Экологические аспекты аккумуляции ртути гидробионтами байкало-ан

На правах рукописи

Пастухов Михаил Владимирович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

АККУМУЛЯЦИИ РТУТИ ГИДРОБИОНТАМИ

БАЙКАЛО-АНГАРСКОЙ ВОДНОЙ СИСТЕМЫ

03.02.08 – Экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Иркутск – 2012

Работа выполнена в ФГБУН Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН

и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор

Стом Дэвард Иосифович

Доктор биологических наук, профессор

Матвеев Аркадий Николаевич

Доктор биологических наук, профессор

Пыжьянов Сергей Владимирович

Доктор биологических наук, профессор

Зилов Евгений Анатольевич

Ведущая организация: Национальный исследовательский Томский государственный университет

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.074.07 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет», по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5; Байкальский музей им. М.М. Кожова (ауд. 219)

Отзывы просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Карла Маркса, 1, биолого-почвенный факультет ИГУ.

Тел./факс: (3952) 241855; e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Автореферат разослан 21 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.б.н., доцент Приставка А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В эпоху техногенеза особенно остро встает проблема загрязнения окружающей среды, связанная с эмиссией различного рода поллютантов. Среди последних особое место занимает ртуть, обладающая чрезвычайно широким спектром и разнообразием токсического воздействия на биоту и накапливающаяся в пищевых цепях гидробионтов преимущественно в наиболее токсичной метилированной форме (Сухенко, 1995; Кузубова и др., 2000; Wood, 1974; WHO, 1990; Lucotte et al., 1999; Boening, 2000). Результатам исследований содержания и распределения ртути в абиотических и биотических компонентах пресноводных водоемов в последние два десятилетия посвящено большое количество публикаций (Леонова 2006; Пономаренко, 2006; Cizdziel et al., 2003; Hope, Rubin, 2005; Chen, Folt, 2005 и др.). Однако и в настоящее время многие проблемы, касающиеся внутренних и внешних факторов, влияющих на процессы миграции, аккумуляции и трансформации ртути в гидробионтах различных трофических уровней, остаются недостаточно изученными.

Уникальной природной лабораторией для исследования поведения ртути в гидросфере является единая Байкало-Ангарская водная система, включающая в себя как естественный водоем – оз. Байкал, так и искусственные водохранилища – Иркутское и Братское, созданные на реке Ангаре. Байкал – древнейшее и глубочайшее озеро планеты, с эндемичным животным и растительным миром. Относительно простые трофические связи в пелагической пищевой цепи Байкала, конечным звеном которой является млекопитающее – нерпа, позволяют рассматривать этот водоём как наглядную систему для изучения природных процессов миграции и биоаккумуляции ртути в незагрязнённой водной среде. Напротив, Братское водохранилище, одно из крупнейших водохранилищ мира, подвержено значительному техногенному загрязнению. Техногенное ртутное загрязнение Братского водохранилища является одной из серьезных экологических проблем региона (Коваль и др., 1999, 2004, 2008; Руш и др., 2007). По своим масштабам оно сопоставимо с наиболее «громкими» случаями подобного рода в мире (Коваль и др., 2004). Исследование особенностей переноса и аккумуляции ртути гидробионтами различных трофических уровней в техногенно измененных условиях представляется особо актуальным для решения многих задач охраны окружающей среды и мониторинга ртутного загрязнения.

Цель исследований: изучить особенности и выявить закономерности распределения, аккумуляции и миграции ртути в гидробионтах различных трофических уровней водоемов с природной и техногенно измененной средой обитания.

Задачи исследований:

1. Провести комплексные мониторинговые работы для определения содержания ртути в биотических и абиотических компонентах экосистем Братского, Иркутского водохранилищ и оз. Байкал. Сформировать базу данных по полученным материалам за период с 1998 по 2009 гг.

2. Оценить пространственно-временную динамику распределения ртути в биоте Братского водохранилища, выявить абиотические и биотические факторы, влияющие на накопление ртути гидробионтами.

3. Исследовать уровни биоаккумуляции и биомагнификации ртути в пищевых цепях Братского, Иркутского водохранилищ и оз. Байкал, установить закономерности распределения ртути в организмах рыб различных трофических статусов и байкальских тюленей.

