Регистрация / Вход
Прислать материал

Биоиндикационный потенциал гидробиологических и биофизических методов оценки состояния фитопланктонных сообществ

Сведения об участнике
ФИО
Бобырев Павел Александрович
ФИО (на английском языке)
Bobyrev Pavel Alexandrovich
Название организации
МГУ им. М.В. Ломоносова
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
Биоиндикационный потенциал гидробиологических и биофизических методов оценки состояния фитопланктонных сообществ
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Аннотация
В данной работе дается краткое описание метода ЛЭН, рассчитываемых методом величин и
результаты апробации метода на данных по фитопланктону Рыбинского водохранилища
за 2011 год. На основании полученных результатов проведена сравнительная оценка биоиндикационного потенциала различных индикаторов.
Ключевые слова
Биоиндикация, метод ЛЭН, быстрая флуоресценция, водные экосистемы
Введение

В отличие от лабораторных данных, полученных на монокультуре растительных организмов, натурные данные получены в условиях сложного видового состава и совокупного действия множества физико-химических факторов. Из-за этого зависимости значений характеристик фитопланктона от значений фактора имеют нефункциональный и «размытый» вид. Такой вид данных накладывает некоторые требования к методам исследования зависимостей характеристик фитопланктона, используемых в качестве биоиндикатора, от действия факторов.

Одним из таких методов является метод локальных экологических норм (метод ЛЭН). Метод ЛЭН [1, 2] позволяет:

- выявить существенные для экологического неблагополучия факторы среды,

- ранжировать их по вкладу в частоту случаев неблагополучия,

- рассчитать величины границ классов качества для индикаторов и факторов, т.н. границ нормы индикаторов (ГНИ) и границ нормы факторов (ГНФ),

- оценить достаточность программ наблюдения за потенциально опасными факторами среды,

- сопоставить индикационный потенциал различных биологических показателей.

ГНФ отделяет рассчитанные «недопустимые» значения фактора от «допустимых», а ГНИ – «благополучные» значения индикатора от «неблагополучных». Таким образом, оценку воздействия факторов на индикаторы можно проводить как по ГНФ, что соответствует предельно допустимым концентрациям (ПДК), полученным для натурных данных, так и по ГНИ, основываясь на состоянии непосредственно индикаторных организмов.

Сравнение индикаторов может быть произведено по т.н. биоиндикационному потенциалу, под которым мы понимаем совокупность характеристик биологического показателя, обеспечивающую его эффективность в качестве индикатора состояния экосистемы, а именно высокое количество существенных факторов среды, т.е. тех, для которых показатель является индикатором; большую среднюю по всем существенным для индикатора факторам силу связи между индикатором и факторами; значительную долю случаев неблагополучных состояний экосистемы, за которые ответственны существенные для индикатора факторы.

Методы и материалы

Данные были получены в июне-октябре 2010 года и в мае-сентябре 2011 года в рейсах по Рыбинскому водохранилищу.

Первичными измеряемыми характеристиками послужили:

  • Солевой состав вод (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, SO42-, HCO3-, сумма ионов).
  • Содержание биогенных элементов (нитриты, нитраты, аммоний, общий азот, фосфаты, общий фосфор).
  • Содержание органических веществ (органический углерод во взвеси).
  • Физические характеристики (температура, электропроводность, цветность).
  • БПК5, ХПК (биологическое потребление кислорода за пять суток и химическое потребление кислорода соответственно).
  • Кислотность и щелочность.
  • Содержание нефтепродуктов.
  • Численность, объем и биомасса видов и отделов фитопланктона.
  • Фоновый и максимальный уровни флуоресценции.
  • Характеристики кривых индукции фотосинтеза (только 2011 год).

Во всех пробах определяли переменную флуоресценцию растворенного органического вещества (РОВ) и фитопланктона. Были измерены и рассчитаны следующие показатели:  F0 – фоновый уровень флуоресценции в пробе, Fm – максимальный уровень флуоресценции в пробе, FРОВ – уровень флуоресценции РОВ; F0 фитоFFРОВ – фоновый уровень флуоресценции фитопланктона, Fm фитоFm FРОВ  – максимальный уровень флуоресценции фитопланктона.                

В 2011 году также снимали кривые индукции флуоресценции.

В качестве индикаторов состояния фитопланктона также были использованы следующие величины:

-Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой и без.

