Ляшенко Володимир Артемович Діагностичний моніторинг стану річкових екосистем за показниками зообентосу та біотестування донних відкладів

Краткое описание

Ляшенко Володимир Артемович, асистент кафедри екології та зоології Навчально-наукового центру «Інститут біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса Шевченка МОН України. Назвадисертації: «Діагностичний моніторинг стану річкових екосистем за показниками зообентосу та біотестування донних відкладів». Шифр та назва спеціальності 03.00.16 екологія. Спецрада Д26.001.24 Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти та науки України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
Міністерство освіти та науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
ЛЯШЕНКО ВОЛОДИМИР АРТЕМОВИЧ
УДК 502/504:574: 592:556.531-047.36(043.3)
ДИСЕРТАЦІЯ
ДІАГНОСТИЧНИЙ МОНІТОРИНГ СТАНУ РІЧКОВИХ ЕКОСИСТЕМ ЗА
ПОКАЗНИКАМИ ЗООБЕНТОСУ ТА БІОТЕСТУВАННЯ
ДОННИХ ВІДКЛАДІВ
03.00.16 - екологія
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
________________________ В.А.Ляшенко
Науковий керівник Лукашов Дмитро Володимирович, д.б.н.,проф.
Київ – 2020

ЗМІСТ
ВСТУП ............................................................................................................... 16
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО ВИКОРИСТАННЯ БІОЛОГІЧНИХ
МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВИХ ВОД.................................... 22
1.1 Сучасний стан розвитку підходів до оцінки стану водних об’єктів за
допомогою біологічних методів ...................................................................... 22
1.2 Загальні принципи біологічної індикації.................................................. 27
1.3 Загальні принципи біологічного тестування............................................ 31
1.4 Міжнародні рекомендації до проведення оцінки екологічного стану
водних об`єктів.................................................................................................. 33
РОЗДІЛ 2 ЕКОЛОГО-ГЕОГРАФІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА МІСЦЯ
ДОСЛІДЖЕНЬ................................................................................................... 36
2.1. Еколого-географічна характеристика української частини дельти
р. Дунай. ............................................................................................................. 36
2.2. Еколого-географічна характеристика р. Удай. ....................................... 39
2.3. Еколого-географічна характеристика р. Ворскла................................... 41
2.4. Еколого-географічна характеристика р. Рось. ........................................ 44
РОЗДІЛ 3 МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ................................ 46
3.1. Розташування станцій відбору проб на модельних річкових
екосистемах........................................................................................................ 46
3.2. Процедура відбору , зберігання, транспортування та аналізу проб
зообентосу.......................................................................................................... 54
3.3. Процедура відбору , зберігання, транспортування та аналізу проб
донних відкладів для біологічного тестування.............................................. 60
3.4. Інтерпретація результатів біологічної індикації та біотестування з
метою оцінки стану річкових екосистем та рівня забруднення донних
відкладів. ............................................................................................................ 64
3.5. Процедура встановлення референційних значень дескрипторів якості
для визначення екологічного стану річкових екосистем.............................. 65
РОЗДІЛ 4 Структурно-функціональні показники угруповань донних
макробезхребетних модельних річкових екосистем та біоіндикація якості
їх вод за організмами зообентосу .................................................................... 67
15
4.1. Видове багатство, видове різноманіття та чисельність організмів
зообентосу української частини дельти Дунаю протягом 2007-2012 рр..... 67
4.2. Видове багатство, видове різноманіття та чисельність організмів
зообентосу р. Удай в межах національного природного парку
«Пирятинський» протягом 2011-2016 рр........................................................ 80
4.3. Видове багатство, видове різноманіття та чисельність організмів
зообентосу р. Ворскла в межах Гетьманського національного природного
парку в червні 2020 р. ....................................................................................... 91
4.4. Видове багатство, видове різноманіття та чисельність організмів
зообентосу р. Рось в ділянці виливу токсичних речовин в червні-липні
2019 р.................................................................................................................. 98
РОЗДІЛ 5 Оцінка рівня токсичного забруднення донних відкладів за
допомогою методів біотестування ................................................................ 107
5.1. Оцінка забруднення донних відкладів української частини дельти
Дунаю протягом 2007-2012 рр....................................................................... 107
5.2. Оцінка забруднення донних відкладів р. Удай в межах НПП
«Пирятинський» протягом 2011-2016 рр...................................................... 111
5.3. Оцінка забруднення донних відкладів р. Ворскла в межах
Гетьманського НПП у серпні 2020 р............................................................. 114
5.4. Оцінка забруднення донних відкладів р. Рось в ділянці виливу
токсичних речовин в червні-липні 2019 р. ................................................... 115
5.5. Порівняльний аналіз використання структурних параметрів
угруповань зообентосу та показників біотестування донних відкладів для
оцінки стану річкових екосистем. ................................................................. 117
ВИСНОВКИ..................................................................................................... 127
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ....................................................... 129
ДОДАТОК А.................................................................................................... 139
ДОДАТОК Б .................................................................................................... 141
16
ВСТУП
Актуальність теми. Протягом останніх десятиліть концепція оцінки
якості водного середовища як ресурсу замінюється концепцією оцінки
середовища як місця мешкання гідробіонтів, що проявляється у заміні
«критеріального» підходу на «референційний» підхід до оцінки екологічного
стану водних об`єктів [3,48,62]. Інтеграція міжнародних підходів у практику
екологічного моніторингу водних об’єктів в Україні регламентується
положеннями Водної Рамкової Директиви ЄС 2000/60 [10] через
запровадження нового Порядку здійснення державного моніторингу вод
(постанова Кабінету Міністрів України № 758 від 19 вересня 2018 року).
