Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологический риск: определение, классификация, подходы к оценке для устойчивого функционирования водохранилищ (Обзор литературы)
1.1. Временные структурно-функциональные изменения в экосистемах водохранилищ 17
1.2. Основы оценки экологического риска загрязнения водных экосистем 29
1.3. Оценка риска здоровью населения 49
1.4. Экосистемный подход в разработке экологических нормативов 52
1.5. Подходы к разработке региональных нормативов загрязняющих веществ в донных отложениях 82
Глава 2. Объект, материалы и методы исследования 89
2.1. Характеристика объекта исследования 89
2.2. Отбор проб при натурном обследовании акватории 100
2.3. Определение гранулометрического состава донных отложений 102
2.4. Химический анализ воды и донных отложений 102
2.5. Гидробиологический анализ 104
2.6. Токсикологический анализ 107
2.7. Анализ заболеваемости населения 116
2.8. Статистическая обработка результатов 117
Глава 3. Характеристика объектов и факторов риск-анализа 119
3.1. Алгоритм оценки экологического риска 119
3.2. Характеристика абиотических компонентов 122
3.2.1. Качество воды в ретроспективе лет 122
3.2.2. Гранулометрический и химический состав донных отложений 133
3.3. Характеристика биотических компонентов 167
3.3.1. Фитопланктон 167
3.3.2. Зоопланктон 174
3.3.3. Макрозообентос 186
3.3.4. Ихтиоценоз 213
3.4. Состояние здоровья населения Республики Татарстан 249
Глава 4. Подходы к экологическому нормированию содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях 258
4.1. Экологическое нормирование содержания загрязняющих веществ в донных отложениях 258
4.1.1. Определение региональных нормативов содержания металлов в донных отложениях водохранилищ 259
4.1.2. Расчет предельно допустимого уровня содержания ряда органических веществ в донных отложениях 268
4.1.3. Оценка степени загрязнения донных отложений водохранилища с привлечением предложенных нормативов 271
4.2. Биотическая концепция нормирования содержания загрязняющих веществ в воде 280
Глава 5. Критерии оценки экологического риска для устойчивого функционирования Куйбышевского водохранилища 292
5.1. Индекс экологического состояния водной экосистемы 292
5.2. Определение экологического статуса Куйбышевского водохранилища и экологического риска для его функционирования 295
5.3. Анализ риска для здоровья населения при поступлении в организм загрязняющих веществ с питьевой водой и рыбой 301
Заключение 304
Выводы 307
Список использованной литературы 309
- Основы оценки экологического риска загрязнения водных экосистем
- Гранулометрический и химический состав донных отложений
- Определение региональных нормативов содержания металлов в донных отложениях водохранилищ
- Определение экологического статуса Куйбышевского водохранилища и экологического риска для его функционирования
Введение к работе
Актуальность работы
Научной основой реализации Экологической доктрины Российской Федерации (2002) является развитие знаний об экологических основах устойчивого развития, выявление новых экологических рисков, порождаемых развитием общества, а также природными процессами и явлениями. Стратегической целью экологической политики на уровне регионов является сохранение природных систем, поддержание их целостности и жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни, улучшения здоровья населения, обеспечения экологической безопасности региона (Бондаренко и др., 2007). Для этого необходимо выполнение следующих условий:
сохранение и восстановление биогеоценозов, их биологического разнообразия и способности к саморегуляции;
организация рационального природопользования и возможности равноправного доступа к природным ресурсам ныне живущих и будущих поколений людей;
обеспечение благоприятного состояния окружающей среды как необходимого условия улучшения качества жизни и здоровья населения;
увеличение хозяйственной и рекреационной емкости всего региона при одновременном снижении нагрузок на уязвимые экосистемы через принятие научно обоснованных Программ по управлению природными ресурсами.