В качестве биоиндикационных показателей рассматривали общую численность (Nобщ) и биомассу (Bобщ) водорослей в пробе, численность и биомассу отделов Cyanophyta, Bacillariophyta, Chlorophyta, Cryptophyta, Dinophyta, Chrysophyta, Euglenophyta, Xanthophyta (NCyan и т.д.; BCyan и т.д.), индекс Симпсона для всей пробы и отделов водорослей (индекс Симпсона и индекс Симпсона'), показатели переменной флуоресценции.

Метод локальных экологических норм и основные рассчитываемые величины

Метод основан на компьютерном анализе взаимного распределения биологических и физико-химических характеристик, а именно на поиске таких ГНФ и ГНИ, чтобы благополучные значения индикатора соответствовали допустимым значениям фактора, а недопустимые значения фактора – неблагополучным значениям индикатора. Для случая наличия как верхних, так и нижних границ нормы фактора, положение границ проиллюстрировано на рис. 1.

Рисунок 1. Классы значений индикаторы и фактора при одновременном воздействии нескольких факторов среды. Области «а», «, «, « обозначают качественные классы на диаграмме: «а» – благополучие индикатора при допустимых значениях фактора, «b1», «b2» – благополучие индикатора при недопустимых значениях фактора (слишком высоких и слишком низких соответственно), «с» – неблагополучие индикатора при допустимых значениях фактора, «d1», «d2» – неблагополучие индикатора при недопустимых значениях фактора (слишком высоких и слишком низких соответственно).

 

Алгоритм метода ЛЭН состоит в переборе различных положений ГНИ и ГНФ на диаграммах сопряженности между индикатором и фактором и выборе таких границ, при которых выполнены условия «пустоты» области «b», достаточного количества всех наблюдений и наблюдений в областях «a» и «d».

Для каждого фактора возможно рассчитать полноту его вклада в степень «неблагополучия» значений индикаторной характеристики как долю наблюдений «недопустимых» по фактору и "неблагополучных" по индикатору среди всех «неблагополучных» значений по индикатору (при любых значениях всех факторов). 

Для каждого индикатора возможно рассчитать показатель достаточности программы наблюдений за факторами, которые потенциально могли бы привести к экологическому неблагополучию. Чем выше величина достаточности программы наблюдений, тем выше доля факторов, включенных в программу наблюдений, среди причин экологического неблагополучия индикатора. Низкая величина достаточности свидетельствует о высоком неблагоприятном влиянии на значения индикатора факторов, отсутствующих в программе наблюдений.

Полученные результаты

После первичной обработки, включающей в себя проверку на нормальность распределений и удаление выпадающих значений, удаление функциональных зависимостей между значениями индикатора и фактора, редукцию числа переменных методом корреляционного анализа, проверку однородности данных за разные временные промежутки по отношению к климатическим характеристикам и выявление влияния погрешностей отбора и обработки проб, данные были проанализированы при помощи метода ЛЭН. Для установления принадлежности значений индикаторов к группам, однородным по отношению к климатическим характеристикам, была проведена проверка гипотезы о принадлежности данных к единой выборке за два года при помощи непараметрического критерия Манна-Уитни. По результатам применения критерия были выделены три группы, впоследствии анализируемые раздельно: данные за 2010 год, данные за 2011 год и данные за 2010 и 2011 годы совместно для индикаторов и факторов, принадлежащих к единой генеральной совокупности за два года. Соответственно, результаты расчетов, такие как границы классов качества, определенные существенные для индикаторов факторы, полноты и проч. также скомпонованы в три группы. Для примера рассмотрим результаты для группы 2011 года.

Расчеты проводили в Программе по установлению границ качественных классов [3], реализующей алгоритмы метода ЛЭН.

Найденные для каждого из индикаторов существенные факторы, границы нормы, полноты факторов, доверительная вероятность результата для 2011 года приведены в таблице 1 для разных временных групп. Факторы ранжированы по полноте, т.е. упорядочены в порядке убывания их вклада в общее неблагополучие исследуемой экосистемы.

Полученные зависимости легко интерпретировать. Например (табл. 1), высокие значения флуоресценции фитопланктона (более 0.62) наблюдаются при температуре воды выше 24.5оС, а низкие значения флуоресценции соответствуют температуре ниже 24.5оС, причем 50% неблагополучных наблюдений могут быть объяснены именно этим фактором (значение полноты равно 0.5) Другими словами, метод ЛЭН дает строгую количественную интерпретацию границам качественных классов.

