ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ, БИОИНДИКАЦИЯ И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДНОЙ СРЕДЫНИР

Patterns of water quality formation, bioindication and estimation of aquatic environment safety

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Закономерности формирования качества воды, биоиндикация и оценка экологической безопасности водной среды
Результаты этапа: Установлено, что по мере загрязнения воды в реке Москва наблюдается увеличение численности Cyanobacteria и водорослей отдела Chlorophyta. Выявлено, что сезонное развитие фитопланктона в верховье реки Москва в основном связано с температурой, а также с концентрациями форм азота и фосфора. Развитие зоопланктона в верховье реки Москвы связано с численностью фитопланктона, а также с температурой воды. Полногеномное секвенирование природных популяций коловраток озера Глубокое позволило провести уточнение видового состава коловраток. Показано, что пространственное распределение микрофитобентоса по тракту реки Москва зависит, прежде всего, от характера грунта, скорости течения и концентрации основных биогенных элементов. Установлено, что степень накопления тяжелых металлов тремя видами погруженных макрофитов зависит в большей степени от их концентрации в донных отложениях и в меньшей степени в воде. Обоснована система экологического мониторинга прибрежных морских систем с использованием макроводорослей. Выявлено свойство шунгита выступать в качестве сорбента и снижать ингибирующее действие метаболитов на развитие микроводорослей.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Закономерности формирования качества воды, биоиндикация и оценка экологической безопасности водной среды
Результаты этапа: 1. Исследование динамики фитопланктонного сообщества в реке Москве в течение года показало, что в конце зимнего периода (февраль-март) наблюдается массовое развитие цианобактерий как в верхнем, так и в нижнем течении реки. В районе поступления сточных вод Курьяновских очистных сооружений (КОС) в зимне-весенний период было отмечено резкое обеднение видового состава по сравнению с фоновым створом и однонаправленное изменение структуры численности фитопланктона – существенное увеличение доли диатомовых водорослей, что говорит об упрощении структуры сообщества. В этот же период на модельном створе у г. Дзержинский, несмотря на отсутствие ледового покрова и благоприятный световой режим, под воздействием подогретых сточных вод КОС, не происходило увеличения численности фитопланктона, а, напротив, численность водорослей была ниже, чем на фоновом створе и на протяжении фактически всего сезона не превышала 500 тыс. кл./л. Основная причина пониженных численностей – особенности видового состава (преимущественное развитие диатомовых водорослей, а не мелкоклеточных форм цианобактерий, как на фоновом створе), а также разбавление речных вод очищенными сточными водами на фоне отсутствия поверхностного стока в зимний период. 2. Проведен качественный и количественный анализ отобранных в течение вегетационного сезона проб фитопланктона с помощью методов световой и электронной микроскопии, имиджинговой и проточной цитометрии с последующей сортировкой популяций фитопланктона, отобранных на основе различного соотношения автофлуоресцентных пигментов. Отсортированные популяции фитопланктона были идентифицированы под микроскопом. Также, с помощью специально разработанного протокола выделения ДНК и оптимизации последующей ПЦР-реакции был получен максимальный выход ДНК фитопланктона из образцов воды, необходимый для дальнейшего анализа и секвенирования. Данные образцы ДНК были отправлены для проведения секвенирования нового поколения (NGS). Результаты секвенирования после их биоинформатического анализа были сопоставлены с результатами микроскопической обработки проб, что позволило выявить преимущества и недостатки использованных методов для анализа биоразнообразия и количественного состава пресноводного фитопланктона. 