Комплексная оценка состояния водных объектов с помощью рыб-индикаторов (на примере водоемов города Сургута и Сургутского района)

Ханты-Мансийский автономный округ – Югра – располагается в особых условиях, где влияние климатических факторов усиливается ускоряющейся урбанизацией и возрастанием техногенных воздействий на естественные экосистемы, что требует усиленного контроля за состоянием качества среды.

Биотестирование водной среды с помощью рыб как тест-объектов позволяет вести относительно простую и доступную систему контроля за состоянием экосистем водоёмов.

Загрязнение водной среды обусловлено различными факторами: сброс сточных вод предприятиями, которые содержат тяжёлые металлы; привнос поллютантов с транзитным стоком. Характерными загрязняющими веществами на территории ХМАО – Югры (2014 г.) являются железо, марганец, медь и органические соединения (ХПК) [1].

Химическое загрязнение может существенно влиять на экосистемы, особенно на водные, вызывая изменения в функциях работы организмов [2].

Известно, что деструктивные воздействия на ихтиофауну водоёмов приводят к изменению основных показателей биоразнообразия: видового богатства, состава доминирующего комплекса и выравненности видов [3]. Реакцией на такие воздействия могут служить изменения показателей стабильности развития организма. На некоторых территориях, подверженных негативным воздействиям, биоразнообразие сохраняется на стабильном уровне, однако состояние организма может значительно изменяться [4]. Отсюда возникает необходимость в комплексном биоиндикационном мониторинге той или иной территории.

Цель исследования. Провести оценку качества водоёмов с помощью фоновых модельных видов рыб.

Задачи: оценка биоразнообразия ихтиосообществ и стабильности развития организма рыб.

Объекты и методы. В качестве объектов экологического мониторинга выбрано 3 вида рыб семейства Карповые (Cyprinidae) (всего 280 экз.): плотва Rutilus rutilus (Linnaeus, 1758), язь Leucis-cus idus (Linnaeus, 1758) и лещ Abramis brama (Linnaeus, 1758). Представителей семейства Cyprini-dae удобно использовать в качестве тест-объектов, поскольку они распространены повсеместно и являются наиболее массовыми видами в озёрно-речных системах, в том числе на территории ХМАО – Югры.

Отлов рыб проводили в летний период 2013–2014 гг. на трёх различных водоёмах, как естественных (р. Чёрная, старица р. Большой Юган), так и искусственных – водохранилище ГРЭС. Речка Чёрная является правым притоком реки Оби, р. Б. Юган и его притоки являются левобережьем р. Оби, водохранилище ГРЭС сооружено на участке р. Чёрной. Экологический статус выбранных водоёмов оценивали на нескольких створах. Место отлова: створ №1 – р. Чёрная (в черте г. Сургута) – 100 м от восточной объездной дороги; створ №2 – водохранилище ГРЭС (г. Сургут, Сургутский рыбхоз); створ №3 – р. Большой Юган (контроль, 50 км от г. Сургута). Рыб отлавливали одностенными ставными сетями с различным шагом ячеи от 20 до 60 мм, а также активными орудиями ловли – поплавочными удочками. Для отлова молоди использовали мальковый невод из дели с ячеей не более 5 мм. Обработку ихтиологического материала проводили по стандартным общепринятым методикам [5, 6]. Русские и латинские названия видов рыб приведены по Ю.С. Решетникову с соавторами [7].

Для оценки фонового состояния биологических систем использовали наиболее информативные индексы биоразнообразия: информационный индекс Шеннона ( H' ) [8, 9], индекс доминирования Бергера-Паркера ( d ), индекс выравненности экологических сообществ Пиелу ( E ), индекс доминирования Симпсона ( D ), вероятность межвидовых встреч ( PIE ), индекс полидоминантности ( S λ ) [3, 10].

Диагностику нарастающего негативного воздействия на морфологические характеристики рыб оценивали с использованием методов флуктуирующей асимметрии (далее – ФА) [11].

Для оценки уровней ФА рыб применяли систему меристических признаков у одновозрастных рыб (трёх- и четырёхлетки). Объём выборки составил 20 (3+) и 10 (2+) особей [12, 13].

Стабильность развития оценивали по четырём билатеральным счётным признакам: число чешуй в боковой линии (1), число лучей в грудных (2) и брюшных плавниках (3), число глоточных зубов (4).

