Зоопланктонные сообщества в новом и старом руслах р. Суры на территории г. Пензы

В старом русле, а также на последней станции р. Суры в связи с замедленным течением и накоплением органических веществ в результате отмирания высшей водной растительности, многочисленных водорослей, а также поступления органики особенности зоопланктонных сообществ указывают на переход водных объектов от мезотрофного к эвтрофному типу.

In total, 55 samples were processed according to generally accepted methods, which were taken monthly in the spring-summer period of 2020. The physicochemical parameters of the environment were analyzed in August.

Results. Totally 82 species have been found in zooplankton communities. The highest number of species was recorded at one of the stations of the modern Sura riverbed Sura, and the lowest - in the Staritsa watercourses.

Материалом для исследования послужили пробы зоопланктона, взятые в современном и старом руслах р. Суры (рис. 1). В р. Суре зоопланктон взят на семи станциях (с юга на север): в районе с. Засечное (I), до впадения (11а) и после впадения (11б) в нее р. Мойки, до впадения (IIIa) и после впадения (ІІІб) р. Кашаевки, за плотиной ТЭЦ-1 (IV), после очистных сооружений (V). Река Мойка в низовьях заключена в прямоугольный коллектор, диаметром около 1,8 м.

Рис. 1. Станции взятия проб. Новое русло р. Суры: в районе с. Засечное (I), до впадения (Па) и после впадения (Пб) в нее р. Мойки, до впадения (Ша) и после впадения (Шб) в нее р. Кашаевки, за плотиной ТЭЦ-1 (IV), после очистных сооружений (V). Старое русло: протоки Барковки (ПБ1 и ПБ2), отстойник (О), старичное озеро Алтарка (А1, А2), р. Старая Сура (СС) и два старичных озера: Калашный Затон (КЗ) и Старица Подковка (ССП)

Русло реки очень сильно заилено и в него сбрасывают сточные воды. Река Кашаевка в черте г. Пензы заключена в коллектор длиной 3,7 км, (высотой 2,5 м и шириной 3-4 м). Из этой реки в р. Суру попадают все виды сточных вод. На участке р. Суры вблизи плотины ТЭЦ-1 гидрологический режим изменен. По мнению некоторых исследователей, строительство этой плотины привело к образованию вверх по течению так называемого «городского водохранилища» длиной 13 км [1, 2].

В старом русле пробы (п = 8) отбирали в небольших водотоках и старичных водоемах. Исследовали две протоки (ПБ1 и ПБ2) в микрорайоне Барковка: отстойник (О) и старичное озеро Алтарка (А1, А2). Ниже по течению на расстоянии 2,5 км в микрорайоне Ахуны пробы отбирали в р. Старая Сура (СС) и в двух старичных озерах: Калашный Затон (КЗ) и Старица Подковка (ССП). Последнее до 90-х годов прошлого века использовалось для сброса сточных (канализационных) вод микрорайона Ахуны. гидрологический зоопланктонный сура экосистема

Поверхностную воду объемом 100 л (на р. Суре) и 30 л (на старичных водных объектах) процеживали через сеть Апштейна (размер ячеи 67 мкм). Пробы фиксировали 4 %-м формалином. Зоопланктон подсчитывали в камере Богорова обычным счетным методом [3]. Организмы идентифицировали с использованием книги «Определитель зоопланктона.., 2010» [4]. Всего обработано по общепринятым в гидробиологии методам 55 проб, которые отбирали в весенне-летний период 2020 г. На каждой станции измеряли температуру воды, а также визуально учитывали особенности прибрежной и водной растительности, скорость течения.

Для характеристики зоопланктонных сообществ использовали такие показатели, как численность (тыс. экз./м³), число видов, их встречаемость (отношение числа проб, где вид был обнаружен, к общему числу проб), трофические и топические характеристики [5]. Доминантными считали виды, доля которых от общей численности организмов в пробе превышала уровень 10 % [6]. Для выявления сходства сообществ зоопланктона по видовому составу и структуре использован кластерный анализ (метод среднего присоединения) на основе матрицы индекса сходства Раупа - Крика. На основе анализа таксономической структуры зоопланктона дана характеристика трофического статуса водных объектов с использованием показателя коэффициента трофии [7].

