Общие замечания к методике количественного

Общие замечания к методике количественного учета
зоопланктона и использование интегральной оценки
состояния зоопланктона для определения качества морской
среды (методика расчета, шкалы оценки качества)
Борис Александров
Институт морской биологии НАН Украины
borys.aleksandrov@gmail.com
Основные понятия, используемые при оценке качества морской
среды (MSFD - Морская стратегия Водной Рамочной Директивы ЕС)
Metric (метрика) – то, что может быть измерено, т.е. различные характеристики, исползуемые при оцеке
качества водной среды.
Good Ecological Status (GES или GenS) - хорошее экологическое состояние.
Для определения GES морских экосистем в рамках MSFD был разработан обзор методологических
стандартов, который включил описание индикаторов для 11 дескрипторов.
Reference period (pristine conditions) - первозданные условия, до воздействия человека.
Ecological Quality Ratio (EQR) – относительное экологическое качество среды – это отношение значение
метрики в районе исследований к эталонному значению (reference conditions). Его значение лежит между
0 и 1.
Общая классификация экологического состояния воды согласно WFD
State of Environment Report of the Western Black Sea based
on Joint MISIS cruise (SoE-WBS) / Ed. by Moncheva S. and L.
Boicenco.- MISIS Joint Cruise Scientific Report, 2014.- 401 pp.
http://misisproject.eu/index.php?task=documents_deliverable
23-30 июля 2013 года состоялась совместная международная
экспедиция с участием представителей Болгарии, Румынии и
Турции на НИС «Академик».
3 разреза, 18 станций (глубина 25-2014 м)
3 района:
Прибрежный.
Шельфовый.
Открытое море.
Объекты исследований
- Химическое загрязнение воды и донных отложений
(всего 74 метрики)
- Биологические параметры:
Хлорофилл-а
Фитопланктон
Микрозоопланктон
Мезозоопланктон
Макрозоопланктон, включая желетелых и
ихтиопланктон
Мейобентос
Макрозообентос.
Методика исследования мезозоопланктона
Важные подробности
•
•
•
•
•
•
Руководство согласовано в июле 2015
Рекомендации к обработке проб
Список стандартного оборудования для
сбора и обработки проб
Полный видовой состав по странам
Список литературы для видовой
идентификации
Индикаторы зоопланктона
Определение массы по видам и
таксонам
Исследования мезозоопланктона (23-30.07.2013, MISIS)
• Осуществлялось с помощью сети Джеди (S= 0,1 м2; ячея 150 m)
• На 18 станциях (62 пробы)
Примечание: обычно облавливается поверхностный слой,
термоклин и холодный промежуточный слой, границы которых
предварительно зондируются.
Определение эталонов качества морских вод
по зоопланктону
“High” - значения метрик в период «до широкомасштабного
эвтрофирования» (1967-1972)* - reference conditions.
«Bad» - максимум эвтрофикации + вселение Mnemiopsis leidyi
(1980-1993) – образец низкого качества водной среды.
*Зайцев Ю.П. Северо-западная часть Черного моря как объект современных
гидробиологических исследований // Биология моря.- Т. 43.- Киев: Наукова
думка, 1977.- С. 3-7.
Индикаторы качества воды
1. Общая биомасса мезозоопланктона
На основании базы данных за эталонный период (1967-1972) для трех
обследованных районов моря были определены границы метрики,
соответствующие высшему уровню качества среды:
550-280 мгм-3 – прибрежные воды;
300-130 мгм-3 – шельфовая зона;
150-50 мгм-3 – открытые воды.
Индикаторы качества воды
2. Биомасса копепод (%)
Эталон для периода (1967-1972) > 45% биомассы суммарного мезозоопланктона
Долгопериодные изменения вклада (%) копепод в общую биомассу мезозоопланктона
Индикаторы качества воды
3. Биомасса Noctiluca scintillans (%)
Эталон для периода (1967-1972) < 30% биомассы суммарного мезозоопланктона
Индикаторы качества воды
4. Биоразнообразие мезозоопланктона (Индекс Шеннона-Уивера)
Показатели хорошего качества среды по численности
3,0 битэкз-1 – прибрежная и шельфовая зона
2,5 битэкз-1 – открытое море
где H’ – индекс Шеннона-Уивера, бит·экз (особь)-1; S – количество видов, pi – доля i-го
вида от численности. Значение индекса можно находить по программе PRIMER-5.
