Теоретичні та методологічні засади біомоніторингу водних екосистем Полісся України на основі оцінки стабільності розвитку макрофітів

Abstract

У дисертаційній роботі представлені теоретичні та методологічні засади застосування відтермінованого та миттєвого біомоніторингу водних екосистем на основі оцінки стабільності розвитку гідробіонтів. Виявлені масштаби та наслідки деградації водних екосистем Полісся України, визначені ділянки посиленого антропогенного тиску, які значною мірою впливають на стан та чисельність водних макрофітів. Запропоновано нові підходи до покращення якості води, спираючись на фіторемедіаційні особливості гідробіонтів. У роботі визначено основні тенденції формування якості води в межах Тетерівського екологічного коридору на основі ретроспективного аналізу якості води за останні 70 років, і в аналітичній частині роботи ідентифіковано основні екологічні проблеми розвитку водних біоценозів. Визначені особливості функціонування водних екосистем Полісся України, які зумовлюють загальну диференціацію показників якості води. Створено цілісну картину щодо антропогенного тиску на водні екосистеми в межах Тетерівського екологічного коридору, визначені основні чинники, критичні ділянки та розроблені рекомендації щодо покращення їх стану. Визначено, що основне навантаження на Тетерівський екологічний коридор здійснюється внаслідок надходження органічних речовин та органогенних елементів з водозбірної площі, яка значною мірою розорана та недостатньо заліснена. Густа мережа населених пунктів спричиняє суттєвий негативний тиск у вигляді скидання недостатньо очищених стічних вод. Найгірший стан води відмічений у точках, що приурочені до місць скидання стічних вод або надходження поверхневого стоку з густонаселених місць або ділянок інтенсивного промислового чи сільськогосподарського навантаження. Так, погіршення якості води до ІІІ класу спостерігається у місцях впливу стічних вод м. Житомир, м. Коростишів, м. Радомишль, смт. Іванків, м. Малин, на ділянці гирла ріки Ірша тощо. У ході досліджень визначені та описані структурно-функціональні ознаки видового різноманіття макрофітів у межах Тетерівського екологічного коридору як типового річкового ландшафту зони Полісся України, встановлений флористичний склад, здійснене розгрупування видового різноманіття за походженням, життєвими формами, відношенням до екологічних факторів середовища. В межах екологічних зон проаналізована чисельність видів та їх проективне покриття на ділянках з різним антропогенним тиском в межах Тетерівського екологічного коридору, а також визначені закономірності розвитку водної флори правобережної та лівобережної частин р. Тетерів та деяких її приток як місць з різним рівнем розвитку інфраструктури на господарського освоєння та здійснено оцінку їх подібності за критерієм Сьйоренсена. Найбільш подібними у дослідженні виявилися фітоценози у ділянках інтенсивного антропогенного навантаження, а залежність даного показника від інтегрального екологічного показника якості води засвідчила високий ступінь достовірності. Розроблено та визначено основні критерії здійснення відтермінованого біомоніторингу, який базується на аналізі динаміки видового складу фітоценозів Тетерівського екологічного коридору за показниками екологічної стабільності й пластичності з використанням диверситологічних критеріїв: індексу видового багатства Маргалефа, індексу подібності Сьйоренсена, індексу загального біорізноманіття Шеннона, індексу домінування Сімпсона та індексу вирівняності Пієлу. За результатами побудовані кореляційні залежності, що дозволять, за даними обліку видів, отримувати дані щодо стабільності розвитку водних екосистем та є базисною компонентою відтермінованого біомоніторингу. Доведено, що за погіршення якості води стійкість популяції вищих водних рослин руйнується. А показники видового різноманіття є чіткими індикаторами екологічного стану водних екосистем за усіма дослідженими параметрами. Найбільш виражені зміни видового складу проявляються у точках найістотнішого антропогенного тиску за наявності у водних екосистемах токсичних сполук. Значні варіювання диверситологічних показників відзначали при досягненні високої концентрації важких металів у донному ґрунті. Найістотніший вплив на видовий склад надають високі концентрації рухомих форм катіонів цинку та купруму і у прибережних ґрунтах, і у донних відкладах, хоча перевищення ГДК зафіксовані лише у другій групі речовин. Встановлені тісні кореляційні залежності між вмістом усіх досліджених груп важких металів у донних відкладах та чисельністю видів, індексом домінування, індексом загального біорізноманіття Шеннона, індексом вирівняності Пієлу. Для індексу видового багатства Маргалефа тісні залежності встановлені для рухомих форм катіонів нікелю, кобальту, цинку та кадмію, для