3. Установлены соотношения содержания, диапазоны концентраций 9 тяжелых металлов для 7 видов погруженных макрофитов и эпифитовзвеси, формирующейся на них. Показано, что концентрация тяжелых металлов в эпифитовзвеси может в 3-12 раз превышать их концентрацию в макрофитах. Отмечена положительная корреляция накопления различных тяжелых металлов в макрофитах и в эпифитовзвеси. Исследованные участки верхнего течения реки Москвы по значениям индексов экологического риска, рассчитанных исходя из содержания тяжелых металлов в макрофитах и донных отложениях, соответствуют зонам низкого и умеренного риска. В нижнем течении реки отмечены зоны повышенного и высокого экологического риска. 4. Проведена предварительная оценка запасов макроводорослей в литоральной и сублиторальной зоне губы Печенга Баренцева моря. Наиболее перспективными для промысловой добычи в данном районе являются водоросли класса Phaeophyceae, а для использования в системе биомониторинга состояния вод – водоросли отдела Rhodophyta. 5. Установлено, что при комбинированном действии сульфата кадмия и бихромата калия на культуру Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. в присутствии шунгита их токсическое действие инактивируется. Присутствие шунгита также «снимает» токсическое действие бихромата калия на жизнедеятельность Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Закономерности формирования качества воды, биоиндикация и оценка экологической безопасности водной среды
Результаты этапа: 1. По сравнению с естественными условиями, на участке реки Москвы, подверженному поступлению сточных вод Курьяновских очистных сооружений (КОС) отмечено: снижение β-разнообразия и α-разнообразия фитопланктона; увеличение видового разнообразия диатомовых водорослей; снижение видового разнообразия цианобактерий; больший уровень сходства видового состава в течение года; смещение пиков численности фитопланктона во времени; отсутствие осеннего пика биомассы, связанного с развитием диатомовых водорослей. В пробах воды реки Москвы было идентифицировано 445 таксонов водорослей видового и внутривидового ранга, относящихся к семи отделам. Выявлено, что биоразнообразие фитопланктона на гипергалинных участках Большого Арала значительно уступает таковому на эугалинных и мезогалинных участках. На данных участках отмечено массовое развитие диатомовых водорослей, в частности Nitzschia cf. communis, толерантных к повышенным уровням солености, а также галофобных фитофлагеллят. Большую роль в формировании численности фитопланктона играет пикофитопланктон, как эукариотический (Picochlorum sp.), так и прокариотический (Synechocystis sp.). В фитопланктоне Малого Арала доминируют мелкоклеточные колониальные цианобактерии из родов Aphanocapsa, Merismopedia, Coelomoron. Установлено, что динамика фитопланктона в озере Балхаш в первую очередь определяется изменениями гидролого-гидрохимических параметров, в частности электропроводности, прозрачности и интенсивности светового освещения. Тяжелые металлы, в первую очередь медь и кадмий, подавляют развитие фитопланктона в озере. Были получены достоверные отрицательные корреляции между десятью функциональными группами фитопланктона и концентрациями тяжелых металлов. В течение двух месяцев на системе из 12 мезокосмов были исследованы изменения в структуре сообщества автотрофного планктона на смену режимов температуры и обеспечения биогенными элементами. В сценариях с разной биогенной нагрузкой и разными температурными режимами было обнаружено, при каких именно условиях происходит перестройка сообщества с доминирования колониальных и ценобиальных зеленых водорослей до фитопланктона с цианобактериальным "цветением" с доминированием различных морфоформ микроцистиса, а затем к сообществу с доминированием гетероцистных нитчатых цианобактерий-азотфиксаторов. По результатам исследований фитопланктона Черного и Печорского морей установлено, что проведение разработки и эксплуатации месторождений углеводородов в шельфовых зонах не оказывает необратимого негативного воздействия на сообщество фитопланктона и не приводит к его деградации. 2. Результаты микроскопической обработки проб были сопоставлены с результатами секвенирования нового поколения (NGS). Выявлены преимущества и недостатки методов исследования фитопланктона при помощи световой и электронной микроскопии, имиджинговой и проточной цитометрии для качественного и количественного анализа сообщества. 