ИСТИНА

Задача предлагаемого фундаментального исследования – выяснить, могут ли количественные характеристики размерной структуры фитопланктона быть индикаторами состояния водных экосистем. Материалы для исследования представляют собой многолетние данные государственного экологического мониторинга поверхностных вод по основным бассейнам России и сопредельных стран (таксономическая принадлежность, численность, биомасса, число видов всех экологических групп гидробионтов, индексы сапробности для фитопланктона, зоопланктона и перифитона, биотический и олигохетный индексы для зообентоса, классы качества вод, физико-химические данные о текущих, среднегодовых и экстремальных значениях характеристик, включающих гидрохимию, концентрации загрязняющих веществ, а также скорость течения, водность и температуру воды). Необходимый для достижения поставленной цели анализ данных мониторинга требует решения целого ряда информационных и методических задач: поиска размерных характеристик жизненных форм фитопланктона, выбора критериев для оптимального разбиения сообщества на размерные группы, преобразования видовой структуры проб фитопланктона в размерную, выбора и обоснования индикаторных характеристик размерной структуры, алгоритмизации расчетов индикаторных характеристик, учета влияния на индикаторные характеристики факторов окружающей среды (как имеющих, так и не имеющих отношение к качеству вод), учета влияния на индикаторные характеристики особенностей сбора и обработки проб фитопланктона. Одна из главных методических задач – разработка критериев для обоснования метода расчета границы между значениями индикаторных характеристик, соответствующими благополучным и неблагополучным состояниям водных экосистем. Авторы проекта много лет работают в областях, связанных с осуществлением экологического контроля: биоиндикации состояния экосистем, диагностики причин экологического неблагополучия, теоретического обоснования подходов к экологическому нормированию, алгоритмических основ обработки данных мониторинга. Интерес к индикаторным свойствам размерной структуры фитопланктона в качестве темы фундаментального исследования связан, в частности, с ее особой перспективностью для прикладных вопросов, а именно, с высокой технологичностью инструментального измерения параметров размерной структуры при проведении массового мониторинга (в отличие от измерения характеристик видовой структуры, требующего участия высококвалифицированных специалистов-фитопланктонологов). Апробация разработанных методических подходов будет проведена по данным государственного экологического мониторинга ряда водных объектов России.

В 2010 г. для расширения массивов данных по фитопланктону, необходимых для расчетов показателей размерной структуры (ПРС), пополнены базы данных, включающие сведения о числе видов, численности, биомассе отделов и видов фитопланктона в водных объектах бассейнов Дона (2002-2007 гг.), Волги (1985, 1987, 1991, 1994, 2001, 2004, 2005-2007 гг.). Для расчета ПРС в бассейнах Дона и Волги составлены списки видов фитопланктона (всего 693 вида), встречавшихся в пробах за весь исследованный исполнителями период наблюдений в данных бассейнах. Источниками информации о размерах служили: собственные измерения в Нижней Волге; значения объемов из исходных протоколов обработки проб в бассейне Волги; данные о линейных размерах видов из определителей пресноводных водорослей; таблицы размеров, размещенные в свободном доступе в Интернете (финская база данных видов Балтийского бассейна http://www.ymparisto.fi/download.asp?contentid=115357&lan=FI; межгосударственная база данных видов Балтийского бассейна http://www.helcom.fi/stc/files/Publications/Proceedings/bsep106.pdf; база данных диатомовых водорослей Академии естественных наук (Филадельфия, США) http://diatom.acnatsci.org/autecology/uploads/%7B443C03CA-FE56-40BF-B6D8-26243E2DE83F%7D_BiovolumeMetrics.txt$; база данных видов Черного моря http://phyto.bss.ibss.org.ua/test/list_all.php); а также материалы ряда журнальных и сетевых публикаций. Для расчета и анализа ПРС использованы данные по численности и биомассе фитопланктона и по сапробности воды на 14 створах в 4 водных объектах (реках Москва, Нара, Протва и Яуза) Московского региона за 1992 г. (всего 46 наблюдений). Для указанных наблюдений рассчитаны три ПРС: 1) индекс, характеризующий средний размер клетки в наблюдении; 2) индекс, основанный на соотношении численностей двух размерных классов фитопланктона (мелкого и крупного); 3) индекс, основанный на соотношении биомасс двух размерных классов фитопланктона (мелкого и крупного). Проведена биоиндикация состояния экосистем водных объектов Московского региона – рассчитаны границы, разделяющие благополучные и неблагополучные значения трех ПРС. В 2011 г. для оценки влияния факторов окружающей среды на размерную структуру сообществ фитопланктона были предложены методы преобразования