інших груп зв`язки виявилися слабкими. Для індексу Сьйоренсена слабкими виявилися зв`язки з вмістом рухомих форм катіонів нікелю та хрому, для інших груп рухомих форм важких металів, окрім катіонів кобальту, теж встановлені тісні зв’язки. Встановлені морфогенетичні зміни у деяких видах рослин, що зростають у межах Тетерівського екологічного коридору та визначені закономірності розподілу індексів інтегральної флуктуаційної асиметрії в залежності від якості води для території Полісся України як базисної компоненти миттєвого біомоніторингу; за результатами досліджень побудовані кореляційні залежності, які можуть бути використані в якості маркерів при проведенні біоіндикаційного моніторингу у даному регіоні. У дисертаційній роботі встановлено, що порушення стабільного розвитку екосистем, в тому числі і впливу антропогенних чинників, викликає відхилення у морфологічних показниках живих організмів, при цьому, білатерально симетричні організми реагують на зміни безвекторним порушенням симетрії, яка є відгуком на несприятливий стан середовища. Тому, морфогенетичні зміни у деяких видів рослин, що вільно зростають в межах Тетерівського екологічного коридору, є інформативними показниками сталого розвитку популяцій, а визначені закономірності розподілу індексів інтегральної флуктуаційної асиметрії для Nuphar luteum (L.) Smith, Potamogeton perfoliatus L. та Salvinia natans (L.) All. в залежності від якості води для території Полісся України показали високі ступені кореляційних залежностей. Таким чином, для світової практики та території Поліського регіону зокрема розширено список можливих рослин-індикаторів для визначення флуктуаційної асиметрії. Виявлена пряма залежність між коефіцієнтом флуктуаційної асиметрії і найбільш токсичних для рослин груп рухомих форм важких металів (Ni2+, Со2+, Zn2+, Сu2+, Cd2+), а найбільш вираженою реакція макрофітів була у відповідь на наявність критичних значень даних катіонів у донних відкладах. Відгуки на антропогенний тиск у вигляді деформацій листкових пластинок виду Potamogeton perfoliatus L. проявили тісну прямолінійну залежність від вмісту рухомих форм важких металів у донних відкладах, за виключенням кобальту, для якого зв’язок визначений як слабкий. Для виду Salvinia natans (L.) All. найістотніший вплив на морфогенетичні показники надають високі концентрації нікелю, цинку, купруму. За даним показниками відмічені прямі тісні залежності, що підтверджується отриманими коефіцієнтами кореляції. Для кобальту та кадмію зв’язок виявився слабким. У вигляді зміщення асиметрії листкових пластинок представників роду Nuphar luteum (L.) Smith були виражені несприятливі концентрації усіх важких металів. За результатами досліджень встановлені кореляційні залежності між розрахованими критеріями відтермінованого та миттєвого біомоніторингу, здійснено порівняльну оцінку найбільш інформативних методів визначення якості водного середовища та побудована блок-схема взаємозв’язку основних критеріїв інтегральної екологічної оцінки якості води зі встановленими показниками відтермінованого та миттєвого біомоніторингу. Також в рамках роботи визначені ремедіаційні властивості деяких макрофітів Полісся України та здійснено порівняльну оцінку їх ефективності з відомими у світовій практиці видами-ремедіаторами водних екосистем, з метою покращення якості води та здешевлення виробничих процесів на етапі водопідготовки. Доведено, що використання гідрофітного завантаження показало високу ефективність найбільш розповсюджених видів макрофітів Тетерівського екологічного коридору у покращенні усіх досліджених показників якості води, а ефект очистки від полютантів за деякими показниками становив 30–50 %, вміст важких металів при цьому знижувався в 3,9–5,9 раза. Порівняння фіторемедіаційних властивостей даного угруповання щодо поліпшення стану поверхневих вод з класичними видами-ремедіаторами показало їх високу ефективність. Незважаючи на присутність у воді важкоокиснюваних органічних сполук, гідрофітне завантаження експериментальних споруд біологічного очищення зменшувало концентації основних груп полютантів на 40–53 %. В такому випадку можна рекомендувати проходження поверхневих вод через угруповання Potamogeton perfoliatus L. + Salvinia natans (L.) All. перед проходженням основного етапу водопідготовки, що суттєво дозволить знизити витрати на нейтралізацію, пом`якшення, видалення біогенних елементів та органічних сполук. The thesis presents theoretical and methodological principles of application of deferred and instantaneous biomonitoring of aquatic ecosystems on the basis of evaluation of stability of hydrobionts development. The scale and consequences of the degradation of water ecosystems in Ukrainian Polissya have been detected, and the areas of increased anthropogenic pressure have been identified