В августе единовременно со всех станций были взяты пробы воды на гидрохимический анализ, который проводили согласно общепринятым руководствам [8, 9]. Определение общей щелочности (ммоль/дм³), общей жесткости (^оЖ), а также содержания хлоридов (Сl^-) (мг/дм³), сульфатов (S0₄^2-) (мг/дм³), алюминия (мг/дм³), кальция (Са²+) (мг/дм³) и БПК₅ (мг/дм³) проводили с помощью титриметрических методов. Потенциометрический метод использовали для измерения водородного показателя (ед. pH) и содержания фторидов (F^-) (мг/дм³). Содержание ионов аммония (NН₄+ (мг/дм³), общего железа (мг/дм³), нитратов (NO₃^- (мг/дм³), нитритов (NO₂^- (мг/дм³), марганца (мг/дм³) проводили фотометрическим методом. Гравиметрический метод применяли для измерения содержания взвешенных веществ (взвеш.) (мг/дм³).

С целью установления сходства объектов исследования по физикохимическим свойствам применяли иерархический кластерный анализ с использованием алгоритма невзвешенного парного сравнения на основе арифметического среднего (UPGMA) и дистанции Эвклида. Для классификации водных объектов по отношению к физическим и химическим показателям среды и численности видов проводили статистическую ординацию их показателей методом главных компонент. Критерием для правильности определения объема факторного пространства служили собственные значения факторов. Вклады показателей оценивали по величине факторных нагрузок, которые были коэффициентами чувствительности переменной к координате. Структуру распределения видов по отношению к водным объектам изучали с помощью анализа соответствия. В качестве критерия проверки значимости связи переменными «вид» и «станция» использовали непараметрический критерий Пирсона (%²). По значениям критерия %² и количества наблюдений определяли инерцию, которую использовали при описании видовых предпочтений. Зависимость между изменениями численности видов и основными физико-химическими параметрами среды устанавливали по коэффициенту ранговой корреляции Спирмена (RS).

Данные обрабатывали с помощью программ MS Excel 2010 и Past 2.15 [10].

Результаты и обсуждение

В ходе исследования обнаружено 82 вида зоопланктонных организмов: Rotifera - 42, Cladocera - 28 и Copepoda - 12. Почти на всех станциях (73 %) отмечены ветвистоусые ракообразные Scapholeberis mucronata, Chydorus sphaericus и коловратки Lecane bulla, Euchlanis dilatata, последняя отсутствует на станциях КЗ, ССП, СС, ПБ1, а также Synchaeta tremula, предпочитающая в основном проточные водные объекты (все станции р. Сура, р. Старая Сура и проток на Барковке). Повсеместная встречаемость отмечена у Rotaria sp., копеподных личинок и науплиев веслоногих ракообразных. 18 видов зоопланктеров обнаружено только в р. Суре и 22 - только в старом русле. Их относительное обилие не превышало 20 %.

Наибольшее число видов зоопланктеров отмечено на станции, расположенной ниже впадения загрязненной р. Кашаевки (Шб), а самое низкое - на водотоках в Барковке (ПБ1 и ПБ2) (рис. 2,а). Почти на всех станциях водотоков зоопланктонные сообщества характеризуются низкой численностью (13-54 тыс. экз./м³) (рис. 2,6). В то же время в старичных озерах (КЗ и ССП) она была значительно выше (164-417 тыс. экз./м³).

