OKRZEMKI BENTOSOWE RZEKI PILICY Bogusław Szulc Katedra Algologii i Mikologii, Uniwersytet Łódzki 1 WPROWADZENIE Woda od zawsze stanowiła jeden z głównych czynników stymulujących rozwój cywilizacji. Bez niej życie jest niemożliwe, a jej całkowity brak prowadził do upadku niejednej kultury. Obecnie każdego roku na świecie zrzucanych jest około 450 km 3 ścieków do śródlądowych wód powierzchniowych. Szacuje się że blisko 90% ścieków odprowadzanych do wód w krajach rozwijających się nie podlega żadnemu procesowi oczyszczania [16]. Źródła zanieczyszczeń wody mogą mieć charakter zarówno punktowy, jak i obszarowy. Zanieczyszczenia punktowe są stosunkowo łatwe do zlokalizowania, co umożliwia podjęcie skutecznych działań w celu ograniczenia ich dopływu oraz wprowadzenia lepszych metod ochrony wód. Znacznie trudniej jest zlokalizować i wyeliminować źródła zanieczyszczeń obszarowych. Około 70% zanieczyszczeń tego typu pochodzi z rolnictwa. To właśnie z obszarów rolnych do wód gruntowych przedostają się największe ilości związków azotowych i fosforowych, przyczyniając się do wzrostu eutrofizacji wód powierzchniowych. W związku z tym, iż zanieczyszczenia wód wpływają w sposób negatywny na organizmy wodne, wzrosło zainteresowanie metodami biologicznymi wykorzystującymi interakcje zachodzące pomiędzy zanieczyszczeniami a organizmami wodnymi. Bowiem metody biologicznej oceny jakości wód oparte są na przeświadczeniu, iż kondycja życiowa organizmów żywych jest nieodłącznie związana z warunkami, jakie panują w danym ekosystemie. Zatem jeśli poznamy przejawy życia, możliwe będzie również określenie warunków, jakie panują w badanym ekosystemie wodnym [12]. Po raz pierwszy na okrzemki jako organizmy wskaźnikowe zwrócono uwagę w 1870 roku, kiedy to Cohn zaliczył je do glonów charakterystycznych dla wód czystych. Również twórcy systemu saprobów Kolkwitz i Marsson (1908) zainteresowali się okrzemkami i zaliczyli je do organizmów wskaźnikowych występujących w wodach od α-mezosaprobowych do β-mezosaprobowych. Wraz z rozwojem wiedzy na temat wartości bioindykacyjnych okrzemek zaczęto wprowadzać systemy klasyfikujące poszczególne gatunki względem różnych czynników fizykochemicznych. Na tej podstawie stworzono spektra ekologiczne określające takie cechy środowiska wodnego, jak: temperatura [1, 5], zasolenie [5, 13], odczyn wody (ph) [1, 4, 6], natlenienie [4], prąd wody [4], koncentracje mineralnych składników pokarmowych [30]. W konsekwencji rozwinięcia metod oceny jakości wody opartych na zbiorowiskach okrzemek zaczęto konstruować formuły matematyczne, z których powstały indeksy okrzemkowe wykorzystywane dziś w większości krajów Unii Europejskiej do oceny jakości wody. Właściwości okrzemek zostały również docenione przez twórców Ramowej Dyrektywy Wodnej 2000/60/WE [25]. Zakłada ona bowiem wprowadzenie biologicznej oceny jakości wody opartej na czterech grupach organizmów, takich jak: ryby, makrobezkręgowce wodne, makrofity i glony. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z 20 sierpnia 2008 roku (Dz.U. z 2008 r. Nr 162 poz. 1008) [2] jednym z elementów biologicznych wykorzystywanych do 257