Экологическое состояние морской среды в обследованных районах Черного моря по
критериям “хорошего качества среды” (GES), определенного по индикаторам состояния
мезозоопланктона.
Примечание. Результирующее состояние при сопоставлении оценки качества по разным
метрикам определяется по “наихудшему классу качества”.
Инвазивные виды зоопланктона как показатели качества среды
Индикаторы биологического загрязнения
•
•
•
•
Биомасса Mnemiopsis leidyi - пороговое значение GES < 4гм-3 или 120 гм-2
(Виноградов и др., 2005).
Тенденция стабилльного снижения биомассы M. leidyi в течение 5 лет.
Соотношение числа видов вселенцев к нативным видам.
Отношение численности и биомассы вселенцев к нативным (аборигенным) видам
по предложению Болгарии (Moncheva, Todorova et al., 2012) не должно быть > 10%.
Moncheva S., Todorova V. et al. Initial Assessment Report of Bulgaria, 2012. ftp://geoseas.io- bas.bg/archive/monitoring/2012/Final%20reports/Vol%203/REPORT- integratedWFD-last%20all.pdf
Общее количество чужеродных видов (NIS), натурализовавшихся
(выделены темным цветом) и не натурализовавшихся (выделено
светлым) в странах Черного моря
Примеры видов, потребовавших уточнения их определения
Mnemiopsis leidye – Bolinopsis infundibulum – (1984);
Bolinopsis vitrea – (2007)
Oithona brevicornis –
2001 – (Загородняя,
2002); O. davisae – 2012
– (Temnykh, Nishida,
2012)
Acartia tonsa – (A. clausi) 1994 (Belmonte
et al., 1994), 1976 (Губанова, 1997)
Aurelia aurita – 2010 – (Kotova et al., 2015)
Заключение
•
Состояние зоопланктона прибрежной и шельфовой зон моря
сильно зависит от береговых источников воздействия и не
стабильно.
•
По выбранным показателям состояния мезозоопланктона, 60%
обследованных станций мониторинга имели “низкое” качество
морской среды.
•
Открытые воды характеризуются
планктона и сходной биомассой.
•
Хотя доля видов вселенцев среди зоопланктона была
относительно низкой (<35% случаев) и соответствовала GES их
влияние нельзя игнорировать.
гомогенным
составом
Проблемы, требующие решения
1. Разработка новых надежных показателей оценки качества
морской среды по мезозоопланктону.
1. Разработка пороговых значений для принятых показателей
качества среды в пределах всех стран участниц мониторинга
(Болгария, Румыния, Турция).
1. Не определены границы шельфовой зоны моря.
1. Разработка интегрального показателя качества морской среды
по мезозоопланктону.
1. Не завершены и остаются на стадии обсуждения подходы к
определению оценки экологического состояния морской
среды.
Разработка пороговых значений
Определение границ моря для организмов планктона
Ключевые районы мониторинга
Прибрежные воды (coastal waters) - поверхностные водные объекты, которые распространяются в
сторону берега от линии, каждая точка которой расположена на удалении одной морской мили в
сторону моря от ближайшей точки базовой линии, от которой измеряется ширина териториальных
вод, распространяясь до внешней границы переходных (промежуточных) вод (WFD).
Переходные, или промежуточные воды (transitional waters) – поверхностные водные объекты
вблизи устьев рек, которые характеризуются неполной (частичной) соленостью в результате их
близости к прибрежным морским водам, на которые существенно влияют пресноводные стоки(WFD).
Морские, или открытые воды (marine waters) - все воды в морях/океанах, которые не относятся к
категориям «прибрежные воды» и «транзитные воды» (MSFD).