Результаты и их обсуждение. По данным Департамента экологии ХМАО – Югры, состояние качества поверхностных вод водотоков территории за 2008–2011 гг. следующее: уровень загрязненности р. Оби на территории г. Сургута с «грязного» (2008 г.) изменился до «очень загрязнённого» (2010 г.). Поверхностные воды р. Оби на участке 22 км ниже г. Сургута в 2012 г. характеризовались как «очень загрязнённые» [14]. В последнее время наметилась устойчивая тенденция стабилизации уровня загрязнённости воды. Загрязняющими веществами на этом участке являются: трудноокисляемые органические вещества (по ХПК), легкоокисляемые органические вещества (по БПК 5 ), азот нитритный, соединения железа, меди, марганца. На участке г. Сургута критического уровня достигли соединения железа.

Оценка разнообразия рыб в трёх водоёмах с помощью индексов биоразнообразия отражена в таблице 1.

Таблица 1

Значение показателей уровня разнообразия ихтиосообществ водоёмов г. Сургута

Водоём	Значения индексов разнообразия
	H' / VarH'	D	PIE	E	d/1/d	S λ
р. Чёрная	1,98/1,56	0,17	0,83	1,91	0,32/ 3,06	5,86
Водохранилище ГРЭС	1,71/ 2,4	0,26	0,74	1,80	0,51/1,95	3,91
Старица р. Б. Юган	1,44/1,74	0,17	0,83	1,52	0,22/ 4,46	6,05

Примечание: жирным шрифтом выделены значения, которые отличаются от других; VarH' – дисперсия индекса Шеннона; D – индекс доминирования Симпсона; d – индекс доминирования Бергера-Паркера; E – индекс выравненности экологических сообществ Пиелу; PIE – вероятность межвидовых встреч; S λ – индекс полидоминантности.

Доминирующий комплекс исследуемых водоёмов следующий: плотва – доминант, язь и лещ – субдоминанты. По количеству видов наиболее полно представлена р. Чёрная (11 видов), что связано с сообщением этой реки с Обью, в которой разнообразие и обилие рыб выше. Рыбы совершают постоянные миграции из Оби в р. Чёрную для нереста, нагула, развития (ежегодно нами наблюдался массовый выход предличинок в последней декаде апреля – первой декаде мая). Разнообразие рыб старицы р. Б. Юган представлено 9 видами.

Значения индекса Шеннона ( H' ) варьировали в пределах от 1,44 до 1,98, что указывает на незначительные различия видового разнообразия в изучаемых системах. Различия по видовому разнообразию между изученными сообществами рыб (Чёрная/ГРЭС, Чёрная/Б.Юган, ГРЭС/ Б. Юган) не выявлены (табл. 2).

Таблица 2

Значение t-критерия Стьюдента между выборочными совокупностями значений индекса Шеннона для исследуемых водоёмов

Водоём	р. Чёрная	Водохранилище ГРЭС	Старица р. Б. Юган
	t (df)	t (df)	t (df)
р. Чёрная	❖	0,29 (18)	0,12 (20)
Водохранилище ГРЭС	0,29 (18)	❖	0,33 (17)
Старица р. Б. Юган	0,12 (20)	0,33 (17)	❖

Примечание: (df) – число степеней свободы, при α=0,05 (по Ивантеру, 2010).

Показатель «вероятность межвидовых встреч» варьировал от 0,60 до 0,83 (в норме от 0 до 1) и характеризовался как средний. Значения индекса выравненности Пиелу ( E ) показывают, что особи в сообществах рыб распределены относительно равномерно (1,39–1,91). Высокая величина индекса полидоминантности в р. Чёрной (5,86) и в старице р. Б. Юган (6,05) указывает на преобладание одних видов над другими при относительной выравненности всех видов. Индекс Симпсона выше в водохранилище ГРЭС, что говорит о большем вкладе отдельного вида в структуру данного сообщества.

Значения индекса доминирования Бергера-Паркера ( d ) (в р. Чёрной – 3,06; старице р. Б. Юган – 4,46) подтверждают, что происходит увеличение разнообразия и снижение степени доминирования одного вида в структуре данного сообщества. Хотя по обилию в уловах абсолютными доминантами во всех выбранных водоёмах являются – плотва, язь, речной окунь; субдоминантами – серебряный и золотой, или обыкновенный караси, лещ, обыкновенная щука, елец; рецедентами – обыкновенный ёрш, обыкновенный судак и налим.

