Проблемы использования фитопланктона в гидробиологическом мониторинге рек высокоурбанизированных территорий (на примере реки Москвы)

часть городского населения Московского региона. Воды реки активно используются для промышленного, питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для орошения. Река Москва принимает значительное количество стоков г. Москвы, а также ряда населенных пунктов Московской области. Берега реки являются рекреационными объектами, заливные пойменные луга используются для выпаса скота и заготовки кормов.

Материалы и методы. В 2007-2012 гг. в летний период вегетационного сезона были проведены исследования фитопланктона р. Москвы на 29 станциях, расположенных по тракту реки от Можайского водохранилища до устья у г. Коломна. Из них 16 станций были расположены на участке Можайское водохранилище – г. Москва («верхнее течение»), а 13 на участке г. Москва – устье реки («нижнее течение»), включая 3 станции в черте города. Также на 2 станциях (выше г. Звенигорода и близ г. Дзержинский) были проведены годовые съемки фитопланктона с еженедельной частотой отбора проб. Отбор и обработку проб фитопланктона проводили по общепринятым методикам [5]. На каждой станции одновременно с отбором проб фитопланктона проводили измерение скорости течения, температуры воды и содержания нитратов, нитритов, аммония, общего азота, фосфатов и общего фосфора. Для определения качества воды по сообществу фитопланктона вычисляли индекс Пантле и Бук-ка в модификации Сладечека [6].

Результаты и обсуждение. Верхнее и нижнее течение р. Москвы значительно отличаются как по гидролого-гидрохимическим характеристикам, так и по типу и степени антропогенной нагрузки. Рассмотрим влияние основных естественных и антропогенных факторов на сообщество фитопланктона на этих участках реки. Одним из важнейших структурообразующих факторов для сообщества фитопланктона в условиях водотоков является скорость течения [3, 7]. Верхнее течение реки до станции ниже г. Звени- города характеризуется высокими скоростями течения (0,5-0,3 м/с), а далее скорость течения падает до 0,1 м/с, что обуславливает различия в численности фитопланктона: 0,16-0,45 млн. кл./л на участке г. Можайск – г. Звенигород и 0,760,94 млн. кл./л на участке от станции выше р. Истры до пос. Ильинское (рис. 1). Это подтверждается высокими отрицательными корреляциями скорости течения и численности фитопланктона: r = - 0,7411 при p = 0,0024.

Рис. 1. Динамика численности (N) и биомассы (В) фитопланктона р. Москвы в июне 2010 г.

На станции Нижний бьеф Можайского водохранилища была зарегистрирована минимальная численность фитопланктона (0,05 млн. кл./л), что обусловлено как высокой скоростью течения, так и постоянно низкой в течение вегетационного сезона температурой воды, поступающей из нижних слоев водохранилища (10-11оС). Высокая численность фитопланктона выше г. Можайска (6,12 млн. кл./л) вследствие массового развития низкосапробной эпифитонной цианобактерии Merismopedia glauca (Ehr.) Kütz. (53,5% общей численности) может быть объяснена обильным сносом клеток этого вида с имеющихся на данной станции обширных зарослей рдестов за счет высокой скорости течения. Ранее уже было отмечено, что одной из особенностей верхнего течения реки является существенный вклад смытых водорослей эпифитона и микрофитобентоса, таких как C. placentula Ehr., N. tripunctata (O.F.Müll.) Bory. и др., в формирование численности и биомассы фитопланктона [8]. В нижнем течении реки (включая территорию г. Москвы) скорость течения реки варьирует в пределах 0,05-0,15 м/с, и лишь близ устья увеличивается до 0,3 м/с. Поэтому здесь скорость течения уже не оказывает столь сильного воздействия на сообщество фитопланктона, что подтверждается отсутствием достоверных корреляций скорости течения и структурных характеристик фитопланктона.

