Ecosystem health of the Kama water areas near Nabereznhye Chelny with different levels of anthropogenic load

Abstract

Целью данной работы было провести сравнительную биоэлектронную диагностику экологического состояния (здоровья) экосистем акваторий реки Кама (в районе г. Набережные Челны) с различной антропогенной нагрузкой, на основе оценок адаптивной способности (здоровья) обитающих в них моллюсков. Под здоровьем экосистемы понимается то состояние, когда она стабильна и в состоянии предоставлять ресурсы для человека (экосистемные услуги). Такая экосистема способна поддерживать свою структуру (организацию) и функционирование, иметь высокую продуктивность и сохранять устойчивость при внешнем стрессе. В качестве объекта исследования в данной работе выступают рекреационные акватории реки Кама в черте г. Набережные Челны. Предметом исследования являлась сравнительная оценка адаптивных возможностей (здоровья) местных моллюсков Unio pictorum с использованием биоэлектронной системы неинвазивной регистрация их частоты сердечных сокращений (ЧСС), применение которой не стрессирует животного, не нарушая его функционального состояния, и позволяет проводить непрерывные измерения ЧСС моллюска в течение длительного времени, в том числе в реальных условиях его обитания в дикой природе. Оценку здоровья моллюсков проводили путем неинвазивного измерения характеристик их кардиоритма в процессе тестирования по разработанному в НИЦЭБ РАН методу функциональной нагрузки. При этом в качестве биомаркера состояния моллюска используется время восстановления ЧСС - Tвосст , после снятия кратковременной стрессовой функционально нагрузки в пределах толерантности вида. По измеренным величинам биомаркеров Tвосст моллюсков была проведена оценка экологического статуса акваторий. «Высокий» статус оказался у станции 1 (правый берег Камы), «Хороший» – у станций 2 (начало города) и 4 (городской пляж), а «Посредственный» – станци3 3 (место сброса ливневых вод) и 5 (за плотиной ГЭС (с. Бетьки)). Кроме того, в работе был проведён анализ донных отложений (ДО) и мягких тканей моллюсков на содержание тяжёлых металлов (Fe, Cd, Mn, Cu, Sn, Pb, Zn). В акватории станции 5 были зафиксированы превышения концентраций Mn и Pb, относительно регионального норматива фонового содержания ТМ в ДО поверхностных водных объектов Республики Татарстан. На основе сравнительного анализа концентраций тяжелых металлов в мягких тканях моллюсков и в донных осадках, отобранных в изучаемых акваториях, было установлено значительное превышение концентрации Mn, Pb и Fe именно в тех рекреационных акваториях г. Набережные Челны, в которых наблюдался самый низкий экологический статус акваторий, оцененный по биомаркеру Tвосст моллюсков. Это, по-видимому, позволяет предположить, что наиболее вероятной причиной «посредственного» экологического статуса этих акваторий, с точки зрения «здоровья» моллюсков, является загрязнение этих акваторий и мягких тканей моллюсков именно данными металлами.

The purpose of this work was to conduct a comparative bioelectronic diagnostics of the ecological state (health) of the ecosystems of the water areas of the Kama River (near Naberezhnye Chelny) with different levels of anthropogenic load, based on estimates of the adaptive capacity (health) of the mollusks living there. The health of an ecosystem is understood as the state when it is stable and able to provide resources for humans (ecosystem services). Such an ecosystem is able to maintain its structure (organization) and functioning, have high productivity and maintain stability under external stress. The object of study in this work is the recreational waters of the Kama River within the city of Naberezhnye Chelny. The subject of the study was a comparative assessment of the adaptive capabilities (health) of the local molluscs Unio pictorum using a bioelectronic system for non-invasive recording of their heart rate (HR), the use of which does not stress the animal, without disturbing its functional state, and allows continuous measurements of the mollusk's heart rate for a long time, including in the real conditions of its habitat in the wild. The health of mollusks was assessed by non-invasive measurement of their heart rate characteristics during testing according to the method of functional loading developed at the St. Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences (SPC RAS), Scientific Research Center for Ecological Safety RAS. At the same time, as a biomarker of the state of the mollusk, the recovery time of heart rate - Trec is used, after the removal of a short-term stressful functional load within the tolerance of the species. Based on the measured values of biomarkers Trec of mollusks, an assessment of the ecological status of water areas was carried out. “High” status was at station 1 (right bank of the Kama River), “Good” – at stations 2 (beginning of the city) and 4 (city beach), and “Mediocre” – at station 3 (storm water discharge) and 5 (behind the hydroelectric dam (v. Betki)). In addition, the analysis of sediments and soft tissues of mollusks for the content of heavy metals (Fe, Cd, Mn, Cu, Sn, Pb, Zn) was carried out. In the water area of station 5, excess concentrations of Mn and Pb were recorded relative to the regional standard for the background content of HM in bottom sediments of surface water bodies of the Republic of Tatarstan. Based on a comparative analysis of the concentrations of heavy metals in the soft tissues of mollusks and in bottom sediments taken in the studied water areas, a significant excess of the concentration of Mn, Pb and Fe was found in those recreational water areas of the city of Naberezhnye Chelny, in which the lowest ecological status of water areas was observed, estimated by the biomarker Treс of molluscs. This, apparently, suggests that the most likely reason for the “mediocre” ecological status of these water areas, in terms of the “health” of mollusks, is the contamination of these water areas and soft tissues of mollusks with precisely these metals.