oceny jakości wody w Polsce są okrzemki bentosowe. Celem niniejszej pracy była identyfikacja zbiorowisk okrzemek bentosowych, wyodrębnienie gatunków dominujących, subdominujących oraz ocena wpływu Zbiornika Sulejowskiego na te zbiorowiska. 2 TERAN BADAŃ Badaniami objęta była rzeka Pilica, która jest najdłuższym lewobrzeżnym dopływem Wisły o długości 342 km (rys. 1), zlokalizowana w Polsce centralnej, a obszar dorzecza Pilicy wynosi 9245 km 2. Rzeka ta ma charakter przejściowy pomiędzy wyżynnym a nizinnym. Ponad połowa powierzchni dorzecza leży powyżej 200 m n.p.m. Występują tu znaczne spadki wód, duża liczba górskich i podgórskich gatunków roślin oraz wyższa niż na nizinach suma opadów. Swój początek Pilica bierze z dwu źródeł krasowych na wysokości 350 m n.p.m, znajdujących we wsi Wola Końcikowa [24]. W środkowym odcinku rzeki Pilicy na 139,0 km jej biegu w 1973 roku w wyniku spiętrzenia wód tamą w miejscowości Smardzewice powstał Zbiornik Sulejowski, który do 2004 roku był źródłem wody pitnej dla miasta Łodzi. Poniżej Zbiornika Sulejowskiego rzeka Pilica płynie przez tereny uprzemysłowione i zurbanizowane. W miejscowości Mniszewie Pilica wpływa do Wisły na 457,0 km jej biegu i wysokości 96 m.n.p.m (rys. 1). Badania prowadzono w środkowym odcinku rzeki Pilicy o długości 98 km, na którym to wyznaczono 7 stanowisk poboru prób (tabela 1, rys. 2). Tabela 1. Stanowiska poboru prób. Numer stanowiska Miejscowość km biegu rzeki 1 Wymysłów 209,0 2 Przedbórz 201,2 3 Sulejów 159,8 4 Bronisławów 142,8 5 Smardzewice 136,3 6 Spała 119,4 7 Inowłódz 111,1 Rys. 2. Rozmieszczenie stanowisk poboru prób. Stanowiska zostały zlokalizowane zarówno powyżej, jak i poniżej większych dopływów, tak by można było przeanalizować ich wpływ na zbiorowiska okrzemek rzeki Pilicy. 3 MATERIAŁ I METODY Rys. 1. Położenie rzeki Pilicy. Próby zbierano na wyznaczonych stanowiskach przez okres 24 miesięcy, od października 2005 do września 2007 r., w comiesięcznych odstępach czasu. Zebrany materiał został poddany działaniu mieszaniny kwasów siarkowego i chromowego (1ml H 2 SO 4 i 2 ml H 2 CrO 4 ) w stosunku 1 do 2 przez około 72 godziny. Następnie wyprażone próby były płukane wodą destylowaną i wirowane do uzyskania odczynu obojętnego. W ten sposób uzyskano biały osad, w skład którego 258 www.statsoft.pl/czytelnia.html Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych IV StatSoft Polska 2012
wchodziły wyłącznie puste pancerzyki okrzemek. Z tak otrzymanego materiału wykonano preparaty stałe zatopione w sztucznej żywicy Naphrax o współczynniku załamania światła R.I=1,73. Stosując tę metodykę, wykonano łącznie 157 preparatów stałych, które w dalszym etapie posłużyły do analizy okrzemkowej. W preparatach stałych zliczano kolejnych 400 okryw, na podstawie których wyodrębniono gatunki dominujące (>5%), subdominujące (2-5%) [1, 27]. Posługując się V-stopniową skalą Brauna- Blanqueta, określono stałość występowania poszczególnych gatunków [27]. gatunki stałe; 81 100% prób (V klasa), gatunki częste; 61 80% prób (IV klasa), gatunki średnio częste; 41 60% prób (III klasa), gatunki niezbyt częste; 21 40% prób (II klasa), gatunki sporadyczne; 1 20% prób (I klasa). Indentyfikację taksonomiczną okrzemek przeprowadzono na podstawie specjalistycznych kluczy [17, 18, 19, 20, 21, 22]. W celu zaobserwowania różnic w liczbie oznaczanych taksonów w próbach na poszczególnych stanowiskach posłużono się testem ANOVA rang Kruskala-Wallisa (p<0,05) [33]. Wszystkie analizy statystyczne przeprowadzono za pomocą programu STATISTICA. 