XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Мониторинг биологического разнообразия реки Камышенки и Шиловского пруда (Свердловская область)

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Трошкова С.Д. 1

---

1МАОУ гимназия 120

Берзин Д.Л. 1

---

1МБУ ДО-ГДЭЦ

Работа в формате PDF

502.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

1.1 Актуальность

Проблемы сохранения водных экосистем с водой пригодной для потребления человека и для обитания разнообразных гидробионтов актуальна в нашей стране, так и в мире в целом. Постепенно, но медленно, человечество подходит к выводу о том, что важно сохранение не просто воды, а водной среды, с населяющей ее флорой и фауной [Баянов, 2013]. Урбанизация является одним из важных факторов трансформации природной среды на современном этапе развития общества. Рост городов сопровождается интенсивным изменением структуры землепользования, увеличением антропогенной нагрузки на экосистемы и нарушением экологического равновесия. Эти процессы оказывают комплексное воздействие на состояние атмосферы, гидросферы, почвенного покрова, биоразнообразие, а также на качество жизни населения [Щербаков, 2025]. Глобальное обострение экологического кризиса придает особую актуальность проблеме сохранения биоразнообразия как важнейшего условия сохранения жизни на Земле и необходимого компонента устойчивого развития цивилизации [Дебело, 2014]. Корректная оценка экологического состояния водного объекта актуальна для рационального использования водных ресурсов, принятия современных решений по предотвращению негативных последствий хозяйственной деятельности, сохранению и восстановлению водных экосистем [Павлюк, 2024].

Екатеринбург является крупным промышленным центром, основными отраслями которого являются черная и цветная металлургия, энергетика, машиностроение, производство строительных материалов, химия, нефтехимия [Бурцева, Бадова, 2018]. Экологическая ситуация в городе постоянно меняется, поэтому мониторинг состояния окружающей среды, а в частности водоемов необходим для выявления источников и факторов загрязнения, проведения оценки их воздействия, анализа фактического состояния, прогнозирования изменения состояния водоемов и поиск путей улучшения ситуации. Кислотно-щелочной баланс водоемов на территории города Екатеринбурга нарушен, поскольку во многие водоёмы производится приток различных выбросов [Бурцева, Бадова, 2018].

Изучение водоемов таких как река Камышенка и Шиловские прудки позволит оценить экологическое состояние водных объектов города, поскольку данные водоемы располагаются в разных районах города, с разной степенью застройки и наличием производственных площадей и очистных сооружений, что вероятно оказывает различное воздействие. Также анализ водоемов покажет степень антропогенной нагрузки и возможные пути улучшения состояния. В районе, где находится река Камышенка, располагаются очистные сооружения, в отличии от района Шиловских прудков, который находится в более отдаленной части города.

Предполагается, что биоразнообразие в Шиловских прудках будут выше, чем в реке Камышенка, так как она подвергается техногенному загрязнению.

1.2. Цель

Изучить биоразнообразие на примере реки Камышенка в Калиновском лесопарке и Шиловских прудков в микрорайоне Солнечный.

1.3. Задачи

1. Отловить гидробионтов, определить их таксономический состав;

2. Оценить химический состав воды исследуемых водоемов;

3. Сравнить биологическое разнообразие позвоночных и беспозвоночных животных, а также водных растений;

4. С помощью методики BMWP-индекс (Biological Monitoring Working Party) определить качество воды, оценивая индикаторные группы беспозвоночных.

2. Теоретическая часть

2.1. Виды и факторы загрязнений пресных водоемов

В результате работы промышленных предприятий водоемы загрязняются различными экотоксикантами, оказывающими негативное воздействие на здоровье человека [Харина, 2020].

Различают естественные и антропогенные источники загрязнения вод. Первые в отличии от вторых сбалансированы процессами самоочищения вод, за счет их круговорота в природе.

Антропогенные загрязнение связанно с хозяйственной деятельностью человека. Сюда относится биологическое, химическое, физическое загрязнение [Вострикова, Шкода, 2016]. Установлено, что более 400 веществ могут вызвать загрязнения вод. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение [Вострикова, 2016].

Химическое загрязнение наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединение ртути, свинца, кадмия) и нетоксичным [Вострикова, 2016].

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов. Этот вид загрязнений носит временный характер [Вострикова. 2016].

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Радиоактивные элементы попадают в пресные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронения отходов на дне и др. [Вострикова. 2016].

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод. [Вострикова. 2016].

Тепловое загрязнение связанно с повышением температуры вод в результате из смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению а6наэробнвх бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов – сероводорода, метана [Вострикова, 2016].

