METHODS OF ASSESSING WATER QUALITY USING BEHAVIORAL RESPONSE OF FISH SPECIES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
LLC NFBT-Stepnoe
3.
Astrakhan State Technical University
(Candidate of Biology; Leading Researcher of the Research Laboratory of Biotechnologies of Conservation and Reproduction of Valuable Fish Species)
Type:
Article
Pages:
from 80
to 85
Status:
Published
Received:
05.06.2017
Accepted:
25.06.2017
Published:
25.06.2017
Subject area:
UDK 639.2./3
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
biological monitoring, fish receptor complex, central nervous system, water of natural reservoirs, pollution level
Abstract (English):
The proposed technique of water quality assessment is intended for monitoring and measuring the behavioral responses of fishes in minimally structured environment, and further evaluating the reactivity of the fish nervous system. Tests were conducted in the period from 11 May to 7 June, 2016 at the sea coast station of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Kagalnik village, the Rostov region). As test-objects (bioindicators), there were selected three species of gobies: round goby ( Neogobius melanostomus ), monkey goby ( Neogobius fluviatilis ) and goby Shearman ( Neogobius syrman ). Fish behavior was assessed by response to external stimuli, which is manifested by increased or decreased locomotor activity. Expected and phone activity has been defined. As the test stimuli there were used: a low-frequency sonic boom, a sinusoidal audio signal, a high-frequency sonic boom, an electrical stimulus. Testing water samples were taken from three stations in the water area of the Gulf of Taganrog (estuary of the Don, middle section of the bay and section of the river close to the coastal base). The results showed that the developed method is sensitive to changes of natural water pollutants and can be used in the monitoring system, as a component for coastal stations on the test areas of the Azov Sea in terms of bioindication data matching techniques to identify natural and anthropogenic sources of pollution.
The proposed technique of water quality assessment is intended for monitoring and measuring the behavioral responses of fishes in minimally structured environment, and further evaluating the reactivity of the fish nervous system. Tests were conducted in the period from 11 May to 7 June, 2016 at the sea coast station of the Southern Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (Kagalnik village, the Rostov region). As test-objects (bioindicators), there were selected three species of gobies: round goby ( Neogobius melanostomus ), monkey goby ( Neogobius fluviatilis ) and goby Shearman ( Neogobius syrman ). Fish behavior was assessed by response to external stimuli, which is manifested by increased or decreased locomotor activity. Expected and phone activity has been defined. As the test stimuli there were used: a low-frequency sonic boom, a sinusoidal audio signal, a high-frequency sonic boom, an electrical stimulus. Testing water samples were taken from three stations in the water area of the Gulf of Taganrog (estuary of the Don, middle section of the bay and section of the river close to the coastal base). The results showed that the developed method is sensitive to changes of natural water pollutants and can be used in the monitoring system, as a component for coastal stations on the test areas of the Azov Sea in terms of bioindication data matching techniques to identify natural and anthropogenic sources of pollution.
Keywords:
biological monitoring, fish receptor complex, central nervous system, water of natural reservoirs, pollution level
biological monitoring, fish receptor complex, central nervous system, water of natural reservoirs, pollution level