Необходимо отметить, что помимо естественных факторов, скорость течения р. Москвы определяется таким антропогенным фактором, как зарегулированность стока. Начиная от с. Петрово-Дальнее, находящегося в 249 км от устья, и далее по тракту река перекрыта девятью плотинами. Три из них постоянного типа: Рублевская, Карамышевская и Перервинская. Остальные плотины поддерживают уровень только в навигационный период. В черте города на реке расположены два комплексных гидроузла: Карамышевский и Перервинский. Ниже Перервинского гидроузла за пределами г. Москвы расположено пять низконапорных гидроузлов – Труд-коммуна, Андреевка, Софьино, Фаустово и Се-верка. Зарегулированность стока рек повышает численность и биомассу фитопланктона и фито-эпифитона, способствует за счет снижения скорости течения активному развитию в припло-тинных участках лимнофильных видов водорослей, в условиях эвтрофирования вызывающих цветение воды [3]. Перестройка речного комплекса фитопланктона на зарегулированном участке, как правило, заключается в уменьшении видового разнообразия и в изменении соотношения основных групп водорослей. Если до зарегулирования в большинстве рек ведущими группами водорослей были диатомовые и зеленые, то впоследствии на зарегулированном участке развивались цианобактерии [9].

На зарегулированных участках р. Москвы подобные изменения структуры фитопланктона прослеживаются лишь отчасти. Низкие скорости течения и зарегулированность стока способствуют развитию высокой численности фитопланктона на станциях у пос. Рублево (5,74 млн кл./л) и с. Софьино (9,39 млн кл./л), расположенных в зоне подпора Рублевской и Софьинской плотин, а также в целом значительно большей по сравнению с верхним течением численности фитопланктона нижнего течения реки (рис. 1). В то же время на ряде станций (г. Дзержинский, г. Жуковский), где отбор проб производили ниже расположения гидроузлов, численность фитопланктона не менее высока (6,43 и 6,38 млн. кл./л соответственно). Помимо этого, в отличие от станции с. Софьино, где доминируют цианобактерии (4,38 млн. кл./л), в зоне Рублевского гидроузла доминирует комплекс зеленых водорослей и цианобактерий с преобладанием зеленых (2,68 и 1,78 млн. кл./л соответственно). Cтанция с. Софьино, несмотря на ярко выраженное доминирование цианобактерий Aphanizo-menon flos-aquae Ralfs ex Born. et Flah. (2,22 млн. кл./л) Geitlerinema tenue (Anisim.) Anagn. (2,16 млн. кл./л), характеризуется высоким видовым разнообразием сообщества (80 таксонов видового и внутривидового ранга при среднем разнообразии по всем станциями в 53 таксона), в то время как видовое разнообразие фитопланктона у Рублевского гидроузла значительно ниже (33 таксона).

Другим не менее значимым фактором, определяющим развитие фитопланктона, является содержание биогенных элементов, в первую очередь различных форм азота и фосфора. Влиянию их концентраций, а также влиянию соотношения этих элементов на сукцессию фитопланктонного сообщества посвящено значительное число работ [10-12]. Динамика форм азота по тракту р. Москвы в июне 2010 г. представлена на рис. 2. Здесь следует отметить ряд закономерностей. В верхнем течении реки содержание азота в целом ниже и подвержено меньшим колебаниям по сравнению с нижним течением. При этом отношение суммарного минерального азота к общему в верхнем течении также значительно ниже (среднее отношение по станциям составляет 28,9% для верхнего и 82,9% для нижнего течения), что может быть обусловлено обильным стоком органического азота с территорий животноводческих хозяйств, расположенных по берегам реки в этом районе. Ниже впадения р. Истры р. Москва протекает в зоне санитарной охраны Рублевской водопроводной станции, и содержание в воде органического азота к пос. Рублево заметно снижается.

Рис. 2. Динамика форм азота по тракту р. Москвы в июне 2010 г.

В границах г. Москвы до станции «Котельническая набережная» в реку поступают преимущественно ливневые и промышленные стоки, обладающие высокой токсичностью и меньшим, по сравнению с другими типами стоков, содержанием как органического, так и минерального азота [1, 13]. Перед станцией Братеево в реку с Курьяновской станции аэрации (КСА) поступают большие объемы (более 55% от общего расхода воды в реке [1]) биологически очищенных стоков г. Москвы. Это является главной причиной значительного увеличения концентрации, как общего, так и аммонийного азота. Снижение содержания аммонийного азота

(с 2,82 до 1,82 мг/л) и возрастание нитратного азота (с 0,54 до 1,29 мг/л) к дер. Заозерье обусловлено процессом нитрификации. Сходная динамика содержания этих форм азота на участке от выпуска КСА до дер. Заозерье ранее была отмечена другими авторами [1, 14]. На участке район Братеево г. Москвы – дер. Заозерье зарегистрировано превышение ПДК по аммонию (1,3-1,8 ПДК).