2.2. Методики экологической оценки состояния водоема

Основной величиной экологического нормирования содержания вредных веществ в природной среде, в том числе и в водной, является предельно допустимая концентрация (ПДК), в водной среде выражаемая в миллиграммах вещества на 1 литр воды (мг/л).

В зависимости от химической природы загрязняющих веществ используют разные классификации. Степень загрязнения водоема органическими веществами оценивается по шкале сапробности, которая устанавливается по индикационным видам. Для оценки загрязнения водоема токсичными веществами используют термин «таксобность». Практика использования различных классификаций для определения состояния загрязнения среды показывает, что все они достаточно условны и с их помощью не всегда возможно получить объективную картину экологического состояния водоема.

Для получения объективной картины применяют индекс загрязненности воды (ИЗВ) [Березовская, 2006].

На основании гидрохимических методов предложены различные интегральные количественные индексы для определения качества воды, например:

- индекс качества воды (ИКВ), индекс загрязненности воды (ИЗВ);

- индекс загрязненности воды, с поправкой на водность (ИЗВ*);

- комбинаторный индекс загрязнённости (КИЗВ);

- удельный комбинаторный индекс загрязненности (УКИЗВ);

- индекс загрязненности рек металлами и токсическим веществом;

- индекс потенциального загрязнения воды;

- общесанитарные индексы качества воды;

- индекс качества воды для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд;

- индекс качества воды для водоснабжения и орошения;

- индекс токсичности [Зубарев, 2014].

Алгоритм получения интегральных индексов состоит из реестра исходных показателей химического состава воды и методик их определения, выбора стандарта для экологической градации качества воды по каждому показателю, метода расчёта индекса и эталонов для интегральной оценки воды [Зубарев, 2014]. Часто при выборе количества и перечня, учитываемых в оценках ингредиентов химического состава воды, использовались экспертные оценки, литературные данные и личный опыт авторов [Зубарев, 2014].

Методы биологической оценки (биоиндикации) состояния водных экосистем по макрозообентосу достаточно объективно указывают на степень негативного воздействия загрязняющих веществ и иной критической хозяйственной деятельности на водные объекты. Подавляющее большинство существующих методов биоиндикации основано на изучении донных беспозвоночных- макрозообентоса. К макрозообентосу относят виды водных организмов, имеющих линейный размер более 2мм и обитающих на донных грунтах, субстратах, погруженных растениях. Эти животные имеют повсеместное распространение, что позволяет получать сопоставимые результаты оценки для всех регионов [Павлюк, 2024].

Индекс BMWP хорошо известен среди гидробиологов индексом для оценки качества воды в реках является Biological Monitoring Working Party Index (BMWP). Индекс разработан Институтом пресноводной экологии (Великобритания) в рамках системы RIVPACS, который является основной для оценки состояния текучих вод Великобритании и Австралии. Данный индекс широко используется в странах ЕС. По методологии каждому таксону макрозообентоса в пробах присваивается определенный балл, затем баллы суммируются. Полученная сумма указывает на состояние гидробиоценоза на участке реки [Павлюк, 2024].

2.3. Характерные обитатели пресных водоемов Урала

Юг Уральского федерального округа (УФО), в частности Челябинская, Свердловская и Курганская области, это богатый разнообразными водными и рыбными ресурсами регион. В настоящее время ихтиофауна данного региона представлена 19 семействами, из которых самое многочисленное по видовому составу – карповые. Второе место по числу видов занимают семейства сиговых и лососевых. В данном регионе так же обитают рыбы семейства бычковых, вьюновых, головешковых, балиториевых, икталуровых, корюшковых, окуневых, сомовых, налимовых, хариусовых, щуковых и даже осетровых. Всего по последним данным в этом регионе обитает 65 видов рыб, причем около трети из них вселенцы [Григорьева, 2023].

В конце XIX – начале XX вв. в водоемы Среднего Урала неоднократно вселялись новые виды рыб, некоторые из них (лещ, судак) успешно натурализовались. Несколько видов (уклейка, верховка, ротан-головешка) расшили свой ареал за счет межбассейновой миграции или случайного вселения и последующей натурализации [Кижеватов, 2017].