4 WYNIKI W trakcie badań zebrano łącznie 157 prób mikrobentosu, w których oznaczono 378 taksonów okrzemek, spośród których 4,2% należało do okrzemek centrycznych, a pozostała część 95,8% do pierzastych. Wśród okrzemek centrycznych zidentyfikowano 16 gatunków (9 rodzajów), zaś pozostałe 362 gatunki należały do okrzemek pierzastych (65 rodzajów). Najliczniej reprezentowanymi rodzajami były Navicula (51 gatunków), Nitszchia (31 gatunków), Fragilaria (19 gatunków), Surirella (17 gatunków), Cymbella (16 gatunków), Pinnularia (16 gatunków) i Gomphonema (13 gatunków). Pozostałe rodzaje były reprezentowane przez mniejszą liczbę gatunków. Poszczególne stanowiska poboru prób różniły się znacznie pod względem składu gatunkowego. W próbach pochodzących ze stanowisk położonych powyżej zbiornika identyfikowano znacznie większą liczbę taksonów niż na stanowiskach położonych poniżej zbiornika zaporowego (rys. 3). Największą liczbę taksonów (242) odnotowano na stanowisku 3 w Sulejowie, zaś najniższą liczbę taksonów zanotowano na stanowisku 5 w Smardzewicach - 195 taksonów okrzemek. Liczba gatatunków 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 1 2 3 4 5 6 7 Stanowiska Mediana 25%-75% Min-Maks Rys. 3. Liczba oznaczanych taksonów w próbach na poszczególnych stanowiskach. Do gatunków dominujących, które wystąpiły na wszystkich stanowiskach, zaliczono 5 taksonów: Cocconeis placentula var. lineata, Cocconeis placentula var. placentula, Melosira varians, Planothidium frequentissimum, Staurosira pinnata. Analizując stałość występowania poszczególnych gatunków, z 378 zidentyfikowanych taksonów wyodrębniono 23 taksony, które zaliczono do stałych, i 19, które zaliczono do częstych. Wśród gatunków stałych znalazły się takie jak: Achnanthidium minutissimum, Amphora ovalis, Amphora pediculus, Aulacoseira granulata, Cocconeis neodiminuta, Cocconeis pediculus, Cocconeis placentula var. lineata, Cocconeis placentula var. placentula, Gomphonema parvulum var. parvulum f. parvulum, Hippodonta capitata, Melosira varians, Navicula capitatoradiata, Navicula reichardtiana var. Reinchardtiana, Navicula tripunctata, Nitzschia palea, Planothidium frequentissimum, Planothidium rostratum, Pseudostaurosira brevistriata, Staurosira construens, Staurosira pinnata, Stephanodiscus hantzschii, Ulnaria ulna. Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych IV StatSoft Polska 2012 www.statsoft.pl/czytelnia.html 259
Do gatunków częstych zaliczono: Achnantheiopsis delicatula, Cyclotella meneghiniana, Cymatopleura elliptica var. elliptica, Cymatopleura solea var. solea, Diatoma vulgaris, Encyonema silesiacum, Fragilaria capucina var. vaucheriae, Gomphonema olivaceum var. livaceum, Karayevia clevei, Meridion circulare var. circulare, Navicula cryptocephala, Navicula gregaria, Navicula novaesiberica, Navicula radiosa, Navicula reinhardtii, Nitzschia frustulum var. frustulum, Planothidium lanceolatum, Sellaphora pupula, Staurosira construens var. binodis. 