Методика организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга

Изобретение относится к методике организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга. Методика включает: отбор проб и инструментальные измерения в районе установки биостанций; выполнение гидролого-гидрохимических исследований: температура, соленость, рН, растворенный кислород в придонном слое воды; геохимических исследований: гранулометрический состав, ОВ в поверхностном слое донных отложений; содержание нефтяных углеводородов и тяжелых металлов Zn, Ni, Си, РЬ, Cd; проведение регулярных наблюдений за состоянием биологических сообществ на биостанциях с использованием общепринятых методов; выявление и количественная регистрация биологических эффектов на разных уровнях биологической организации. Методика характеризуется тем, что для мониторинга и оценки состояния морской среды в качестве стационарных биостанций производственного экологического мониторинга используют искусственные биотопы или искусственные рифы, на которых формируется локальный биоценоз, являющийся тест-объектом оценки негативного воздействия на состояние морской среды, информационное поле которых используют для мониторинговых экологических исследований, причем анализ и обобщение материалов исследований осуществляется в следующих направлениях и должен содержать: определение пространственного распределения расширенного видового состава организмов различных экологических групп; выявление и количественная регистрация биологических эффектов долговременного воздействия на разных уровнях биологической организации; установление причинно-следственных связей между биологическими эффектами и факторами воздействия; выявление негативных, неблагоприятных изменений морской биоты, причиной которых может быть загрязнение морской среды в районе объектов месторождений, определение приоритетных источников загрязнения морской среды и их влияния на состояние биологических сообществ, развивающихся на биостанциях; анализ биологического разнообразия сообществ, сформированных на биостанциях в районах расположения промышленных объектов при различных гидролого-гидрохимических условиях и уровнях загрязненности морской среды. Изобретение решает задачу целенаправленного и методического изучения и исследования проблемы в различных ее аспектах, планирование его проведения, последовательность всех этапов работы, а также подготовку всех условий, обеспечивающих полноценное исследование. 5 з.п. ф-лы.

 

Важной составляющей экологического мониторинга является постоянный контроль состояния ресурсов водных объектов и недр, окружающей среды и животного мира.

В природоохранной практике с разной степенью распространения используются четыре принципиально разных методики экологической диагностики водных объектов :

• оценка качества воды по абиотическим показателям;

• биоиндикация, или использование параметров качества биотических систем;

• раздельное использование абиотических и биотических параметров и последующее сравнение конечных результатов;

• построение математических зависимостей биотических показателей от абиотических факторов.

Поскольку известные методы биоиндикации существенно различаются по степени подробности учета структуры сообществ макрозообентоса, в качестве отклика используются различные расчетные показатели, характеризующие:

• все сообщество организмов в целом в пределах изучаемых биотопов (местообитаний);

• отдельные группы и ценозы бентонтов различных видов, объединяемые исследователями по принципу филогенетического, структурного или функционального сходства;

• видовые компоненты сообщества на уровне «низших определяемых таксонов». [1]

Известны способы оценки загрязненности акваторий по энергетическому балансу клеток [2], уровню гистопатологий мидий [3] и стабильности мембран лизосом [4].

В известных исследованиях «Обзор методов биоиндикации и биотестирования для оценки состояния окружающей среды» все перечисленные изобретения для определения токсичности среды используют различные методы, в зависимости от среды, которую нужно проверить. Каждый метод использует свой тест-объект. У каждого метода есть свои особенности, отличающиеся видами используемых тест-объектов и способами анализа их реакций на загрязнение природной среды. Способы включают отбор проб обитающих в водоеме организмов, определение уровня загрязнения путем их анализа и оценку результатов анализа [5].

Однако, система биологического мониторинга включает в себя набор подходов, охватывающих разные стороны индивидуального развития организма, обеспечивает разностороннюю интегральную оценку состояния живых организмов и качества среды в целом. Применение различных методов в отношении широкого спектра живых организмов позволяет дать реальную оценку воздействия на окружающую среду [6].

Известно изобретение №2357243,опубликованное 27.05.2009 бюл. № 15, которое выбрано в качестве прототипа.

Изобретение относится к области экологии. Способ биологического мониторинга на основе биоиндикации предусматривает отбор проб водных животных, установление их численности, биомассы, видового разнообразия, границ распределения и регистрацию функциональных параметров организма, а также основных гидрологических и гидрохимических показателей, определение на их основе пространственных и временных трендов изменения индикаторных биологических параметров в градиенте экологических факторов.

Существенным недостатком всех известных и перечисленных методов является использование одного методического подхода, в следствии чего ни один метод, используемый по отдельности, не позволяет получить полной информации о состоянии акватории.  