Научная новизна и теоретическая значимость. Впервые приведены обобщенные результаты анализа ртутного загрязнения экосистемы Братского водохранилища, полученные в процессе мониторинговых наблюдений в период снижения техногенной эмиссии ртути (1998-2009 гг.). Определены уровни биоаккумуляции и биомагнификации общей ртути в пищевых цепях гидробионтов водоемов Байкало-Ангарской водной системы, в различной степени подверженных техногенному загрязнению. Выявлены абиотические и биотические факторы, влияющие на накопление ртути гидробионтами различных трофических уровней Байкало-Ангарской водной системы. Получены данные по распределению ртути в организмах рыб и байкальских тюленей в зависимости от физиологических особенностей их органов и тканей. Впервые для гидробионтов Братского водохранилища и оз. Байкал определены уровни накопления метилированной и неорганической ртути. Показана зависимость аккумуляции ртути гидробионтами от процентного содержания ее форм в объектах питания. Проведенные исследования аккумуляции, миграции и распределения ртути в пищевых цепях гидробионтов различных по техногенной нагрузке водоемов, предоставляют новую информацию для изучения биогеохимических циклов этого элемента.

Практическая значимость. Полученные в ходе мониторинговых работ данные по ртутному загрязнению компонентов экосистемы Братского водохранилища были представлены в Государственных докладах о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области за 2006-2011 гг. Составлены карты риска вылова загрязненной ртутью рыбы Братского водохранилища, которые переданы в Администрацию Иркутской области и Ангаро-Байкальское ТУ Росрыболовства. Результаты исследований были использованы при выполнении Государственного контракта «Демеркуризация цеха ртутного электролиза в г. Усолье-Сибирское Иркутской области» и при разработке Программы комплексного социально-экономического развития г. Иркутска на 2008-2020 гг. в разделе «Охрана окружающей среды и экономическая безопасность, экологическая политика». В 2007 г. получен акт внедрения материалов исследований по теме «Микроэлементы, тяжелые металлы, стойкие органические загрязнители в окружающей среде и их влияние на здоровье жителей г. Иркутска». Материалы по многолетним исследованиям ртутного загрязнения экосистемы Братского водохранилища в период снижения техногенной эмиссии ртути могут быть использованы для прогнозной оценки динамики загрязнения других водных экосистем.

Защищаемые положения:

1. Снижение техногенной эмиссии ртути в Братское водохранилище (1998 г.) привело к уменьшению ее концентраций в гидробионтах Центральной и Нижней частей водоема. В Верхней части водохранилища, вследствие вторичного поступления ртути из донных осадков, в гидробионтах сохраняются концентрации ртути, превышающие фоновые и допустимые уровни.

2. В пелагической пищевой цепи оз. Байкал коэффициенты биомагнификации ртути на разных трофических уровнях значительно отличаются и зависят от соотношения ее форм в объектах питания гидробионтов. Основную роль в распределении и удалении ртути из организмов байкальских тюленей играют печень, почки и волосяной покров. Ртуть в печени байкальских нерп имеет наибольший коэффициент бионакопления по сравнению с другими химическими элементами.

3. В гидробионтах водоемов с различной степенью техногенной нагрузки (оз. Байкал, Иркутском и Братском водохранилищах) накопление ртути зависит от абиотических (геохимических и гидрологических показателей окружающей среды) и биотических (трофический уровень, линейно-весовые показатели, возраст, экологические и физиологические особенности гидробионтов) факторов.

Публикации. Основные положения работы изложены в 60 публикациях: 14 статей в российских и зарубежных журналах, из которых 11 входят в Перечень ВАК РФ, 1 глава в монографии, 7 Государственных докладов о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области и оз. Байкал, 39 материалов и тезисов конференций.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях различного уровня. Международные конф.: «Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем» (Санкт-Петербург, 2006), «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Минск-Нарочь, 2007), «Проблемы экологической геохимии в XXI веке» (Минск, 2008), «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов» (Пермь, 2009), «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов,2009), «Проблемы экологии в современном мире в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов, 2010), «Проблемы экологии. Чтения памяти профессора М. М. Кожова» (Иркутск, 2010), «Spectr’atom» (Pau (France), 2009), «Goldschmidt» (Davos, 2009; Prague, 2011), «Mercury as a Global Pollutant», (Guiyang (China), 2009; Halifax, Nova Scotia (Canada), 2011). Всероссийские науч. конф.: «Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды» (Иркутск, 2007), «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» (п. Борок, 2008) и др.

Личный вклад автора. Постановка целей и задач исследования, отбор проб, лабораторные исследования, биологический анализ, статистическая обработка, обобщение и интерпретация результатов были выполнены лично автором или при его непосредственном участии.

