Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМІ. Поверхности раздела играют огромную роль !я всех уровнях организации .дшой материи. Лет необходимости напо-шнать, например, какое важнейшее значение для функционирования слетки имеют ее мембраны. Поверхностная пленка зады, подобно гигантской мембране, покрывает более чем 2/3 поверхности нашей планеты и является важным компонентом водных экосистем. От ее состояния зо многом зависят процессы обмена между водоемами и атмосферой. По-зерхнос.ная пленка, как и любая грашща раздела фаз, представляет гобой область с уникальными фтошю-химическши характеристиками. В ней существуют наиболее резкііе грлдиентн свойств и концентраций, Злагод'аря чему не значите лыше по затратам зперггог проявлення кизнз-деятельности гидробионтов, никак не.отражающиеся на физическом состоянии пелагиали, могут вызвать на поверхности раздела водоем-атмосфера большие изменения, имеэдно 'ваткппе экологические последст-бия. То есть поверхностная плоїла воды является той критической точкой, в которой биота монет существеїшо влиять па параметры окружающей неживой среды. Вместе с тем, специфическое население поверхностной пленки води - нейстон - является относительно наименее исследованной группой гидробионтов, особенно в континентальных водоемах.
Поверхностный микрослой природных водоемов, в котром концентрируются как биогенные, так и антропогенные поверхностно-активные вещества, является удобным объектом для экологического мониторинга, в особенности - дистанционного. Определение взаимосвязи между физико-химическими и биологическими свойствами поверхностной пленки с одной стороны, и особенностями функционирования водных экосистем - с другой, позволит эффективно контролировать экологическое состояние значительных акваторий, а также, вероятно, даст дополнителъчую информацию для прогностического моделирования качества вода. Очевидно, что для адекватного изучения и понимания такого важного и сложного объекта, как поверхностная пленка природных водоемов, пуган комплексный подход, в равной степени учитывающий биологические и физико-химические особенности границы раздела фаз вода-воздух.
ЦЕЛИ И ЗАДАЛИ РАБОТЫ. Для развития нового направления - экологической биофизики поверхностной пленки природных водоемов, были поставлены следующие задачи:
- исследовать поверхнослшй слой крупных континентальных водоемої методами, прішгінми в морской нейстоіюлогші и сравнить пресноводші зоонзйстон с морским;
-создать лабораторную установку для экспериментального изучена* влияния организмов неї.стона на физико-химические свойства поверхностной, пленки вода;
экспериментально исследовать в лабораторних условиях влияние организмов з^онейстона и пленок свободных асирных кислот на разності температур поверхностной плегси и толщи воды как одну из ваккейшіа характеристик тепло- и массообмена вода-воздух;
исследовать ь крупных водохранилищах состав свободных кирных кпс-лот поверхностной пленки воды с целью выяснения его информационногс значения для мониторинге), в том числе - для оценки интегральных функциональных характеристик'водной: экосистемы;
в качестве интегральной функциональной характеристики водные экосистем изучить кинетику распада фенола как показатель способности природных вод к биологическому самоочищению.
На защиту выносятся следующие ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
В континентальных водоемрх существует зоонейстон, имеющий своп спетифические особенности, но вместе с тем обладающий чертами экологического сходства как с зооней-ітоном лун, так и с зоонейстоном морей.
Имеются два вида биотического" воздействия на физико-химические свойства поверхностной пленки вода: 1) механический - создание в ламинарномслое турбулентных возмущений плавающими там зоонейстон-тами и 2) химический - формирование адсорбционных пленок сурфактан-тов биотического происхождения. ПерЕЫй вид биотического воздействия привощт к уменьшению толщины ламинарного слоя и ускорению обменных процессов 46^ поверхность, второй вад воздействия вызывает увеличение ламинарного слоя и замедление обмена.
Свободные лирные кислоты поверхностной пленки природных водоемов является естественными интеграторами информации об экологических процессах, происходящих а нижележащем столбе воде; эта информация может быть дешифрована а использована в интересах экологического мониторинга.
Кинетика биодеградации шллютантов зависит от интегральных свойств (типа) воднйй экосистемы. Каждому типу экосистемы, идентифицируемому по Индикаторным признакам, может быть поставлена в со-
тветствин определенная кинетика и скорость биодеграпации конкрет-ого ноллгтакта. Удобным индикаторным признаком тіша экосистемы и, .педог."те.'!ьно, кинетики биодеградвцли поллютантсв, я: ляется состав Docczurux ет.ршх кислот поверхностной пленки воды.
ІДУчіШ! ПОЕГ-ЭМ И ТЕОРЕТІТСЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Доказано су--си-оваше воонейстона з крупних континентальній водоемах, подвер-jiiiiLix. ветровому и волновому воздействию. Впервые дана обобщенная аракгеристика пресноводного зоон^Лстона, выделены его экологичес-ие іруїош, выявлены черты сходства и различия с зоонейстоном мо-0.".. ,,г.';'гат;овлоііо, что суточные вертикальные миграции бентокейстона меит универсальный характер, их д: замика детально совпадав"1 у со-ер:^л/.ю у'-ЗЛИЧ1ШХ организмов в .морях и континентальных водоемах.
:- "..'-.о-'-.'рг-Л'.прпом експерименте продемонстрировано прямое влияние pr-j:.r..v '.--"'тоПстона на температуру поверхностной пленки чода.