Преобразование природной среды в условиях внешнего воздействия формирует экологический риск, который является детерминированным производным от характера природных процессов и явлений (Евгеньев, Евгеньева, 2007). Анализ и управление экологическими рисками - важнейшее направление в области прикладной экологии и играют важную роль при разработке принципов и практических мер, направленных на охрану и управление функционированием экосистем. Оценка экологического риска (EPA, 1998; Chemical risk assessment, 2001) представляет собой процедуру выявления одного или нескольких стрессовых для экосистемы факторов и определения вероятности их опасного воздействия на совокупность живых организмов (включая человека). Эта процедура включает в себя систему оценки и систематизации данных исследований влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу и принятия правильных управленческих решений. В обобщенном виде концепция экологического риска – это современный методологический подход к оценке состояния природных комплексов, прогнозированию возможных негативных экологических ситуаций, их минимизации и поиску оптимальных решений при управлении природными ресурсами. Концепция экологического риска становится основным методологическим руководством при проведении любых форм социально-экологического мониторинга (Кондратьева, 2007).
Процедура оценки экологического риска достаточно хорошо разработана по отношению к факторам, воздействующим на здоровье человека (Тихомиров и др., 2003; Ревич и др., 2004), однако оценка риска для экосистемы как сложноорганизованной системы с множественными компенсаторными возможностями и пролонгированным ответом на стрессовые факторы пока еще детально не разработана.
Имеющиеся в литературе (EPA/630/R-00/002, 2000; Lee, 2000; Guidelines…, 2002; Ray, 2002; Ranke, 2004; Fabiano et al., 2004; EPA/630/P-03/001F, 2005; Foudoulakis, 2006;; Baird et al., 2008; Palma et al., 2008; Chen et al., 2008; Stackelberg et al., 2008; Strause et al., 2008) данные об оценке риска касаются отдельных компонентов водных экосистем: донных отложений, биоразнообразия в целом или наиболее важных для функционирования экосистемы или ценных для человека видов. В рамках функционирования единой мониторинговой системы России были разработаны рекомендации по оценке риска антропогенного воздействия приоритетных загрязняющих веществ на поверхностные воды суши (РД 52.24.661-2004), в основе которых лежит статистическая обработка результатов многолетних наблюдений за состоянием водоемов по гидрохимическим и биологическим показателям, и в соответствии с предложенным ранжированием отнесение экосистемы к состоянию умеренного, повышенного или высокого уровня риска (Захаров и др., 2007). В данном подходе не рассматривается взаимосвязь между абиотическими характеристиками и биотическим ответом экосистемы. Кроме того, отсутствует анализ состояния донных отложений и их влияние на устойчивое функционирование водной экосистемы, что особенно важно для озер и водохранилищ (Брагинский, 2005), а количество анализируемых показателей ограничивается программами мониторинга и, как правило, не включает экотоксикологический анализ, характеристику ихтиоценоза и состояния здоровья населения, проживающего на водосборной территории. Отсутствует также прогноз дальнейшего развития экосистемы и предложения по улучшению управления водным бассейном.
Одним из ведущих факторов изменения окружающей среды на земном шаре за последние 50 лет стали искусственно созданные водоемы - водохранилища. Создание каскада Волжских водохранилищ значительно преобразовало естественный гидрологический режим реки, что повлекло за собой целый ряд негативных последствий: изменение ландшафта на прилегающих к нему территориях; изменение окружающей среды долины реки ниже гидроузла и его плотины; изменение природы речных долин, придолинных, а иногда и водораздельных территорий (Авакян, 2002); наконец, опосредованное влияние водохранилищ на устойчивое социально-экономическое функционирование территории. Под устойчивым функционированием таких водоемов многоцелевого использования, как водохранилища, понимают: устойчивое социально-экономическое функционирование (обеспечение промышленности и населения водой соответствующего качества, простое и расширенное воспроизведение видов, имеющих хозяйственную ценность, в т.ч. рыбы); устойчивость экосистемы в целом; необходимый вклад конкретной экосистемы в функционирование экосистем более высокого уровня (Дмитриев, Фрумин, 2004). Для обеспечения такого устойчивого функционирования необходимо проведение оценки экологического риска как меры потенциальной опасности, т.е. выявление наиболее опасных для экосистемы факторов воздействия.