Использование искусственных биотопов, рифовых конструкций в качестве стационарных биостанций производственного экологического мониторинга позволяет целенаправленно воздействовать на организацию экологического и поведенческого пространства гидробионтов и таким образом управлять их распределением. Направленное создание условий, благоприятных для жизни организмов, используемых в качестве тест-объектов, дает возможность создавать устойчивый биоценоз с определенным набором видов водных животных, стабильность структуры и состава которого даст возможность перманентно оценивать токсикологическую обстановку в исследуемом районе, поскольку различные виды животных и растений характеризуются разной устойчивостью к загрязнению и реакцией на стресс-факторы.

Задачей предлагаемого изобретения «Методика организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга» является создание методики организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга, которая обеспечит целенаправленное и методическое изучение и исследование проблемы в различных ее аспектах, планирование его проведения, последовательность всех этапов работы, а также подготовку всех условий, обеспечивающих полноценное исследование.

Новизна этого метода и решение задачи заключается в разработке и организации комплекса исследовательских работ с использованием информационного поля локальных экосистем стационарных биостанций для мониторинговых экологических исследований, которые формируются на субстратах искусственных рифов и биотопов, имеющих в своей структуре донную и пелагическую части для обеспечения условий обитания и развития всех уровней индикаторного сообщества, по состоянию которых оценивается качество окружающей среды в данной точке наблюдений. Для контроля за экологическим и токсикологическим состоянием того или иного района моря создается система стационарных биостанций, т.е. выставляются искусственные рифы/биотопы, имеющие в своей структуре донную и пелагическую части.

Применение способа направленного формирования локальных концентраций морских организмов, являющихся тест-объектами для оценки экологического состояния морской среды и биоты, невозможно без организации комплексных экологических исследований в рамках производственного экологического мониторинга.

Изобретение относится к области экологии и охране окружающей среды и может быть использовано для исследования и контроля природных процессов в экологически уязвимых районах акваторий с использованием биологических индикаторов. Предлагаемая методика организации экологических исследований морской среды обеспечивает совокупность научных исследований, дающих объективную и достоверную оценку интенсивности воздействия негативных факторов на морскую экосистему, полную и разностороннюю интегральную оценку состояния живых организмов и качества среды в целом и достигается последовательным и обязательным решением следующих задач:

−проведение регулярных наблюдений за состоянием биологических сообществ на биостанциях, выявление и количественная регистрация биологических эффектов на разных уровнях биологической организации;

−установление причинно-следственных связей между биологическими эффектами и факторами воздействия;

−выявление негативных, неблагоприятных изменений морской биоты, причиной которых может быть загрязнение морской среды в районе объектов месторождений.

Содержание работ при проведении исследований:

-отбор проб и инструментальные измерения на стационарных

биостанциях при проведении морских экспедиций в течение вегетационного периода;

-выполнение гидролого-гидрохимических исследований (температура, соленость, рН, растворенный кислород в придонном слое воды), геохимических исследований (гранулометрический состав, ОВ в поверхностном слое донных отложений, содержание нефтяных углеводородов и тяжелых металлов - Zn, Ni, Cu, Pb, Cd) и изучение биологических сообществ с использованием общепринятых методов, проведение подводных исследований с использованием водолазного снаряжения и телевизионной техники в водозащитном исполнении, где предметами исследований являются: морская вода и донные отложения в непосредственной близости от биостанций, микрофлора, перифитон, бентос, планктон, представители ихтиофауны и другие гидробионты, входящие в состав биоценозов, сформированных на биостанциях;

-определение видового, размерно-весового состава, численности, биомассы и плотности распределения гидробионтов, формирующих биоценозы на внешних и внутренних поверхностях станций, установление их принадлежности к экологическим и трофическим группам и комплексам, оценка физиологического статуса, уровня накопления токсикантов в организмах, регистрация признаков стресса, аномального поведения, заболеваний и т.д., проведение биотестирования донных осадков, а именно: видовой состав, биомасса и численность видов фитобентоса, перифитона, зообентоса; качественная и количественная характеристика рыб, обитающих на биостанциях (ихтиофауна); содержание токсических веществ: тяжелых металлов (Zn, Ni, Cu, Pb, Cd) и углеводородов (алифатических и ароматических) в тканях и органах гидробионтов биостанции (токсикология); оценка физиологического состояния рыб, обитающих на биостанциях, по следующим критериям:

-гематологические исследования - определение концентрации гемоглобина, общего количества эритроцитов, лейкоцитов, гематокрита, общего белка в сыворотке крови, глюкозы, подсчете на мазке процентного соотношения незрелых форм эритроцитов и лейкоцитарной формулы, а также вычислении абсолютного количества разных групп лейкоцитов;

