Экосистемый подход к оценке загрязнения реки амур токсичными эле


На правах рукописи

Голубева Евгения Михайловна

ЭКОСИСТЕМЫЙ ПОДХОДК ОЦЕНКЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ АМУРТОКСИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

03.02.08 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Хабаровск – 2012

Работа выполнена в лаборатории физико-химических методов исследования Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Кондратьева Любовь Михайловна

Официальные оппоненты: Никитина Людмила Ивановна

доктор биологических наук, профессор,

Дальневосточный государственный

университет путей сообщения,

заведующая кафедрой

Леонова Галина Александровна

доктор геолого-минералогических наук,

Институт геологии и минералогии

им. В.С. Соболева СО РАН,

старший научный сотрудник

Ведущая организация: Дальневосточный федеральный университет,

г. Владивосток

Защита состоится 14 мая 2012 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 005.019.01 при Институте водных и экологических проблем ДВО РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65.

Факс: (4212) 32-57-55

Тел. (4212) 70-42-93

e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института водных и экологических проблем ДВО РАН.

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук Н.А. Рябинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Загрязнение поверхностных вод токсичными элементами (ТЭ) остается одной из важнейших проблем современной экологии. Для сохранения устойчивости водных экосистем в условиях хронического антропогенного загрязнения необходим анализ не только содержания токсикантов, но и исследование процессов их аккумуляции и миграции в компонентах экосистем.

После поступления в водную экосистему токсичные элементы накапливаются в ее компонентах и могут вызывать риски вторичного загрязнения, что в конечном итоге приводит к неблагоприятным последствиям для жизнедеятельности биоты и нарушает устойчивость самой экосистемы (Даувальтер, 2008; Моисеенко, 2009; Яковлев и др., 2002). Биодоступные формы токсичных элементов оказывают прямое воздействие на живые организмы, которое может выражаться в виде мутагенных, канцерогенных, эмбриотоксических, гонадотоксических и других эффектов (Христофорова, 2006; Моисеенко, 2009; Ковековдова, 2011). Поступление токсикантов можно контролировать, но прогнозировать их распределение по компонентам водной экосистемы представляет значительные трудности.

Особенно остро проблема загрязнения ТЭ стоит перед реками с большой площадью водосбора, имеющими несколько крупных притоков. Например, для трансграничной реки Амур, наряду со специфическим природным поступлением токсичных элементов (Кот, 1994; Чудаева, 1996; Ивашов, Сиротский, 1998), характерна повышенная антропогенная нагрузка с сопредельных территорий Китая (Кондратьева и др., 2006; Клишко, 2007, 2008). Традиционно для оценки содержания ТЭ в воде, донных отложениях и рыбе р. Амур использовали геохимический и санитарно-гигиенический подходы, а уровень загрязнения ТЭ сравнивали с их содержанием в осадочных породах или с показателями ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения. Однако для адекватной оценки состояния водных экосистем необходим анализ не только содержания и аккумуляции ТЭ в абиотических и биотических компонентах, но и их участия в различных биохимических реакциях (Spry et al., 1991; McDonald et al., 2001; Немова, Высоцкая, 2004; Голованова, 2008; Заботкина и др., 2011) и процессах, происходящих в контактных зонах: вода – взвешенные вещества, вода – лед и вода – дно (Кондратьева, 2005). Особое внимание уделяется изучению процессов концентрирования токсичных элементов гидробионтами и их поступления в донные отложения через «биогенный канал» (Леонова, 2009).

Цель исследования: сравнить содержание токсичных элементов (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As) в абиотических (вода, донные отложения, лед), биотических (рыба, моллюски) компонентах и обосновать их участие в биогеохимических процессах в экосистеме реки Амур.

Задачи исследования:

Определить уровни содержания токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения и лед) и выявить особенности миграции железа и марганца на биогеохимическом барьере вода – дно в экосистеме р. Амур.

Сравнить уровни накопления токсичных элементов в различных гидробионтах (рыбы, моллюски) в зависимости от их местообитания, характера загрязнения водной среды и донных отложений.

Выявить приоритетные элементы, с которыми может быть связан риск вторичного загрязнения р. Амур в результате биогеохимических процессов.

Защищаемые положения:

Содержание токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения, лед) влияет на сезонное экологическое состояние водной экосистемы и определяет предпосылки ее вторичного загрязнения.

Гидробионты из различных местообитаний могут выступать индикаторами загрязнения водной среды конкретными токсичными элементами и отражать предпосылки изменения устойчивости водной экосистемы.