5 DYSKUSJA W badaniach, które były prowadzone we wcześniejszych latach na rzece Pilicy przez Kadłubowską [9], zidentyfikowano 354 taksony okrzemek. Wówczas badaniami objęty był odcinek rzeki o długości 270 km, od źródeł do miejscowości Tomczyce wraz z 6 jej dopływami [7]. W późniejszych badaniach prowadzonych przez Kalinowską-Kucharską i Ligowskiego [11], które obejmowały odcinek rzeki Pilicy od miejscowości Koniecpol do Tomaszowa Mazowieckiego, zidentyfikowano 197 taksonów okrzemek [11]. Należy jednak podkreślić, iż w badaniach tych wykorzystane zostały próby fitoplanktonowe, które bywają znacznie uboższe od zbiorowisk okrzemek bentosowych. Pod względem bogactwa gatunkowego rzeka Pilica nie wyróżnia się w istotny sposób od innych nizinnych rzek. Podobną liczbę taksonów odnotowywano w takich rzekach jak: Grabia 358 [29], Biała Przemsza, Bobrówka 384 [23], Rawka 346 [26], Luciąża wraz z dopływami 357 [10] oraz Bzura 290 [31]. Największą liczbę taksonów odnotowano na stanowisku 3, w Sulejowie, które położone jest powyżej Zbiornika Sulejowskiego. W miesiącach wiosennych notowano największą liczbę gatunków, która wahała się od 93 do 104. Najniższą liczbę 47 gatunków odnotowano w styczniu. Spośród zidentyfikowanych gatunków na tym stanowisku 23 zaliczono do dominantów. W badaniach prowadzonych pod koniec lat pięćdziesiątych na tym stanowisku zidentyfikowano 64 gatunki jesienią i 14 wiosną, a do gatunków dominujących zaliczono tylko 5 taksonów [9]. Na pozostałych dwóch stanowiskach położonych powyżej zbiornika zaporowego zidentyfikowano odpowiednio 236 gatunków w Wymysłowie i 221 w Przedborzu. W kwietniu 2006 roku na stanowisku w Przedborzu oznaczono 101 taksonów, a w październiku tego samego roku zidentyfikowano 105 taksonów. Do gatunków dominujących zaliczono 19 taksonów. Podczas badań prowadzonych przez Kadłubowską [9] w Przedborzu zidentyfikowano jesienią 80 gatunków okrzemek, zaś wiosną 35 i tylko 4 gatunki okrzemek zaliczono do dominantów [7]. W badaniach prowadzonych w latach 1971 i 1972 na tym stanowisku zidentyfikowano 94 taksony okrzemek, które pochodziły z prób planktonowych [11]. Najniższą liczbę oznaczonych taksonów odnotowano na stanowisku 5 w Smardzewicach, położonym bezpośrednio poniżej Zbiornika Sulejowskiego. Tak duży spadek liczby oznaczanych taksonów spowodowany jest negatywnym oddziaływaniem zbiornika zaporowego na zbiorowiska okrzemek, tym samym potwierdza się teoria mówiąca o wpływie zbiorników zaporowych na organizmy żywe oraz na jakość wody [3]. Na pozostałych dwóch stanowiskach położonych poniżej zbiornika widać wyraźnie, iż liczba taksonów okrzemek wzrasta wraz z biegiem rzeki i na stanowisku 6 w Spale osiąga poziom 222 taksonów, a na stanowisku 7 w Inowłodzu 217 taksonów. Średnia liczba oznaczonych taksonów wiosną na stanowisku w Inowłodzu wyniosła 80, zaś jesienią 67 taksonów. W badaniach prowadzonych w latach 1957 i 1958 na stanowisku w Inowłodzu wiosną odnotowano 29 gatunków, a jesienią 74 [9]. Widać wyraźnie, iż wraz z biegiem rzeki zbiorowiska okrzemek zaczynają się odnawiać, by osiągnąć poziom podobny do tego sprzed zbiornika. Wszystkie oznaczone taksony okrzemek w rzece Pilicy są gatunkami typowymi dla wód płynących, charakteryzującymi się kosmopolitycznym występowaniem [7, 10, 29, 31]. Analizując również stałość występowania poszczególnych gatunków, wyodrębniono 23 taksony, które zaliczono do stałych, i 19, które zaliczono do częstych. W badaniach prowadzonych przez Kalinowską-Kucharską i Ligowskiego [11] do gatunków stale występujących w rzece Pilicy zaliczono tylko trzy taksony: 260 www.statsoft.pl/czytelnia.html Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych IV StatSoft Polska 2012