'С?! С .-Л.;.; \: ..'"С-ЭЛЫ ОСНОВЫ КОЛИЧЄСТВЄ1ШОГО ИзуЧСНИЯ роЛИ НеЙСТСНЭ В
:uz:,: г- -^Ziij'o- її мяссообмена і >досм-атмосфера. Впервые экспери-"rZ-fT'B>!-,!-!'4 ^ттрод'?тена рязнипа в скорости переноса атмосферного кис-юрсіда черен теплую и холодную поверхностную пленку вода. Доказано ! объяснено .тройственное влияние мономолекулярного слоя свободной юте". к'?сттота на температуру поверхностной пленки вен, в іменно
-r.!^'i^i!..;Z! Y'i?r,LUC-prjTypiI ТеїіЛОії К.'ЗНКК И СНИЗВНИв ТбМПОраТурЫ ХОЛОДНІ ПЛоШС!,'
Зкслеркэнтадьно установлено, что в экологически разнородных 'частках одной и той же роки и во дохрани лица величины удельных скоростей и кинзтака биодеградации поллюганта (фенола> существенно мзлнчаются. Бри этом в природных водоемах и впдотоках в целом не lpoявляются прямые зависилости скорости и кинетики биодеградаціпі от їувйотпііх из лсбораторі-зіх экспериментов модификаторов: концентрации 5иогс-ш-шх злг.мпнтов, тошерзтуры и т.д. Прздлсяэяо расам:тривать сдельную f-itopocTL и кинетику биодеградаш-га ттоллютаптов как пнтегра-
ibir/i''> qiji': :;'.' Г ТИП а ГОДНОЙ ЕііСОСИСТЄМН, СПрЄДЄЛП0М^О ПО ИНДИКа-
Падтверздеко, что состав повврхвостішх пленок С2К в водохранили-ііґ, asrnciVT от некоторых структурных и $ункцианалып>; особенностей мл-;іч-'ї.ісил.\ отесистем, доказана ео^моікость решения обрптной звда-иі. О.іор;;у:;.гро^аію представлений о поверхностной плегіке ПАВ как ин-геїраторе кнформац.;к о функционировании зкосистеш всего столба во-щі. Залоипш биофизические основи для развития немого направления в
экологическом мониторинге. Продемонстрирована принципиальная возможность определить на основе исследований поверхностной пленки вад кинетики биодеградации поллютанта в пелагической экосистеме.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Созданы теоретические и экспериментальное предпосылки для разработки новых методов мониторинге природных водоемов на основе «сследования поверхностной пленки воды. Получена количественные данные, позволяющие судить о степени возможных изменений тепло- и ..шссос Змена водоем-атмосфера в некоторых экологических ситуациях. Эксперимеьтальп установлэнная неодао-3Hf иость влияния пленок ПАВ на температуру поверхностной пленки воды пзволяет поставить под сомнение возможность решения обратной задачи и указывает на малую перспективность пазработки методов оценкг концентрации ПАВ на поверхности природных водоемов на основе измерения температурных аномалий. Доказана необходимость экспериментального определения удельных скоростей и кинетики биодеградации поллютантов для каждого экологически специфичного участка водоема или водотока. Результаты исследований легли в основу курса лекций "Экологическая биофизика водных систем", который читается студентам кафедры гидробиологии и ихтиологии Красноярского Госуниверситета.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Цикл публикаций по теме диссертации отмечен премией Сибиі. зкого Отделения РАН для молодых ученых по биофизике имени академика И.А.Терскоьа (1993). Материалы диссертации докладывались на 7 Всесоюзном совещании лимнологов (Лиственичное-на-Байкале, 1981), V Всесоюзном совещании по санитарной гидробиологии (Москва, 1986), XV Всесоюзной гидробиологической школе-семинаре (Красноярск, 1987), Международном семинаре СКОПЕ-ЮНЕП "Взаимодействие б^огеохимических циклов в водных экосистемах" (Лиственичное-на-Байкалв, 1988), Всесоюзной конференции молодых ученых "Актуальные вопросы водной экилогии" (Киев, 1989), VI съезде Всесоюзного гидробиологического общества (Мурманск, 1991), XX Чтениях памяти академика Л.В.Киренского .'Красноярск, 1993), Мевдународаом симпозиуме "Гтдрохимия-ЭЗ" (Ростов-на-Дпу, 1993), на заседании Объединенного ученого совета по биологическим наукам Сибирского Отделения РАН (Новосибирск, 1993), на заседаниях Ученого совета и семинарах Института биофизики СО РАН (Красноярск, 1981-1993), на семинаре биостанции "Восток" Института био.югии моря ДВНЦ АН СССР (1978), семинаре отдела гидробиологии водоемов-охладителей ТЭС и АЭС Института
гидробиологии АН УССР (Киев, 1988), семинаре кафедрі! гидробиологии и ихтиологии Красноярского Госуниверситета (1993).
ВЫИГРАННЫЕ х'РАНТЫ. Исследования по теме диссертации были поддержаны грантом Минэкологии Росии (проект 6.2.10 ГНТП "Экология России", 1992), персональным грантом для молодых учечых Красноярского краевого фонда науки (1993) и грантом того же фонда J* 2F0073, персональным грантом Международного научного фонда (фонд Сороса, 1993).
ПУБЛИКАЦИИ. По тема диссертация опубликовано 36 работ.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 7 глаз, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа Ийлокона на 261 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка л 7 ї&6лїзд в основной части. Список литературы включает 30S источников, из них 152 - на английской языка.