Этапы трансформации речных вод в морскую*
1. «Предварительный» - происходит в приустьевых лиманах или на
взморье, например, Дуная. Речная вода на 12% (Днестровский лиман) и
на 29% (Днестровский) становится морской.
1. «Основной» - от устьев рек или лиманов до гидрофронтов. Соленость <
10‰ (вода становиться на 35-47% морской).
1. «Гидрофронтальный» - соленость увеличивается до 10-12‰, на 59-71%
морской.
1. «Заключительный» - зона до солености 17‰.
*Большаков В.С. Трансформация речных вод в Черном море.- Киев: Наукова думка, 1970.- 328с.
Workshop on developing indicators of Eutrophication for
the Black Sea
(Istanbul 25-30 September, 2000) – EU TACIS support, Prof. Dr. Jan Dogterom
Country
Total
runoff,
km3/year
Maine rivers
Граница транзитных вод
в Черном море ≤ 14,7‰
Ukraine
294
Danube, Dniester, Bug, Dnieper, Don,
Kuban
Romania
208
Danube
Country
Salinity, ‰
Georgia
43
Rioni, Coruh, Inguri, Kodori, Bzyb, Supsa
Romania
14,70
Russia
14,70
Ukraine
14,70
Bulgaria
15,62
Georgia
16,78
Turkey
17,82
Turkey
36
Yesilirmack, Kizilirmak, Sakaraya
Russia
33
Don, Kuban
Bulgaria
2
Duda, Kamchia, Provodiyska, Veleka,
Ropotamo
Осредненные данные по солености воды в
поверхностном слое СЗЧМ (1948-1963 г.г.)*
Май, соленость воды у поверхности моря; ‰.
*Виноградов К.А., Розенгурт М.Ш., Толмазин Д.М. Атлас гидрологических характеристик
северо-западной части Черного моря (в рыбопромысловых целях).- Киев: Наукова думка, 1966.93 с.
Критические значения характеристик зоопланктона
для оценки качества морской воды
1Stefanova
K., Stefanova E., Doncheva V. A classification system for evaluation of ecological status of coastal marine
waters in respect of zooplankton biological quality element // 2016.- 8 pp. (in press).
2Bacescu M., Gomoiu M.-T., Bodeanu N., Petran A., Muller C.I., Chirila V. Dinamica populatillor animale si vegetale
din zona nisipurilor fine de la nord de Constanta in conditiile anilor 1962-1965 // Ecologie marinâ.- 1967.- Vol. II.P. 7-167 (in Romanian).
2Petran A. Evolution des biomasses du zooplankton de la Mer Noire dans le secteur situe devant les embquchures du
Danube, pendant les annees 1977-1980 // Rapp. Comm. Int. Mer. Medit.- 1985.- 29 (9).- P. 319-320.
2Petran A., Moldoveanu M. Remarques sur le developpement quantitative du Zooplancton de la Mer Noire on face du
Delta du Danube //
3Polishchuk L. The state of zooplankton: Ukrainian shelf area / In: State of the Environment of the Black Sea
(2001-2006/7) / Ed. By Temel Oguz.- Publications of the Comission on the Protection of the Black Sea Against
Pollution.- Istanbul, 2008.- P. 202-210.
Hypoxic zone
Phosphates
Percent
Nitrates
100
Cormorant
90
Sprat
80
70
Anchovy
60
50
Zoobenthos
40
30
Zooplankton
20
10
0
1960- 1966- 19711976- 1981- 19861965 1970 1975
1980 1985 1990 19911995
Phytoplankton
Years
Динамика долгопериодных изменений
экосистемы Черного моря в авандельте Дуная
Александров Б.Г., Зайцев Ю.П. Биоразнообразие придунайского района Черного моря в условиях эвтрофирования / В кн.:
Экосистема взморья украинской дельты Дуная.- Одесса: Астропринт, 1998.- С. 304-322.
Разработка интегрального показателя
Вычисление интегрального показателя биологической ценности
водных объектов по М.Д. Бурштейну (Бабенко и др., 1988):
Кƒ = (Ki mina)0,5 · ( K1a1 · K2a2 · … · Knan)1/2n
К1, К2, Кn – метрики (различные характеристики зоопланктона);
а1, а2, аn – весовые коэффициенты метрик (характеристик);
n - число учитываемых метрик.