Цель данной работы - разработка методологии оценки экологического риска для устойчивого функционирования равнинных водохранилищ многоцелевого использования (на примере Куйбышевского водохранилища).
При этом решались следующие задачи:
На основе результатов натурных исследований и лабораторных экспериментов выявить и оценить вклад основных факторов экологической опасности для устойчивого функционирования водохранилища многоцелевого назначения.
Разработать критерии оценки экологического риска для устойчивого функционирования водохранилища на основе количественной характеристики «воздействие - биотический отклик».
Научно обосновать и разработать подходы к определению нормативов качества воды на основе интегральной оценки экологического состояния водоема.
С использованием разработанного подхода рассчитать региональные нормативы предельно допустимых уровней содержания органических и неорганических токсикантов в донных отложениях Куйбышевского водохранилища.
Оценить экологический риск устойчивого функционирования Куйбышевского водохранилища.
Научная новизна. Впервые применительно к сложной водной экосистеме водохранилища, испытывающей воздействие одновременно нескольких факторов различной природы, введено понятие «экосистемного риска» и предложена методология его оценки на основе количественной характеристики «воздействие - биотический отклик», выявления доминирующих стрессовых факторов, формализации и ранжирования показателей биологического отклика. Предложен интегральный индекс (ИЭС) экологического статуса (потенциала) водохранилища, рассчитываемый с учетом величин подындексов состояния абиотических компонентов, основных таксономических групп и здоровья населения на исследуемой эколого-экономической территории.
На основе результатов натурных исследований и лабораторных экспериментов по выявлению закономерностей распределения металлов в системе донные отложения – бентосные организмы впервые достоверно показано, что макрозообентос, обитающий в песчаных грунтах, больше подвержен риску токсического воздействия металлов и их накопления в мягкой ткани.
Разработаны подходы к оценке допустимого уровня содержания загрязняющих веществ разной природы в воде и донных отложениях водохранилища на региональном уровне. Впервые региональные нормативы качества донных отложений включены в единую систему оценки состояния и риска вторичного загрязнения биотических, абиотических компонентов водохранилища.
Основные положения, выносимые на защиту.
Понятие «экосистемного риска» применительно к сложной водной экосистеме водохранилища, испытывающей воздействие одновременно нескольких факторов различной природы, и методология его оценки.
Выявленные количественные закономерности характеристики «воздействие-биотический отклик» для экосистемы Куйбышевского водохранилища.
Система экологического нормирования допустимых уровней содержания загрязняющих веществ в воде и донных отложениях на основе установления экологического состояния водохранилища.
Практическая значимость работы. Материалы и фактологическая информация, полученные в результате многолетних систематических исследований акватории Куйбышевского водохранилища, использованы при создании электронной карты «Эколого-водохозяйственная ситуация Куйбышевского водохранилища» по заданию Министерства природных ресурсов Российской Федерации (РФ) по следующим тематическим слоям: качество воды, донных отложений, характеристика основных таксономических групп организмов, состояние рыбных ресурсов, водопотребление (2002).
Предложенная методология оценки экологического риска апробирована на примере Куйбышевского водохранилища, результаты переданы в Министерство экологии и природных ресурсов Республики Татарстан (РТ) для использования в природоохранной деятельности. Разработанный интегральный индекс экологического состояния носит универсальный характер и может быть тиражирован для оценки состояния других водных объектов.
Разработанные нормативы качества воды и донных отложений могут быть встроены в общую систему санитарно-гигиенических и экологических нормативов и использованы для реализации нового принципа бассейнового управления качеством водных ресурсов и Экологической доктрины РФ.
Материалы данного исследования могут быть использованы для разработки схемы комплексного использования и охраны водных объектов в соответствии с российскими нормативными документами (Методические указания по разработке схем…, 2007), совершенствования нормативной базы в области установления качества воды и донных отложений и развития методологии разработки целевых показателей качества воды как основы бассейнового принципа управления водопользованием.