Згідно до цього Порядку встановлюються процедури діагностичного,
операційного та дослідницького моніторингу поверхневих вод.
Діагностичний моніторинг визначено як перший етап в системі державного
екологічного моніторингу для оцінки поточного стану водних об’єктів,
встановлення референційних умов для масивів поверхневих вод та оцінки їх
довгострокових змін.
Однією зі складових діагностичного моніторингу є спостереження за
біологічними показниками розвитку угруповань зообентосу. Відповідно до
Водної Рамкової Директиви ЄС 2000/60 організми зообентосу визнаються
одним із дескрипторів екологічного стану водних об’єктів [10]. Враховуючи
положення «Методики екологічної оцінки якості поверхневих вод за
відповідними категоріями» [49] та проекту її нової редакції [12] в основу
екологічної класифікації водних екосистем України має бути покладено
підхід, за яким оцінка екологічного стану водних об’єктів ґрунтується на
узагальненні результатів біоіндикації та біотестування. Проте ці комплекси
методів базуються на різних критеріях відповіді організму на параметри
довкілля, адже організми-біоіндикатори є стенобіонтами, а тест-організми -
17
еврибіонтами. Тому необхідне встановлення відповідності оцінок
екологічного стану водних об’єктів, отриманих за допомогою цих методів.
Таким чином, актуальність роботи полягає в обґрунтуванні
можливості комбінованого використання структурних параметрів зообентосу
та показників біотестування донних відкладів для оцінки стану річкових
екосистем на прикладі угруповань донних безхребетних різнотипних
водотоків України, які були обрані як модельні річкові екосистеми - Дунай,
Удай, Ворскла та Рось.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційну роботу виконано в Навчально-науковому центрі «Інститут
біології та медицини» Київського національного університету імені Тараса
Шевченка на кафедрі екології та зоології в рамках наукових тем:
«Комплексне дослідження сучасного стану окремих груп тварин України» -
номер теми НДР: 16КФ03603 (2015-2016 рр.); «Комплексна оцінка стану
екосистем, їх складових та адаптацій біосистем до умов навколишнього
середовища» - державний реєстраційний номер теми 0117U002599 (2017-
2019 рр.); Моніторинг структурно-функціональної організації біотичних
угруповань з метою оцінки стану екосистем у змінних умовах довкілля»
номер теми НДР: 20КФ036-02 (початок виконання теми 01.2020). У роботу
також включені наукові результати, які отримані автором під час виконання
програм Літопису природи Національного природного парку
«Пирятинський» та Літопису природи Гетьманського Національного
природного парку (відповідно до Наказу Міністерства екології та природних
ресурсів України № 465/430 від 25 листопада 2002 р.).
Мета і завдання дослідження. Мета роботи – встановити
відповідність структурних параметрів угруповань зообентосу та токсичності
донних відкладів для комплексної оцінки стану річкових екосистем у системі
державного діагностичного моніторингу.
18
Для досягнення зазначеної мети були поставлені та вирішені такі
завдання:
 визначити видове багатство та кількісні показники угруповань
зообентосу пониззя Дунаю та центральних частин річок Удай,
Ворскла та Рось, як модельних річкових екосистем України;
 на основі аналізу структурних характеристик угруповань зообентосу
модельних річкових екосистем за біотичними індексами оцінити стан
річкових екосистем та за індексами сапробності оцінити рівень
органічного забруднення поверхневих вод;
 оцінити рівень токсичного забруднення донних відкладів модельних
річкових екосистем методами біотестування;
 провести порівняльну оцінку чутливості та індикаторної здатності
методів біоіндикації та біотестування для оцінки стану річкових
екосистем;
Об’єкт дослідження: екологічний стан водних об’єктів.