Amphora ovalis, Cocconeis placentula var. placentula oraz Melosira varians. Gatunki, które zostały zaliczone do stałych i częstych, są odnotowywane w innych rzekach polskich [7, 8, 9, 11, 26, 27, 28, 32, 34] oraz świata [15]. Różnice w liczbie oznaczonych taksonów rzeki Pilicy w poszczególnych latach mogą być spowodowane poprawą jakości wody, wynikającą z budowy nowoczesnych oczyszczalni ścieków, jak również poprawą warunków fizykochemicznych. Zaobserwowano również znaczne różnice w liczbie gatunków dominujących. We wcześniejszych badaniach do gatunków dominujących zaliczano średnio 5 taksonów, obecnie liczba ta zwiększyła się kilkakrotnie i waha się od 15 do 31 taksonów. W badaniach prowadzonych pod koniec lat pięćdziesiątych [7, 8, 9] wśród gatunków dominujących pojawiały się głównie taksony tolerancyjne na zanieczyszczenia organiczne, zaś w badaniach z lat 2005-2007 notowano w przeważającej większości gatunki wrażliwe, co także może świadczyć o znacznej poprawie jakości wody w rzece Pilicy. Badania były finansowane w ramach dwóch projektów: Grupa Regionalnego Rozwoju Innowacyjnego Doktoranci Akronim: GRRI-D w 2007 r. oraz grantu promotorskiego finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr NN304 173335. LITERATURA 1) Cholnoky B.J. 1968. Die Ökologie der Diatomeen in Binnengewässern, J. Cramer Verlag, 699. 2) Dziennik Ustaw z 2008 r. Nr 162 poz. 1008. 3) Galicka W. 1996. Limnologiczna charakterystyka nizinnego zbiornika zaporowego na Pilicy w latach 1981-1993, Rozprawa habilitacyjna, Katedra Ekologii i Zoologii Kręgowców UŁ: 126. 4) Hustedt F. 1937-1939. Systematische und ökologische Untersuchungen über die Diatomeen-Flora von Jawa, bali und Sumatra, Archiv für Hydrobiologie, Suppl., 15, 638-798, 16, 274-394. 5) Hustedt F. 1956. Kieselalgen (Diatomeen). Einführung in die Kleinlebewelt, Franksche Verlagsh., Stuttgart, 70. 6) Hustedt F. 1957. Die Diatomeenflora des Fluss-Systems der Weser im Gebiet der Hansestadt Bremen. Abh. Naturw. Ver. Bremen 34, 181-440. 7) Kadłubowska J.Z. 1964a. Okrzemki rzeki Pilicy i ich znaczenie w ocenie czystości wody, Łódź. Tow. Nauk., Łódź, 97, 61. 8) Kadłubowska J.Z. 1964b. Okrzemki rzeki Pilicy i ich znaczenie w ocenie czystości wody, II, Zesz. Nauk. UŁ, ser. 2, (16), 93-150. 9) Kadłubowska J.Z. 1964c. Okrzemki rzeki Pilicy i ich znaczenie w ocenie czystości wody, Wyd. UŁ, 1-32. 10) Kalinowska-Kucharska E. 1984. Okrzemki rzeki Luciąży. Acta Univ. Lodz., Folia bot., 3, 343-346. 11) Kalinowska-Kucharska E., Ligowski R. 1976. Glony dorzecza Pilicy na odcinku Koniecpol-Tomaszów Mazowiecki. Zesz. Nauk. Uniw. Łódź., ser. 2, (2), 207-240. 12) Kawecka B., Eloranta P.V. 1994. Zarys ekologii glonów słodkowodnych i środowisk lądowych, PWN, Warszawa, 256. 13) Kolbe R.W. 1927. Ökologie, Morphologie und Systematik der Brackwasser-Diatomeen, Pflanzenforschung, 7, 146. 14) Kolbe R.W., 1932, Grundlinien einer allgemeinen Ökologie der Diatomeen, Ergebnisse Biol., 8, 221-348. 15) Komulaynen S. 2004. Experience of using phytoperiphyton monitoringin urban watercourses, Oceanological and Hydrobiological Studies, 33 (1), 65-76. 