Для водоемов лесостепной зоны южного Урала и Свердловской области известно обитание 10 видов двустворчатых: Amesoda, draparnaldi, A. sckaldiana, A. solida, Nucleocyclasradiata, Musculiumcreplini, Sphaerium. westerlundi, Parasphaeriumnitida, Pisidioidearectidens, Rivicolianabourguignati [Андреев, Красногорова, Андреева, 2010]

Видовое обилие и количественные показатели зообентоса рек определяют насекомые. В создании численности и биомассы беспозвоночных ведущую роль, как правило, играют личинки ручейников, поденок, стрекоз, веснянок, мошек, хирономид, а также водные клопы. Представители этих групп входят в состав доминирующих по биомассе комплексов [Большаков и др., 2019]

Некоторые прибрежно-водные растения способны выдерживать местные суровые климатические условия, это – травянистые многолетники астрагал болотный, кувшинка чисто-белая и четырехгранная, кубышка малая и желтая, рдест красноватый. Среди эндемиков влажных мест для Урала отнесен гусиный лук Лиотарда или гусиный лук ненецкий. Кроме того, эндемики Урала – ветреница уральская и стержнекорневой полукустарничек лаготис уральский, которые могу произрастать по берегам рек, во влажных местах [Кайзер, Галиуллина, 2025].

Во флоре урбанизированных территорий представлены все группы сосудистых растений, но, как в естественных флорах умеренных широт, преобладают покрытосеменные (96,4%) двудольные (76,4%) растения [Третьякова, 2016].

1. 4. Определение видов-биоиндикаторов

При использовании метода биоиндикации необходимы индикаторные организмы – биоиндикаторы, представляющие сообщество или группу особей одного вида, поведение, состояние и наличие которых указывает на изменение в среде их обитания. Наличие в водной среде загрязнителей химической природы- поллютантов способно вызвать сбои в функционировании целых экологических систем, возникновение которых связано с накоплением в живых организмах загрязнителей [Кудайбергенова, Тлеумуратова 2004].

Биоиндикационные исследования, как правило, охватывают планктонные и донные биоценозы. Из планктонных обязательному исследованию подлежат биоценозы двух трофических уровней: автотрофы- фитопланктон, гетеротрофы- зоопланктон. В донных отложениях исследуют в основном гетеротрофов- макрозообентос. Согласно нормативно-методическим документам при оценке токсичности исследуемой воды необходимо использовать минимум три биотеста. Исследование набора биотестов с разными по чувствительности тест объектами и тест показателями увеличивает вероятность обнаружения токсичности исследуемой воды и донных отложений. Окончательную оценку проводят по тест объекту и тест показателю, проявившему наибольшую чувствительность с к воздействию исследуемой воды или донных отложений [Бакаева, Никаноров, 2015].

1. 4. Методы отлова гидробионтов

Для проведения качественного и количественного анализа необходимо выполнить отбор проб и образцов донных отложений. Для этого требуются соответствующие технические средства, которые выбирают исходя из целей и задач исследования. Так, при оценке поверхностного распределения загрязняющих веществ (например, нефтепродуктов) и для определения степени загрязнения дна в настоящее время пробы отбирают из поверхностного слоя донных отложений. Для этого используют дночерпатели и драги. Для определения распределения веществ в толще донных отложений (например, тяжелых металлов) и при исследовании распределения загрязняющих веществ по годам пробы отбирают по слоям донных отложений, применяя стратиметры и трубки различных конструкций [Абчибисов, Касперович, Лякишев, Петренко, Швецов, 2014].

Для лова планктона используют два основных типа орудий. Первые позволяют профильтровать определенный объем воды и задержать организмы на фильтре. Это – планктонные сачки и сети. Вторые «вырезают» из водоема определенный объем воды вместе с заключенной в нем фауной (в дальнейшем эту пробу, как правило, также сгущают путем фильтрации). Это – батометры, планктонные трубки и аналогичные им устройства. При отсутствии батометра пробу можно взять бутылкой с широким горлом и с пробкой. В аквакультурных водоемах пробы можно брать водозачерпыванием, которое проводят ведром емкостью 5-10 л. [Зинабадинова, 2020]

3. Материалы и методы

Исследование водной среды производилось на следующих водоемах вблизи г. Екатеринбург:

река Камышенка и Шиловские прудки.

Географическое расположение водоемов представлено на карте (Приложение, рисунок 1).

Камышенка (Камышёнка, Камышинка), река, прав. приток р. Пышмы, протекает по территории Орджоникидзевского района в Северо-восточной части города. В истоке имеет подземное русло, пересекает пр. Космонавтов. Речной поток выходит на поверхность вблизи северного края Калиновских разрезов, далее течет по границе частично осушенного урочища Гиблая Елань, принимает правый приток р. Калиновки. Длина - 7,5 км [Рундквист].

Шиловские прудки находятся в Юго-западной части Екатеринбурга в Чкаловском районе вблизи микрорайона Солнечный и улицы Лучистая. Рядом расположен частный сектор, водоем окружают поля, возможно обрабатываемые удобрениями.