Экосистемный подход позволяет адекватно оценить состояние р. Амур, учитывая процессы аккумуляции и миграции токсичных элементов на биогеохимических барьерах.

Научная новизна. На примере экосистемы р. Амур обоснована необходимость экосистемного подхода в оценке ее загрязнения токсичными элементами (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd, Pb, Hg и As). Впервые проведен комплексный анализ сезонного содержания токсичных элементов в депонирующих абиотических и биотических компонентах р. Амур (лед, донные отложения, моллюски и рыба). Проведен сравнительный анализ накопления этих элементов в разных группах рыб за многолетний период (2002–2010 гг.) в зависимости от их местообитания. Показана роль биогеохимических процессов, происходящих в контактной зоне вода – дно, в формировании качества воды, и обоснованы сезонные предпосылки повышенного содержания железа и марганца в поверхностных водах р. Амур. Впервые показано, что в зимний период наиболее ярко раскрываются биогеохимические процессы, происходящие в контактных зонах вода – дно и вода – лед. Эти процессы определяют качество среды обитания гидробионтов различных трофических уровней за счет миграции, аккумуляции и изменения подвижности отдельных элементов.

Практическая значимость. Определение содержания ТЭ в отдельных компонентах водной экосистемы позволяет понять закономерности их распределения в условиях локального антропогенного воздействия.

В работе показана необходимость совершенствования экологического мониторинга, в который должны быть включены сезонные исследования содержания токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения, лед) и гидробионтах различных трофических уровней, поддерживающих стабильное состояние экосистемы р. Амур в целом.

Исследование процессов миграции железа и марганца в зимний период при поступлении подземных вод в речную систему позволяет прогнозировать «марганцевые аномалии», связанные с переходом марганца из нерастворенного в растворенное состояние на фоне высоких концентраций органических веществ.

Анализ последствий техногенной аварии в Китае и загрязнения различных компонентов р. Амур токсичными элементами могут найти применение при решении вопросов, связанных с контролем качества воды и состояния биоресурсов. Данные могут быть экстраполированы на другие водные объекты, имеющие высокую степень сходства по интенсивности антропогенного воздействия, гидродинамическим и гидрохимическим показателям.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научной конференции, посвященной 70-летию С.М. Коновалова, «Современное состояние водных биоресурсов» (Владивосток, 2008); всероссийской конференции «Тектоника и глубинное строение Востока Азии: VI Косыгинские чтения» (Хабаровск, 2009; 2011); 2-ой Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность водных ресурсов» (Хабаровск, 2009); Международной конференции, посвященной памяти М.М. Кожова, «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010); 3rd International Multidisciplinary Conference on Hydrology and Ecology: Ecosystems, Groundwater and Surface Water Pressure and Options (Vienna, 2011), а также на региональных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых (с 2007 по 2011).

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Работа изложена на 163 страницах и состоит из введения, обзора литературы (1 глава), объектов и методов исследования (2 глава), результатов исследования и их обсуждения (главы 3, 4, 5) и заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 8 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 275 источников, из которых 81 на иностранных языках.

Личный вклад автора. Диссертант лично участвовал в пробоподготовке, в проведении анализов по содержанию токсичных элементов во всех исследуемых компонентах, в обработке и обобщении результатов, подготовке иллюстрационного материала и формулировке выводов, а также его подготовке и апробации на научных конференциях и в научной печати.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору биологических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Любовь Михайловне Кондратьевой за внимание, постоянную помощь в организации и выполнении работ, ценные советы и обсуждения. За интерес к работе и ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. В. В. Кулакову. Автор благодарен всем коллегам из лаборатории физико-химических методов исследования Института тектоники и геофизики ДВО РАН во главе с к. г.-м. н. Н.В. Бердниковым и особенно Д.В. Авдееву за постоянную помощь при определении токсичных элементов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Токсичные элементы в водных экосистемах (обзор литературы). В главе проведен анализ литературных источников по поступлению и миграции токсичных элементов. Рассмотрены основные формы нахождения токсичных элементов в компонентах водной экосистемы – воде, донных отложениях, льду, а также особенности их аккумуляции и влияния на жизнедеятельность гидробионтов. Проанализированы основные процессы, которые происходят на биогеохимических барьерах при участии различных элементов.