which greatly affect the condition and number of aquatic macrophytes. New approaches to improving the water quality, based on phytothermic features of hydrobionts, are proposed. The main trends of forming water quality within Teteriv River ecological corridor on the basis of a retrospective analysis of water quality during the last 70 years have been determined in the work, the analytical part of the thesis deals with the main environmental problems of water biocenosis development. The peculiarities of the functioning of water ecosystems in Ukrainian Polissya have been specified, which determine the general differentiation of water quality indicators. A holistic picture of anthropogenic pressure on aquatic ecosystems within Teteriv River ecological corridor has been created, key factors and critical areas have been identified and recommendations for improving their condition have been developed. It was determined that the main pressure on Teteriv River ecological corridor is carried out due to the flow of organic matter and organogenic elements of the catchment area, which is largely cultivated and not forested enough. A dense network of settlements causes significant negative pressure in the form of dumping of insufficiently treated wastewater. The worst state of water is in the sewage disposal or surface runoff sites from densely populated areas or areas of intense industrial or agricultural pressure. Thus, deterioration of water quality up to the 3rd class is also observed in places of influence of sewage in Zhytomyr, Korostyshiv, Radomyshl, Ivankiv, Malyn, at the Irsha River mouth, etc. In the research, the structural and functional features of macrophytic species diversity within Teteriv River ecological corridor as a typical river landscape of Ukrainian Polissya were determined and described, the floristic composition was determined, the grouping of species diversity by origin, life forms, relation to ecological environmental factors was made. Within the ecological zones, the number of species and their projective coverage in areas with different anthropogenic pressures within Teteriv River ecological corridor were determined, as well as the regularities of the development of the water flora of the right-bank and left-bank parts of Teteriv River and some of its inflows as places with different levels of infrastructural and economic development and their similarity by the criterion of Sieorensen was evaluated. Phytocoenoses in areas of intensive anthropogenic pressure appeared to be the most similar in the study, and the dependence of this indicator on the integral ecological indicator of water quality showed a high degree of reliability. The basic criteria for the implementation of deferred biomonitoring based on the analysis of the dynamics of the species composition of the phytocoenoses of Teteriv River ecological corridor on the indicators of ecological stability and plasticity using the species-specific criteria, are: Margalef Species Richness Index, Sørensen–Dice Index, Shannon Diversity Index, Simpson’s Index, and Pielou’s Evenness Index. Based on the results, correlation dependencies have been constructed, which will allow to obtain data on the stability of the development of aquatic ecosystems according to the data of species surveys and which are the basic component of deferred biomonitoring. It has been proved that with deterioration of water quality, the stability of the population of higher aquatic plants is destroyed. And indicators of species diversity are clear indicators of the ecological state of aquatic ecosystems according to all the studied indicators. The most striking changes in the species composition are manifested at the points of the most significant anthropogenic pressure in the presence of toxic compounds in aquatic ecosystems. Significant variations in view indexes were noted when the high concentration of heavy metals was reached in the bottom soil. The most significant influence on the species composition is due to high concentrations of the active forms of zinc and cuprum cations in both coastal soils and bottom sediments, although the excessive maximum limits allowed were only in the second group of substances. The close correlation between the content of all investigated groups of heavy metals in bottom sediments and species numbers, the index of dominance, Shannon Diversity Index, and Pielou’s Evenness Index were established. For Margalef Species Richness Index, close dependencies were established for active forms of cations of nickel, cobalt, zinc and cadmium, for other groups the bonds were weak. For Sørensen–Dice Index weaknesses were found with the contents of active forms of cations of nickel and chromium; for other groups of active forms of heavy