Анализ потенциала ГИС-технологий в оценке экологических факторов маляриогенности территорий Волгоградской области

Полный текст

Введение. Волгоградская область имеет благоприятные климатические условия для формирования двукрылых насекомых семейства Culicidae. Эпидемически значимыми представителями этого семейства являются малярийные комары рода Anopheles (виды An. messea Fall, An. maculinnis, An. atroparvis, An. claviger и An. hyrcanus Pall), способные переносить возбудителей различных заболеваний, в частности, малярии [1; 2]. Высокое многолетнее значение средней температуры лета (+27,7°С) в регионе выступает благоприятным условием для развития как мезотремофильных, так и политермофильных видов комаров [3; 4]. Время завершения спорогонии малярийного плазмодия (Plasmodium spp.) в теле комара при таких условиях составляет 27-37 суток [5; 6]. Существенное количество временных и постоянных эвтрофицированных водоемов в западной части области способствует распространению комаров на протяжении всего теплого времени года, обуславливая наличие эпидемических рисков подъема спорадической заболеваемости малярией [7].

В Волгоградской области ежегодно проводится мониторинг популяций комаров рода Anopheles. На территории региона выделяются три зоны, обладающие маляриогенным потенциалом: северная (г. Камышин), центральная (г. Волгоград) и южная (г. Котельниково). Традиционно к показателям, влияющим на коэффициент маляриогенности (Qy), относят как социальные, так и экологические факторы: плотность популяции комаров p. Anopheles, восприимчивых к заражению возбудителем малярии, вероятность и частота контакта населения с комарами, наличие подходящих водоемов, температура и влажность воздуха, обеспечивающая завершение процесса спорогонии в теле комара [8]. Значение Qy на уровне 1,0 является пороговым, при подъеме данного показателя свыше 1,0 создаются условия, благоприятные для возникновения эпидемий. Для Волгоградской области коэффициент маляриогенности составляет 1,06, что обуславливает необходимость регулярного экологического мониторинга рисков диссеминации малярийного плазмодия [9].

Таким образом, целью настоящей работы является изучение потенциала ГИС-технологий в оценке влияния экологических факторов на санитарно-эпидемиологическую ситуацию, связанную с распространением малярийного плазмодия.

Материалы и методы. Производилась оценка динамики водного режима на территории трех маляриогенных зон Волгоградской области в период 2018-2020 гг. с использованием ГИС-анализа карт, полученных со спутника Landsat 8 (картографическая база данных EarthExplorer) в программном пакете QGIS v3.24. Для уменьшения степени погрешности для исследования отбирались только снимки с показателем CloudCover менее 20%.

В работе использовался нормализованный разностный водный индекс MNDWI, рассчитанный для трех маляриогенных зон в период вылета генераций комаров в исследуемом регионе: северной (г. Камышин), центральной (Волгоградская агломерация) и южной (г. Котельниково). Данные о количестве личинок и имаго комаров p. Anopheles, а также периодах вылета генераций насекомых были получены на основе анализа ежегодных отчетов управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Волгоградской области (табл. 1) [10]. Водный индекс применялся для мониторинга количества водоемов, пригодных для завершения жизненного цикла комаров рода Anopheles.

Показатель MNDWI (Modified Normalized Difference Water Index) использовался для определения объектов открытых водных пространств и их выделения на спутниковом снимке на фоне почвы и растительности. MNDWI представляет собой улучшенных индекс, разработанный для улучшения анализа характеристик ландшафта, связанных с наличием поверхностных вод [11]. Выбор в пользу MNDWI был сделан на основе того, что при его расчете используется зеленый (Green) и коротковолновый инфракрасный (SWIR) диапазоны спектра.  Более популярный в геоинформационных исследованиях индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) основан на ближней инфракрасной и красной области спектра (NIR-Red индекс). Однако чистая вода не отражает Red, а в мутных эвтрофицированных водоемах отсутствует отражение в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) и за его пределами [12]. Таким образом, модифицированный Green-SWIR индекс наилучшим образом отвечает цели исследовании и позволяет избежать погрешностей, связанных с водой, содержащейся в растительном покрове.

 

Таблица 1. Даты вылета генераций комаров в Волгоградской области

Год	Дата вылета	Камышин (северная зона)	Волгоград (центральная зона)	Котельниково (южная зона)
2018	Дата вылета первой генерации	07.06.2018	10.05.2018	10.05.2018
	Дата исследуемого снимка Landsat-8	13.07.2018	26.05.2018	17.05.2018
2019	Дата вылета первой генерации	02.06.2019	08.06.2019	08.09.2019
	Дата исследуемого снимка Landsat-8	05.06.2019	14.06.2019	16.09.2019
2020	Дата вылета первой генерации	10.05.2020	09.05.2020	09.05.2020
	Дата исследуемого снимка Landsat-8	16.06.2020	31.05.2020	13.05.2020

 

Для исследования влияния экологических факторов на диссеминацию возбудителя малярии в Волгоградской области показатель MNDWI в программном пакете QGIS рассчитывался по формуле: MNDWI = (Green – SWIR) / (Green + SWIR).