Перед станцией г. Жуковский в р. Москву впадает р. Пехорка, несущая стоки Люберецкой станции аэрации (ЛСА), что обуславливает резкое возрастание содержания как нитратного (с 1,29 до 6,28 мг/л), так и нитритного (с 0,16 до 1,08 мг/л) азота. Увеличения концентрации аммонийного азота, ранее отмечавшегося на данной станции [1], не происходит, что, по-видимому, связано с его активным окислением еще в русле р. Пехорки. Также необходимо отметить, что объем и состав бытовых стоков, сбрасываемых очистными сооружениями города, не постоянен и в немалой степени зависит от сезона года и ряда других факторов [1, 14].

Помимо больших объемов поступающих в реку бытовых и промышленных стоков, высокое содержание нитратного азота в районе г. Жуковский – г. Бронницы связано с его поступлением в составе стоков с расположенных на водосборной площади этого участка реки полей, куда азот вносится в виде нитратных удобрений. На участке г. Жуковский – с. Софьино зарегистрировано незначительное превышение ПДК по нитрит-аниону (1,2-1,3 ПДК). Динамика содержания общего фосфора в целом сходна с динамикой общего азота. После выпуска КСА отмечено увеличение доли фосфора фосфатов от общего фосфора. Среднее содержание общего фосфора в водах реки составляет 0,72 мг/л, фосфора фосфатов – 0,33 мг/л. Содержание фосфатов не превышает ПДК ни на одной из исследованных станций. Необходимо также отметить сохранение установленной в 1970-80-х гг. [15] тенденции увеличения содержания минеральных форм азота и фосфора вниз по течению реки от Можайского водохранилища до Рублевского гидроузла. Однако по сравнению с этим периодом содержание минерального фосфора в верхнем течении реки увеличилось примерно в 5 раз, а минерального азота остается на прежнем уровне (0,5-1,0 мг/л).

Ward's method Euclidean distances

Рис. 3. Структура фитопланктонного сообщества р. Москвы в нижнем течении

В ходе наших работ достоверных корреляций численности отделов водорослей фитопланктона и содержания форм азота и фосфора, а также численности отделов и отношения минеральных форм азота к фосфору выявлено не было. Можно полагать, что это связано с наличием в водах реки широкого спектра загрязняющих веществ, комплексно действующих на сообщество.

Ранее в работе Ф.Б. Шкундиной [16], исследовавшей влияние различных форм азота и фосфора, нефтепродуктов, фенолов, меди и ртути на фитопланктон р. Белой, было показано, что лишь аммонийный азот влиял на развитие фитопланктона как самостоятельный фактор, в то время как остальные загрязнители действовали в комплексе. При этом многомерный анализ структурных характеристик фитопланктона (число видов, численность, биомасса) в нижнем течении р. Москвы позволил выделить две группы станций: от района Строгино г. Москвы до станции с. Софьино и от г. Бронницы до устья реки (рис. 3), что указывает на существенную перестройку структуры фитопланктонного сообщества на участке с. Софьино – г. Бронницы.