а)

Рис. 2. Среднее число видов (а) и численность зоопланктонных организмов, тыс. экз./м³ (б) в сообществах исследуемых водотоков (I, IIa, II6, IIIa, III6, IV, V) и старичных озер (А1, А2, ПБ1, ПБ2, ССП, О, КЗ, СС). Обозначения станций такие же, как и на рис. 1 (начало)

б)

Рис. 2. Среднее число видов (а) и численность зоопланктонных организмов, тыс. экз./м³ (б) в сообществах исследуемых водотоков (I, IIa, 11б, 111а, 111б, IV, V) и старичных озер (А1, А2, ПБ1, ПБ2, ССП, О, КЗ, СС). Обозначения станций такие же, как и на рис. 1 (окончание)

Анализ видовой структуры показал, что по индексу разнообразия Раупа-Крика сообщества разделились на две группы, отличающиеся между собой более чем на 55 % (рис. 3).

Рис. 3. Сходство видового состава зоопланктонных сообществ водных объектов (индекс Раупа - Крика) экосистемы р. Суры. Обозначения станций такие же, как на рис. 1.

В первую группу включены все речные сообщества нового русла р. Суры, а также отличающееся на 36 % сообщество из старого русла (озеро ССП).

Вторая группа объединяет сообщества зоопланктона из станций, находящихся в микрорайонах Барковка и Ахуны. При этом ахунские и барковские сообщества разделились на две подгруппы.

В каждой из них отмечено структурное сходство кластеров по распределению проточных и стоячих водоемов, несмотря на различия их гидрофизических свойств. Возможно, это связано с территориальной близостью этих объектов и возможным обменом гидробионтами на близко расположенных участках.

Оценка качества воды

В связи с тем, что зоопланктеры чувствительны к состоянию среды, была проведена оценка трофического статуса и уровня загрязнения этих водных объектов. В списке выявленных зоопланктеров отмечено 54 вида-индикатора. Согласно коэффициенту трофии (табл. 1) водоемы, на которых расположены станции ПБ1, ПБ2, ССП, О и V, соответствуют эвтрофному типу, а воду в них можно определить как «грязная».

Таблица 1

Коэффициенты трофии (Е) водных объектов экосистемы р. Суры, полученные по результатам исследований зоопланктонных сообществ

Примечание. Обозначения станций такие же, как и на рис. 1. Жирным шрифтом выделены эвтрофные значения.

На высокое содержание органических веществ в этих водоемах указывает обильное развитие водной, околоводной растительности и накопление их остатков на дне. На станции ССП такая повышенная аккумуляция органики связана также с использованием водоема для сброса сточных (канализационных) вод из микрорайона Ахуны. Вблизи станций ПБ1 и ПБ2 расположены участки частного сектора, с которых органика с дождевыми стоками поступает в водоток. На V станции в р. Суру поступает вода из города после очистных сооружений, которая также содержит большое количество органических веществ. Остальные водные объекты по коэффициенту трофии соответствуют мезотрофному типу, а вода в них характеризуется как «умеренно чистая». В начале августа, когда сообщества зоопланктона достаточно развиты, были проведены исследования зависимости их структурных показателей с физико-химическими параметрами среды обитания. По отношению к химическим и физическим факторам среды все станции, на которых отбирали пробы, на 15 %-м уровне различий эвклидовых дистанций разделены на три кластера (рис. 4,а).

Распределение видов по типам станций наиболее точно иллюстрирует анализ соответствия (рис. 6). В ходе стандартизации данных между переменными доминантный вид - станция выявлена достаточно сильная связь (X² = 1589, df = 238, p < 0 ,001), поэтому она может использоваться как анализирующая при описании предпочтений. В пространстве полученных размерностей все виды группируются согласно своим ассоциациям к соответствующим станциям. Наибольший вклад в статистику X Пирсона дает первая размерность, объясняющая 28 % инерции.