metals, except cobalt cations, close ties were established as well. The established morphogenetic changes in some species of plants growing within Teteriv River ecological corridor and the regularities of the distribution of the indices of integrated fluctuation asymmetry depending on the quality of water for the territory of Ukrainian Polissya as the basis component of instantaneous biomonitoring are determined, according to the results of the research, correlation dependencies that can be used as markers in bioindicative monitoring in the given region. It was determined that disturbance of the stable development of ecosystems, including the influence of anthropogenic factors, causes deviations in morphological indices of living organisms, while bialaterally symmetrical organisms react to changes in the non-vector disturbances of symmetry, which is a response to an unfavorable state of the environment. Therefore, morphogenetic changes in some plants species growing freely within Teteriv River ecological corridor are informative indicators of sustainable development of populations, and the regularities of distribution of indices of integral fluctuation asymmetry for Nuphar luteum (L.) Smith, Potamogeton perfoliatus L. and Salvinia natans (L.) All. are determined depending on the water quality for the territory of Ukrainian Polissya showed high levels of correlation dependencies. Thus, for world practice and for the territory of Ukrainian Polissya, in particular, a list of possible plant indicators for the determination of fluctuation asymmetry has been expanded. The direct relation between the coefficient of fluctuation asymmetry and the concentration of heavy metals in the bottom sediments was revealed, the dependence of the fluctuation asymmetry index on the concentration of the groups of active forms of heavy metals which are the most toxic for plants (Ni2+, Со2+, Zn2+, Сu2+, Cd2+) was revealed, and the most striking macrophyte reaction was in response to the presence of critical values of these cations in the bottom sediments. Responses for anthropogenic pressure in the form of deformations of the leaf blades of the species Potamogeton perfoliatus L. had a close linear relationship to the content of active forms of heavy metals in bottom sediments, except cobalt, for which the bond was defined as weak. For the species Salvinia natans, the most significant influence on morphogenetic parameters is due to high concentrations of nickel, zinc, cuprum. According to these indicators there is a direct close relationship confirmed by the obtained correlation coefficients. The connection was weak for cobalt and cadmium. In the form of displacement of the asymmetry of the leaf blades of the representatives of the genus Nuphar luteum (L.) Smith, adverse concentrations of all heavy metals were stated. According to the results of research, correlation dependencies between the calculated criteria of deferred and instantaneous biomonitoring were established and a comparative evaluation of the most informative methods for determining the quality of the water environment was made and a block diagram of the interconnection of the main criteria of integrated environmental assessment of water quality with established indicators of deferred and instantaneous biomonitoring was constructed. Also, in the framework of the thesis, the remedial properties of some macrophytes of Ukrainian Polissya were determined and a comparative evaluation of their effectiveness was made with world-known species-remediators of aquatic ecosystems in order to improve the water quality and to reduce the cost of production processes at the water treatment stage. It has been proved that the use of hydrophilic loading showed a high efficiency of the most common species of Teteriv River ecological corridor concerning the improvement of all investigated water quality indicators, and the effect of purification from pollutants by some indicators was 30-50%, while the content of heavy metals decreased by 3.9 – 5.9 times. The comparison of the phytoremediation properties of this group in regard to the improvement of the state of surface waters with classical species-remedyators showed their high efficiency. Despite the presence of heavily oxidized organic compounds in water, the hydrophytic loading of experimental biological purification facilities reduced the concentrations of the major groups of pollutants by 40-53%. In this case, it is possible to recommend the application of preliminary passage of surface water through the group of Potamogeton perfoliatus L. + Salvinia natans (L.) All. before the main stage of water treatment, which significantly reduces the costs of neutralization, mitigation, removal of nutrients and organic compounds.