численностей клеток фитопланктона различных размеров в интегральный показатель, характеризующий размерную структуру пробы. Предложены принципы разбиения проб на размерные классы, из них выбран принцип, позволяющий наиболее оптимально различить влияние на различные показатели размерной структуры факторов, ответственных за экологическое неблагополучие. На основе составленной в 2010 г. базы данных об объемах (массах) клеток различных видов пресноводного фитопланктона проведен анализ размерной структуры фитопланктона по данным многолетнего (1979-2008 гг.) гидробиологического мониторинга по Нижней, Средней и Верхней Волге. В работе использовали следующие показатели размерной структуры (ПРС): 1) средний размер клеток в пробе; 2) показатели, характеризующие соотношения между собой размерных классов (крупных, средних, мелких видов) в пробе. Для определения этих показателей было необходимо выделение нескольких размерных классов клеток. Предложены несколько принципов разбиения на размерные классы: 1) принцип равной суммарной (по всем пробам Волги) численности (биомассы) видов в классах; 2) принцип, основанный на размерах клеток тех или иных таксонов (например, мелкие – в основном цианобактерии, крупные – в основном диатомеи и эвгленовые); 3) принцип, основанный на методе разбиения на равные классы логарифмической шкалы размеров клеток; 4) принцип, основанный на разбиении каждой пробы на равные по численности (биомассе) размерные классы и усреднении полученных границ по всем пробам. В работе предложен подход, который оценивает соотношение между размерными классами по тангенсу угла наклона прямой, аппроксимирующей методом наименьших квадратов относительные численности (или биомассы) размерных классов в пробе, с последующим отображением тангенса угла в интервал значений показателя от 0 до 1. Этот подход позволяет корректно учесть классы с нулевой численностью клеток. Проведено выделение групп однородности внутри общего массива значений ПРС. Выделение производили, исходя из предположения, что размерная структура фитопланктона может зависеть от географического положения водного объекта и сезона года. Группы однородности ПРС могут быть выделены только при условии, что географические и сезонные вариации оказывают влияние, существенно превосходящее влияние факторов, ответственных за экологическое неблагополучие экосистемы. Если группы однородности существуют, при использовании показателей в биоиндикации возможно локализовать их зависимость от факторов, не влияющих на степень экологического благополучия. Проведен анализ повторностей для того, чтобы различить разбросы ПРС, вызванные различным качеством вод, и разбросы, вызванные погрешностями в отборе и обработке проб. В 2012 г. исследовано влияние физико-химических факторов окружающей среды на биологические индикаторы состояния качества вод Верхней Волги (по данным многолетнего мониторинга) и Рыбинского водохранилища (по данным рейсов 2010 г.). В качестве биологических индикаторов использовали: 1) показатели размерной структуры фитопланктона, основанные на среднем размере клеток в пробе и на соотношении численностей и биомасс различных размерных классов; 2) показатели видовой структуры фитопланктона в виде параметров экспоненциальной и гиперболической моделей ранговых распределений численностей видов в сообществе и в виде индексов выравненности; 3) показатели флуоресценции фитопланктона: общий фоновый уровень флуоресценции, максимум переменной флуоресценции, фоновый уровень флуоресценции растворенных органических веществ, фоновый уровень флуоресценции фитопланктона, максимум переменной флуоресценции фитопланктона. С помощью метода локальных экологических норм были выбраны индикаторы, наиболее полно отражающие причины неблагополучия экосистем Рыбинского водохранилища и Верхней Волги. Для Рыбинского водохранилища таким показателем оказалась максимальная флуоресценция фитопланктона, для Верхней Волги – показатель размерной структуры, характеризующий соотношения численностей двух размерных классов. В целом для Верхней Волги показатели размерной структуры отражают причины экологического неблагополучия лучше показателей видовой структуры. Были найдены границы нормы как для биологических, так и для физико-химических характеристик исследованных экосистем. Выявлена неполнота программы наблюдений по Рыбинскому водохранилищу (30% неблагополучных значений обусловлены факторами, не отраженными в программе наблюдений). В 2012 г. исполнители проекта опубликовали 7 статей 1 тезисы, направили в печать ещё 1 статью, участвовали с докладами в 3-х научных конференциях. Всего по теме проекта в 2010-2012 гг. исполнители опубликовали 1 книгу, 15 статей (5 в журналах из списка ВАК, 3 в других журналах, 7 в трудах научных конференций) и 7 тезисов докладов, а также направили в печать ещё 1 статью; исполнители участвовали в 9 научных конференциях с 11 докладами.