3. Установлены соотношения содержания, диапазоны концентраций 9 тяжелых металлов для 5 видов макрофитов и эпифитовзвеси, формирующейся на них. Показано, что наибольшей накопительной спостобностью из исследованных растений характеризуются Ceratophyllum demersum L. и Myriophyllum spicatum L. Наиболее интенсивно накапливаются исследованными растениями свинец, железо и марганец. Отмечена положительная корреляция накопления различных тяжелых металлов в макрофитах и в эпифитовзвеси. Исследованные участки верхнего течения реки Москвы по значениям индексов экологического риска, рассчитанных исходя из содержания тяжелых металлов в макрофитах и эпифитовзвеси, соответствуют зонам низкого и умеренного риска. 4. Проведено исследование качественного и количественного состава макрофитобентоса в литоральной и сублиторальной зоне Баренцева моря. Установлено, что в экстремальных арктических условиях на открытых ото льда участках наблюдается относительно высокое видовое разнообразие водорослей. На закрытых участках отмечается сокращение видового разнообразия, нарушение поясного распределения водорослей и упрощение структуры сообщества за счет уменьшения связей между популяциями водорослей. Выявлено сходство видового состава водорослей арктической зоны с таковыми, обитающими в бореальной зоне моря, включая мурманское побережье, Возможное потепление приведет к формированию в арктических районах характерных для южных районов Баренцева моря донных растительных сообществ. Показана необходимость использования всего альгосообщества, а не отдельных видов водорослей в качестве биоиндикаторов и биомониторов для получения объективной информации об экологическом состоянии прибрежных экосистем. 5. Установлено, что шунгит инактивирует токсическое действие тяжелых металлов на культуру Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. Показано, что по сравнению с зелеными водорослями цианобактерии значительно более чувствительны к шунгиту. Установлено, что высокие концентрации шунгита (300 г/л) практически полностью ингибируют рост культур водорослей. Выявлено стимулирующее действие немодифицированного фуллерена С60 (ВДФ) на численность гетеротрофных бактерий в диапазоне концентраций от 0,5 до 50 мг/л.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Закономерности формирования качества воды, биоиндикация и оценка экологической безопасности водной среды
Результаты этапа: Было проведено исследование продукционно-деструкционных процессов и баланса органического вещества в реке Москве и малых водоемах Подмосковья. Показано, что в водоемах с высоким уровнем поступления аллохтонного органического вещества преобладают процессы деструкции, в результате чего содержание кислорода падает до критического. Для восстановления благоприятного кислородного режима необхобходиа принудительная аэрация. В ходе исследований, проведенных на малых водоемах Московской области, показана перспективность применения флуоресцентных методов в экологическом мониторинге водных объектов, в частности, для ранней диагностики возможного цветения до появления явных изменений в численности фитопланктона. В рамках исследования экосистемы реки Урал было выявлено присутствие в доминирующем комплексе видов фитопланктона потенциально токсичных цианобактерий Cuspidothrix issatschenkoi (Usachev) P.Rajaniemi, Kom, R.Willame, P. Hrouzek, K.Kastovská, L.Hoffmann et K.Sivonen, Dolichospermum flosaquae (Bréb. ex Born. et Flah.) P.Wacklin, L.Hoffmann et Kom., Dolichospermum affine (Lemm.) Wacklin, L.Hoffmann et Kom., Pseudanabaena limnetica (Lemm.) Kom., Sphaerospermopsis sp. и Cylindrospermopsis raciborskii (Wolosz.) Seenayya et Subba Raju. Агрессивный инвазийный вид C. raciborskii впервые в современной истории зарегистрирован на территории Казахстана. В фитопланктоне озера Балхаш было идентифицировано 497 видовых и внутривидовых таксонов микроводорослей и цианобактерий. Детальное описание видового состава фитопланктона озера дается впервые за несколько десятилетий. Полученные результаты указывают на высокое видовое обилие сообщества, а значительное количество обнаруженных нами видов ранее не было описано среди фитоценозов озера В течение двух месяцев на системе из 12 мезокосмов были исследованы изменения в структуре сообщества автотрофного планктона на смену режимов температуры и обеспечения биогенными элементами. В сценариях с разной биогенной нагрузкой и разными температурными режимами было обнаружено одновременное доминирование колониальных зеленых водорослей Micractinium pusillum Fresen. и морфоформ цианобактерий Microcystis в течение вегетационного сезона. По результатам исследований фитопланктона Карского и Японского морей установлено, что проведение разработки и эксплуатации месторождений углеводородов в шельфовых зонах не оказывает необратимого негативного воздействия на сообщество фитопланктона и не приводит к его деградации. 