Глава 2. Объекты и методы исследования. Объектами исследования послужили абиотические и биотические компоненты пресноводной экосистемы р. Амур (вода, донные отложения, лед, рыба и моллюски). После техногенной аварии 2005 г. в г. Цзилинь (КНР) были проанализированы пробы воды, донных отложений и льда, отобранных в ходе совместного российско-китайского мониторинга. Пробы поверхностных и придонных слоев воды, донных отложений, льда отбирали в основном русле р. Амур (от устья р. Сунгари до с. Троицкое и в районе с. Малмыж) сотрудники ГОУ ЧС, ИВЭП ДВО РАН, Хабаровского ЦГМС-РСМЦ (табл. 1, рис. 1).

Таблица 1

Место и время отбора проб

Название проб

Место отбора

Год

Количество проб

Вода

с. Нижнеленинское, с. Петровское,

с. Нижнеспасское, г. Хабаровск,

с. Малмыж

2005

>700

2006

Донные отложения

Ниже г. Благовещенск,

с. Нижнеленинское,

с. Петровское, с. Нижнеспасское,

с. Вознесенское, г. Хабаровск,

с. Троицкое, с. Малмыж, г. Амурск,

г. Комсомольск-на-Амуре

2006

25

2008

10

2009

25

Лед

с. Нижнеспасское,

прот. Казакевичева, г. Харбин,

г. Цзямусы, г. Тунцзян

2006

25

Рыба

с. Владимировка,

с. Нижнеленинское,

с. Нижнеспасское, с. Гасси,

пос. Синда,

г. Николаевск-на-Амуре

2006

22

2007

16

2008

26

2009

101

2010

6

Моллюски

пер. Нижнеспасский,

с. Константиновка, с. Мариинское,

с. Бычиха, с. Гасси, с. Телегино,

с. Савинское

2006

25

2008

8

EMBED CorelDRAW.Graphic.13

Рис. 1. Карта-схема мест отбора проб воды, донных отложений, льда и гидробионтов

Пробы гидробионтов отбирали в основном русле р. Амур в период 2006–2010 гг., сотрудники ХфТИНРО, ИВЭП ДВО РАН, ФГУ «Амуррыбвод». Летом 2008 и 2009 гг. донные отложения были отобраны на Нижнем Амуре (от г. Хабаровска до г. Комсомольска-на-Амуре), а также на Среднем Амуре сотрудниками ИВЭП ДВО РАН в ходе комплексной экспедиции. Пробы донных отложений отбирали штанговым дночерпателем. На мелководьях послойный отбор донных отложений проводили с помощью специального бура.

Анализ содержания тяжелых металлов и токсичных элементов проводили в лаборатории Хабаровского инновационно-аналитического центра при Институте тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН. Для определения содержания ТЭ в донных отложениях применяли экспресс методику извлечения элементов при неполном разрушении силикатной основы (Хавезов, 1983). Пробы мягких тканей рыбы и моллюсков разлагали способом мокрой минерализации (ГОСТ 26929-94, 2002; МУК 4.1.1483-03, 2003). Пробы исследовали на содержание тяжелых металлов – Zn и Cu, а также приоритетных токсичных элементов – Pb, Cd, Hg и As. Их содержание определяли методом Total Quant на ICP-MS фирмы Perkin Elmer (США). Построение графиков проводили при помощи программы Excel 2007.

Глава 3. Содержание токсичных элементов в абиотических компонентах экосистемы р. Амур. В результате аварии 13 ноября 2005 г. на химическом заводе в г. Цзилинь (КНР) произошло многокомпонентное загрязнение экосистем рек Сунгари и Амур органическими веществами, тяжелыми металлами и токсичными элементами.

При исследовании поверхностных и придонных слоев воды р. Амур ниже устья р. Сунгари было установлено увеличение содержания некоторых ТЭ по сравнению с водами, отобранными на выше расположенных участках. Показано, что содержание Cu, Zn и Pb в поверхностных слоях воды р. Амур возросли в 4, 3, 2 раза соответственно, а Hg – в 27 раз по сравнению с пробами воды, отобранными выше зоны влияния стока р. Сунгари. В придонных слоях воды концентрации Cu, Zn и Pb увеличились в 1,6; 2,5 и 1,6 раз, Hg – в 29 раз. Повышенные содержания Cu, Zn, Pb и Hg зафиксированы ниже г. Хабаровск и с. Троицкое. Максимальные концентрации Cd установлены в пробах поверхностных и придонных слоев воды, отобранных в 20 км выше устья р. Сунгари. В пробах воды, отобранных ниже устья р. Сунгари, отмечено снижение концентраций этого элемента в 2–8 раз. Повышенные концентрации As были зафиксированы в поверхностных слоях воды, отобранных в 20 км выше устья р. Сунгари. Вниз по течению реки Амур происходило понижение содержания этого элемента в воде на всех пунктах отбора проб в 2–3,5 раза.

