Барсукова Н. Н., Баженова О. П., Коржова Л. В. Оценка современного экологического состояния российского участка трансграничной реки Иртыш по структурным показателям фитопланктона // Принципы экологии. 2023. № 3. С. 4–14. DOI: 10.15393/j1.art.2023.13842

Выпуск № 3

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

ELR 581.526.325.2:502.51-044.3(571)

Оценка современного экологического состояния российского участка трансграничной реки Иртыш по структурным показателям фитопланктона

Введение

Иртыш является трансграничной рекой и самым крупным притоком Оби. Истоки Иртыша берут начало на юго-западных склонах монгольского Алтая в Китае, далее река протекает по территории Республики Казахстан и Российской Федерации. Общая длина составляет 3721 км, площадь бассейна – 1.52 млн км² (Доманицкий и др., 1971). По характеру долины, русла и ряду физико-географических признаков Иртыш условно делят на три части: верхний – от истока реки из озера Зайсан (ныне Бухтарминское водохранилище) до выхода из предгорий Южного Алтая; средний – от г. Семипалатинска до устья Тобола; нижний – от устья Тобола до впадения в Обь (Фитопланктон..., 2019).

С начала ХХI в. экосистема Иртыша находится в состоянии антропогенного экологического напряжения с элементами антропогенного эвтрофирования, что требует повышенного внимания при выборе хозяйственных решений (Баженова, Барсукова, 2022).

Другой важной проблемой является истощение водных ресурсов Иртыша, являющегося единственным источником питьевого и хозяйственного водоснабжения г. Омска. Зарегулирование верхнего течения реки на территории Казахстана каскадом гидроэлектростанций, забор воды в Китае и Казахстане и пр. привели в настоящее время к истощению ее водных ресурсов. Для обеспечения водоснабжения и судоходства на реке в 2007 г. началось возведение Красногорского низконапорного гидроузла в районе г. Омска. В бассейне Иртыша имеются также проблемы в использовании водных ресурсов реки сопредельными государствами: отсутствие лимитов вододеления, низкий уровень соблюдения технологических регламентов и режима при осуществлении водопользования на предприятиях и др. (Пузанов и др., 2017). 

Возрастающий уровень антропогенного воздействия в бассейне Иртыша и угроза истощения водных ресурсов приводят к высокой актуальности оценки современного экологического состояния российского участка реки.

Для оценки экологического состояния водных объектов широко используются структурные показатели фитопланктона, являющегося основным продуцентом органического вещества в водных экосистемах и важным фактором формирования качества вод (Абакумов, 1991).

Цель работы – оценить современное экологическое состояние, трофический статус и качество воды российского участка реки Иртыш по структурным показателям фитопланктона. 

Материалы

В статье использованы материалы обработки 59 количественных и нескольких качественных проб фитопланктона р. Иртыш, отобранных с мая по декабрь  2019  г. на створах в районе Омска, Тобольска и Ханты-Мансийска (рис. 1).

 

 

 Рис. 1. Места отбора проб фитопланктона реки Иртыш, 2019 г.

Fig. 1. Location of phytoplankton sampling sites of the Irtysh River, 2019

 

Отбор количественных проб фитопланктона объемом 0.5 л проводили батометром на трех точках створа: середина, левый и правый берега. На створах Омска и Ханты-Мансийска отбор проб проводили выше источника загрязнения (Омск-ВИЗ – с. Новая Станица, 17 км выше г. Омска; Ханты-Мансийск-ВИЗ – 3 км выше г. Ханты-Мансийска) и ниже источника загрязнения (Омск-НИЗ – с. Новотроицкое, 40 км ниже г. Омска; Ханты-Мансийск-НИЗ – 3.4 км ниже г. Ханты-Мансийска). По организационным моментам на створе Тобольска отбор проводился только ниже источника загрязнения (Тобольск-НИЗ – 2 км ниже г. Тобольска).

Методы

Пробы фитопланктона отбирали батометром из поверхностного слоя воды, фиксировали 40 % формалином с добавлением раствора Люголя, концентрировали осадочным способом. Обработку проб проводили общепринятыми методами (Федоров, 1979). Качественные пробы получали путем интегрирования обработанных количественных.

Численность клеток водорослей учитывали в счетной камере Горяева в двух повторностях. Биомассу рассчитывали счетно-весовым методом, исходя из численности и объема клеток, определенного по формулам геометрического подобия (Кольцова, 1970). Трофический статус и качество воды оценивали по биомассе фитопланктона (Оксиюк и др., 1993).