2. Продолжены многолетние исследования по изучению качественного и количественного состава пелагического зоопланктона озера Глубокое (Московская область). Установлено, что вселение нового вида Daphnia galeata привело к его гибридизации с местными видами рода. Выявлено, что в настоящее время рачковый зоопланктон озера насчитывает 11 видов и 3 гибридные формы, коловратки представлены 18 видами, включая неизвестные ранее. 3. Установлено, что шунгит инактивирует токсическое действие активных форм кислорода на культуру Synechocystis sp. PCC 680. Выявлено стимулирующее воздействие шунгита в концентрации 10 мг/л на рост культуры Synechocystis. В ходе экспериментальных исследований по изучению совместного и раздельного влияния фуллерена и антибиотиков на природный бактериопланктон установлено, что фуллерен С60 (ВДФ) в концентрации 5 мг/л оказывает стимулирующее воздействие как на численность бактериопланктона в целом, так и на количество бактериальных клеток с активным метаболизмом в его составе.
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Закономерности формирования качества воды, биоиндикация и оценка экологической безопасности водной среды
Результаты этапа: 1. По сравнению с естественными условиями, на участке реки Москвы, подверженному поступлению сточных вод Курьяновских очистных сооружений (КОС) отмечено: снижение β-разнообразия и α-разнообразия фитопланктона; увеличение видового разнообразия диатомовых водорослей; снижение видового разнообразия цианобактерий; больший уровень сходства видового состава в течение года; смещение пиков численности фитопланктона во времени; отсутствие осеннего пика биомассы, связанного с развитием диатомовых водорослей. В пробах воды реки Москвы было идентифицировано 445 таксонов водорослей видового и внутривидового ранга, относящихся к семи отделам. В ходе исследований диатомового микрофитобентоса реки Москвы выявили 233 таксона диатомей видового и внутривидового ранга. Показано, что пространственное распределение бентосных диатомей по тракту реки зависит, прежде всего, от характера грунта, скорости течения и концентрации основных биогенных элементов. Расчеты степени загрязнения разных участков реки Москва по индикаторным видам микрофитобентоса показали, что ее вода характеризуется в пределах от умеренно загрязненной до грязной. Было проведено исследование продукционно-деструкционных процессов и баланса органического вещества в реке Москве и малых водоемах Подмосковья. Показано, что в водоемах с высоким уровнем поступления аллохтонного органического вещества преобладают процессы деструкции, в результате чего содержание кислорода падает до критического. Для восстановления благоприятного кислородного режима необхобходиа принудительная аэрация. В ходе исследований, проведенных на малых водоемах Московской области, показана перспективность применения флуоресцентных методов в экологическом мониторинге водных объектов, в частности, для ранней диагностики возможного цветения до появления явных изменений в численности фитопланктона. Выявлено, что биоразнообразие фитопланктона на гипергалинных участках Большого Арала значительно уступает таковому на эугалинных и мезогалинных участках. На данных участках отмечено массовое развитие диатомовых водорослей, в частности Nitzschia cf. communis, толерантных к повышенным уровням солености, а также галофобных фитофлагеллят. Большую роль в формировании численности фитопланктона играет пикофитопланктон, как эукариотический (Picochlorum sp.), так и прокариотический (Synechocystis sp.). В фитопланктоне Малого Арала доминируют мелкоклеточные колониальные цианобактерии из родов