Работа выполнена в ФГБУН Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН в рамках проектов НИР, Проекта 13/9 Программы РАН 13, Интеграционного проекта СО РАН №122, гранта РФФИ 05-05-64626-а, Международного российско-французского проекта «MerLaBa» программы «Cytrix EC2CO».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 170 страницах машинописного текста, иллюстрирована 30 рисунками и содержит 18 таблиц. Список литературы включает 228 наименований, из которых 145 русскоязычных и 83 зарубежных.

Благодарности. Автор искренне благодарит д.б.н. Д.И. Стома и д.б.н. А.Н. Матвеева за ценные советы и поддержку, сотрудников ИГХ СО РАН неизменных участников многочисленных полевых исследований к.б.н. М.Г. Азовского и к.г.-м.н. В.И. Алиеву за помощь в отборе материала и обсуждение данной работы, аналитиков ИГХ СО РАН Л.Д. Андрулайтис и О.С. Рязанцеву, выполнивших большой объем определений ртути, сотрудников ЛИН СО РАН д.б.н. Г.И. Поповскую и к.б.н. Н.Г. Шевелеву за помощь в определении качественных и количественных характеристик планктона, зарубежных коллег: из Междисциплинарного Института Исследований Окружающей Среды и Материалов (Франция, По) – Ph.D. В.Н. Эпова, В. Перро, проф. О.Ф.К. Донара за совместные работы по изучению форм ртути; из Норвежского Университета Науки и Техники (Норвегия, Трондхайм) – Ph.D. Т. Чещельского за совместные исследования элементного состава байкальских гидробионтов. Особую признательность автор выражает инициатору и координатору данных исследований д.г.-м.н. П.В. Ковалю.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Свойства ртути и ее поведение в окружающей среде

В главе представлен обзор литературных данных по свойствам, особенностям миграции, распределения и трансформации ртути в окружающей среде.

Глава 2. Объекты исследования. Материалы и методы

2.1. Характеристика водоемов и объектов исследования

В разделе описаны климатические, гидрологические и гидрохимические условия оз. Байкал, Иркутского и Братского водохранилищ. Приведена краткая биологическая характеристика видов гидробионтов Байкало-Ангарской водной системы, рассматриваемых в данной работе.

2.2. Материалы и методы исследований

В работе рассматриваются водоемы Байкало-Ангарской водной системы: не подверженные ртутному загрязнению оз. Байкал, Иркутское водохранилище и техногенно загрязненное ртутью Братское водохранилище (рис. 1).

Отбор проб воды, донных осадков, а также фито- и зоопланктона, бентоса, водных растений и рыб проводился в 1998-2009 гг. преимущественно в летний период. Образцы органов и тканей байкальских тюленей, глубоководных рыб и амфипод отбирались в весенний период в 2000-2009 гг. За весь период исследований пробы абиотических и биотических компонентов Байкало-Ангарской водной системы отобраны на 185 станции, из них 68 станций по оз. Байкал, 15 – по Иркутскому водохранилищу, 7 – по р. Ангаре, 95 – по Братскому водохранилищу. Пробы воды для химического анализа отбирались батометром OceanTest Equipment, донных осадков – гравитационной трубкой ГОИН, планктона – сетью Джеди, бентоса – дночерпателем Петерсена, водных растений – тралами и кошками. Отлов рыб и нерпы ставными и сплавными сетями. Для оценки качественных и количественных показателей бентоса, фито- и зоопланктона дополнительно отбирались соответствующие пробы. Общий объем собранного и проанализированного материала составил: проб воды – 2150, донных отложений – 1130, взвешенного вещества – 54, общего планктона – 342, фитопланктона – 153, зоопланктона – 114, бентоса – 121, водных растений – 278, органов и тканей рыб – 8620 от 3854 особей, байкальских тюленей – 336 от 45 особей.

Рис. 1. Карта-схема района работ.

1 – границы водоемов; 2 – границы частей Братского водохранилища: I – Верхняя часть, II – Центральная часть, III – Нижняя часть, IV – Окинская часть.

Биологическая обработка проб проводилась по общепризнанным стандартным методикам – для планктона (Киселев, 1969, Кузьмин, 1975), для бентоса (Жадин, 1960; Методика …, 1975), для рыб (Чугунова, 1959; Правдин, 1966).