Введение Антропогенное загрязнение шельфов морей в последние годы становится проблемой для многих стран мира, в том числе и для России. Установлено, что основным источником загрязнения морской воды Таганрогского залива Азовского моря являются стоки с городских территорий. Это сточные воды промышленных предприятий и коммунальные стоки, которые в настоящее время вбрасываются в акваторию в основном без предварительной очистки [1]. Это означает, что рыба, обитающая в водах Таганрогского залива, потребляет пищу, содержащую вредные вещества, которые накапливаются в ее внутренних органах. Для оценки качества воды можно использовать биологический мониторинг - анализ влияния природных и антропогенных факторов на состояние водных источников и окружающей среды в целом. Мониторинг состояния экосистем, в том числе и водных, в настоящее время очень актуален. В ходе мониторинга используют различные способы диагностики: химические, технические и реакции живых систем на изменения естественной среды обитания [2]. Результаты мониторинга позволяют выявить причины изменения состояния окружающей природной среды и осуществить контроль над ситуацией. Целью исследования являлось создание методики мониторинга вод Таганрогского залива на основе поведенческих реакций рыб-индикаторов. Материал и методы исследований Испытания проводили с 11 мая по 7 июня 2016 г. на морской береговой станции Южного научного центра Российской академии наук (ЮНЦ РАН, с. Кагальник Ростовской области). В качестве тест-объектов (биоиндикаторов) были выбраны три вида бычков - обитателей Таганрогского залива: бычок-кругляк (Neogobius melanostomus), бычок-песочник (Neogobius fluviatilis) и бычок-ширман (Neogobius syrman). Эти объекты обитают в заливе в достаточном количестве и сравнительно легко адаптируются к искусственным условиям содержания. По сравнению с другими обитателями водоема эти виды отвечают всем требованиям, предъявляемым к тест-объектам: - обладают широкой резистентностью рецепторного комплекса (особенно боковой линии) к воздействиям внешней среды; - имеют средние размеры (10-20 см); - пригодны для искусственного содержания; - имеют широкий диапазон оптимальных температур и высокую реактивность центральной нервной системы (ЦНС) на предлагаемые тест-факторы. Отловленных рыб рассаживали по разным аквариумам (партия составляла 10-12 особей). Партию рыб сразу тестировали с помощью установки с использованием системы видеонаблюдения для получения данных о реактивности рецепторного комплекса и ЦНС на тест-раздражители. Предлагаемая методика предназначена для наблюдения и измерения поведенческих реакций рыб в минимально структурированной среде и последующей оценки реактивности нервной системы. Рыбу оценивали по реакции на внешние раздражители, которая проявляется в увеличении или уменьшении двигательной активности [3]. Определяли ориентировочную активность (ОА) и фоновую активность (ФА). В качестве тест-раздражителей применяли низкочастотный звуковой удар (РА1), синусоидальный звуковой сигнал частотой 600 Гц (РА2), высокочастотный звуковой удар (РА3), электрический раздражитель частотой 20 Гц и амплитудой 200 мВ (РА4). Раздражители предъявляли в течение 30 секунд, время отдыха рыб после раздражителя - 3 минуты. После тестирования партии рыб в аквариумы заливали очищенную воду из системы замкнутого водоснабжения для их отмывки от загрязнителей естественного водоема. Воду периодически заменяли с интервалами времени 2, 4, 6, 8 часов. Период отмывки в среднем составлял 48 часов. Через сутки после отлова рыб начинали кормить мясом сорных рыб. Если рыбы начинали питаться, то это служило показателем готовности к тестированию воды естественного водоема. Испытания методики по тестированию вод Таганрогского залива проводили следующим образом. Воду для оценки качества брали в трех местах (на трех станциях): в устье р. Дон, со средней части залива и из реки близ береговой базы, которая является рукавом р. Дон. Перед испытаниями тест-объекты отсаживали в аквариум с водой, привезенной со станций, на 2 часа. После этого осуществляли тестирование ее качества по изменениям реакций рыб на загрязнители вод естественного водоема. Методом лепестковых диаграмм определяли уровень антропогенного и естественного загрязнения вод Таганрогского залива в системе мониторинга, а также в цифровом выражении - как коэффициент экологического соответствия (КЭС). Коэффициент экологического соответствия рассчитывают по формуле: где yi - показатели тестов (ОА, ФА, РА1, РА2 и т. д.); n - количество тестов. Полученные результаты обрабатывали статистически. Значимость различий между опытом и контролем устанавливали с использованием t-критерия Стьюдента. Результаты исследований и их обсуждение Результаты тестирования рыб-индикаторов непосредственно после отлова и после отмывки и адаптации приведены в табл. 1. Таблица 1 Показатели КЭС тест-объектов до и после адаптации Номер партии тест-объектов Значения КЭС до адаптации (контроль) после адаптации (опыт) 1 0,07 0,3* 2 0 0,33* 3 0 0,35* * Статистически достоверные различия между значениями КЭС. Как видно из табл. 1, получены достоверные различия в значениях КЭС у только что отловленных и адаптированных рыб. Это означает, что методика подготовки тест-объектов к тестированию качества вод Таганрогского залива работает. По результатам реактивности на воду естественных водоемов составляли лепестковые диаграммы (рис. 1), по которым возможно судить как о качестве воды на той или иной станции, так и о степени поражения рецепторов и реактивности ЦНС тест-объектов. 