Ранжирование патологий по баллам представлено в таблице 9.
Таблица 9 – Значения ИНС по бальной системе аномалий рыб р. Ишим в соответствии ( Решетников, 1999)
| Створ | Щука | Плотва | Лещ |
| min-max, среднее | min- max, среднее | min- max, среднее | |
| 1 | 0-3 0,8±0,27 | 0-34 2,7±0,62 | 0-3 1,3±0,15 |
| 5 | 3-7 4,7±0,67 | 5-9 7,7±0,67 | 3-8 6,8±0,44 |
ИНС определялся как сумма всех баллов по всем органам, включая зараженность паразитами.
По внешним морфологическим показателям изучаемые рыбы не имели отклонений от нормы, характерной для их вида и выставлена «оценка 0»,что соответствует экологическому благополучию. По внешнему виду плавников, жабр, сердца у рыб также патологии выявлено не было, соответственно «оценка – 0».
Однако печень изученных рыб в створе № 3 – 5 оказалась более чувствительным индикаторным органом. Так, у щуки отдельные особи получили оценку 2, что соответствует окраске очень бледной; пятнистой (мозаичной) и слабой редуцированности. Средняя оценка печени у щуки 1,67 ± 0,444. У плотвы особи имели в основном больную печень – 3 и 4 (очень плохо) баллов - рыжая, сильномозаичная и зернистая по структуре, редуцированная более чем в 2 раза; цирроз. Также плохая печень – 2 и 3 балла имели особи леща.
Мышцы рыб относительно неблагополучны у щуки и плотвы у всех особей и оценены в 2 бала, так как продавливаются под пальцами.
У отдельных особей плотвы гонады асимметричные (одна гонада больше другой на 1/3 и более), что соответствует 1 баллу. Гонады других видов рыб внешней патологии не обнаружили. Также у всех изученных особей не обнаружены патологии жиронакопления. У некоторых особей щуки паразиты имеются более чем в 2 органах, но средний балл по этому показателю составил 0,3 в створе № 1 и в створах №3 – 5.
В итоге индекс неблагополучного состояния, рассчитанный для трех видов рыб реки Ишим составил для хищной рыбы щуки 4,7 ± 0,67 (от 3 до 7), и для рыбы мирной - у леща 6,0 ± 0,44 (от 3 – 8 ), у плотвы 7,7 ± 0,67 (5-9баллов).
Оценка состояния рыб по ИНС показала низкие значения данного индекса в районе створа № 1, что свидетельствует о благоприятных экологических условиях. Более высокие значения ИНС отмечены у рыб в районе влияния урбоэкосистемы, что позволяет дифференцировать участки реки по степени антропогенного воздействия.
ВЫВОДЫ
- Вода реке Ишим характеризуется средней минерализацией (590-800 мг/л), не превышающей ПДК. По некоторым створам в отдельные годы зафиксированы повышенные содержание отдельных веществ. В воде реки отмечается повышенное содержание сульфатов 111 – 334 мг/л (ПДК 100 мг/л), нефтепродуктов до 0,051 – 0,089 мг/л (ПДК 0,05 мг/л) и БПК5 - 1,8 – 3,4мгО2/л ( ПДК – 1,2 мгО2/л)
- Комплексная оценка качества вод реки Ишим на основе гидрохимического индекса загрязнения вод и гидробиологического индекса сапробности показывает, что вода в створе № 1 характеризуется как умеренно – загрязненная, мезосапротоксобная, слаботоксичная. В створе №5 – загрязненная, мезосапротоксобная, среднетоксичная.
- В ихтиофауне реки Ишим насчитывается 15 видов. Наиболее массовыми являются окунь, ерш, плотва, щука, лещ. Из акклиматизантов присутствуют лещ и карп, судак, уклея, верховка. По условиям размножения в реке можно выделить следующие группы: фитофилы (щука, сазан, лещ, плотва, окунь и др.); псаммофилы (пескарь); пелагофилы (некоторые карповые и др.). Из аборигенных видов рыб наиболее встречаемыми видами как в верхнем течении реки.
- Содержание металлов – токсикантов в организме рыб на 2-3 порядка выше, чем в воде реке Ишим и на порядок ниже, чем в донных отложениях. Анализ содержания отдельных элементов – токсикантов во внешней среде и в тканях рыб выявил неоднозначный характер их аккумуляции. Из тканей рыб в наибольшей степени аккумуляция токсикантов происходит в печени и жабрах. Превышение допустимого содержания цинка (обнаружено в печени плотвы, щуки, превышение ПДК свинца в печени плотвы, в печени и жабрах щуки выявлено превышение ПДК кадмия. У всех исследованных рыб в печени железо превышает ПДК.