Не менее важным аспектом влияния городских стоков на фитопланктон является повышение температуры воды. Температура воды оказывает прямое воздействие на скорость роста фитопланктона, которая удваивается при увеличении температуры на 10°С [17]. Различные виды водорослей отличаются температурными оп-тимумами своего развития, что может определять временное и пространственное расхождение максимумов их численности [18]. Стоки очистных сооружений города всегда имеют повышенную температуру по сравнению с водами реки, что может вызывать увеличение численности и биомассы фитопланктона, а также перестройку структуры сообщества за счет развития нехарактерных для конкретного сезона более теплолюбивых видов. Ряд авторов указывали на массовое развитие цианобактерий в условиях повышенных температур воды, вызванных в т. ч. и поступлением сточных вод [19, 20]. Сходное влияние теплых (23-27°С) стоков г. Москвы на сообщество фитопланктона выявлено нами в районе станции г. Дзержинский, где проводили исследование годовой динамики развития фитопланктонного сообщества. С середины октября до начала марта численность фитопланктона находилась на стабильно низком уровне по сравнению с остальным периодом съемки, при том, что абсолютные значения численности в этот период были достаточно высокими (не менее 0,4 млн. кл./л), а в отдельные дни достигали 2 млн. кл./л и более (рис. 4) за счет развития цианобактерии Aphanocapsa incerta (Lemm.) Cronb. et Kom. (до 60,5% общей численности). Температура воды реки в это время не опускалась ниже 8°С. Между численностью фитопланктона и температурой воды отмечена положительная корреляция (r = 0,5907; p = 0,000008). Также необходимо отметить, что на станции г. Дзержинский временную динамику общей численности фитопланктона на протяжении практически всего года определяли в основном цианобактерии. Другой выявленной нами особенностью годовой динамики фитопланктона на станции г. Дзержинский является массовое развитие фитопланктона в период летней межени (середина июня – начало августа) – до 24,51 млн. кл./л (рис. 4). Для верхнего течения р. Москвы (станция выше г. Звенигорода), где фитопланктон находится в условиях естественного температурного режима и меньших концентраций биогенов, наоборот, наблюдалось падение численности в период летней межени (в среднем до 0,5 млн. кл./л).

Рис. 4. Годовая динамика численности (N) и биомассы (В) фитопланктона на станции г. Дзержинский в 2009-2010 гг.

Принимая во внимание характерную для р. Москвы высокую степень пространственновременной неоднородности естественных и антропогенных факторов, оценка качества воды была проведена как по тракту реки, так и в течение года. Минимальное значение индекса са-пробности воды по Пантле и Букку в модификации Сладечека зарегистрировано выше г. Можайска (1,65), где в фитопланктоне доминировали низкосапробные эпифитонные виды, а максимальное – в районе г. Дзержинский (2,90) (рис. 5). Значения индекса для р. Москвы варьировали в пределах β-мезосапробной зоны (умеренно-загрязненные воды): среднее значение индекса для верхнего течения – 1,97, для нижнего – 2,15. Исключением являлись станции г. Дзержинский и дер. Заозерье, где из-за массового развития высокосапробной цианобактерии Pseudanabaena galeata Bocher значение индекса в летний период 2010 г. соответствовало а-мезосапробной зоне (загрязненные воды). При этом в ходе годовой съемки на станции г. Дзержинский значение индекса не выходило за пределы олиго- и в-мезосапробной зон (от 1,34 в середине марта до сапробности в верхнем течении реки (станция выше г. Звенигорода) составило 1,64. Необходимо отметить, что наиболее низкие значения на обеих станциях были зарегистрированы в зимневесенний период, что обусловлено доминированием низкосапробных диатомей, в первую оче-

Рис. 5. Сапробность воды (S) р. Москвы по индексу Пантле и Букка в модификации Сладечека в июне 2010 г.

Результаты наших исследований показывают, что качество вод р. Москвы, оцененное по индексу Пантле-Букка в модификации Сладече-ка, в целом сходно для верхнего участка тракта и для участка тракта реки в черте города и ниже по течению. Вода на всем протяжении р. Москвы, как в верхнем, так и в нижнем течении, может быть охарактеризована как умеренно-загрязненная. Это не противоречит данным других авторов, полученным в разные годы на отдельных участках тракта реки: так в 1990-х гг. сапробность вод р. Москвы в черте города варьировала в пределах 1,6-2,43 [13]; в 2000-х гг. на участке район Тушино г. Москвы - г. Коломна были отмечены колебания сапробности воды в пределах от 1,7 до 2,23 [1], что также соответствует в-мезосапробной зоне. В то же время, принимая во внимание высокую антропогенную нагрузку на экосистему реки на всем ее протяжении от Можайского водохранилища до устья, индекс са-пробности по Пантле и Букку в модификации Сладечека, по-видимому, «завышает» качество воды, что может быть обусловлено рядом причин. По мнению ряда авторов [21] метод Пантле и Букка не позволяет получить несмещенную оценку принадлежности вод изучаемого водного объекта к классам сапробности, а только меру расстояния «сапробного центра тяжести» от граничной черты. Это обуславливает наибольшую встречаемость мезосапробных зон при расчетах сапробности воды различных водных объектов. В то же время при в-мезосапробных условиях часто происходит сильное изменение структуры сообщества и качества воды в ходе эвтрофирования, в то время как значение индекса не изменяется. Таким образом, индекс Пантле и Букка, как и другие сапробиологические индексы, улавливает, как правило, только сильное загрязнение водных объектов или их участков [22].

