Różnorodność gatunkowa i autekologia okrzemek w ekosystemach wodnych pochodzenia antropogenicznego

Abstract

Okrzemki (Bacillariophyta) od pierwszej połowy XX wieku są wykorzystywane jako organizmy bioindykacyjne w ocenie jakości wód powierzchniowych. Rozwój technik analiz mikroskopowych oraz badań w dziedzinie genetyki sprawił, że liczba opisywanych nowych gatunków tej grupy glonów w ostatnich latach szybko wzrasta. Prace taksonomiczne, w których opisywany jest nowy takson nie zawsze zawierają informację o jego autekologii. Takie dane pozyskiwane są dopiero wtedy, gdy takson ten jest notowany w innych ekosystemach, w różnych regionach świata. Ważnym zagadnieniem związanym z prawidłową i rzetelną oceną jakości wód powierzchniowych jest konieczność opisywania nowych taksonów wraz z ich autekologią oraz stałego aktualizowania danych dotyczących zakresów tolerancji wobec warunków środowiska wodnego okrzemek wykorzystywanych w naukowych podstawach biomonitoringu. Program OMNIDIA jest jednym z głównych narzędzi wykorzystywanych do oceny jakości wód powierzchniowych. W swojej bazie danych program ten zawiera informacje o ponad 24 tysiącach gatunków okrzemek wraz z przypisanymi im ekologicznymi wartościami wskaźnikowymi, które są wykorzystywane podczas wyliczania indeksów okrzemkowych. Jednym z głównych systemów klasyfikacji ekologicznej stanowiącym część bazy danych programu OMNIDIA jest system Van Dama i współautorów z 1994 roku. System ten klasyfikuje taksony okrzemek w odniesieniu do siedmiu cech opisujących warunki środowiska wodnego. Pomimo, iż w ostatnich latach wielu autorów opisując nowe gatunki podaje również informacje o ich autekologii, dane te nie są na bieżąco aktualizowane w bazie OMNIDIA. Z tego powodu ocena stanu środowiska wodnego wykonana za pomocą tego programu może być obarczona błędem. Dlatego niezbędna jest wielowątkowa analiza autekologii okrzemek na podstawie której będzie można przypisywać lub ustanawiać nowe ekologiczne wartości wskaźnikowe dla okrzemek wykorzystywanych w ocenia jakości środowiska wodnego. Ekosystemy wodne pochodzenia antropogenicznego, które powstały w wyniku eksploatacji kopalin mineralnych charakteryzują się specyficznymi oraz unikalnymi warunkami środowiskowymi. Panujące w nich warunki hydrogeochemiczne kształtują zbiorowiska okrzemek nie występujące w innych, naturalnego pochodzenia, ekosystemach wód powierzchniowych. Dlatego też, stanowią one doskonałe obiekty badań autekologii oraz taksonomii tej grupy glonów. Zbiorowiska okrzemek występujące w zbiornikach poeksploatacyjnych badane były dotychczas w celu prześledzenia zmian klimatycznych zachodzących w czasie lub określenia różnorodności gatunkowej. Badania zbiorowisk okrzemek takich ekosystemów dają możliwości weryfikacji lub ustanowienia nowych ekologicznych wartości wskaźnikowych gatunkom dla nich charakterystycznym. W celu zbadania różnorodności, zmienności międzygatunkowej i wewnątrzgatunkowej okrzemek, oraz ich autekologii wytypowano trzy obiekty hydrologiczne powstałe w wyniku działalności człowieka. Każdy z badanych obiektów wyróżniał się innymi warunkami środowiskowymi: kompleks hydrologiczny Pełczyska charakteryzował się wysokim stężeniem jonów chlorkowych oraz wysokim przewodnictwem elektrolitycznym wody; kompleks zbiorników w Łęczycy charakteryzował się wysokim odczynem wody oraz najniższym stężeniem jonów wodorowęglanowych; natomiast zbiornik Bogdałów charakteryzował się alkaicznym