-биохимические исследования – содержание белка, гликогена в печени и мышечной ткани гидробионтов; оценка оксидативных процессов в организме рыб по содержанию малонового деальдигида (МДА), аспартатаминотрасферазы (АсАТ), аланинаминотрансферазы (АлАТ);

-микробиологические исследования: определение в грунтах и на поверхности биостанций общей численности и биомассы микроорганизмов; численности индикаторных групп микроорганизмов (сапрофитные, углеводородокисляющие, сульфатредуцирующие, тионовые);

-цитогенетические исследования: частота возникновения спонтанных хромосомных нарушений в эпителиальной ткани гидробионтов биостанции: индукция микроядер в клетках крови; степень хромосомных нарушений; митотическая активность;

-биотестирование: оценка токсичности донных осадков методом биотестирования.

Анализ и обобщение материалов исследований:

-анализ биологического разнообразия сообществ, сформированных на биостанциях в районах расположения нефтегазовых объектов при различных гидролого-гидрохимических условиях и уровнях загрязненности морской среды;

-анализ временных изменений (сукцессий) биологических сообществ биостанций с учетом динамики гидролого-гидрохимических условий и уровня загрязненности морской среды;

-определение основных факторов морской среды, влияющих на состояние биологических сообществ, развивающихся на биостанциях;

-определение приоритетных источников загрязнения морской среды и их влияния на состояние биологических сообществ, развивающихся на биостанциях;

-оценка биоаккумуляции и биотрансформации загрязняющих веществ организмами, населяющими биостанции.

-проведение фото-, видеофиксации элементов биостанций с учетом специфики, характера и динамики формирования и жизнедеятельности биоценозов биостанций. с описанием критериев для интерпретации данных мониторинга и базовой системы статистических оценок.

Таким образом, предлагаемая «Методика организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга» представляет собой способы получения, сбора, обработки и анализа данных, а так же совокупность подходов, приемов исследования состояния морской среды исходя из анализа экологических особенностей ценозов биостанций – растений, микроорганизмов, беспозвоночных и высших позвоночных организмов – индикаторов, развивающихся на биостанциях.

В целом видовой состав локального сообщества может служить показателем экологического благополучия места обитания. Например, постоянное присутствие в точке наблюдений того или иного загрязнения сужает спектр видового состава и выводит из сообщества наиболее чувствительных гидробионтов, что легко определяется сравнительным анализом с показателями подобного сообщества, обитающего в экологически благоприятной фоновой контрольной точке. В случае, если фон загрязнения слабый, а толерантность ценоза достаточно высокая и видовой спектр не меняется, то можно определить воздействие токсикантов по физиологическому состоянию (кровь, печень, различные ткани) индикаторных групп животных, либо по концентрации токсикантов в их теле. Например, бычки, занимающие верхние уровни пищевой пирамиды и питающиеся преимущественно моллюсками-фильтраторами накапливающими в себе в т.ч. и токсические вещества, будут иметь «плохую» кровь, поражения печени и других внутренних органов, что определяется физиологическими методами исследований. Моллюски, в свою очередь, также являются потенциальными биоиндикаторами. Профильтровывая большие объемы воды, они накапливают в себе токсиканты, что определяется химико-аналитическими методами [7].

Следовательно, организация научно обоснованных методически пролонгированных и грамотно выстроенных комплексных мониторинговых исследований позволит качественно, полноценно и разносторонне оценивать состояние окружающей среды по показателям исследуемых индикаторных сообществ, являющихся тест-объектами, реагирующими на динамику качества акватории.

Литература

1. «Комплексные критерии экологического состояния водных объектов: экспертный и статистический подход» В.К. Шитиков, Т.Д. Зинченко

2. Thebault, M.T., Rafflin, J.P., Picado, A.M. et al. 2000. Coordinated changes of adenylate energy charge and ATP/ADP: use in ecotoxicology studies. Ecotoxicol. Environ. Saf. 46, 23-28.

3. Sunila I. Histopathologycal effects of environmental pollutants on the common mussel, Mytilus edulis L. (Baltic Sea), and their application in marine monitoring. Helsinki, 1987. Thesis of PhD.

4. Lowe D. Lisosomal membrane impairment in blood cells of Perna viridis: An invitro marker of contaminant induced damage. // Res. Bull. Phuket Mar. Biol. Cent. 1995. V.60. P.79-82.