- По внешнему виду (плавники, жабры, сердце) изученным видам рыб выставлена «оценка 0», что соответствует экологическому благополучию. Печень изученных рыб оказалась более чувствительный индикаторный орган. Средняя оценка печени у щуки 1,7, у плотвы особи имели в основном больную печень – 3 и 4 (очень плохо) баллов, редуцированная более чем в 2 раза; цирроз. Также плохая печень – 2 и 3 балла имели особи леща.
Практические рекомендации
- МУП «Водоканал» г. Астаны для предотвращения загрязнения воды в реке Ишим реконструировать очистные сооружения, запроектировать и построить новые очистные сооружения ниже г. Астаны с более мощными фильтрами.
- РГП «Майбалыкский рыбопитовник» ограничить нерегулируемый вылов ряда видов рыб (судак, налим, карась серебряный, линь) до полного восстановления численности популяций и обеспечить их воспроизводство путем выращивания в специальных рыбопитомниках(справка о внедрении).
- Методические материалы, полученные на данном исследовании используются в лекционном и практическом курсе. «Экотоксикология и экология» на международной кафедре управления и инжиниринга в сфере охраны окружающей среды, факультета естественных наук Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева (справка о внедрении).
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации
В журналах рекомендованных ВАК РФ
1. Кобетаева Н.К., Расчет индекса неблагополучного состояния (инс) для рыбного населения реки Ишим – Аграрный вестник Урала, г. Екатеринбург, 2011. – С. 62-65.
2. Кобетаева Н.К., Бадмаева С.Э. Мониторинг экологического состояния поверхностных вод на примере реки Ишим Республики Казахстан – Вестник КрасГАУ» № 2, 2012 – С.149 – 153.
Публикации в других изданиях
3. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Бакешова Ж.У., Видовое разнообразие биоценоза реки Ишим. Известия национальной академии наук Р.К.2009.№6.- С 36-43
4. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Биоиндикация загрязнение реки Ишим с помощью ихтиофауны. Вестник, КазАгТУ 2010. №2.- С86-93.
5. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Бакешова Ж.У., Нургалиева З.Ж., Общая оценка экологического состояния реки Ишим на территории Казахстана. Вестник, ЕНУ. 2010. №4.- С.328-334.
- Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Рыбное население реки Ишим на территории Акмолинской области. Вестник, КазАгТУ 2010 №3.- С.138-145.
- Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Токсичность сульфата меди и жесткость воды для карасей реки Ишим и ее притоков Ак-булак и Сары-булак.// Материалы 15 международного курса Александра Холландера. “Взаимодействие генома и окружающей среды. Генетическая токсикология”, г. Астана, 2009. – С. 78-80.
- Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Нургалиева З.Ж., Использование рыб водоемов бассейна реки Ишим как биоиндикаторов нарушения биоценоза.// Материалы ІІ международной научно-практической конференции. “Теоретические и прикладные проблемы географии на рубеже столетий", г. Астана, 2009, – С.260-264
9. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Жумагулова А.А., Есіл зеніндегі мке балы популяциясыны генетикалы полиморфизмі жне жынысты атынастары.// Материалы I студенческого форума “Биотехнология XXI века”– Астана, 2010,-С.42-44.
10. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Нургалиева З.Ж., Биоиндикационные возможности ихтиофауны реки Ишим.// Материалы международного форума – Москва, 2010, - С.86-90.
11. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Видовой и генетический полиморфизм в популяциях карася. // Материалы Международной научно-практической конференции “Формирование профессиональной компетентности будущих специалистов в условиях кредитной технологии обучения: опыт, проблемы и перспективы” -Кокшетау, 2010, - С.75-78.
12. Кобетаева Н.К., Акбаева Л.Х., Нургалиева З.Ж., Бакешова Ж.У., Нурушев М.Ж. Характеристика гидробиоценоза реки Ишим на основе использования интегрального индекса экологического состояния. // Материалы Международного научно-практического симпозиума “Экологические и инженерно-экономические системы жизнеобеспечения” - г. Ганновер, 2010, – С. 68-70.
13. Акбаева Л.Х, Бадмаева С.Э, Кобетаева Н.К, научно-методическое обоснование необходимости большего практикума в процессе подготовки специалистов – экологов. Материалы научно-практической конференции «Болонский процесс и ЕНУ им. Л.Н.Гумилева: проблемы, поиски, решения» - Астана 2012.- С.9-11.
