Способ биологической индикации ранних климатических и других экологических изменений морских экосистем Российский патент 2020 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к экологии и охране окружающей среды, а именно к способу оценки направления изменения экосистем морских акваторий.

Последствия изменений климата в Северном Ледовитом Океане имеют глобальное значение, но своевременное обнаружение их многолетних трендов известными методами проблематично, идет с большим опозданием.

Известен способ биологического мониторинга состояния экосистем акватории бухты Козьмина с использованием в качестве тест-объектов морских гидробионтов (патент РФ на изобретение №2670208), культивируемых на плантации акватории, и/или гидробионтов, обитающих на естественных поселениях акватории, с различной периодичностью. Для этого в качестве гидробионтов используют приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, серого морского ежа Strongylocentrotus intermedius, черного морского ежа Mesocentrotus nudus или меропланктон. После отбора проб тканей культивируемого приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis проводят гистоморфологический их анализ и определяют содержание липофусцина в клетках ткани, при этом размер гранул липофусцина должен составлять от 1 до 3 мкм, конгломератов не более 12 мкм, а занимаемая площадь не более 0,1% от площади гистологического среза. Также определяют размеры приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, культивируемого на плантации в акватории бухты, или приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis, обитающего на естественных поселениях, и сравнивают полученные данные с нормативными показателями или сравнивают с нормативными показателями, которые формируют на основе средних показателей за 3-10 лет для особей, обитающих на естественных поселениях. Кроме того, определяют массу и размеры серых морских ежей Strongylocentrotus intermedius или черных морских ежей Mesocentrotus nudus или проводят определение количественного состава меропланктона и сравнивают с нормативными показателями, которые формируют на основе средних показателей за 3-10 лет. При изменении количественных, размерных и половозрастных показателей морских гидробионтов по сравнению с нормативными показателями делают вывод о влиянии источников загрязнения на состояние морских экосистем и об экологическом состоянии акватории бухты Козьмина.

Известен способ биологического мониторинга на основе биоиндикации (патент РФ на изобретение №2357243). 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. Биомониторинг осуществляется непрерывно посредством многоуровневой биоиндикации, с использованием нескольких уровней организации биологических систем и измерением индикаторных параметров с различной дискретностью. При этом результаты оперативной биоиндикации по физиологическим и поведенческим реакциям организма в природных условиях характеризуют изменения состояния среды в интервале от 1 часа до 6 месяцев, краткосрочной биоиндикации - по параметрам популяций отдельных видов - характеризуют диапазон от 0,5 года до 3 лет, многолетней биоиндикации на уровне сообществ оценивают изменения с интервалом 3 и более лет. Оценка изменений среды осуществляется путем сравнения с фоновыми и референтными трендами индикаторных параметров.

Недостатком известных методов биомониторинга является ограниченность их действия: оценка только антропогенных изменений среды и/или возможность отследить хронические изменения водной среды только с опозданием на 3-5 и более лет, и ориентировочный характер результатов. Изменения климата, тем более ранние, этими методами не отслеживаются.

Биоиндикация считается надежным инструментом быстрого получения информации об экологически значимых изменениях окружающей среды. Реакция вида-биоиндикатора климата является наиболее оперативной и заметной, т.к. этот вид сильнее, чем другие, зависим от колебаний климата.

Заявляемый способ биологической индикации ранних климатических и других многолетних изменений морских экосистем, как и известные, предусматривает наблюдение (съемку, фиксацию) гидробионтов, обитающих в естественных поселениях акватории, установление их численности, биомассы, границ (площадь) распределения, определение на их основе трендов изменения индикаторных биологических параметров в градиенте природных факторов среды обитания.

Технической проблемой изобретения является разработка технологии раннего обнаружения трендов изменения экосистем под влиянием климата.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в выявлении ранних климатических и других экологически значимых изменений морских экосистем.