Исследование проводилось с 07.06.2025 по 09.06.2025. Были взяты пробы воды с флорой и фауной. Отбор проб макрозообентоса проводился гидробиологическим сачком в каждом водоеме методом трала, 3-х кратным прочерпыванием донных грунтов на площади 1 м².

Проведен анализ пробы воды с помощью микроскопа Микромед, пипетки, чашки Петри, предметного стекла, тест – полосок фирмы «Tetra» (на NO₃^-, NO₂^-, KH, GH), РH-метра фирмы ROHS (определение степени кислотности и щелочности воды), кондуктометра.

Кислотность воды определяли погружением тест-полоски в пробу воды и сравнением ее с линейкой-индикатором.

Был произведен отлов рыб и амфибий для последующего определения. Определили гидатофиты по внешним признакам во время посещения, по пособию [Чертопруд, 2022] и с помощью приложения «Google объектив». Произведен вручную подсчет видов рыб, амфибий и гидатофитов.

Была проведена оценка биологического качества водоемов на основе присутствия и обилия определённых видов макрозообентоса по методике BMWP-индекс (Biological Monitoring Working Party) [Армитидж, 1990].

Расчет производили по формуле:

Х=А*В,

где А = кол-во таксонов, В = балл из таблицы, Х = BMWP.

Обработка данных производилась в Microsoft Excel.

4. Результаты

Результат проведенных исследований показал, что в реке Камышенка высокий показатель NO₃^- (100мг/л), в Шиловских прудках повышенный показатель карбонатной жесткости воды (KH) (180 мг/л) (приложение, таблица 1).

Обнаружены рыбы отряда карпообразных и осетровых (приложение, диаграмма 1), определены бесхвостые земноводные (приложение, диаграмма 2), выявлены гидатофиты порядка частухоцветных, зигнемовых, ясноткоцветных (приложение, диаграмма 3).

При отлове гидробионтов в реке Камышенке всего было определено 7 таксонов беспозвоночных, в Шиловских прудках 29 таксонов беспозвоночных. Разнообразие таксонов беспозвоночных в реке Камышенке составило 3 семейства червей и 1 семейство пиявок, в Шиловских прудках 7 семейств ручейников, 1 семейство веснянок и 1 семейство ракообразных (приложение, таблица 2).

Определение качества воды произвели, оценивая индикаторы группы беспозвоночных с помощью методики BMWP-индекс. Рассчитали индексы, в результате в реке Камышенке индекс 12, в Шиловских прудках – 118 (приложение, таблица 3).

5. Заключение

Гидрохимические параметры указывают на различные типы антропогенной нагрузки.

Высокая концентрация нитратов (100 мг/л) в реке Камышенке свидетельствует, вероятно, о загрязнении биогенными элементами (сточные воды, сток с удобряемых территорий). Что приводит к чрезмерному обогащению водоема питательными веществами, а это в свою очередь вызывает ускоренный рост водных растений, гибели рыбы и других водных организмов, как следствие к ухудшению качества воды.

Стабильно высокие показатели карбонатной жесткости (KH) и pH в Шиловских прудках, напротив, формируют буферную систему, повышающую устойчивость экосистемы и вероятно обусловлены геологической спецификой местообитания. Таким образом эти показатели являются приемлемыми для большинства рыб и растений и подходят для пресноводной экосистемы.

Биологический метод анализа воды с помощью таксонов позволил сделать выводы о состоянии водоёмов и степени загрязнённости на основе изучения качественного и количественного состава чувствительных к загрязнениям организмов (гидробионтов) (приложение, таблица 4).

Шиловские прудки характеризуются умеренным уровнем загрязнения (индекс BMWP = 118, класс 2 — «чистая»), что подтверждается высоким таксономическим разнообразием макрозообентоса (29 таксонов), включая чувствительные к загрязнению группы (ручейники, веснянки, ракообразные).

Река Камышенка находится в состоянии критического органического загрязнения (индекс BMWP = 12, класс 5 — «сильно загрязненная»), о чем свидетельствует крайне бедный состав бентоса (7 таксонов), представленный в основном толерантными видами (черви, пиявки, хирономиды).

Биологическое разнообразие выше в Шиловских прудках: позвоночных животных (12 видов против 9), беспозвоночных (29 таксонов против 7) и водных растений (5 видов против 3). Низкое биоразнообразие Камышенки является прямым следствием высокого уровня загрязнения.

Список литературы

1. Баянов Н.Г. ООПТ и совершенствование мониторинга водных систем в России //Астраханский вестник экологического образования. – 2013. – с.82.