Определение общей ртути (THg) осуществляли атомно-абсорбционным методом на анализаторе ртути РА-915+, используя приставку РП-91. Для метрологического контроля качества анализа использовали стандартные образцы: (DOLT-2, DORM-2, DOLT-3, DORM-3, ВОк-2). Для определения форм ртути образцы гидробионтов были подвергнуты лиофильной сушке при -55° С. Концентрация метилртути (MeHg) и неорганической ртути (IHg) была определена путем микроволнового извлечения в последовательности ID-GC-ICP-MS и дериватизации водной фазы по ранее опубликованным методикам (Rodriguez et al., 2004; Monperrus et al., 2008). Определение концентраций микроэлементов проводилось методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ICP-MS ELEMENT 2.

Определение общей ртути в воде, донных осадках и биоте проводились в Аккредитованном Аналитическом Секторе ИГХ СО РАН (Иркутск), анализ форм ртути в гидробионтах и донных осадках проводился в Междисциплинарном Институте исследований Окружающей среде и Материалов (По, Франция).

Статистическая обработка полученных данных проводилась при помощи компьютерного пакета программы Statisticа 6.0. и Excel при уровне значимости p<0,01. Достоверность полученных результатов подтверждена межлабораторным контролем (ИГХ СО РАН (Россия), IPREM (Франция), NTNU (Норвегия)), статистической обработкой, использованием международных и российских стандартных образцов и большим объемом проанализированного материала.

Глава 3. Пространственно-временная динамика ртутного загрязнения Братского водохранилища

Ртутное загрязнение Братского водохранилища, основная часть которого связана с работой цехов ртутного электролиза на химических комбинатах «Усольехимпром» (26 лет работы) и «Саянскхимпласт» (20 лет), стало одной из серьезных экологических проблем региона. Суммарное поступление ртути в окружающую среду в связи с деятельностью этих предприятий превысило 3450 т, а поступление в реку Ангару – 88 т. Основная часть ртути, поступившей в р. Ангару (>76 т), приходится на долю комбината «Усольехимпром» (Коваль и др., 2003). Более трех четвертей этой ртути захоронено в донных отложениях Верхней части водохранилища. Среднее содержание ртути в донных отложениях в 30 раз и более превосходит соответствующий показатель фонового Иркутского водохранилища. Здесь же установлены наиболее высокие концентрации ртути в гидробионтах, причем, содержание ртути в рыбе в 30-80% улова превышает уровень предельно допустимых концентраций (ПДК). После прекращения ртутного электролиза (1998 г.) на «Усольехимпром» наметилась устойчивая тенденция снижения концентрации ртути в планктоне и рыбе Центральной и Нижней частей водоема. Однако главный участок загрязнения – Верхняя часть Братского водохранилища, по-прежнему, остается районом повышенной экологической опасности. Здесь отмечаются высокие концентрации ртути в поверхностных донных осадках (табл. 1), а ее содержание в средних слоях керна может достигать 7-8 мкг/г.