Предмет дослідження: комплексний аналіз якості поверхневих вод,
екологічного стану річок методами біоіндикації за угрупованнями зообентосу
та забруднення донних відкладів методами біотестування.
Методи дослідження: У роботі використано загальноприйняті
гідробіологічні методи збору якісних та кількісних бентосних проб;
камеральної обробки гідробіологічного матеріалу [40]; методи біоіндикації:
індекс видового різноманіття Шеннона, індекс подібності видового складу
Жаккара, біотичні індекси – Trent Biotic Index (TBI), Belgian Biotic Index
(BBI), Biological Monitoring Working Party Index (BMWP) [57,65,97], індекси
сапробності Гуднайта-Уітлі та Зелінки-Марвана [77,105]; загальноприйняті
методи біологічного тестування за допомогою тест-організмів Lactuca sativa
L., Allium cepa L., Daphnia magna Strauss [72,73]; індекс оцінки стану
19
річкових екосистем - Ecological Quality Index (EQI) [67,68,97,104];
статистичні методи обробки результатів [75].
Під час роботи над дисертацією не було порушено біоетичних норм.
Інформаційну основу дисертаційної роботи склали зібрані,
опрацьовані та узагальнені особисто автором первинні матеріали
багаторічних польових досліджень; аналіз опублікованих даних вітчизняних
та зарубіжних авторів.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проведено
дослідження таксономічного складу угруповань зообентосу р. Удай та
р. Ворскла на природоохоронних територіях в межах національних
природних парків «Пирятинський» та «Гетьманський». На території
Гетьманського НПП виявлено один вид донних безхребетних, нетиповий для
цього географічного регіону, – Anax parthenope Selys [39]. Здійснено
комбіновану оцінку стану модельних річкових екосистем за структурними
параметрами угруповань зообентосу та показниками біотестування донних
відкладів. Обґрунтовано об’єктивність сумісного застосування біоіндикації за
структурними показниками угруповань зообентосу та біотестування донних
відкладів для здійснення діагностичного моніторингу масивів поверхневих
вод. Запропоновано уточнення до програми державного моніторингу водних
об’єктів, що полягають у комбінованому використанні структурних
параметрів угруповань зообентосу та показників біотестування донних
відкладів для оцінки стану річкових екосистем.
Практичне значення одержаних результатів. Відповідно до
рекомендацій Водної Рамкової Директиви ЄС 2000/60 розроблено та
апробовано уніфіковану п’ятибальну систему оцінки стану річкових
екосистем за структурними показниками угруповань зообентосу та оцінки
токсичного забруднення донних відкладів за методами біотестування. Для
вдосконалення та узгодження національної та міжнародних систем
20
здійснення екологічного моніторингу природних поверхневих вод
запропоновано сумісне використання біотичних індексів TBI, BBI, BMWP,
індексу сапробності Зелінки-Марвана та біотестування за Lactuca sativa L.,
Allium cepa L., Daphnia magna Strauss.
Результати досліджень використовуються в навчальному процесі під
час викладання освітніх програм «Біологія» та «Екологія» на кафедрі екології
та зоології ННЦ «Інститут біології та медицини» Київського національного
університету імені Тараса Шевченка як наочні матеріали під час викладання
курсів «Зоологія», «Екологія тварин», «Гідроекологія», «Моніторинг
довкілля» та «Основи екологічної токсикології»; під час проведення
навчальної практики у Канівському природному заповіднику; на заняттях
гуртка «Основи гідробіології» Київського Палацу дітей та юнацтва.
Особистий внесок здобувача. Здобувачем обґрунтована мета,
основні завдання роботи, зібрано та оброблено проби зообентосу, проведено
біотестування токсичності донних відкладів, проведено статистичну обробку
отриманих даних, їх аналіз, узагальнення та формулювання висновків.
Особисто та у співавторстві опубліковано наукові праці, в яких викладено
основні результати проведених досліджень.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були
представлені на 38ій та 39ій конференціях IAD (International Association of
Danube Research) (Дрезден, 2010 та Сентендре, 2012); IV всеросійській
конференції з водної екотоксикології, присвяченій памяті Б.А. Флерова
«Антропогенний вплив на водні організми та екосистеми» (Борок, 2011); X та
XI міжнародних міждисциплінарних науково-практичних конференціях
студентів, аспірантів та молодих вчених «Шевченківська весна. Біологічні
науки» (Київ, 2012 та Київ, 2013); III Всеукраїнській науково-практичній
конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Об’єднані наукою:
перспективи міждисциплінарних досліджень» (Київ, 2016).