Результаты исследования используются при чтении лекций по курсам «Экологический мониторинг», «Управление качеством водных ресурсов», «Техногенные системы и экологический риск» на факультете географии и экологии Казанского государственного университета.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на республиканских, всероссийских и международных конференциях: Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан (Казань, 1996, 1997, 1999, 2003), VII, VIII, IX Съезды Гидробиологического общества РАН (Казань, 1996; Калининград, 2001; Тольятти, 2006), International symposium on new microbiotests for routine toxicity screening and biomonitoring (Brno, 1998), International Conference on River Restoration (The Netherlands, 2000), International Conference «Water is life – take care of it» (Bratislava, 2001), Conference «Fundamental and Applied Aspects of Aqueous Ecosystems Functioning: problems and perspectives of hydrobiology and ichthyology in XXI century» (Saratov, 2001), «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2002), «Биоразнообразие и биоресурсы Среднего Поволжья и сопредельных территорий» (Казань, 2002), 2-й Съезд токсикологов России (Москва, 2003), «Актуальные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2004), «Эколого-фаунистические исследования в Среднем Поволжье» (Ульяновск, 2004), The World Conference on Ecological Restoration (Zaragoza, Spain, 2005), 3rd Symposium “Quality and Management of Water Resources” (St. Petersburg, 2005), «Биоиндикация в экологическом мониторинге пресноводных экосистем» (Санкт-Петербург, 2006), Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан (Казань, 2007), итоговая научная конференция КГУ (Казань, 2008), «Геоэкологические проблемы Среднего Поволжья» (Ульяновск, 2008).
Личный вклад автора. Основная работа по получению экспериментального материала, обобщению результатов и формулированию выводов выполнена непосредственно автором. Соавторами публикаций являются: научный консультант (профессор В.З. Латыпова); коллеги, принимавшие участие в обсуждении результатов (профессор В.А. Яковлев, профессор А.В. Иванов, профессор С.Ю. Селивановская, профессор Г. де Персоне (Гентский университет, Бельгия), д.б.н. В.В. Зобов, к.х.н.
О.Г. Яковлева, к.х.н. Д.А. Семанов, к.б.н. А.М. Петров, к.ф-м.н. Р.Р. Шагидуллин, к.б.н. Т.А. Кондратьева, к.б.н. Л.Б. Назарова), и в написании коллективных монографий (профессор Янг-Тсе Ханг, Кливлендский университет, Огайо, США, профессор
Р.И. Ибрагимова, Йошкар-Олинский технический университет); а также соискатели и аспиранты (к.б.н. Л.К. Говоркова, ФГУ ГосНИОРХ, Казань, к.х.н. О.К. Анохина, Казань, ФГУ ГосНИОРХ, к.б.н. А.М. Пономаренко, ФГУ ГосНИОРХ, СП(б), к.б.н. С.Д. Захаров, Росгидромет, Казань, к.б.н. А.М. Мухаметшин, УГПУ, Ульяновск, К.Н. Малова, КГУ, Казань). При проведении экспедиций большую помощь оказали начальник ФГУ ГосНИОРХ Р.Г. Таиров и К.С. Гончаренко. При проведении химического анализа воды, донных отложений и биологических образцов принимали участие инж. З.Н. Арефьева,
Е.Р. Иванова, О.Б. Выборнова, Т.В. Якимова, биологического анализа к.б.н. Т.А.Кондратьева, н.с. Л.Ю. Халиуллина, которым автор выражает искреннюю благодарность.
Публикации. По теме диссертации в отечественной и зарубежной печати опубликовано 58 научных работ, в том числе 5 монографий и 15 статей, в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 учебных пособия и разработки (в т.ч. 1 - с грифом УМО).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 343 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунка, 71 таблицу и состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Список цитируемой литературы включает 416 наименований, из которых 133 работы на иностранных языках.
Основы оценки экологического риска загрязнения водных экосистем
Как уже отмечалось, стержнем концепции экологической безопасности в мире признана теория экологического риска (Измалков и Измалков, 1998; Управление риском..., 2000; Ваганов и Им, 2001; Brander et al., 2004; United Nations, 2004; Сынзыныс и др., 2005; Кондратьева, 2005; Башкин, 2007). В течение последних 20 лет понятие риска (экологического, аварийного, риска здоровью, радиационного, технологического, политического и социального) используется очень широко в различных областях науки, практической деятельности и в международной практике (Фрумин и Жаворонкова, 2003).