Технический результат достигается тем, что в качестве биоиндикаторов используют гидробионтов, постоянно обитающих в условиях краевых биотопов. Выявляют краевой биотоп, где с периодичностью 1 раз в 6 месяцев осуществляют съемку гидробионтов, преимущественно эпибионтов, установление их численности, биомассы и площади распределения, а также измерение параметров среды - температуры и солености; выявляют изменения путем сравнения с результатами предыдущих измерений, определяют тренды изменения индикаторных биологических параметров в экстремальном градиенте (экоклине) природных факторов краевого биотопа, определяют ранние климатические или другие экологические изменения среды в соответствии с направлением и скоростью изменений краевой популяции вида. В качестве гидробионтов может быть использована эстуарная популяция усоногих раков-балянусов Semibalanus balanoides, обитающая в зонах критических соленостей.

Предлагаемая технология предусматривает использование в качестве биоиндикаторов только гидробионтов, постоянно обитающих в условиях краевых биотопов. Оптимальный выбор биотопа является ноу-хау авторов.

В качестве видов-биоиндикаторов климата эффективны эстуарные популяции доминантных сессильных эпибионтов донной фауны и флоры.

Экоклин рассматривается как пространственная постепенная смена природных сообществ или изменение параметров обилия отельных популяций (животных и растений), приспособленных к локальной среде обитания, вдоль градиента изменения какого-то отдельного фактора среды. Экотон относится к пространственной смене сообществ и популяций в комплексном градиенте природных факторов.

Авторами впервые установлено, что в экстремальных градиентах краевых биотопов давление условий среды достигает максимума, делая организмы намного чувствительнее к изменениям экологических факторов.

Таким образом, заявляемый способ основан на том, что если локальная популяция находится в экстремальных условиях краевого биотопа, под сильным давлением нескольких лимитирующих факторов, ее реакция на изменения внешней среды многократно сильнее и быстрее, чем у популяций в оптимальных условиях. В результате биоиндикация на основе мониторинга локальных краевых популяций позволяет обнаруживать как многолетние, так и краткосрочные (от 6 месяцев) последствия изменений среды.

Для индикации климатических изменений основное внимание, уделяется популяции вида-биоиндикатора климата, которая сильнее и быстрее, чем популяции других гидробионтов реагирует на изменения условий как водной, так и воздушной среды.

Действие данного механизма биоиндикации ранних изменений климата показано на примере краевой популяции усоногих раков-балянусов Semibalanus balanoides, обитающих в Кольском заливе Баренцева моря.

Чем резче градиенты факторов и сильнее экоклин и экотон, тем больший стресс испытывают организмы и тем меньше видов способно выжить в условиях сильных градиентов. Обычно крайне толерантные литоральные виды, такие как Semibalanus balanoides, находятся в экотонах краевых биотопов в очень уязвимом положении из-за экстремально сильного давления факторов среды.

Поэтому в условиях критической солености эстуарных зон малейшие изменения лимитирующих факторов немедленно отзываются на параметрах обилия и распределении организмов. Например, даже незначительное уменьшение средней солености на 1-2%о уже имеет значение и немедленно отражается в изменении численности балянусов, вплоть до их полной гибели на отдельных участках. На литорали, в условиях двойного «пресса» факторов среды, - пониженной солености воды и осушения, критическим также становится даже небольшое, на первый взгляд, увеличение времени экспозиции балянусов на воздухе (на 20-40 мин), безопасное для них на обычной морской литорали.

Таким образом, в градиентах краевых биотопов литорали давление условий среды достигает максимума, делая организмы намного чувствительнее даже к незначительным, для оптимальных условий, изменениям экологических факторов, например, температуры, солености.

В качестве видов-биоиндикаторов климата наиболее эффективно использовать сессильные организмы - эпибионты, живущие на поверхности литорального грунта, камней, которые наименее защищены от воздействия внешних условий и подвергаются прямому атмосферному воздействию в период отлива. Для Баренцева и Белого морей такими биоиндикаторами являются усоногие раки-балянусы Semibalanus balanoides - эпибионты, хорошо заметные на литорали, обитающие повсеместно, в том числе, в зонах критических соленостей.