Результаты и обсуждение. Программная обработка спутниковых снимков Landsat-8 позволила сформировать растровые изображения исследуемых зон с цветовым распределением показателя влажности территории. Значения, полученные в результате расчетов нормализованного разностного водного индекса MNDWI, находится в диапазоне от -1 до 1. Как правило, значение MNDWI водоемов превышает 0,2, растительность имеет гораздо меньшие значения, что позволяет легко отличить растительный покров от водоемов. Засушливые территории на картах носят отрицательные значения [13]. В настоящем исследовании для индекса MNDWI фильтры в программном пакете QGIS настраивались на основе учета диапазона этих значений, что позволило выделить водные объекты, пригодные для завершения жизненного цикла переносчиков малярии. На подобранных изображениях присутствовали небольшие области, покрытые облачной дымкой (в диапазоне CloudCover 10-20%), при дешифрировании которых проявлялись ошибки. При формировании итоговых растров эти области отбраковывались и не были включены в исследуемую территорию. Итоговая общая площадь проанализированных зон, представленная на рисунке, составила 1737,545 км². На картах области, залитые оранжевым цветом, соответствуют минимальным показателям влажности, зеленые – максимальным, водные объекты отмечены на картах синим и темно-зеленым маркером (рис.).

 

Рис. Растровые карты трех зон распространенности комаров рода Anopheles с цветовой характеристикой индекса MNDWI

 

На территории Волгоградской области удельный вес общей инфекционной и паразитарной заболеваемости в исследуемом периоде времени (/P₁₀₀₀₀₀) имеет следующие значения: в 2018 г. процентный вклад впервые зарегистрированных заболеваний составил 8%, в 2019 г. наблюдалось снижение на 4%, в 2020 г. этот показатель увеличился на 4% и вновь составил 8%. По данным надзорных органов, в регионе ежегодно регистрируется от 1 до 2 случаев малярии, что вызывает настороженность в отношении роста уровня спорадической заболеваемости по данной нозологии. За 3 сезона было отмечено 6 полных спорогонических циклов плазмодия в малярийных комарах [10].

Повышение среднегодовой температуры воздуха способствует увеличению количества теплых эвтрофицированных водоемов, благоприятных для завершения жизненного цикла комаров, потенциально способных переносить возбудителей малярии, а также повышению степени их синантропизации [14-16]. С использованием данных дистанционного зондирования, которые являются первичными источниками для анализа экологических процессов в локальном или глобальном масштабе, мы обнаружили изменения показателей водного индекса в период 2018-2020 гг. В таблице 2 представлены результаты интегральной оценки маляриогенных зон Волгоградской области. Приведены значения MNDWI, при которых пиксель с наибольшей вероятностью связан с водным объектом (mean), а также показатели среднего/максимального количества личинок и имаго комаров рода Anopheles (табл. 2).

 

Таблица 2. Интегральная характеристика маляриогенных зон Волгоградской области

Годы	Маляриогенные зоны Волгоградской области
	Камышин (северная зона)			Волгоград (центральная зона)			Котельниково (южная зона)
	Личинки/Имаго		MNDWI (mean)	Личинки/Имаго		MNDWI (mean)	Личинки/Имаго		MNDWI (mean)
	Сред.	Макс.		Сред.	Макс.		Сред.	Макс.
2018	44/2	384/16	-0,176	1/8	32/36	-0,152	61/59	354/144	-0,215
2019	148/16	544/446	-0,166	30/9	224/448	-0,168	207/20	576/121	-0,197
2020	47/485	480/485	-0,171	52/22	301/728	-0,126	52/22	301/728	-0,158

 

Общая динамика mean для камышинского (северного) региона демонстрирует тенденцию к росту водного индекса с -0,176 до -0,171 в двухлетнем диапазоне. Аналогичные показатели MNDWI для волгоградского (центрального) и котельниковского (южного) очагов маляриогенности также имели положительную динамику в период с 2018 по 2020 годы. Модифицированный нормализованный водный индекс для них увеличился соответственно с -0,152 до -0,126 и с -0,215 до -0,158 соответственно за два года. Согласно данным, представленным в ежегодных отчетах Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Волгоградской области, усредненные и максимальные данные о количестве личинок и имаго комаров рода Anopheles имели неоднозначную динамику. Лишь в центральной маляриогенной зоне в период с 2018 по 2020 год наблюдался устойчивый рост как личиночных форм насекомых, так и имаго, тогда как максимальное количество имаго увеличивалось на всех трех территориях. В северной и южной зонах наибольшие значения отмечены для генераций 2019 года.  Этот феномен может быть объяснен различиями в экологических условиях формирования трех различных популяций комаров [17].