ФА билатеральных признаков семейства Cyprinidae имеет незначительные ненаправленные отклонения от билатеральной симметрии (Захаров, 1987) и проявляется либо на правой, либо на левой стороне (табл. 3).

С помощью показателей ЧАПП (частота асимметричного проявления на признак) и ЧАПО (частота асимметрии отдельного признака на особь) оценили отклонения стабильности развития рыб от условно нормального состояния по пятибалльной шкале (табл. 4).

Таблица 3

Вид	р. Чёрная				Водохранилище ГРЭС				Старица р. Б. Юган
	1	2	3	4	1	2	3	4	1	2	3	4
R. ruti-lus (3+)	41-42 (42)	13-17 (14)	8-10 (9)	56(5)	39-42 (41)	11-15 (13)	8-10 (9)	5-6 (5)	4248 (45)	1115 (13)	8-10 (9)	5-6 (5)
R. ruti-lus (2+)	43-54 (43)	13-14 (13)	8-9 (9)	5-6 (5)	42 (42)	13-14 (14)	8-9 (9)	5 (5)	4246 (44)	17 19 (18)	7-10 (9)	5-6 (5)
A. brama (3+)	47-60 (52)	8-18 (15)	7-12 (8)	5-6 (5)	45-60 (52)	14-17 (16)	8-12 (9)	5-6 (5)
A. brama (2+)	45-55 (52)	8-15 (15)	7-10 (9)	5 (5)	45-52 (50)	15-16 (15)	7-10 (9)	5 (5)
L. idus (3+)	45-59 (52)	13-18 (17)	8-9 (9)	5 (5)					5268 (56)	1118 (16)	8-10 (9)	5 (5)
co	52-58 (54)	11-17 (15)	8-10 (9)	5 (5)					5258 (54)	1117 (15)	8-10 (9)	5 (5)

Примечание: 1 – число чешуй в боковой линии; 2 – число лучей в грудных плавниках; 3 – число лучей в брюшных плавниках; 4 – число глоточных зубов (среднее значение); в скобках – среднее значение.

Билатеральные меристические признаки рыб семейства Cyprinidae

Таблица 4

Величина показателя стабильности развития ЧАПП (при p<0,05) в выборках разновозрастных групп водоёмов г. Сургута и Сургутского района

Вид	Водоем	Показатель	Балл
1	2	3	4
R. rutilus	р. Черная	0,42±0,3	IV
(3+)	Водохранилище ГРЭС	0,3±0,2	II
( n = 20)	Старица р. Б. Юган	0,37±0,2	III
R. rutilus	р. Черная	0,56±0,2	V
(2+)	Водохранилище ГРЭС	0,21±0,1	I
( n = 10)	Старица р. Б. Юган	0,11±0,1	I

Окончание табл. 4

1	2	3	4
A. brama (3+) ( n = 20)	р. Черная	0,35±0,2	III
	Водохранилище ГРЭС	0,42±0,1	IV
A. brama (2+) ( n = 10)	р. Черная	0,17±0,1	I
	Водохранилище ГРЭС	0,1±0,1	I
L. idus (3+) ( n = 20)	р. Черная	0,02±0,04	I
	Старица р. Б. Юган	0,26±0,2	I
L. idus (2+) ( n = 10)	р. Черная	0,10±0,09	I
	Старица р. Б. Юган	0,06±0,06	I

Примечание: R – правая сторона; L – левая сторона; ЧАПП – отношение числа признаков, проявляющих асимметрию, к общему числу учтённых признаков.

В ранее проведённых биоиндикационных исследованиях старицы р. Б. Юган [15] показано, что состояние среды условно нормальное (t-критерий Стьюдента 0,22).

В р. Чёрной отклонения в стабильности развития обнаружены у R. rutilus (0,42±0,3; 0,56±0,2) по шкале IV – V, что характеризовало водоём как «очень грязный». У A. brama этот показатель несколько ниже (0,35±0,22), и это указывало на то, что данный водоём «грязный». Показатель ЧАПП R. rutilus (3+) и R. rutilus (2+) старицы р. Б. Юган различались: 0,37±0,2 и 0,11±0,12. Значения ЧАПП четырёхлеток (3+) рыб р. Чёрной (t(38)=0,13, при p<0.05), водохранилища ГРЭС (t(38)=0,54, при p<0.05), старицы р. Б. Юган (t(38)=0,39, при p<0,05) статистически незначимы. Следовательно, влияние внешних факторов на изменчивость меристических признаков приведёнными выше данными (табл. 4) не доказано. ЧАПП трёхлеток (2+) р. Чёрной (t(18)=1,25, при p<0,05), водохранилища ГРЭС (t (18)=0,78, при p<0.05), старицы р. Б. Юган (t(18)=0,45, при p<0,05) также статистически незначимы.