Мониторинг популяций других донных организмов литорали (моллюсков, ракообразных, червей-полихет, местных рыб, водорослей) по одному-двум доминирующим факторам в экоклине краевых биотопов, также способен выявить потенциальных биоиндикаторов экологических изменений среды, климатических, в том числе.

Предлагаемое техническое решение осуществимо, что подтверждается ниже приведенными сведениями и иллюстрируется с помощью фигур.

На фиг. 1 приведен экоклин численности усоногих раков S. balanoides в поселениях среднего (серые столбцы) и нижнего (черные) горизонтов эстуарной литорали р. Тулома по градиенту солености от 2 (разрез 3) до 6%о (разрез 7, м. Еловый) на поверхности в отлив.

На фиг. 2. отражены многолетние изменения численности балянусов S. balanoides и солености воды на поверхности (урез) и в поселениях рачков (в ручьях) краевого биотопа эстуарной литорали кута Кольского залива.

На примере популяции эпибионтных литоральных ракообразных -балянусов S. balanoides эстуарной литорали р. Тулома западного (левого) берега кута Кольского залива был апробирован способ выявления ранних климатических изменений при помощи биоиндикации. Были выполнены многолетние исследования (2003-2018 гг.) на большом материале: более 420 измерений солености и 739 численности за 87 съемок, направленные на поиск методов обнаружения ранних экологических изменений морской среды, в том числе, вызванных глобальным потеплением.

Путем сравнительного анализа изменений популяции по показателям обилия и площади (границ) скоплений рачков установлено, что как специфически узкое распределение балянусов и обитание их только в руслах литоральных ручьев (стоках литоральных вод), так и их градуальное распределение в экоклине краевого биотопа определяются, в первую очередь, градиентом солености воды, близкой к критической (фиг. 1).

Было обнаружено, что с 2007 по 2018 гг. происходило неуклонное уменьшение численности балянусов, при этом наблюдалось постепенное возрастание солености на литорали (фиг. 2). Установлено, что соленость литоральных вод возрастала вследствие закономерного увеличения испарения при потеплении климата и, соответственно, постепенного осолонения литорального грунта в периоды его осушения (во время полусуточных отливов). Численность балянусов за несколько лет значительно упала, в том числе, из-за периодического увеличения продолжительности опреснения в весенне-летнее время при увеличении объемов стока р. Туломы в отдельные годы климатических колебаний 2007-2018 гг.

В 2007-2008 гг.произошло резкое падение численности вплоть до полного исчезновения рачков на ближних к реке разрезах участка. По полученным данным это совпало с аномальным увеличением мощности (объема и продолжительности) стока р. Тулома в весенне-летний период 2007-2008 гг. После этого средняя численность балянусов несколько лет оставалась на пониженном уровне, испытывая небольшие колебания на фоне общей тенденции к дальнейшему снижению. Устойчивое сокращение краевой популяции стало явным после 2013 г. и особенно заметным после 2015 г., уже без видимых признаков восстановления.

Таким образом, влияние климата на популяцию вида-биоиндикатора было комплексным: возрастание нагрева и испарения на литорали с одной стороны и увеличение амплитуды колебаний речного стока и его мощности с другой.

Снижение численности S. balanoides после 2004 г. и возрастание гибели балянусов (взрослых и спата) на эстуарной литорали с 2007 по 2018 гг. вполне адекватны тренду глобального потепления и происходят вследствие значительного изменения комплекса факторов среды, аномального для данной краевой популяции. В типично морских литоральных биотопах Мурмана уменьшение численности балянусов не наблюдалось (таблица). Хотя в морских биотопах литорали и сублиторали климатические изменения также идут, но они незаметны или недостоверны на ранних стадиях, и станут очевидны на более поздних стадиях изменения климата.