Показано, что на повышение концентраций ТЭ помимо антропогенного фактора могли влиять биогеохимические процессы, происходящие в зимний период в контактной зоне «вода – дно». Так в пробах воды, отобранных в январе 2006 г у левого берега в районе с. Малмыж, было зарегистрировано повышение содержания Cd и Cu в 3 и 4,5 раза соответственно, а As – в 47 раз, по сравнению с водами, отобранными выше по течению р. Амур (рис.2). В этих пробах содержание марганца превышало ПДК в 110 раз.

EMBED Visio.Drawing.11

Рис. 2. Содержание токсичных элементов в воде р. Амур в районе с. Малмыж (январь, 2006 г.): 1, 2 – выше; 5, 6 – ниже; 3, 4 – напротив с. Малмыж; 1, 3, 5 – левый берег; 2, 4 – правый берег; 6 – середина реки

Высокие содержания As и Hg были зарегистрированы в пробах воды у правого берега в районе с. Малмыж (4 ПДК и 15 ПДК соответственно). Содержание Pb значительно снизилось в воде, как у левого, так и у правого берега в районе с. Малмыж в 32 и 12 раз соответственно, по сравнению с водой, отобранной на вышерасположенных участках. В пробах воды, отобранных ниже с. Малмыж, зарегистрировано существенное снижение концентраций Cu, Cd, As и Hg. Это явление было связано с процессами седиментации элементов в составе коллоидных взвесей, которые были визуально выражены в пробах воды, отобранных у берега.

Таким образом, в подледной воде в районе с. Малмыж было зарегистрировано локальное повышение ТЭ. Это явление не было связано с последствиями техногенной аварии, а обусловлено биогеохимическими процессами, происходящими в контактной зоне «вода – дно» в период зимней межени.

В донных отложениях (ДО) р. Амур, отобранных во время ледостава 2005–2006 гг., происходила аккумуляция многих токсичных элементов. Максимальные концентрации Cu, Zn, Pb, Hg и Cd обнаружены в пробах ДО, отобранных в районе г. Комсомольск-на-Амуре. Их содержание было в 2; 4,7; 4,8; 9 и 5 раз выше, соответственно, чем в донных отложениях, отобранных в зоне влияния реки Сунгари.

Дальнейшее исследование содержания токсичных элементов в донных отложениях на Нижнем Амуре было проведено летом 2008 г. в зоне влияния крупных городов (Хабаровск, Амурск, Комсомольск-на-Амуре). Было отмечено увеличение содержаний Zn, Pb и As на участке от г. Хабаровск до г. Комсомольск-на-Амуре. Максимальные концентрации этих элементов были установлены в пробах донных отложений, отобранных у правого берега ниже г. Комсомольск-на-Амуре (33,35; 11,36; 7,74 мкг/г соответственно).

Таким образом, показано, что в донных отложениях р. Амур происходит накопление токсичных элементов в зонах аккумуляции, расположенных ниже г. Хабаровска вдоль правого берега. На характер такого распределения токсикантов могут влиять сток р. Сунгари и сточные воды г. Хабаровск.

Лед является важным компонентом геоэкологических исследований водных экосистем (Лебедев и др., 1981; Иванов, 1998; Кондратьева, 2010). Послойное исследование кернов льда позволяет оценить поступление ТЭ в экосистему во время его формирования, миграцию и аккумуляцию в период ледостава. Так содержание токсичных элементов во льдах р. Сунгари существенно изменялось на всем протяжении от г. Цзямусы до г. Тунцзян (2005–2006 гг.) (табл. 2).



Таблица 2

Послойное распределение тяжелых металлов

во льдах р. Сунгари, мкг/л

Место

отбора

Слой,

см

Левый берег

Правый берег

Pb

Hg

Cd

Pb

Hg

Cd

Харбин

0–20

3,601

0,074

0,82

1,648

0,461

2,463

20–40

2,356

2,062

7,381

7,101

0,58

0,947

40–60

4,531

0,193

0,943

4,867

0,36

7,592

60–80

4,281

0,441

0,515

0,716

0,318

1,755

Цзямусы

0–20

1,078

0,333

1,938

0,503

0,309

0,595

20–40

2,57

0,4

0,21

1,625

0,284

3,52

40–60

1,62

0,925

1,447

0,181



Страницы: 1 | 2 | Весь текст