Максимальные значения по первой размерности имеют сообщества А1, А2 и К3, где преимущественно встречаются эвритопные рачки Сепёаркта reticulata, Daphnia longispina, Acanthocyclops venustus, Alonella exigua и Picrip- leuroxus laevis. Противоположное положение занимают сообщества станций I, IV, V, IIa, II6, IIIa и III6, в которых доминатами являются планктонные коловратки: Synchaeta tremula, S. pectinata, Euchlanis dilatata и эвритопная кла- доце

ра Chydorus sphaericus. Вторая размерность объясняет только 18 % от общей инерции. По этой размерности наиболее обособлено зоопланктонное сообщество СС, где преимущественно представлены прибрежные виды коловраток - Mytilina ventralis и Lecane bulla, достигающие своей максимальной численности.

Личинки разного возраста веслоногих ракообразных и пиявковидные коловратки Rotaria sp., которые предпочитают зарастающие водоемы, имеют центральное положение в системе координат описанных выше размерностей, что связано с их присутствием в большинстве исследованных станций и указывает на их «обычность» для сообществ экосистемы р. Суры. В целом, результаты анализа соответствия хорошо согласуется с результатами классификации сообществ по видовому составу, полученными в ходе кластерного анализа.

С целью выявления зависимости между численностью гидробионтов и факторами среды был проведен непараметрический статистический корреляционный анализ (табл. 3).

Таблица 3

Коэффициенты корреляции Спирмена (/С) между численностью доминантных видов и показателями физико-химических параметров среды (по данным августа 2020 г.)

Примечание. Обозначения такие же, как в табл. 2.

Статистически значимые корреляционные связи были отмечены только для 11 из 18 видов доминантов с 19 параметрами среды. Для трех параметров среды (Al, Mn и F^-) связи с численностью выявлено не было. Наиболее чувствительными к воздействию большинства факторов оказались планктонные преимущественно речные коловратки S. pectinata и S.tremula, для численности которых были получены исключительно положительные корреляционные связи с анализируемыми показателями среды.

Такая же прямая связь, но по отношению только к четырем факторам, выявлена у эвритопной кладоцеры Ch. sphaericus, к трем - у прибрежной фито- фильной коловратки E. dilatata, к одному - у планктонной коловратки - Pompholyx sulcata и фитофильной - Rotaria sp. В то же время отрицательная зависимость численности отмечены с рядом факторов у A. venustus и A. exigua. Наконец, только у личинок копепод, предпочитающих зарастающие водоемы, численность положительно коррелирует со степенью зарастания водоемов и отрицательно - с силой течения.

Изучение структуры сообществ зоопланктона различных станций по характеру распределения их значений разнообразия и выравненности показало полное отсутствие (R_S = 0,16) их согласованности (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма рассеивания значений информационного индекса Шеннона и индекса выравненности Пиелу сообществ зоопланктона на станциях экосистемы р. Суры (по данным августа 2020 г.). Обозначения такие же, как на рис. 1

По относительному обилию наибольшая выравненность отмечена для сообществ ПБ2, ПБ1 и СС, где выявлены наименьшие показатели рН, NO₂^-, NO₃^-, БПК₅, Са²+, SO₄^2- и ^оЖ. Максимальное же разнообразие (наибольшее количество видов) отмечается для сообщества, выявленого вблизи плотины ТЭЦ-1 в Городском водохранилище - Шб. Изучение степени сопряженности комплекса исследованных факторов и информационными индексами сообществ показало отсутствие корреляционных связей. Исключение составляет только связь индекса выравненности и показателей содержания кислорода в воде (рис. 8). Согласно полученной зависимости наибольшие значения индекса разнообразия отмечаются на тех станциях, где было зарегистрировано наименьшее содержание кислорода в воде.