Асимметрия отмечена у всех изученных видов, кроме плотвы (t Md =2,7) и язя (t Md =2,71), старицы р. Б. Юган (табл. 6), однако статистически значимых различий между показателями асимметрии в разных водоемах не выявлено (табл. 5). Отсутствие различий указывало в первую очередь на одинаковые средовые воздействия, выраженные, в широком смысле, климатическими условиями.

Таблица 5

Значение t-критерия Стьюдента в различии асимметрии рыб между разными водоёмами

Водоёмы	Вид	Возраст	T	df
Чёрная / Б.Юган	Плотва	3+	0,869	38
Чёрная / ГРЭС	Плотва	3+	1,814	38
ГРЭС / Б.Юган	Плотва	3+	0,983	38
Чёрная / ГРЭС	Лещ	3+	1,55	38
ГРЭС / Б.Юган	Плотва	2+	2,14	18
Чёрная / Б.Юган	Язь	2+	1,04	18

Асимметрия у каждого вида, кроме плотвы (t Md = 2,7) и язя (t Md = 2,71), старицы р. Б.Юган (табл. 6) достоверна. Это говорит о том, что хотя асимметрия и присутствовала у данных видов, но она сходная во всех исследуемых водоёмах. Присутствие асимметрии обнаружено во всех изученных водоёмах, но показатели её не отличались.

Таблица 6

Величина интегрального показателя стабильности развития (частота ассиметричного проявления по четырём меристическим признакам) в выборках R. rutilus , A. brama , L. idus

Водоём	Вид	Возраст	M d	σ	m d	t Md
р. Чёрная	Плотва	3+	1,7	1,22	0,27	6,24
р. Чёрная	Плотва	1+	2,25	1,07	0,24	9,4
Старица Б.Юган	Плотва	3+	1,5	0,83	0,18	8,11
Водохранилище ГРЭС	Плотва	3+	1,2	1,15	0,26	4,66
р. Чёрная	Лещ	3+	1,4	0,88	0,19	7,09
Старица Б.Юган	Язь	3+	1,05	0,89	0,2	5,29
Водохранилище ГРЭС	Лещ	3+	1,7	0,47	0,11	16,17
р. Чёрная	Лещ	2+	1,7	1,16	0,37	4,64
Водохранилище ГРЭС	Плотва	2+	2,1	1,37	0,43	4,85
Старица Б.Юган	Плотва	2+	1,1	1,29	0,41	2,7
Водохранилище ГРЭС	Лещ	2+	1,1	1,1	0,35	3,16
Старица Б.Юган	Язь	2+	0,6	0,7	0,22	2,71
р. Чёрная	Язь	2+	1	0,94	0,3	3,35
р. Чёрная	Язь	3+	0,55	0,83	0,18	2,97

Значения асимметрии R. rutilus (2+) и L. idus (2+) старицы р. Б. Юган статистически незначимы (t Md 2,7 и 2,71).

Таким образом, асимметрия у рыб, скорее всего, развивалась под действием сходных средовых факторов.

Выводы. Использование 2 методов для оценки качества среды водных экосистем с помощью рыб позволяет выявить сходные тенденции в отсутствии отличий между показателями биоразнообразия и асимметрии в разных водоемах. Незначительные различия значений индексов видового разнообразия обусловлены связью с другими водными системами, способствующими обогащению видовой структуры сообществ. В целом изученные сообщества характеризуются как выровненные, но самые оптимальные показатели характерны для менее нарушенного водоёма – старицы р. Б. Юган.

Выявленная асимметрия (особенно для R. rutilus и A. brama ) указывает на присутствие лимитирующих факторов в исследуемых водоемах, но, очевидно, в небольших дозах. Отсутствие отличий асимметрии у рыб разных водоёмов определяется сходным комплексом воздействий в данных системах.