 

Таблица 1. Границы классов качества по биоиндикаторам и физико-химическим факторам, существенным для неблагополучия этих биоиндикаторов, рассчитанные по данным 2011 года. Единицы измерения границ нормы факторов и индикаторов следующие: температура – градусы Цельсия; электропроводность – мкСм/см; щелочность – мг/л; Сорг – мг С/л во взвеси; цветность – градусы по С-Со шкале; БПК5, ХПК – мг О2/л; нефтепродукты – мг/л; NH+, NO2-, Nобщ – мг N/л; PO43-, Pобщ – мг Р/л; Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, SO42-, HCO3-, сумма ионов – мг/л, содержание хлорофилла «а», «b», «с», чистого хлорофилла «а», феопигментов – мкг/л, численность – количество клеток*1000/л, индекс сапробности – баллы, биомасса – мг/л, ассимиляция углекислоты, скорость фотосинтеза в поверхностном слое воды – мкг С/л сутки, интенсивность флуоресценции – относительные единицы. Пустые ячейки означают отсутствие найденной верхней или нижней ГНФ.  

Индикатор

Нижняя ГНИ

(в скобках – верхняя)

Фактор

Нижняя ГНФ

Верхняя
ГНФ

Полнота

фактора

Доверительная
вероятность результата

BBacil/Bобщ

0.11

ХПК

 

40

0.32

0.975

Цветность

 

65

0.32

0.995

Ca2+

 

32.1

0.27

0.995

Сорг

 

0.9

0.27

0.975

Электропроводность

 

186.7

0.27

0.995

Сумма ионов

 

183

0.24

0.995

HCO3-

 

126

0.22

0.995

Na+

 

2.99

0.22

0.995

БПК5

1.65

 

0.19

0.995

Fm фито

0.62

Температура воды

24.50

 

0.50

0.990

Электропроводность

 

170.30

0.38

0.955

Щелочность

97.60

 

0.35

0.980

Сорг

0.90

 

0.32

0.995

Mg2+

6.56

 

0.29

0.980

Температура воздуха

24.20

 

0.26

0.980

SO42-

 

13

0.21

0.995

Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой без подсветки

0.47

NO3-

0.04

 

0.40

0.995

pH

8

 

0.34

0.995

HCO3-

 

124

0.31

0.965

БПК5

 

2.84

0.31

0.960

ХПК

 

43.20

0.31

0.995

Температура воды

 

25.30

0.24

0.995

K+

1.17

 

0.23

0.995

Pобщ

0.06

 

0.20

0.995

Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой

0.22

Температура воды

 

21.50

0.45

0.980

Na+

 

2.53

0.39

0.995

pH

8

 

0.38

0.995

Pобщ

0.07

 

0.31

0.995

SO42-

9.60

 

0.31

0.985

Сумма ионов

 

185

0.24

0.995

HCO3-

 

126

0.24

0.995

Щелочность

 

109.80

0.24

0.995

Nобщ

0.74

 

0.22

0.995

ХПК

 

44.70

0.18

0.995

Индекс Симпсона'

0.94

БПК5

1.65

 

0.37

0.960

Оценка экологического состояния водоема может быть проведена как по биологическим показателям с помощью ГНИ (проверка принадлежностей значений биоиндикаторов к тому или иному классу качества), так и по физико-химическим показателям с помощью ГНФ (проверка того, превышают ли значения факторов допустимый уровень воздействия, или нет, что соответствует практике оценки по нормативам ПДК), причём результаты оценки будут совпадать.

 

Сравнение биоиндикаторов

 

Биоиндикаторы были сопоставлены по количеству найденных существенных факторов, достаточности программы наблюдения и средней силе связи между значениями индикатора и фактора (табл. 2). Данный набор довольно разнородных критериев позволяет сравнить биоиндикаторы с разных сторон.

Таблица 2. Сравнение индикаторов по числу найденных существенных факторов, достаточности программы наблюдений и силе связи в 2011 году

Биоиндикатор

Число существенных факторов

Достаточность программы наблюдения

Средняя сила связи

 Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой

10

0.80

0.15

BBacil/Bобщ

9

0.74

0.16

Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой без подсветки

8

0.75

0.15

Fm фито

7

0.81

0.16

Индекс Симпсона'

1

0.46

0.17

Из таблиц видно, что по критерию количества найденных существенных факторов индикаторы варьируют в пределах группы (от 1 до максимум 10 существенных факторов). Это говорит о  том, что есть как «универсальные» по количеству найденных факторов индикаторы, так и очень специфичные по отношению к действию факторов индикаторы, реагирующие лишь на несколько факторов. Можно заметить, однако, что эти «специфичные» индикаторы отнюдь не являются «плохими» в биоиндикационном смысле, поскольку средние достаточности программы наблюдения по действующим на них факторам относительно невысоки (0.46 для индекса Симпсона'), что говорит о большом числе факторов, действующих на данные биоиндикаторы, но не включенных в программу мониторинга.