Риск представляет собой меру количественного измерения опасности в виде векторной, многокомпонентной величины, измеренной с помощью статистических методов или рассчитанную с помощью имитационных моделей, включающих количественные показатели ущерба от воздействия того или иного опасного фактора, вероятности возникновения рассматриваемого опасного фактора, неопределенности в величинах ущерба и вероятности (Евгеньев и Евгеньева, 2007). Экологический риск следует рассчитывать как функцию, по крайней мере, двух переменных: степени опасности процессов, действующих на экосистему и уязвимости данной экосистемы (Бершов и др., 2003).
Анализ и управление эколого-экономическими рисками являются важнейшими направлениями в области прикладной экологии и играют важную роль при разработке принципов и практических мер, направленных на охрану и управление функционированием экосистемами. Оценка экологического риска (ЕРА, 1992; 1998) представляет собой процедуру выявления одного или нескольких стрессовых для экосистемы факторов и определения вероятности их опасного воздействия на совокупность живых организмов (включая человека). Эта процедура включает в себя систему оценки и систематизации данных исследований влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу и принятия правильных управленческих решений.
Процедура оценки экологического риска включает три основных этапа (Guidelines for Ecological Risk Assessment, 1998): формулирование проблемы, анализ и характеристика риска. На первом этапе формулируется цель и задачи, определяется объект исследования, разрабатывается план действий. На втором этапе изучаются время воздействия стрессового фактора на объект, взаимосвязь между силой воздействия и экологическим эффектом. На третьей стадии оценивается риск через зависимость «доза-эффект», описывается риск через вероятность наступления неблагоприятного события. Стадия формулирования проблемы очень важна, т.к. определяет конечные результаты, концептуальную модель исследования и план действий. На этапе анализа проблемы интегрируются все имеющиеся данные о стрессовых факторах, силе их воздействия на окружающую среду через взаимодействие с наиболее чувствительными рецепторами.
Характеристика экспозиции включает описание источников воздействия, поведение, изменение, распространение стрессового фактора в окружающей среде, место контакта с рецепторами. Характеристика экологического эффекта включает описание взаимосвязи между воздействием и ответом с описанием вероятности наблюдаемого эффекта.
На этом этапе используются различные методы, применяемые в биомониторинге. Во-первых, токсикологические данные лабораторного моделирования воздействия стрессового фактора на биообъекты. Во-вторых, результаты индикационных исследований на отдельных наиболее чувствительных группах животных или растений. В-третьих, результаты биогеохимических исследований, включая распределение, накопление химических соединений в биообъектах. Очень важным является оценка уровня риска через определение вероятности наступления неблагоприятного события. Последнее является очень трудной задачей, т.к. в большой степени зависит от качества первичной информации: время, место, периодичность отбора проб. Получаемые результаты в большой степени зависят от пространственной, временной (сезонной) изменчивости анализируемых параметров, от неопределенности, связанной с экстраполяцией данных лабораторных исследований на экосистему в целом. Характеристикам данных неопределенностей и методам, позволяющим снизить их величину посвящено много публикаций (Lull et al., 1995; Constantinou et al., 1995; Vietor et al., 1995; Maidment, 1996; Mallawatantri, 1996; Muttiah et al., 1996; Klaine et al., 1996; Loague and Corwin, 1996; Solomon et al., 1996; Loague et al., 1996; Parker et al., 1996; Rossi and Ettala, 1996; Smith, 1996; Bogardi et al., 1996; Liou and Yeh, 1997; Maund et al., 1997; Sibley et al., 1997; Dwyer et al., 1997; Power and McCarty, 1997; Hamed and Bedient, 1997; Rosen and LeGrand, 1997; Latinopoulos et al, 1997; Chapman et al, 1998; Rosa and Crompvoets, 1998; Corwin, 1998; Calow, 1998; Spies et al., 1998; Stackelberg et al., 2008). К основным приемам можно отнести применение стандартных статистических процедур обработки результатов исследования с установлением доверительного интервала на определенном уровне, использование математических моделей, подтверждающих выдвинутую гипотезу (Warren-Hicks and Butcher, 1996), использование GIS технологий.