Рис. 8. Регрессионная модель зависимости индекса выравненности Пиелу зоопланктонных сообществ от содержания кислорода в воде на станциях экосистемы р. Суры (по данным августа 2020 г.) Пунктирная линия - 95 % доверительный интервал. Обозначения такие же, как на рис. 1

Заключение

За весь период наблюдений в сообществах зоопланктона экосистемы р. Суры обнаружено 82 вида, при одноразовой съемке (начало августа) на всех станциях - 48. Наибольшее число видов отмечено на станции р. Суры (Шб), расположенной ниже впадения загрязненной малой реки Кашаевки, а наименьшее - на водотоках (ПБ1 и ПБ2) в Барковке. На всех станциях р. Суры и водотоках в районе Барковки выявлена низкая численность зоопланктеров, которая достигает самых высоких значений только в старичных озерах (КЗ и ССП) микрорайона Ахуны. Видовое разнообразие сообществ р. Суры и старичных водных объектов не совпадает по ряду таксонов, а по структурным параметрам зоопланктоценозы двух станций р. Суры (111а, 111б) отличаются от остальных водотоков. В связи с близостью плотины ТЭЦ-1 и образованием вверх по течению «Городского водохранилища» длиной 13 км на этом участке р. Суры гидрологический режим значительно отличается от такового на других станциях исследований [1, 2]. Данные по структурным параметрам изученных здесь сообществ зоопланктона свидетельствуют о неоднородности по течению вверх так называемого «Городского водохранилища» по физико-химическим показателям. Поэтому этот участок русла р. Суры следует рассматривать как водоток с замедленным течением (станции I, 11а, 11б).

Зоопланктонное сообщество района Ахун (ССП) по структурным параметрам отличается от всех остальных. В этом водоеме отмечается самое высокое содержание ионов хлора, которое, возможно, связано с накоплением на дне загрязняющих веществ со времени начала использования его для сброса сточных (канализационных) вод из микрорайона Ахуны.

Анализируя абиотические факторы, установлено, что по сравнению с водными объектами на новом русле р. Суры, станции водных объектов разных типов на старом русле характеризуются низкими значениями рН, т.е. более кислой средой. Возможно, это связано с проходящими в этих водоемах окислительными реакциями, вызванными процессами гниения водорослей и водной растительности, а также опавшей листвы. Содержание в воде этих водоемов таких компонентов, как N0₂^-, N0₃^-, S0₄^2-, Са²+, БПК₅, взвеш. и ^оЖ, также оказалось более низким, чем на станциях р. Суры. По всей видимости, эта особенность водных объектов старого русла р. Суры связана с тем, что эти вещества концентрируются у дна из-за слабого течения или полного его отсутствия. Обнаруженные высокие значения этих средовых параметров на станциях IV и V обусловлены, по нашему мнению, активной аккумуляцией загрязняющих веществ, поступающих в водоток в черте города и непосредственно с местом расположения этих станций.

Выявленная зависимость между численностью гидробионтов и факторами среды статистически значимой оказалась - только для 11 из 18 видов доминантов и 19 параметров среды. Только у двух видов планктонных коловраток S. pectinata и S. tremulaсуществует прямая связь роста численности с ростом показателей большинства факторов среды.

Оценка качества вод исследуемых водных объектов с использованием показателей численности индикаторных видов и структурных параметров сообществ зоопланктона свидетельствует об их загрязненности. Многие водные объекты в старом русле р. Суры, а также новое русло р. Суры в своем развитии находятся на переходной стадии от мезотрофного к эвтрофному типу.

Список литературы

1. Иванов А. И., Чернышов Н. В., Кузин Е. Н. Природные условия Пензенской области. Современное состояние. Т. 1. Геологическая среда, рельеф, климат, поверхностные воды, почвы, растительный покров : монография. Пенза: РИО ПГАУ, 2017. 236 с. ВВИ 978-5-94338-873-6

2. Асанов А. Ю. Рыбохоз. значение водохранилищ, образованных русловыми водоподъемными сооружениями // Сурский вестник. 2019. № 3. С. 22-28..

3. Методы биологического анализа пресных вод : сб. науч. работ / отв. ред. Г. Г. Винберг. Л.: Зоологический ин-т АН СССР, 1976. 168 с.

4. Определитель зоопланктона и зообентоса пресных вод Европейской России. Т. 1. Зоопланктон / ред. В. Р. Алексеев, С. Я. Цалохин. М. ; СПб. : Товарищество научных изданий КМК, 2010. 495 с.