21
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи відображено в
12 наукових роботах. З них 2 у міжнародних фахових виданнях, які
індексуються базами даних Scopus та Web of Science Core Collection та
належать до видань 3-го квартилю (Acta Zoologica Bulgarica, Hydrobiological
Journal); 3 - у фахових виданнях, які включено до категорії "Б" переліку
наукових фахових видань України за спеціальностями «Біологічні науки».
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5
розділів, висновків, списку використаних джерел та 2 додатків. Робота
викладена на 141 сторінці, із них 129 сторінок основного тексту. Містить
19 таблиць та 6 рисунків. Список використаних джерел нараховує
106 найменувань, з яких 45 іноземні.

Список литературы

ВИСНОВКИ
Встановлено відповідність між результатами біоіндикації за організмами
угруповань зообентосу та біотестування токсичності донних відкладів за
умов їх комбінованого використання для оцінки стану річкових екосистем.
Для вдосконалення та узгодження національної та міжнародних систем
здійснення екологічного моніторингу природних поверхневих вод
запропоновано сумісне використання біотичних індексів TBI, BBI, BMWP,
індексу сапробності Зелінки-Марвана та біотестування за Lactuca sativa L.,
Allium cepa L., Daphnia magna Strauss.
1. Видове багатство та чисельність організмів зообентосу модельних
річкових екосистем за період дослідження склали: для р. Дунай - 89 видів
зообентосу чисельністю від 16600 до 38000 екз/м2
; для р. Удай - 58 видів
зообентосу чисельністю від 11740 до 16025 екз/м2
; для р. Ворскла - 26 видів
зообентосу чисельністю від 29 до 70 екз/м2
; для р. Рось - 22 види зообентосу
чисельністю від 13 до 266 екз/м2
. За видовим багатством на усіх чотирьох
річках домінує клас Gastropoda. Для річок Дунай, Удай та Рось встановлено
домінування за чисельністю представників класу Oligochaeta та родини
Chironomidae.
2. Оцінка стану річкових екосистем за біотичними індексами,
розрахованими за структурними показниками зообентосу, вказує на
переважання «доброго» стану екосистем модельних річок Удай, Ворскла та
Рось. Зареєстроване зниження видового багатства зообентосу для р. Удай у
1,5 рази пов’язане із впливом м. Пирятин; а для р. Рось зниження видового
багатства зообентосу у 4,25 рази обмежене місцем надходження пестицидів у
річку. Для обох річок зареєстровано відновлення структурних показників
зообентосу на ділянках розташованих нижче за течією, що свідчить про
ефективність процесів самоочищення. Для стану екосистем річки Дунай за
показниками угруповань зообентосу переважають оцінки «задовільний» та
«поганий».
128
3. Оцінка рівня органічного забруднення поверхневих вод модельних
річок Дунай, Удай, Ворскла та Рось за індексами сапробності, розрахованими
за структурними показниками зообентосу, вказує на переважання «доброго»
стану їх екосистем.
4. Оцінка токсичного ефекту донних відкладів на рівні «відсутнього» або
«низького» токсичного забруднення вказує на переважання доброго стану
екосистем усіх досліджених ділянок річок. За період 2007-2012 рр. для
донних відкладів р. Дунай зареєстровано коливання рівня токсичного
забруднення донних відкладів між усіма можливими значеннями оцінки. Такі
результати вказують на мінливість хімічного складу донних відкладів. За
період 2011-2016 рр. для донних відкладів р. Удай зареєстровано зниження
рівня токсичного забруднення донних відкладів від оцінки «дуже високе» у
2011 до оцінок «відсутнє» та «низьке» у 2016.
5. У результаті дослідження забруднення донних відкладів р. Рось
доведено перевагу використання методів біоіндикації над методами
біотестування для оцінки наслідків забруднення пестицидами.
6. Діагностичний моніторинг стану річкових екосистем показав, що
методи біоіндикації на річках Дунай та Удай реєструють поступові
довготривалі зміни структурних параметрів угруповань зообентосу, у той час
як біотестування донних відкладів виявляє короткострокові коливання рівня
їх токсичності.
7. Встановлені еталонні значення структурних показників угруповань
зообентосу р. Удай рекомендовано для визначення екологічного стану
виключно середніх за розмірними ознаками річок рівнинної частини України.
Для оцінки екологічного стану малих та великих річок України необхідна
розробка окремих систем оцінювання із використанням інших еталонних
значень структурних показників угруповань зообентосу