Гранулометрический и химический состав донных отложений
Согласно обзору Е.Л. Воробейчика с соавторами (1994) начало целенаправленной широкомасштабной деятельности по стандартизации и нормированию неблагоприятных воздействий может быть датировано первой половиной 1970-х гг., когда началось формирование структур управления природопользованием в развитых странах мира. Были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) для наиболее загрязняющих веществ в воздухе (Гудериан, 1979; Смит, 1985; The air quality..., 1986; Бялобок, 1988; ЕСЕ..., 1988; Воробейчик и др., 1994). На национальном уровне деятельность по охране природы регламентирована положениями эколого-экономического регулирования Environmental Impact Assessment (EIA), основанной на системе нормативов ПДК, квотах на выбросы для близко расположенных источников загрязнения и на стандартах качества окружающей среды. Такие стандарты существуют в США (The air quality..., 1986; ЕСЕ..., 1988) и в других странах. Основной упор в EIA сделан на возможно полный охват количественными экономическими оценками убытков, наносимых природе ее пользователями. Именно с помощью экономического регулирования достигнуты наиболее значительные успехи в охране окружающей среды. Подобного рода меры оказались гораздо более эффективными, нежели административное принуждение и прямой контроль (Быстрова, 1980; Воробейчик и др., 1994). В Европе получил развитие расчет критических нагрузок (КН) веществ-загрязнителей (Танканаг, 1997). Под КН понимают максимальное поступление веществ, не вызывающее биогеохимических изменений, которые сопровождают вредные воздействия на экосистемы. Расчет КН принято вести на основе уравнений нединамического масс-баланса. Эти уравнения включают в себя количественную оценку большого числа параметров, характеризующих круговорот загрязнителей в экосистемах. Однако, для многих регионов невозможно определить с достаточной для расчетов точностью входные параметры этих уравнений. Одним из таких регионов является Россия, для которой характерно отсутствие регулярной сети станций по экологическому мониторингу. Вследствие этого необходимо применять методы определения входных параметров через косвенные показатели. Один из таких методов основан на том, что достаточно рассчитать критические нагрузки для небольших, хорошо изученных экосистем, а затем распространить результаты расчетов на всю картируемую территорию. На основании этого метода была создана специализированная экспертно-моделирующая геоинформационная система, с помощью которой был произведен расчет и картографирование величин критических нагрузок азота и серы для Европейской части Российской Федерации
В настоящее время во многих странах мира используется экологический стандарт ISO 14001, разработанный Международной организацией по стандартизации (ISO) и утвержденный в 1996 г. Он предлагает простой, гармоничный подход к управлению охраной окружающей среды, применимый для всех организаций в различных странах мира. Он содержит в себе все элементы типовой системы управления, такие как стратегия, цели и задачи, программа менеджмента, оперативный контроль, мониторинг и оценка, обучение, внутренние аудиты и анализ менеджмента. Центр внимания данного стандарта сосредоточен на требовании к выполняющим его организациям определить все свои экологически опасные технологические процессы, соответствующие подходы к охране окружающей среды и оценить какие из них являются важнейшими. Текущий анализ менеджмента системы управления окружающей средой и ее отдельных элементов обеспечивает постоянное соответствие, компетентность и эффективность всей экологической программы предприятия (http://www.dnv.ru/). Вообще, система экологического нормирования в западных странах призвана осуществлять три основные функции (Воробейчик и др., 1994). Первая из них - исключение заведомо неприемлемого экологического ущерба. Последний, как правило, пересчитывают в экономический эквивалент. Невыполнение установленных нормативов влечет применение экономических санкций. Вторая функция состоит в регулировании антропогенной нагрузки и затрат на охрану природы таким образом, чтобы сохранялись условия для самовосстановления нарушенных экосистем, но в то же время меры по их защите не препятствовали экономическому росту. Третья функция - стимулирование постоянного снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду.