5. «Обзор методов биоиндикации и биотестирования для оценки состояния окружающей среды». Еремеева А. С., Донченко М. И., Бучельников В. С., Перегудина Е. В., Азарова С. В. Молодой ученый. 2015. №11. С. 537-540. URL

6.http://files.lib.sfu-kras.ru/ebibl/umkd/1301/u_presentation.

pdf

7. «Биологические основы и практические результаты разработки системы защиты биологического разнообразия Каспийского моря от нефтяного загрязнения». А.Ф.Сокольский, Н.В. Попова, Е.В.Колмыков, А.А.Курапов, 2005г.

1. Методика организации экологических исследований морской среды с использованием системы стационарных биостанций в рамках производственного экологического мониторинга, включающая:

- отбор проб и инструментальные измерения в районе установки биостанций;

- выполнение гидролого-гидрохимических исследований: температура, соленость, рН, растворенный кислород в придонном слое воды;

- геохимических исследований: гранулометрический состав, ОВ в поверхностном слое донных отложений;

- содержание нефтяных углеводородов и тяжелых металлов Zn, Ni, Си, РЬ, Cd;

- проведение регулярных наблюдений за состоянием биологических сообществ на биостанциях с использованием общепринятых методов;

- выявление и количественная регистрация биологических эффектов на разных уровнях биологической организации;

отличающаяся тем, что для мониторинга и оценки состояния морской среды в качестве стационарных биостанций производственного экологического мониторинга используют искусственные биотопы или искусственные рифы, на которых формируется локальный биоценоз, являющийся тест-объектом оценки негативного воздействия на состояние морской среды, информационное поле которых используют для мониторинговых экологических исследований, причем анализ и обобщение материалов исследований осуществляется в следующих направлениях и должен содержать:

- определение пространственного распределения расширенного видового состава организмов различных экологических групп;

- выявление и количественная регистрация биологических эффектов долговременного воздействия на разных уровнях биологической организации;

- установление причинно-следственных связей между биологическими эффектами и факторами воздействия;

- выявление негативных, неблагоприятных изменений морской биоты, причиной которых может быть загрязнение морской среды в районе объектов месторождений;

- определение приоритетных источников загрязнения морской среды и их влияния на состояние биологических сообществ, развивающихся на биостанциях;

- анализ биологического разнообразия сообществ, сформированных на биостанциях в районах расположения промышленных объектов при различных гидролого-гидрохимических условиях и уровнях загрязненности морской среды.

2. Методика организации экологических исследований морской среды по п. 1, отличающаяся тем, что исследованию подвергаются гидробионты, входящие в состав биоценозов, сформированных на биостанциях, по следующим показателям:

- видовой состав, биомасса и численность видов фитобентоса, перифитона, зообентоса, качественная и количественная характеристика ихтиофауны, обитающей на биостанциях;

- токсикологические исследования;

- физиология;

- гематологические исследования;

- биохимические исследования;

- микробиологические исследования;

- цитогенетические исследования;

- оценка токсичности донных осадков методом биотестирования.

3. Методика организации экологических исследований морской среды по п. 2, отличающаяся тем, что токсикологические исследования определяют содержание токсических веществ: тяжелых металлов Zn, Ni, Cu, Pb, Cd и алифатических и ароматических углеводородов в тканях и органах гидробионтов, обитающих на биостанциях.

4. Методика организации экологических исследований морской среды по п. 2, отличающаяся тем, что физиологические исследования дают оценку физиологического состояния рыб, обитающих на биостанциях, по следующим критериям:

- гематологические исследования дают определение концентрации гемоглобина, общего количества эритроцитов, лейкоцитов, гематокрита, общего белка в сыворотке крови, глюкозы, подсчете на мазке процентного соотношения незрелых форм эритроцитов и лейкоцитарной формулы, а также вычислении абсолютного количества разных групп лейкоцитов;

- биохимические исследования определяют содержание белка, гликогена в печени и мышечной ткани гидробионтов обитающих на биостанциях; дают оценку оксидативных процессов в организме рыб по содержанию малонового деальдигида (МДА), аспартатаминотрасферазы (АсАТ), аланинаминотрансферазы (АлАТ).

5. Методика организации экологических исследований морской среды по п. 2, отличающаяся тем, что микробиологические исследования дают определение в грунтах и на поверхности биостанций общей численности и биомассы микроорганизмов; численности индикаторных групп микроорганизмов: сапрофитные, углеводородокисляющие, сульфатредуцирующие, тионовые.

6. Методика организации экологических исследований морской среды по п. 2, отличающаяся тем, что цитогенетические исследования определяют частоту возникновения спонтанных хромосомных нарушений в эпителиальной ткани гидробионтов локального сообщества биостанции: индукцию микроядер в клетках крови, степень хромосомных нарушений и митотическую активность.