Таксономический список водорослей составляли с учетом современных систематических преобразований, актуализацию видовых названий проводили по данным международной базы Algaebase (Guiry, Guiry, 2023).

 Для изучения параметров альфа-разнообразия фитопланктоценоза в программе Past (Paleontological Statistics Software for Education and Data Analysis) (Past 4) были рассчитаны индексы Шеннона (H), Маргалефа (d), доминирования Симпсона (D). Статистическую обработку данных проводили в программе Microsoft Excel.

Результаты

В составе фитопланктона идентифицировано 247 видовых и внутривидовых таксонов, включая номенклатурный тип вида, из восьми отделов: Cyanoprokaryota – 37, Dinophyta – 3, Chrysophyta – 24, Xanthophyta – 6, Euglenophyta – 25, Bacillariophyta – 32, Chlorophyta – 114, Charophyta – 6.

Ведущая роль в формировании видового богатства фитопланктона Иртыша принадлежит Chlorophyta, значимые позиции занимают Cyanoprokaryota, Bacillariophyta, Euglenophyta и Chrysophyta, доли которых отличаются незначительно. Dinophyta, Xanthophyta и Charophyta характеризуются небольшим видовым богатством (рис. 2). 

 

    Рис. 2. Таксономическая структура фитопланктона российского участка реки Иртыш, 2019 г.:

1 – Cyanoprokaryota, 2 – Dinophyta, 3 – Xanthophyta, 4 – Chrysophyta, 5 – Euglenophyta, 6 – Bacillariophyta, 7 –  Chlorophyta, 8 – Charophyta

 Fig. 2. Taxonomic structure of phytoplankton in the Russian section in the Irtysh River, 2019:

1 – Cyanoprokaryota, 2 – Dinophyta, 3 – Xanthophyta, 4 – Chrysophyta, 5 – Euglenophyta, 6 – Bacillariophyta, 7 – Chlorophyta, 8 – Charophyta

 

Показатели обилия фитопланктона в среднем и нижнем течении Иртыша отличаются неоднородностью как во временном, так и в пространственном аспекте. Численность и биомасса фитопланктона по течению реки варьировали в значительных пределах: численность – 0.17–34.05 млн кл./дм³, биомасса – 0.09–9.04 г/м³. Средние значения показателей обилия фитопланктона возрастают от г. Омска к нижнему участку течения реки – г. Ханты-Мансийску. Наибольшие показатели численности и биомассы фитопланктона на всех створах реки отмечены в августе – сентябре, максимальные показатели обилия фитопланктона наблюдались в августе в нижнем течении реки (г. Ханты-Мансийск) (табл. 1).

 

Таблица 1. Численность и биомасса фитопланктона российского участка реки Иртыш, 2019 г.