odczynem wody oraz najniższym stężenie jonów K+, Cl– i NH4+. Zasadniczą częścią badań było (1) zbadanie zmienności wewnątrzgatunkowej i międzygatunkowej oraz (2) zbadanie autekologii okrzemek występujących w zbiornikach wodnych powstałych w wyniku górniczej działalności człowieka. W tym celu poddano analizie 62 próby okrzemkowe z wyznaczonych obiektów hydrologicznych i 31 prób wody w celu analizy parametrów fizycznych i chemicznych. Kompleks hydrologiczny Pełczyska poddany był dodatkowej analizie mającej na celu określenie zmian w strukturze zbiorowisk okrzemek w okresie 50 lat z wykorzystaniem prób archiwalnych. W pracy zastosowano następujące analizy matematyczne: analiza MDS, nMDS, HCA, Shade Plot, SIMPER oraz PCA. Do opracowania wyników analiz struktury zbiorowisk okrzemek oraz danych o parametrach fizycznych i chemicznych wykorzystano programy PRIMER 7.0.13 i STATISTICA 13. Autekologia okrzemek została opracowana na podstawie danych z programu OMNIDIA 6.0.6. Szczegółowa analiza zbiorowisk okrzemek oraz danych chemicznych wody kompleksu hydrologicznego Pełczyska wykazała, iż w okresie 50 lat wraz ze spadającym stężeniem jonów chlorkowych zmieniła się struktura zbiorowisk okrzemek. Ponadto odnotowano w nim gatunki okrzemek typowe dla wód brakicznych i morskich. Zaproponowano rozszerzenie skali zasolenia, z 4 do 7 stopniowej, wykorzystywanej w programie OMNIDIA oraz ustalenie nowych ekologicznych wartości wskaźnikowych związanych z zasoleniem wody dla wybranych gatunków okrzemek: Halamphora tenerrima, Parlibellus crucicula, Staurophora salina, Halamphora dominici, H. subsalina, Achnanthes brevipes, Navicula perminuta i Opephora mutabilis. Analiza zmienności międzygatunkowej w badanych ekosystemach, z wykorzystaniem technik mikroskopii świetlnej oraz skaningowej mikroskopie elektronowej, wykazała zróżnicowanie w budowie morfologicznej Discostella woltereckii oraz D. stelligera oraz potwierdziła występowanie obu gatunków w jednym środowisku. Dane te wzbogaciły wiedze o autekologii tych gatunków oraz zweryfikowały negatywnie informację o tym, iż cechą różnicująco oba gatunki jest środowisko, w którym występują. Szeroka zmienności wewnątrzgatunkowa obserwowana w strukturze zbiorowisk okrzemek w badanych ekosystemach umożliwiła szczegółową analizę zmienności morfologicznej wybranych gatunków. Na podstawie szczegółowych obserwacji budowy morfologicznej okazów z materiału typowego oraz wybranych populacji gatunków okrzemek opisano dwa nowe dla nauki gatunki: Chamaepinnularia plinskii Żelazna-Wieczorek & Olszyński z kompleksu hydrologicznego Pełczyska oraz Aulacoseira pseudomuzzanensis Olszyński & Żelazna-Wieczorek z kompleksu zbiorników w Łęczycy. Specyficzne warunki środowiskowe panujące w badanych obiektach hydrologicznych umożliwiły zbadanie autekologii zbiorowisk okrzemek w nich występujących. Z 381 taksonów odnotowanych w wytypowanych do badań obiektach hydrologicznych wskazano 38 gatunków dla nich charakterystycznych. Wykorzystując wielowątkowe podejście w celu weryfikacji autekologii gatunków charakterystycznych obejmujące analizę warunków środowiskowych panujących w badanym ekosystemie, analizę ekologii gatunków w oparciu o piśmiennictwo oraz określenie warunków środowiskowych na podstawie znanej już autekologii gatunków współwystępujących, dla 16 taksonów okrzemek charakterystycznych ustanowiono lub zmieniono 36 ekologicznych wartości wskaźnikowych w klasyfikacji Van Dama i współautorów.