О весьма разнообразной практике установления стандартов качества природных вод в странах Европейского Экономического содружества (ЕЭС) подробно пишет в своей книге В.А.Семин (2001). Приведем некоторые примеры из нее, касающиеся особенностей нормирования абиотических факторов среды в отдельных странах.
В национальной системе мониторинга Бельгии каждая отбираемая проба анализируется примерно по 40 параметрам. Две наиболее важные группы показателей относятся к кислородному балансу воды (КБВ) и содержанию в ней тяжелых металлов. Для оценки КБВ рассматривают три ключевых параметра баланса: процент насыщения растворенного кислорода, БПК5 и содержание аммонийного азота. После того как в пробе определены перечисленные параметры, по каждому параметру по 5-балльной шкале (балл 1 соответствует значениям кислорода - 91-110 %, БПК5 - не более 3 мг/л, аммонийного азота - менее 4 мг/л; балл 5 соответствует значениям кислорода - не более 30 и более 130 %, БПК5 - более 15 мг/л, аммонийного азота - более 5 мг/л) определяют баллы, которые суммируют для получения суммарного значения КБВ. Соответственно качество воды классифицируется от очень хорошего (КБВ = 3-4) до очень плохого (КБВ = 14-15).
В Дании в 1983 г. были выделены группы водных объектов и участки с различными характеристиками. Водотоки были разделены на: 1) зоны особого интереса; 2) зоны нереста и нагула мальков лососевых рыб; 3) воды, в которых обитают лососевые; 4) воды, в которых обитают карповые; 5) водотоки со сбором дренажных вод и водотоки, находящиеся под косвенным воздействием сточных вод; 6) водотоки со сборами дренажных и сточных вод; 7) водотоки, находящиеся под воздействием сточных вод и не относящиеся к категории рыбохозяйственных; 8) водотоки, дренирующие пиритные почвы (низкий рН, осаждение оксидов железа), где фауна сильно поражена.
Определение региональных нормативов содержания металлов в донных отложениях водохранилищ
В Волге и ее притоках до образования водохранилища встречалось более 40 видов рыб. Часть из них относилась к проходным, поднимающимся из Каспийского моря для размножения (осетр, белуга, белорыбица, каспийский лосось, сельди и др.), но основное население реки составляли ее постоянные обитатели. Ведущее место занимал лещ - до 40 % только учтенных уловов, запасы судака были значительно беднее, хотя эта рыба и встречалась в промысловых количествах. Пойменные озера изобиловали щукой, карасем, линем и другими видами рыб (Калайда, 2003).
Характеристика запаса леща. В период заполнения Куйбышевского водохранилища ежегодно затапливались большие площади пойменных угодий, что создавало чрезвычайно благоприятные условия для размножения и роста рыб: изобилие пищи, большое количество мест, удобных для откладывания икры, разреженность рыбного стада сводила до минимума выедания икры и молоди. Поколения леща этих лет были очень многочисленными и оказали очень сильное влияние на последующее формирование запасов будущих его поколений. Двухлетний запрет на промысел леща также имел большое значение на дальнейшее пополнение стада производителей.
Благодаря этому мероприятию не было затронуто промыслом фактически 4 поколения леща 1952-1955 гг. рождения, которые на протяжении почти 9 лет существования водохранилища составляли основу нерестового стада. В связи со ступенчатым заполнением Куйбышевского водохранилища не все рыбы этого вида, обитающие на разных участках, имели одинаковые условия для роста. Верхние участки водохранилища (Волжский и Камский плесы) носили еще речной характер, поэтому рост молоди, по сравнению с до-водохранилищным периодом, улучшился незначительно (Говоркова, 2004). И только в нижних участках водохранилища (Тетюшский, Ундорский, Ульяновский, Приплотинный плесы), где уровень воды был выше, следовательно, были залиты большие площади, и сформировалась большая кормовая база, наблюдался более быстрый рост леща. Особенно высокие показатели его отмечены для заливов рек Черемшан, Майна. Все это сказалось на формировании запасов, которое также происходило ступенчато. Так, среднегодовой запас леща в первые годы существования водохранилища составлял около 63300 т (рис. 3.43).