Условие:
0 < Ki ≤ 1
0 < ai ≤ 1
Бабенко В.В., Афанасьев В.П., Зинчук Н.Н., Черный Е.Д., Романов Н.Н., Герасимчук А.В.
Обработка геологическоий информации на микрокалькуляторе.- М.: Недра, 1988.- 134с.
Метрики (характеристики) качества воды по зоопланктону
Кi = Kст / Kmax
Kст – значение метрики на станции наблюдений,
Kmax - предельно возможное эталонное значение по 1950-1960-м
годам (до эвтрофирования). Эталонные значения отдельных
метрик приведены в таблицах ранее для морских прибрежных
станций (ОБЗ-мг, БNoc-мг, БMn-мг, ШЕН-бит) и транзитных вод
(ОБЗ-мг, БNoc-%, БCop-%).
ОБЗ - Общая биомасса зоопланктона
БNoc - Биомасса Noctiluca scintilans
БMn - Биомасса Mnemiopsis leidyi
ШЕН - Индкс Шеннона (биоразнообразие по численности)
БCop - Биомасса Copepoda
КСОР= 1 – Кст/Kmax
Весовые коэффициенты (аi) метрик
Определяются по корелятивной связи каждой из метрик с
прямыми показателями эвтрофирования моря (содержанием
хлорофилла-а, биогенных веществ), либо на основании
обоснованного экспертного решения. Например:
аОБЗ= 0,6 (60%) - в классификационной схеме прибрежных
морских вод предельно высокая биомасса зоопланктона
относится к категории “High” и “Bad”.
аNOC= 0,9 (90%) - Noctiluca scintillans является надежным
индикатором эвтрофирования (Александров, Берлинский, 1982).
Александров Б.Г., Берлинский Н.А. Использование Noctiluca miliaris Sur. для биоокеанографической индикации процесса эвтрофирования на примере северо-запад-ной части
Черного моря // Тез. докл II Всесоюз. Съезда океанол., Севастополь, 1982.- Вып. 5, ч. 2.- С. 32.
Ранжирование значений интегрального показателя (Кƒ)
качества морской воды по зоопланктону
Кƒ = (Ki mina)0,5 · ( K1a1 · K2a2 · K3a3 · K4a4 )1/8
K1 – общая биомасса зоопланктона (мг/м3).
К2 - биомасса Noctiluca scintilans (%).
К3 - биомасса Copepoda (%).
К4 - индкс Шеннона (бит/экз).
Kmax - эталонное значение метрик для периода «до
эвтрофирования».
Так как величина Кƒ находиться в результате деления различных
характеристик зоопланктона на каждой исследованной станции к
эталонному значению этих метрик, то Кƒ = EQR (относительноме
экологическое качество).
Методологию ранжирования см. Aleksandrov, 2012.
Aleksandrov B. Black Sea marine protected areas and an approach to the creation of ecocorridors / In: Marine
nature conservation and management at the borders of the European Union / Ed. by D. Czybulka.- Beitraege zum
Landwirtschaftsrecht und zur Biodiversitaet 7, Nomos Verlag, Baden-Baden (Germany).- 2012.- P. 121-135.
Заключение
1. В качестве критерия выделения транзитных вод Черного моря предложена
соленость ≤ 14,7‰.
1. Разработана классификация качества морских прибрежных и транзитных вод по
состоянию зоопланктона в разные сезоны года.
1. До разработки интегального показателя качества воды по мезозоопланктону
рекомендовать использовать классификационные шкалы для прибрежных и
транзитных вод с соблюдением правила «качество среды оценивается по
наихудшему показателю из всех исследованных характеристик».
1. Наряду с необходимостью разработки интегального показателя, в качестве
задач на ближайшую перспективу стоят: разработка системы метрик
(характеристик) и их значений для открытых вод, а также, соответствующих
значений для оценки качества морской среды в прибрежной и транзитной зоне
Черного моря для зимнего периода года.