Дата отбора проб	Общая численность, млн кл./дм3	Общая биомасса, г/м3	Численность, %
			биомасса, %
			Cyanoproka-ryota	Bacillariophyta	Euglenophyta		Chlorophyta	Прочие
г. Омск
30.05.2019	2.26	0.78	14.40	10.02	5.07		58.25	12.26
			2.43	32.92	9.08		26.38	29.19
30.07.2019	1.48	1.22	36.43	30.33	0.28		32.82	0.14
			0.51	84.89	1.01		13.08	0.51
26.08.2019	4.98	1.53	49.95	9.05	0.49		40.40	0.12
			4.27	45.07	4.27		44.0	2.39
26.09.2019	7.98	1.61	63.36	6.87	0.05		29.54	0.18
			2.21	69.00	0.005		28.13	0.64
25.10.2019	3.72	1.28	32.95	38.82	0.29		27.82	0.12
			1.71	76.68	0.96		19.34	1.31
25.11.2019	1.11	1.06	7.54	73.93	–		17.92	0.61
			2.11	90.93	–		6.66	0.30
19.12.2019	0.56	0.29	19.27	42.17	38.55		–	–
			2.68	54.31	43.01		–	–
В среднем	3.16±0.99	1.11±0.17	31.98	30.17	6.39		29.54	1.92
			2.27	64.83	8.33		19.66	4.91
г. Тобольск
06.06.2019	2.39	1.27	33.52	22.21	4.89		36.45	2.93
			1.25	72.49	9.42		14.14	2.70
04.07.2019	3.58	3.41	20.39	44.04	1.49		33.43	0.65
			0.31	88.97	2.56		7.68	0.48
02.08.2019	6.36	1.51	64.58	16.11	0.52		18.53	0.26
			0.97	72.89	6.15		19.50	0.49
05.09.2019	6.35	2.88	67.80	17.41	0.74		13.84	0.21
			0.88	89.68	3.84		5.44	0.16
03.10.2019	6.21	3.42	36.64	37.35	0.91		24.35	0.75
			0.14	85.17	2.32		11.63	0.74
01.11.2019	4.89	4.13	5.18	50.41	1.30		41.81	1.30
			0.07	86.18	0.80		12.46	0.49
05.12.2019	2.20	1.77	1.06	75.15	0.45		21.52	1.82
			0.03	92.49	0.72		6.21	0.55
В среднем	4.57 ± 0.69	2.63 ± 0.41	32.74	37.53	1.47		27.13	1.13
			0.52	83.98	3.69		11.01	0.80
г. Ханты-Мансийск
22.05.2019	2.73	1.70	29.91	24.78	4.95	35.04		5.32
			0.06	62.18	14.47	20.84		2.45
07.06.2019	2.53	0.76	18.97	23.91	2.77	50.00		4.35
			9.56	49.93	5.07	31.66		3.78
03.07.2019	5.38	4.54	31.72	41.21	1.86	24.74		0.47
			1.04	86.28	6.18	6.34		0.16
01.08.2019	34.05	9.04	82.80	8.94	0.18	7.99		0.09
			38.44	46.65	0.42	14.40		0.09
02.09.2019	11.23	2.51	75.14	16.29	0.41	7.99		0.17
			6.95	75.05	10.67	5.90		1.43
03.10.2019	3.02	2.38	27.53	48.26	3.15	20.73		0.33
			0.20	84.61	5.50	9.63		0.06
11.11.2019	0.95	0.35	25.93	32.28	3.70	35.45		2.64
			1.01	71.19	10.38	16.19		1.23
25.12.2019	0.17	0.09	55.88	26.48	5.88	11.76		–
			13.09	30.86	11.32	44.72		–
В среднем	7.51 ± 3.98	2.67 ± 1.04	43.49	27.77	2.86	24.21		1.67
			8.04	62.43	7.99	20.39		1.15

 

В формировании общей численности фитопланктона наибольшее участие принимают зеленые, диатомовые водоросли и цианопрокариоты. Их доля существенно зависит от времени и места отбора. В районе Омска и Тобольска в среднем за период исследований участие этих трех отделов в создании численности фитопланктона примерно одинаково, а в нижнем участке течения в районе Ханты-Мансийска доля цианопрокариот значительно возрастает, в основном за счет их обилия в августе и сентябре. В формировании биомассы фитопланктона главная роль принадлежит диатомовым водорослям, создающим на разных створах в среднем за период исследований 62–84 % общей биомассы, а на створах Омска и Тобольска в ноябре – декабре – более 90 % (см. табл. 1). 

Влияние населенных пунктов на показатели обилия фитопланктона по течению реки наиболее заметно в районе г. Омска (рис. 3).

 

Рис. 3. Динамика численности (А) и биомассы (B) фитопланктона реки Иртыш в районе г. Омска, 2019 г.: 1 – Омск-ВИЗ, 2 – Омск-НИЗ

Fig. 3. Dynamics of the abundance (А ) and biomass (B) of phytoplankton in the Irtysh River in the area of Omsk, 2019: 1 – Omsk-VIZ, 2 – Omsk-NIZ

 

Максимальные показатели численности фитопланктона отмечены на створе Омск-НИЗ в сентябре, где в это время интенсивно вегетируют колониальные мелкоклеточные безгетероцистные цианопрокариоты, среди которых наибольшей численности достигал Coelosphaerium kuetzingianum Näg. (8.0 млн кл./дм³).

На створе Омск-ВИЗ численность фитопланктона существенно ниже, наиболее интенсивно здесь развивалась Aphanocapsa planctonica (G. M. Smith) Kom. et Anagn (1.7 млн кл./дм³). Наиболее высокие показатели биомассы фитопланктона на створах г. Омска также отмечены в сентябре, основную долю биомассы здесь формируют диатомовые центрические водоросли Aulacoseira granulatа (Ehr.) Sim., Stephanodiscus hantzschii Grun., виды р. Cyclotella (Kütz.) Bréb. На створе Омск-НИЗ начиная с августа показатели биомассы, так же как и численности, существенно выше, чем на створе Омск-ВИЗ (см. рис. 3).