Таблица 1

Содержание общей ртути в компонентах

окружающей среды исследованных водоемов

ГодВода

мкг/лПоверхностный

слой донных осадков, мкг/гПланктон,

мкг/гКарась

мкг/гПлотва

мкг/гОкунь

мкг/гоз. Байкал

2005-20080,0009±0,0007

0,0005-0,00270,03±0,017

0,001-0,0640,003±0,0017

0,001-0,006–0,05±0,03

0,013-0,1580,08±0,058

0,0034-0,24Иркутское водохранилище

2005-20080,0021±0,0011

0,0005-0,00670,04±0,02

0,001-0,0540,007±0,0018

0,003-0,0090,02±0,0018

0,012-0,030,04±0,029

0,005-0,1370,05±0,038

0,0032-0,16Верхняя часть Братского водохранилища

1992-1996*0,0362,9±1,11

0,7-4,600,510

0,200-0,6501,0

0,08-4,21,4

1,0-1,52,5

0,9-6,019980,047±0,031

0,014-0,16001,5±0,85

0,2-5,0– 0,50±0,49

0,22-1,700,65±0,79

0,22-2,701,37±0,50

0,25-2,3319990,034±0,014

0,025-0,07001,8±1,38

0,35-5,0– –0,27±0,13

0,05-0,440,41±0,34

0,02-1,2520000,034±0,011

0,024-0,06002,5±1,15

0,5-5,0– –0,27±0,09

0,08-0,440,48±0,31

0,25-1,6020010,008±0,0133

<0,0025-0,0551,8±1,41

0,2-5,50– 0,15±0,028

0,125-0,2140,42±0,24

0,09-0,75–20020,0132±0,020

0,0014-0,0801,7±0,93

0,31-5,00,284±0,07

0,080-0,3602,10±0,17

0,80-3,00,56±0,51

0,19-2,5220030,0152±0,0388

0,0008-0,2501,6±1,24

0,20-3,800,720±0,52

0,160-1,2800,09±0,08

0,01-0,320,28±0,09

0,05-0,400,58±0,42

0,19-1,4020040,0039±0,0043

0,0019-0,0202,1±0,71

0,40-3,500,041±0,06

0,012-0,1880,19±0,13

0,08-0,530,24±0,15

0,11-0,750,57±0,42

0,11-1,4320050,0029±0,0023

0,0006-0,00911,0±0,50

0,12-2,140,149±0,06

0,074-0,2820,36±0,25

0,03-1,190,34±0,31

0,06-1,820,45±0,24

0,09-1,0820060,0034±0,0090

0,0005-0,05351,1±0,90

0,07-2,800,107±0,05

0,026-0,1690,21±0,14

0,005-0,610,39±0,16

0,05-3,280,78±0,22

0,12-2,6620070,0011±0,0008

<0,0005-0,00420,4±0,34

0,03-0,970,092±0,091

0,012-0,2800,25±0,15

0,01-0,720,38±0,11

0,01-1,320,71±0,17

0,009-1,9420080,0067±0,015

<0,0005-0,0960,37±0,27

0,02-1,180,238±0,223

0,040-0,7220,52±0,24

0,10-1,911,11±2,37

0,15-13,621,84±2,46

0,28-20,920090,0049±0,0114

<0,0005-0,0710,87±0,64

0,03-2,770,096±0,124

0,028-0,5160,31±0,15

0,03-0,620,28±0,10

0,15-0,650,49±0,27

0,21-1,34Нижняя часть Братского водохранилища

20030,0063±0,098

<0,0005-0,4250,9±0,63

0,02-2,050,122±0,126

0,016-0,4000,09±0,05

0,01-0,160,22±0,08

0,08-0,360,52±0,46

0,04-1,9020090,0014±0,0015

<0,0005-0,00640,26±0,15

0,04-0,550,036±0,017

0,015-0,0620,09±0,03

0,03-0,170,13±0,1

0,027-0,280,13±0,05

0,035-0,22Окинская часть Братского водохранилища

20060,0044±0,0039

0,0005-0,0150,16±0,146

0,002-0,450,091±0,047

0,017-0,1610,31±0,15

0,15-0,550,30±0,12

0,10-0,490,88±0,82

0,062-4,4420090,0007±0,0004

<0,0005-0,00230,10±0,07

0,04-0,270,043±0,027

0,02-0,090,07±0,007

0,062-0,0820,12±0,05

0,036-0,230,28±0,29

0,042-1,16ПДК0,01—0,30,30,6*1992-1993 гг. (Леонова и др., 2006); в числителе – среднее значение ± SD, в знаменателе – min-max

В настоящее время именно донные осадки становятся основным источником вторичного ртутного загрязнения экосистемы водохранилища. На верхнем участке водохранилища отмечены активно протекающие процессы сульфатредукции и повышенное поступление биодоступной органики в донные отложения (Коваль и др., 2008). Это при наличии в донных осадках более доступной для микроорганизмов сорбированной ртути должно стимулировать процесс микробиологического метилирования ртути, ее поступление в рыбу и пищевые цепи прибрежного населения. По нашим данным, порядка 86-97% ртути, содержащейся в рыбах Братского водохранилища, приходится на долю ее наиболее токсичной формы – монометилртути. Накопленные запасы ртути в донных отложениях Братского водохранилища и районах работы комбинатов «Саянскхимпласт» и «Усольехимпром» можно рассматривать как крупномасштабные экологические «мины замедленного действия». В Верхней части водоема, даже спустя 10-11 лет после резкого снижения техногенной эмиссии ртути, постоянно наблюдаются высокие концентрации ртути в планктоне, мышцах рыб (табл. 1), бентосе (от 0,03 до 0,4 мкг/г) и макрофитах (от 0,03 до 1,51 мкг/г).



Многолетние исследования ртутного загрязнения компонентов окружающей среды Братского водохранилища показали, что очищение его экосистемы от ртути, процесс растянутый во времени, на который влияют многие факторы, как природные, так и антропогенные. По нашим прогнозам, постепенное снижение концентраций ртути до безопасного уровня в компонентах окружающей среды Верхней части Братского водохранилища будет продолжаться еще не один десяток лет.

Глава 4. Влияние абиотических и биотических факторов на аккумуляцию ртути гидробионтами



Страницы: 1 | 2 | Весь текст