Следовательно, краевую популяцию S. balanoides, находящуюся в условиях критической солености воды, можно считать биоиндикатором ранних климатических изменений. Значительное изменение численности балянусов было заметно только в краевом биотопе эстуария. В условиях нормальной солености морские популяции балянусов не изменились или выросли.

Поэтому ранняя биоиндикация изменений климата возможна и осуществима только на основе мониторинга краевых популяций сообществ литорали.

Динамика популяции усоногих раков S. balanoides в условиях краевого биотопа свидетельствует о продолжающемся потеплении климата последние 10 лет. При этом по данным биоиндикации, изменение климата идет не равномерно, а с колебаниями-скачками - ступенчато, после каждого скачка в 2-3 года следует период «отката» или стабилизации на новом уровне, затем снова следует скачек и т.д. Данные колебания численности подтверждают, что если тренд потепления климата изменится в сторону похолодания, то краевая популяция вида-биоиндикатора отреагирует соответственно, ее площадь и численность начнут быстро увеличиваться.

Реакция балянусов эстуарного краевого биотопа на изменение климата достоверно определяется с оперативностью от 6 месяцев до 1-3 лет, что уникально по скорости, и конечно, намного быстрее реакций, как морских популяций вида, так и сублиторальных донных сообществ.

Важно отметить, что если в условиях нормальной солености реакция популяции на небольшие колебания лимитирующих факторов (температуры, солености, осушения) малозаметна в течение нескольких лет, то в условиях эстуарной литорали и, особенно, в условиях критической солености, рачки, находясь на грани выживания, реагируют на изменения факторов намного быстрее, чем в морских популяциях.

Анализ полученных результатов показал, что в условиях экоклина и экотона краевых биотопов зависимость организма от факторов внешней среды многократно возрастает.

Предлагаемый способ обеспечивает возможность выявления ранних климатических и других экологических изменений морских экосистем.

Изобретение относится к способу биологической индикации ранних климатических изменений морских экосистем. Способ биологической индикации ранних климатических изменений морских экосистем заключается в наблюдении за гидробионтами, а именно за эстуарной популяцией усоногих раков-балянусов Semibalanus balanoides, постоянно обитающих в условиях краевых биотопов, при этом выявляют краевой биотоп и с периодичностью 1 раз в 6 месяцев осуществляют учет их численности, биомассы и площади распределения, а также измеряют параметры среды - температуры и солености; выявляют изменения путем сравнения с результатами предыдущих наблюдений, определяют тренды изменения индикаторных биологических параметров в экстремальном градиенте природных факторов, после определяют ранние климатические и другие экологические изменения экосистем с оперативностью от 6 месяцев до 1-3 лет в соответствии с направлением и скоростью изменений краевой популяции вида. Вышеописанный способ позволяет выявить ранние климатические и другие экологические изменения морских экосистем. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ биологической индикации ранних климатических изменений морских экосистем, предусматривающий наблюдение гидробионтов, обитающих на естественных поселениях акватории, установление их численности, биомассы, границ распределения, определение на их основе трендов изменения индикаторных биологических параметров в градиенте природных факторов среды обитания, отличающийся тем, что в качестве биоиндикаторов используют эстуарную популяцию усоногих раков-балянусов Semibalanus balanoides, постоянно обитающих в условиях краевых биотопов, при этом выявляют краевой биотоп, с периодичностью 1 раз в 6 месяцев осуществляют наблюдение гидробионтов, обитающих в условиях краевых биотопов, установление их численности, биомассы и площади распределения, а также измерение параметров среды - температуры и солености; выявляют изменения путем сравнения с результатами предыдущих наблюдений, определяют тренды изменения индикаторных биологических параметров в экстремальном градиенте природных факторов, определяют ранние климатические и другие экологические изменения экосистем с оперативностью от 6 месяцев до 1-3 лет в соответствии с направлением и скоростью изменений краевой популяции вида.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что биологическую индикацию на основе биомониторинга проводят в зонах критических соленостей.