2. Щербаков К.А. Экологическое равновесие в условиях урбанизации // Международный научный журнал «Вестник науки» №9(90) том 2, 2025

3. Дебело П.В., Чибилев А.А. Амфибии Урало-Каспийского //Оренбургский гос. университет Вестник ОГУ№6 (167). – 2014.

4. Павлюк Т.Е. Актуальные вопросы биоиндикации водных экосистем: российский опыт и перспективы // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление., №4 – 2024. – с . 108-122.

5. Харина Г.В., Алёшина Л.В., Анахов С.В., Инжеватова О.В. Мониторинг качества питьевой воды в Свердловской области России // Вода и экология: проблемы и решения, 2020 №1 (80), с.63-64.

6. Вострикова М. А., Шкода В. В. Основные виды загрязнения водных объектов // Международный научный журнал «Инновационная наука», №4/2016, с.10-11

7. Березовская В. А. О методах оценки экологического состояния водных объектов //Вестник Камчатского Государственного технического университета. – 2006. – с. 119-121.

8. Зубарев В.А. Гидрохимические индексы оценки качества поверхностных вод //Региональные проблемы, том 17, №2. – 2014. - с.71-77.

9. Григорьева Н.Ю. аналитический обзор рыбохозяйственной значимости водных объектов южных областей Уральского Федерального округа // Науки о Земле и окружающей среде Н. Ю. Григорьева, №12 (138). – 2023.

10. Андреев Н.И., Красногорова А.Н., Андреева Н.И. Фауна двустворчатых моллюсков семейства Sphaerrdae водоёмов Западной Сибири и Урала // Омский научный вестник, №1. – 2010. – с. 243.

11. Большаков В.Н., Кузнецова И.А., Гилев А.В., Пустовалова Л.А., Подгаевская Е.Н., Степанов Л.Н. Роль особо охраняемых природных территорий в решении природоохранных задач при развитии экологического туризма //Институт экологии растений и животных УрО РАН, Екатеринбург, Россия, с.97. – 2019.

12. Кайзер Н. В., Фролова Т. И., Галиуллина З. Д. Анализ видов прибрежно-водных растений г. Екатеринбурга для фиторемедиации на примере дождевого сада //Международный научно-исследовательский журнал, № 7(157). – 2025.

13. Третьякова А.С. Закономерности формирования и экологическая структура флоры урбанизированных территорий среднего Урала (Свердловская область) //Самарский научный вестник, №1(14). – 2016. – с.68.

14. Кудайбергенова У.К., Тлеумуратова Н.Ф. Методы биоиндикации для оценки водной среды //Экономика и социум, №2 (117)-1. – 2004. – с.1103.

15. Бакаева Е.Н., Никаноров А.М. Биологические подходы к оценке экотоксикологического состояния водных экосистем //Известия Высших учебных заведений, 3005. Северо-Кавказский регион. – 2015.

16. Арчибисов Д.А., Касперович Е.В., Лякишев М.С., Петренко О.Е., Швецов В.А. Обзор существующих устройств отбора проб донных отложений. Необходимость и направления в модернизации //Вестник Камчатского государственного технического университета, №30. – 2014. – с. 6-11.

17. Зинабадинова С.С. Керченский государственный морской технологический университет, гидробиология (ч.2), Практикум по выполнению лабораторных работ. – 2020. – с.5-8.

18. Энциклопедия.екатеринбург.рф, Рунквист Н.А.

19. Чертопруд М.В., Чертопруд Е.С. Краткий определитель беспозвоночных пресных вод центра Европейской России. – 2022.

20. Бурцева Т. В., Бадова О.В. Мониторинг экологического состояния воды, почвы и радиационного фона города Екатеринбург // Аграрное образование и наука; 2018.

21. Кижеватов Я. Н. Речная ихтиофауна промышленного центра Свердловской области в период хозяйственного освоения // Фауна Урала и Сибири, №1. – 2017. – с. 147.

22. Wright J.F., Furse M.T., Armitage P.D. RIVPACS - a technique for evaluating the biological quality of rivers in the UK. European Water Pollution Control. 1993, Vol. 3 (4). P. 15-25.

Приложение

Рисунок 1.Местоположениеисследуемыхводоемов.

Таблица 1. Химический состав воды в водоемах

Диаграмма 1. Разнообразие рыб.

Диаграмма 2. Разнообразие амфибий.

Диаграмма 3. Разнообразие гидатофитов.

Таблица 2. Разнообразие таксонов беспозвоночных

Таблица 3. Виды таксонов

Таблица 4. Интерпретация классов качества воды