27.05.2016 г. 02.06.2016 г. 05.06.2016 г. Рис. 1. Качество воды из устья р. Дон: 1 - вода из устья р. Дон; 2 - водопроводная вода По данным на рис. 1, качество воды, взятой в устье р. Дон, в период наблюдений менялось. Так, 27 мая токсичность воды из этого участка была значительной. Все реакции рыб были существенно ниже, чем в водопроводной (эталонной) воде. Расчеты показали, что качество воды из естественного водоема было в 7 раз хуже, чем качество водопроводной. Спустя 5 дней качество воды на этом участке улучшилось. Реакции тестируемых рыб на раздражители были более выраженными, хотя качество воды из устья р. Дон было ниже водопроводной в 3,9 раза. Это возможно объяснить следующим: в течение этого периода постоянно шли дожди, что существенно разбавляло воду этого участка и снижало ее токсичность. Следующая проба воды с этого участка оказалась идентичной предыдущей. Экологическая обстановка в устье р. Дон за это время не изменилась. Качество воды, взятой из реки у береговой базы ЮНЦ РАН (с. Кагальник), оказалось ниже качества водопроводной воды в 4 раза. За время наблюдений ее качество не улучшилось, хотя по некоторым поведенческим реакциям рыб отмечали статистически незначимые различия. Необходимо отметить, что это рукав р. Дон. Течение в нем меньше, чем в основном русле, следовательно, заиленность дна существенно выше. Высокая токсичность воды со временем не менялась (рис. 2). 27.05.2016 г. 30.05.2016 г. Рис. 2. Качество воды из реки у береговой базы ЮНЦ РАН (с. Кагальник) 1 - вода из реки р. Дон; 2 - водопроводная вода 02.06.2016 г. Рис. 2. Продолжение. Качество воды из реки у береговой базы ЮНЦ РАН (с. Кагальник) 1 - вода из реки р. Дон; 2 - водопроводная вода Качество воды из залива в конце мая было выше, чем качество воды в устье р. Дон, но ниже водопроводной воды в 2,9 раза. В начале июня (4 июня) было отмечено ухудшение ее качества в 1,5 раза (рис. 3). 31.05.2016 г. 04.06.2016 г. Рис. 3. Качество воды, взятой из Таганрогского залива: 1 - вода из залива; 2 - водопроводная вода Вышеприведенные данные (таблица, рисунки) подтверждают, что с помощью поведенческих реакций рыб возможна оценка качества воды в системе мониторинга. Заключение В ходе исследования были получены следующие результаты: 1. Определен уровень антропогенного загрязнения вод Таганрогского залива методом лепестковых диаграмм на основе коэффициента экологического соответствия (КЭС). В показателях КЭС получены статистически достоверные различия между только что отловленными и уже адаптированными рыбами. 2. Отработана методика отмывки рыб от загрязнителей естественной среды и подготовки их к тестированию в системе мониторинга. Установлено, что отобранные рыбы-индикаторы чувствительны к загрязняющим веществам вод естественных водоемов, легко адаптируются к условиям искусственного содержания и способны выдерживать длительные испытания при соответствующем содержании. 3. Проведено тестирование воды из трех станций на акватории Таганрогского залива. Результаты показали, что разработанная методика чувствительна к изменениям загрязнителей воды естественных водоемов, и может быть использована в системе мониторинга как компонента для береговых постов на тестовых участках акватории Азовского моря в части методов сопоставления данных биоиндикации для выявления источников антропогенного и естественного загрязнения.
1. Cheremnyh M. E., Popova O. V., Zabalueva A. I. Analiz prichin zagryazneniya vod Taganrogskogo zaliva nefteproduktami // Inzhenernyy vestnik Dona. 2014. № 2. S. 1-8.
2. Rassadina E. V. Bioindikaciya i ee mesto v sisteme monitoringa okruzhayuschey sredy // Vestn. Ul'yan. gos. sel'skohoz. akad. 2007. № 4. S. 48-53.
3. Stepanova I. P., Kurkembaeva B. M., Mihaylichenko D. V. Test «otkrytoe pole» dlya ocenki remontno-matochnogo stada tilyapii // HII ezhegod. nauch. konf. studentov i aspirantov bazovyh kafedr Yuzhnogo nauchnogo centra RAN: tez. dokl. Rostov n/D: Izd-vo YuNC RAN, 2016. C. 254-255.