5. Чуйков Ю.С. Мате. к кадастру планктонных беспозвон. бассейна Волги и Север. Каспия. Коловратки (Rotatoria). Тольятти : ИЭВБ РАН, 2000. 195 с.

6. Абакумов В. А. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем. СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. 318 с.

7. Мяэметс А. Х. Изменения зоопланктона // Антропогенное воздействие на малые озера. Л. : Наука, 1980. С. 54-64.

8. Лобачев А.Л., Степанова Р.Ф., Лобачева И.В. Анализ неорганических загрязнителей питьевых и природных вод : учеб. пособие. Самара : Изд-во Самарского ун-та, 2006. 42 с.

9. Стойкова Е. Е., Медянцева Э. П., Евтюгин Г. А. Гидрохимический анализ. Казань : Казанский (Приволжский) федеральный ун-т, 2010. 49 с.

10. Hammer 0., Harper D. A. T., Ryan P. D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis // Palaeontologia electronica. 2001. Vol. 4, iss. 1, art. 4. 9 p. URL: http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm

References

1. Ivanov A.I., Chernyshov N.V., Kuzin E.N. Prirodnye usloviya Penzenskoy oblasti. Sovremennoe sostoyanie. T. 1. Geologicheskaya sreda, rel'ef, klimat, poverkhnostnye vody, pochvy, rastitel'nyy pokrov: monografiya = Natural conditions of the Penza region. Contemporary state. Volume 1. Geological environment, relief, climate, surface waters, soils, vegetation cover: monograph. Penza: RIO PGAU, 2017:236. ISBN 978-594338-873-6. (In Russ.)

2. Asanov A.Yu. Fishery value of reservoirs formed by channel water-carrying structures. Surskiy vestnik = Sursky bulletin. 2019;3:22-28. eISSN 2619-1202. (In Russ.)

3. Vinberg G.G. ed. Metody biologicheskogo analiza presnykh vod: sb. nauch. rabot = Methods for biological analysis of fresh water: collected papers. Leningrad: Zoologi- cheskiy in-t AN SSSR, 1976:168. (In Russ.)

4. Alekseev V.R., Tsalokhin S.Ya. ed. Opredelitel' zooplanktona i zoobentosa presnykh vod Evropeyskoy Rossii. T. 1. Zooplankton = Keys to zooplankton and zoobenthos of fresh waters in European Russia. Volume 1. Zooplankton. Moscow; Saint-Petersburg: Tovarishchestvo nauchnykh izdaniy KMK, 2010:495. (In Russ.)

5. Chuykov Yu.S. Materialy k kadastru planktonnykh bespozvonochnykh basseyna Volgi i Severnogo Kaspiya. Kolovratki (Rotatoria) = Materials for the inventory of planktonic invertebrates in the Volga and North Caspian basin. Rotifers (Rotatory). Tolyatti: IEVB RAN, 2000:195. (In Russ.)

6. Abakumov V.A. Rukovodstvo po gidrobiologicheskomu monitoringu presnovodnykh ekosistem = Guidance for hydrobiological monitoring of freshwater ecosystems. Saint- Petersburg: Gidrometeoizdat, 1992:318. (In Russ.)

7. Myaemets A.Kh. Zooplankton changes. Antropogennoe vozdeystvie na malye ozera = Anthropogenic impact on small lakes. Leningrad: Nauka, 1980:54-64. (In Russ.)

8. Lobachev A.L., Stepanova R.F., Lobacheva I.V. Analiz neorganicheskikh zagryazni- teley pit'evykh i prirodnykh vod: ucheb. posobie = Analysis of inorganic pollutants of drinking and natural waters: textbook. Samara: Izd-vo Samarskogo un-ta, 2006:42. (In Russ.)

9. Stoykova E.E., Medyantseva E.P., Evtyugin G.A. Gidrokhimicheskiy analiz = Hydrochemical analysis. Kazan: Kazanskiy (Privolzhskiy) federal'nyy un-t, 2010:49. (In Russ.)