В верхнем течении реки значительная скорость течения может «маскировать» наличие органического загрязнения, препятствуя массовому развитию как всего фитопланктона в целом, так и его высокосапробных лимнофильных форм в частности. В нижнем течении реки, где формирование сообщества фитопланктона происходит под воздействием сточных вод города, отличающихся разнокачественностью своего состава, результаты оценки качества воды с помощью данного метода могут быть значительно искажены за счет лимитирующего действия на виды-индикаторы множества компонентов стоков, влияние которых данным индексом не учитывается. Также объемы сброса сточных вод очистными сооружениями изменяются во времени, изменяется соответственно и содержание загрязняющих веществ в реке, что сказывается на временной динамике качества ее воды. Кроме этого, естественная сезонная сукцессия фитопланктона ниже города изменяется под воздействием повышенных температур очищенных стоков, что совместно с неравномерными объемами их сброса может являться одной из причин нестабильности фитопланктонного сообщества, особенно в холодные периоды года. Так, наиболее резкие и частые колебания значений индекса са-пробности (от 1,34 до 1,97) приходятся на зимневесенний период. Необходимо отметить и такой аспект влияния сточных вод, как разбавление водных масс реки, что приводит к существенному снижению численности фитопланктона ниже выпусков станций аэрации и влияет на репрезентативность результатов. Помимо этого, при расчете индекса сапробности фигурирует такая характеристика вида, как сапробное значение ор-ганизма-сапробионта (si), отражающая толерантность вида к органическому загрязнению [23]. Однако, как для биоценозов, так и для отдельных представителей биоты, характерна адаптация к химическим нагрузкам и загрязнению, вследствие чего величина si может изменяться со временем в условиях различных концентраций загрязняющих веществ. Все это требует осторожной интерпретации результатов оценки качества воды по индексу Пантле и Букка в модификации Сладечека в условиях городских водотоков.

Выводы:

• 1.    Реки высокоурбанизированных территорий представляют собой сложную многофакторную систему, в которой развитие фитопланктона резко отличается от его развития в реках, не испытывающих значительного антропогенного воздействия, выражающегося в

• -    изменении температуры воды под воздействием теплых городских стоков;

• -    разбавлении вод реки сточными водами станций аэрации, что понижает значения численности и биомассы фитопланктона;

• -    внесении в реку больших объемов сточных вод, богатых биогенными элементами, с очистных сооружений городов;

• -    воздействии различных загрязняющих веществ, поступающих с промышленно-ливневыми стоками, и нередко отличающихся высокой токсичностью;

• -    поступлении значительных объемов органических веществ и минеральных форм биогенных элементов с сельскохозяйственных угодий и животноводческих комплексов;

• -    зарегулированности стока реки гидротехническими сооружениями, что значительно снижает скорость течения и повышает неравномерность расхода воды в реке.

• 2.    Для более эффективного использования фитопланктонного сообщества необходимо проведение ряда дополнительных исследований. Во-первых, изучение механизмов адаптации водорослей к многокомпонентному загрязнению с целью выявления пределов их толерантности.

Все это сказывается на структуре планктонной альгофлоры рек высокоурбанизированных территорий и возможности ее использования в гидробиологическом мониторинге рек такого типа.

Во-вторых, исследование возможности модификации индекса Пантле и Букка с целью повышения его эффективности при высокой степени неоднородности среды и разнокачественности загрязнения. В-третьих, для данных условий желательна разработка других, более чувствительных индексов оценки качества воды по сообществу фитопланктона, учитывающих региональные особенности речного бассейна и уровень социально-экономического развития населенных пунктов, расположенных на водосборной площади.