 В районе г. Тобольска максимальные показатели численности фитопланктона наблюдаются в летне-осенний период – с  августа по октябрь (см. табл. 1).

Здесь, как и в среднем течении реки, в фитопланктоне наиболее интенсивно развиваются цианопрокариоты рода Aphanocapsa Näg. Постепенное увеличение биомассы фитопланктона с июня по июль сменяется ее резким падением в августе из-за смены доминирующих видов. Если в июле основную долю биомассы создавали диатомовые водоросли рода Aulacoseira Thw. и Asterionella formosa Hass., то в августе им на смену приходят мелкоклеточные цианопрокариоты и хлорококковые водоросли, что приводит к снижению биомассы фитопланктона на фоне роста его численности. Осенью обилие фитопланктона постепенно падает, численность цианопрокариот уменьшается, основную долю биомассы и численности формируют диатомовые водоросли (в основном Asterionella formosa и виды рода Aulacoseira).

В нижнем течении Иртыша в районе г. Ханты-Мансийска динамика численности и биомассы фитопланктона имеет характер одновершинной кривой с ярко выраженным пиком в августе, существенных отличий показателей по створам не наблюдается (рис. 4).

 

Рис. 4.  Динамика численности (А) и биомассы (Б) фитопланктона реки Иртыш в районе г. Ханты-Мансийска,  2019 г.:  1 – Ханты-Мансийск-ВИЗ, 2 – Ханты-Мансийск-НИЗ

Fig. 4. Dynamics of abundance (А) and biomass (B) of phytoplankton in the Irtysh River in the area of the city of Khanty-Mansiysk, 2019: 1 – Khanty-Mansiysk-VIZ, 2 – Khanty-Mansiysk-NIZ

 

Высокая численность фитопланктона на обоих створах обусловлена интенсивной вегетацией цианопрокариот, среди которых наибольшей численности достигают виды рода Aphanocapsa. Почти половину общей биомассы формируют диатомовые водоросли, представленные в основном центрическими диатомеями рода Aulacoseira.

Индексы биоразнообразия фитопланктона колеблются в узких пределах на всем протяжении исследованного течения (табл. 2).

 

Таблица 2. Индексы биоразнообразия фитопланктоценоза реки Иртыш, 2019 г.

Место отбора проб	Индекс Шеннона	Индекс Маргалефа	Индекс Симпсона
г. Омск	2.42	3.69	0.17
г. Тобольск	2.62	4.42	0.15
г. Ханты-Мансийск	2.57	4.45	0.13
В среднем	2.53 ± 0.06	4.18 ± 0.24	0.15 ± 0.01

 

Значения индексов Шеннона и Маргалефа указывают на среднюю сложность структуры фитопланктоценоза и достаточно высокое видовое богатство. Показатели индекса доминирования Симпсона на всем протяжении Иртыша имеют невысокие значения, что соответствует сообществам с невыраженными доминантами и также свидетельствует о средней сложности структуры фитопланктоценоза. Качество воды в реке соответствовало 3-му классу удовлетворительной чистоты, трофический статус колебался от мезотрофной до эвтрофной категории (табл. 3).

 

Таблица 3. Качество воды и трофический статус реки Иртыш, 2019 г

Место отбора	Общая биомасса фитопланктона, г/м3	Качество воды		Трофический статус
		класс	разряд	категория	разряд
г. Омск	1.11	3 – удовлетворительной чистоты	3а – достаточно чистая	мезотрофная	мезо-эвтрофный
г. Тобольск	2.62	3 – удовлетворительной чистоты	3б – слабо загрязненная	эвтрофная	эвтрофная
г. Ханты-Мансийск	2.67	3 – удовлетворительной чистоты	3б – слабо загрязненная	эвтрофная	эвтрофная
В среднем по реке	2.13 ± 0.51	3 – удовлетворительной чистоты	3б – слабо загрязненная	эвтрофная	эвтрофная

Обсуждение

Таксономическая структура фитопланктона российского участка реки Иртыш по сравнению с предыдущими исследованиями (Баженова, Барсукова, 2022; Bazhenova, Gulchenko, 2017) кардинально не изменилась и сохранила прежние черты. Видовое богатство (общее количество видовых и внутривидовых таксонов) осталось на прежнем уровне. В рамках концепции экологических модификаций (Абакумов, 1991) это соответствует достаточно устойчивому состоянию экологической модуляции, т. е. установленное антропогенное экологическое напряжение экосистемы российского участка Иртыша сохраняется до настоящего времени.