Выделено три биоиндикатора, обладающих наибольшим количеством действующих на них существенных факторов среды: средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой, относительная биомасса диатомовых водорослей и средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой без подсветки (10, 9 и 9 соответственно). Можно видеть, что по отдельности три наиболее универсальных индикатора демонстрируют также и высокую среднюю достаточность программы наблюдения (0.80, 0.74, 0.75 соответственно), что говорит о том, что данные индикаторы обладают высоким биоиндикационным потенциалом в данных условиях, т.е. их использование в качестве индикаторов состояния фитопланктона Рыбинского водохранилища целесообразно при существующей программе мониторинга.

Средняя сила связи между значениями индикатора и факторов во всех случаях изменяется незначительно и лежит в диапазоне от 0.15 до 0.17. Выбранная в ходе исследования высокая доверительная вероятность результатов (≥0.95) обеспечивает во всех случаях удовлетворительную среднюю силу связи. Индикатор «Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой» обладает высокой (0.80) достаточностью программы наблюдений и большим количеством найденных существенных факторов (10), что вкупе с приемлемой средней силой связи (0.15) позволяет рекомендовать данный биофизический показатель как эффективный биоиндикатор состояния фитопланктона Рыбинского водохранилища среди рассмотренных.

Весьма показательным является то, что среди «лучших» индикаторов присутствуют как биофизические, так и гидробиологические индикаторы, что свидетельствует о нежелательности полного отказа от одного из подходов.

Заключение

Существующая проблема нормирования неблагоприятных воздействий на природные водные экосистемы находит решение с помощью различных подходов, например биоиндикации, биотестирования, лабораторных экспериментов, с привлечением широкого спектра показателей, основную массу которых можно отнести к гидробиологическим. С появлением биофизических методов исследования фитопланктона все более доступными становятся показатели быстрой флуоресценции растительных организмов. В большинстве случаев подобные показатели регистрируют состояние организмов значительно быстрее, точнее и проще, чем гидробиологические, а современная приборная база с высокой степенью вовлеченности компьютерных технологий дает возможность оперативной обработки получаемой информации.

Инструментальность, точность и быстрота биофизических тестов позволяет использовать их в качестве предпочтительного метода анализа экологического состояния водных объектов. Гидробиологические подходы к биоиндикации, тем не менее, могут выявить дополнительные существенные для возникновения экологического неблагополучия факторы среды. Так, индикатор «Средняя скорость изменения флуоресценции на всей кривой с подсветкой» обладает высокой достаточностью программы наблюдений и большим количеством найденных существенных факторов, что вкупе с приемлемой средней силой связи позволяет рекомендовать данный биофизический показатель как эффективный биоиндикатор состояния фитопланктона Рыбинского водохранилища среди рассмотренных индикаторов.

 

Работа частично поддержана РФФИ (проекты № 14-04-00143, 15-04-02601)

Цитируемая литература
1 А.П. Левич, Н.Г. Булгаков, Д.В. Рисник и др., Компьютерные исследования и моделирование, 5 (3), 451 (2013).
2 А.П. Левич, Н.Г. Булгаков, В.Н. Максимов, Д.В. Рисник, Вопросы экологического нормирования и разработка системы оценки состояния водоемов. М.: Товарищество научных изданий КМК, 32 (2011).
3 И.А. Гончаров, А.П. Левич, Д.В. Рисник, Программа установления границ качественных классов для количественных характеристик систем и установления взаимосвязи между характеристиками (Программа установления ГКК). Роспатент, № 2012616523; 2012.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

The bioindicational potential of biophysical and hydrobiologicals methods of phytoplankton community assessment

Bobyrev P.A.

In the article, a brief review of method of local ecological norms is given along with the estimated parameters. The method is applied to the data on phytoplankton community of Rybinsk Reservoir in 2011. Based on the results obtained, the comparative analysis of bioindicational potential of different bioindicators is performed.