Aphanocapsa, Merismopedia, Coelomoron. В фитопланктоне озера Балхаш было идентифицировано 497 видовых и внутривидовых таксонов микроводорослей и цианобактерий. Детальное описание видового состава фитопланктона озера дается впервые за несколько десятилетий. Полученные результаты указывают на высокое видовое обилие сообщества, а значительное количество обнаруженных нами видов ранее не было описано среди фитоценозов озера. Установлено, что динамика фитопланктона в озере Балхаш в первую очередь определяется изменениями гидролого-гидрохимических параметров, в частности электропроводности, прозрачности и интенсивности светового освещения. Тяжелые металлы, в первую очередь медь и кадмий, подавляют развитие фитопланктона в озере. Были получены достоверные отрицательные корреляции между десятью функциональными группами фитопланктона и концентрациями тяжелых металлов. В рамках исследования экосистемы реки Урал было выявлено присутствие в доминирующем комплексе видов фитопланктона потенциально токсичных цианобактерий Cuspidothrix issatschenkoi (Usachev) P.Rajaniemi, Kom, R.Willame, P. Hrouzek, K.Kastovská, L.Hoffmann et K.Sivonen, Dolichospermum flosaquae (Bréb. ex Born. et Flah.) P.Wacklin, L.Hoffmann et Kom., Dolichospermum affine (Lemm.) Wacklin, L.Hoffmann et Kom., Pseudanabaena limnetica (Lemm.) Kom., Sphaerospermopsis sp. и Cylindrospermopsis raciborskii (Wolosz.) Seenayya et Subba Raju. Агрессивный инвазийный вид C. raciborskii впервые в современной истории зарегистрирован на территории Казахстана. В течение двух месяцев на системе из 12 мезокосмов были исследованы изменения в структуре сообщества автотрофного планктона на смену режимов температуры и обеспечения биогенными элементами. В сценариях с разной биогенной нагрузкой и разными температурными режимами было обнаружено, при каких именно условиях происходит перестройка сообщества с доминирования колониальных и ценобиальных зеленых водорослей до фитопланктона с цианобактериальным "цветением" с доминированием различных морфоформ микроцистиса, а затем к сообществу с доминированием гетероцистных нитчатых цианобактерий-азотфиксаторов. Показано, что морфоформы потенциально-токсичных цианобактерий из рода Microcystis способны трансформироваться одна в другую под влиянием изменяющихся факторов среды. На основании данных, полученных в ходе анализа проб из мезокосмов, был разработан и протестирован метод полуавтоматической дифференциации различных морфоформ цианобактерий Microcystis, вызывающих «цветение» воды, с помощью имиджингового анализатора частиц FlowCam, а также для экспресс-оценки динамики фитопланктона мелководных озер. В рамках мульти-прокси-реконструкции развития торфяников, истории растительности, динамики климата и антропогенного воздействия на границе между смешанными и бореальными лесами на Валдайской возвышенности (Восточно-Европейская равнина) на протяжении большей части голоцена был проведен анализ диатомовых водорослей в торфяных отложениях из болота Кривецкий Мох. Всего в пробах было обнаружено 106 видов и вариететов водорослей. В основном сообщество было представлено видами-космополитами, обитающими в пресных водах и предпочитающими водные объекты с замедленным водообменом. Преобладали бентосные и планкто-бентосные формы. Большинство обнаруженных видов характерно для чистых вод с малым количеством органического вещества. По результатам исследований фитопланктона Черного, Печорского, Карского и Японского морей установлено, что проведение разработки и эксплуатации месторождений углеводородов в шельфовых зонах не оказывает необратимого негативного воздействия на сообщество фитопланктона и не приводит к его деградации. Продолжены многолетние исследования по изучению качественного и количественного состава пелагического зоопланктона озера Глубокое (Московская область). Установлено, что вселение нового вида Daphnia galeata привело к его гибридизации с местными видами рода. Выявлено, что в настоящее время рачковый зоопланктон озера насчитывает 11 видов и 3 гибридные формы, коловратки представлены 18 видами, включая неизвестные ранее. Проведено сравнение полных геномов выловленных в дикой природе особей бделлоидной коловратки Adineta vaga. Полученные результаты доказывают наличие межиндивидуального генетического обмена и рекомбинации у Adineta vaga, вида, ранее считавшегося бесполым. 