Значительная часть территории центральной зоны расположена в Прикаспийской синеклизе и подвержена влиянию климатических процессов, способствующих общей многолетней аридизации региона. Северная и южная популяции развиваются в неоднородных абиотических условиях, характерных для Ергенинской (южной) и Приволжской (северной) антиклиз [18].

Для проверки наличия взаимосвязи между количеством поверхностных вод и численностью комаров-переносчиков малярии был произведен непараметрический анализ методом парной корреляции Пирсона. Статистическая обработка двух выборок выявила наличие прямой связи между изменением как среднего, так и максимального количества насекомых и динамикой значений индекса MNDWI в северной и центральной зонах (табл. 3).

Расчет коэффициента корреляции Пирсона для изучаемой территории обнаружил наличие высокой тесноты прямой связи между показателем индекса MNDWI и максимальным количеством личинок/имаго в камышинском регионе (0,994/0,833). Для Волгограда сила корреляционной связи находилась в области средних (заметных) величин, за исключением среднего значения для имаго, где связь была сильной (0,904). В Котельниково зависимость между периодами засухи и числом личинок носила обратно пропорциональный характер, за исключением максимального количества имаго (0,943), что может быть объяснено малым значением выборки итогового вылета насекомых и погрешностью измерений, обусловленных логикой методики исследования количества личиночных форм в природных водоемах. Потенциальная достоверность результатов исследования могла быть повышена в случае предоставления надзорными органами данных о количественных характеристиках популяций комаров рода Anopheles в виде значений на уровне верхней границы 95% доверительного интервала (ДИ). Биологический смысл данного статистического метода позволяет уменьшить дисперсию при анализе малых выборок в непараметрическом анализе показателей, связанных с оценкой экологических параметров на неоднородной территории [19].

 

Таблица 3. Коэффициенты корреляционной связи между количеством комаров  и значениями индекса MNDWI

Маляриогенная зона	Личинки		Имаго
	Среднее	Максимальное	Среднее	Максимальное
Камышин (северная зона)	0,872	0,994	0,038	0,833
Волгоград (центральная зона)	0,556	0,415	0,904	0,531
Котельниково (южная зона)	-0,266	-0,389	-0,706	0,943

 

Выводы: 1. Волгоградская область характеризуется благоприятными температурными условиями, способствующими завершению жизненного цикла малярийных комаров рода Anopheles и успешной спорогонии малярийного плазмодия. В период с 2018 по 2020 наблюдался рост максимального количества имаго насекомых-переносчиков возбудителя малярии в трех эндемических зонах: камышинской (северной), волгоградской (центральном) и котельниковской (южной). Аномально теплая осень 2020 г. продлила сезон активности имаго, обусловив резкий рост популяции в данном сезоне.

2. Оценка взаимосвязи между значениями индекса MNDWI и показателями количества комаров рода Anopheles выявила наличие прямой корреляционной связи явной и высокой степени тесноты для всех популяционных показателей в центральной и северной маляриогенной зоне. Для южной зоны наблюдаются наличие отрицательных корреляционных связей в виду ландшафтной неоднородности Ергенинской возвышенности и наличия высокого числа изолированных водоемов, вносящих погрешности в методику отбора проб на установление популяционного статуса комаров-переносчиков возбудителя малярии. Изменение статистических подходов (использование в качестве метода 95% ДИ вместо медианного значения выборки) в представлении информации о количестве личинок и имаго комаров потенциально способно решить проблему с неопределенностью данных о популяционном статусе исследуемой энтемофауны.

Об авторах

Денис Сергеевич Новиков

Волгоградский государственный медицинский университет

Email: dennov89@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2886-5431
Россия, Волгоград

Виктор Викторович Коломыцев

Волгоградский государственный медицинский университет

Email: Viktor.k000@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3595-2023
Россия, Волгоград

Виктория Вадимовна Лебедева

Волгоградский государственный медицинский университет

Email: domaved@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2767-6636
Россия, Волгоград

Илья Сергеевич Чмулёв

Магаданский научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Автор, ответственный за переписку.
Email: chmulev01.08.89@mail.ru
Россия, Магадан

Список литературы

Дополнительные файлы