По-прежнему ведущие позиции в таксономической структуре фитопланктона занимают отделы Chlorophyta,  Bacillariophyta, Cyanoprokaryota и Euglenophyta.

Таксономическая структура фитопланктона среднего и нижнего течения Иртыша в целом соответствует структуре фитопланктона других исследованных рек Обь-Иртышского бассейна – Оби и ее наиболее крупных притоков – Кеть, Васюган, Томь (Барсукова и др., 2022; Barsukova et al., 2021; Bazhenova, Barsukova, 2022, 2023).

Показатели обилия фитопланктона в 2019 г. находятся на том же уровне, что и в предыдущие годы исследований (2014–2016). Класс качества вод и категория трофности также соответствуют уровню показателей предыдущих периодов. На всем протяжении российского участка реки в летне-осенний период в фитопланктоне интенсивно развиваются мелкоклеточные безгетероцистные цианопрокариоты (в основном из рода Aphanocapsa) (Баженова, Барсукова, 2020).

Интенсивная вегетация безгетероцистных цианопрокариот наблюдается как в Иртыше, так и в других реках России (Кожова, Башарова, 1984; Кожевникова, 2001; Корнева, 2015).

Данный процесс обычно наблюдается на заключительных стадиях олиго-эвтрофной сукцессии и свидетельствует об увеличении трофического статуса вод (Корнева, Глущенко, 2020).

Параметры альфа-разнообразия в целом соответствуют благополучному состоянию фитопланктоценоза Иртыша и соответствуют таковым рек Обь, Кеть, Васюган, Томь (Barsukova et al., 2021; Барсукова и др., 2022; Bazhenova, Barsukova, 2022, 2023).

Заключение

Основу таксономической структуры фитопланктона российского участка реки Иртыш в период май – декабрь 2019 г. формируют Chlorophyta (46.2 %), значимую роль играют Cyanoprokaryota (15.0 %), Bacillariophyta (13.0 %) и Euglenophyta (10.1 %). Численность и биомасса фитопланктона в целом по реке в исследованный период варьировали в значительных пределах: численность – 0.10–41.07 млн кл./дм³, биомасса – 0.04–9.61 г/м³. Максимальные показатели обилия фитопланктона отмечены в летне-осенний период. Влияние населенных пунктов на показатели обилия фитопланктона по течению реки наиболее заметно в районе Омска – ниже города в реке за счет интенсивной вегетации безгетероцистных цианопрокариот существенно увеличивается численность фитопланктона, а рост биомассы обусловлен в основном развитием центрических диатомей, среди которых заметна доля показателя антропогенного эвтрофирования S. hantzschii. 

Показатели обилия фитопланктона российского участка реки Иртыш находятся на том же уровне, что и в предыдущие (2014–2016) годы исследований. Трофический статус и класс качества вод также соответствуют уровню предыдущих показателей. Параметры альфа-разнообразия соответствуют благополучному состоянию фитопланктоценоза.

Полученные данные свидетельствуют, что антропогенное экологическое напряжение экосистемы Иртыша сохраняется до настоящего времени, но в целом экосистема реки находится в достаточно устойчивом состоянии экологической модуляции. 

В то же время следует отметить, что на всем протяжении российского участка Иртыша в летне-осенний период происходит интенсивная вегетация безгетероцистных цианопрокариот, характерная для заключительных стадий олиго-эвтрофной сукцессии. 

Нарастание подобных негативных процессов в структуре фитопланктоценоза Иртыша отражает усиление антропогенного воздействия на реку, особенно ярко проявляющееся в районе крупных мегаполисов (г. Омск).

Библиография

Благодарности

Авторы выражают искреннюю благодарность за помощь в отборе проб руководителям и сотрудникам ЦМС, ОГМС Тобольск ФГБУ «Обь-Иртышское УГМС», а также ОМОС Ханты-Мансийский ЦГМС – филиал ФГБУ «Обь-Иртышское УГМС».