2. Проведен качественный и количественный анализ проб фитопланктона с помощью методов световой и электронной микроскопии, имиджинговой и проточной цитометрии с последующей сортировкой популяций фитопланктона, отобранных на основе различного соотношения автофлуоресцентных пигментов. Результаты микроскопической обработки проб были сопоставлены с результатами секвенирования нового поколения (NGS). Выявлены преимущества и недостатки методов исследования фитопланктона при помощи световой и электронной микроскопии, имиджинговой и проточной цитометрии для качественного и количественного анализа сообщества. 3. Установлены соотношения содержания, диапазоны концентраций 9 тяжелых металлов для 7 видов погруженных макрофитов и эпифитовзвеси, формирующейся на них. Показано, что концентрация тяжелых металлов в эпифитовзвеси может в 3-12 раз превышать их концентрацию в макрофитах. Отмечена положительная корреляция накопления различных тяжелых металлов в макрофитах и в эпифитовзвеси. Показано, что наибольшей накопительной способностью из исследованных растений характеризуются Ceratophyllum demersum L. и Myriophyllum spicatum L. Наиболее интенсивно накапливаются исследованными растениями свинец, железо и марганец. Исследованные участки верхнего течения реки Москвы по значениям индексов экологического риска, рассчитанных исходя из содержания тяжелых металлов в макрофитах и донных отложениях, соответствуют зонам низкого и умеренного риска. В нижнем течении реки отмечены зоны повышенного и высокого экологического риска. 4. Проведено исследование качественного и количественного состава макрофитобентоса в литоральной и сублиторальной зоне Баренцева моря. Установлено, что в экстремальных арктических условиях на открытых ото льда участках наблюдается относительно высокое видовое разнообразие водорослей. На закрытых участках отмечается сокращение видового разнообразия, нарушение поясного распределения водорослей и упрощение структуры сообщества за счет уменьшения связей между популяциями водорослей. Выявлено сходство видового состава водорослей арктической зоны с таковыми, обитающими в бореальной зоне моря, включая мурманское побережье, Возможное потепление приведет к формированию в арктических районах характерных для южных районов Баренцева моря донных растительных сообществ. Показана необходимость использования всего альгосообщества, а не отдельных видов водорослей в качестве биоиндикаторов и биомониторов для получения объективной информации об экологическом состоянии прибрежных экосистем. Установлено, что наиболее перспективными для промысловой добычи в районе губы Печенга Баренцева моря являются водоросли класса Phaeophyceae, а для использования в системе биомониторинга состояния вод – водоросли отдела Rhodophyta. 5. Установлено, что при комбинированном действии сульфата кадмия и бихромата калия на культуру Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. в присутствии шунгита их токсическое действие инактивируется. Присутствие шунгита также «снимает» токсическое действие бихромата калия на жизнедеятельность Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis. Установлено, что шунгит инактивирует токсическое действие активных форм кислорода на культуру Synechocystis sp. PCC 680. Выявлено стимулирующее воздействие шунгита в концентрации 10 мг/л на рост культуры Synechocystis. Показано, что по сравнению с зелеными водорослями цианобактерии значительно более чувствительны к шунгиту. Установлено, что высокие концентрации шунгита (300 г/л) практически полностью ингибируют рост культур водорослей. Выявлено стимулирующее действие немодифицированного фуллерена С60 (ВДФ) на численность гетеротрофных бактерий в диапазоне концентраций от 0,5 до 50 мг/л. В ходе экспериментальных исследований по изучению совместного и раздельного влияния фуллерена и антибиотиков на природный бактериопланктон установлено, что фуллерен С60 (ВДФ) в концентрации 5 мг/л оказывает стимулирующее воздействие как на численность бактериопланктона в целом, так и на количество бактериальных клеток с активным метаболизмом в его составе.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".