16) Kowalczak P. 2007. Konflikty o wodę. Wydawnictwo Kurpisz S.A., Przeźmierowo, 480. 17) Krammer K., Lange-Bertalot H. 1986. Süßwasserflora von Mitteleuropa, Bacillariophyceae, VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, Stuttgart 2/1, 876. 18) Krammer K., Lange-Bertalot H. 1988. Süßwasserflora von Mitteleuropa, Bacillariophyceae, VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, Stuttgart 2/2, 569. 19) Krammer K., Lange-Bertalot H. 1991a. Süßwasserflora von Mitteleuropa, Bacillariophyceae, VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, Stuttgart 2/3, 576. 20) Krammer K., Lange-Bertalot H. 1991b. Süßwasserflora von Mitteleuropa, Bacillariophyceae, VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, Stuttgart 2/4, 437. 21) Lange-Bertalot H. 2001. Navicula sensu stricte, 10 Genera Separated from Navicula sensu lato, Frustulia. W: H. Lange-Bertalot (ed.) Diatoms of Europe. A.R.G. Ganther Verlag K.G.: 526. 22) Lange-Bertalot H. 2004. Annotated Diatom Micrographs. Iconographia Diatomologica 13. A.R.G. Gantner Verlag K. G.: 480. 23) Ligowski R. 1991. Frequency of sessile algae in the River Bobrówka and in ponds fed by water from this ricer (Central Poland). Acta Univ. Lodz., Folia limnol., 4: 141-186. 24) Olaczek R., Tranda E. 1990. Z biegiem Pilicy, Wiedza Powszechna, Warszawa, 285 ss. 25) Ramowa Dyrektywa Wodna, 2000/60/EC (RDW). 26) Rakowska B. 2000. Qualitative assessment of water in the Rawka River (Central Poland) using communities of benthic diatoms, Algological Studies, 82, 103-116. 27) Rakowska B. 2001. Studium różnorodności okrzemek ekosystemów wodnych Polski niżowej, Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź, 77. 28) Rakowska B. 2004. Benthic diatoms in polluted river sections of Central Poland, Oceanological and Hydrobiological Studies, 33, (1), 11-21. 29) Sekulska-Nalewajko J. 2001. Gatunkowa i ekologiczna różnorodność zbiorowisk okrzemek oraz biomasa glonów w poszczególnych siedliskach w rzece Grabi, praca doktorska napisana w Katedrze Zoologii Bezkręgowców i Hydrobiologii, Uniwersytet Łódzki, Łódź, 182. 30) Sparling J.H., Nalewajko C. 1970. Chemical composition and phytoplankton of lakes in southern Ontario, Journal of Fishery Resources Board Can., 27, 1405-1428. 31) Szczepocka E. 2008. Okrzemki bentosowe w ocenie jakości wody rzeki Bzury na tle jej renaturyzacji, praca Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych IV StatSoft Polska 2012 www.statsoft.pl/czytelnia.html 261
doktorska wykonana w Katedrze Algologii i Mikologii, Uniwersytet Łódzki, Łódź, 240. 32) Szczepocka E., Szulc B. 2009. The use of benthic diatoms in estimating water quality of variously polluted rivers, Oceanological and Hydrobiological Studies, 38, (1), 17-26. 33) Zar J. H. 1984. Biostatistical Analysis. Englewood Cliffs, New Jersey, Prentice-Hall, Inc. 34) Zgrundo A. 2004. Ocena wpływu potoków na stan środowiska w przybrzeżnej strefie Zatoki Gdańskiej na podstawie analizy okrzemkowej. Praca doktorska. Instytut Oceanografii, Zakład Funkcjonowania Ekosystemów Morskich. Pracownia Bioindykacji Środowisk Morskich. Gdynia: 167. 262 www.statsoft.pl/czytelnia.html Zastosowania metod statystycznych w badaniach naukowych IV StatSoft Polska 2012