В условиях водохранилища, в связи с колебаниями уровня воды и сокращением в разные годы нерестовых площадей в прибрежной мелководной зоне, лещ приспособился откладывать икру в открытых участках водоема на глубинах от 2 до 14 м. В мае 1960 года шло постепенное повышение температуры, но уровень воды в водохранилище был не совсем благоприятным для размножения рыб. Такие условия были и в 1965-1967 гг. Однако, следует отметить такие годы, как 1961-1963, 1968 гг., когда условия внешней среды очень благоприятствовали для нерестования леща, нагула молоди, созревания и роста рыб. До 1962 года включительно пополнение стада леща было незначительным, и популяция его в основном состояла из рыб 1956, 1957 гг. рождения. Затем в результате пополнения стада производителей эффективность воспроизводства запасов возросла, и стадо леща стало получать пополнение за счет молоди поколения 1963 года (Гончаренко, 1968). В целом можно отметить, что, несмотря на неблагоприятные уровенный и температурный режимы в различные годы в период с 1959 по 1969 гг., когда уменьшались места и сроки размножения рыб, сокращались сроки их созревания, был плохой рост и уменьшалась плодовитость, запас леща был настолько большим, что он сохранился на долгие годы. Среднегодовой запас леща в этом периоде был около 130607 т. 1400 В последующие годы в период с 1970 по 1984 гг. запас леща был более или менее стабильным. В Куйбышевском водохранилище лещ приспособился к сложившимся условиям среды, несмотря на различные ее колебания. На стабильность его запасов повлияло и то, что в эти годы особенно усиленно проводили различные мероприятия для наилучшего воспроизводства рыбы, на что выделялись большие денежные средства. Однако в это время наблюдается заметное уменьшение запасов леща по сравнению с предыдущим периодом. С 1970 по 1984 гг. среднегодовой запас леща в Куйбышевском водохранилище составлял около 89266 т. На его снижение, возможно, сказался не очень благоприятный уровенный режим, сопровождавшийся резкой сработкой воды в весенний период 1973, 1976 гг. Куйбышевское и, образованное в 1979 году, Чебоксарское водохранилища служили, до недавнего времени, накопителями воды для Каспия. Сработка воды в этих водохранилищах происходила для пополнения Волго-Ахтубинской поймы, что должно было привести к увеличению запасов рыб Каспийского моря. Этот факт всегда оказывал сильное влияние на уменьшение запасов леща в Куйбышевском водохранилище.
В последующие годы все возрастающая антропогенная нагрузка на водоем приводила к нарушениям в функционировании экосистемы. Появились признаки дестабилизации экосистемы (Кузнецов, 1997). В связи с большой техногенной нагрузкой ухудшалось качество воды, накапливались токсичные элементы в различных компонентах экосистемы, кормовая база рыб и сама ихтиофауна претерпевала значительные изменения в качественном и количественном составе. Все это повлияло на состояние запасов, не только леща, но и других видов рыб. Так, начиная с 1985 года происходит ежегодное снижения среднегодового запаса леща и к концу 1990 г. оно достигает внушительной величины - 37323 т. В последующие годы (1991, 1992, 1993 гг.) шло дальнейшее понижение среднегодового запаса леща, который колебался в пределах от 27266 до 26820 т. С 1994 по 1999 гг. общие запасы леща находились на уровне 24195 - 24967 т., а в 2000 году - 25058 т. В настоящее время запас леща несколько уменьшился и составил в 21639 т. Таким образом, в целом запасы леща снизились по сравнению с первыми годами существования Куйбышевского водохранилища более чем в два раза (рис. 3.43).
Характеристика запаса судака. До образования Куйбышевского водохранилища значение судака в промысле было невелико - 1 -2 % от общего улова. Численность судака в р. Волге была невысокой, поэтому нарастание запасов его в водохранилище после зарегулирования стока Волги из-за малого количества производителей шло замедленными темпами (Лукин, 1965). На постепенное формирование запасов повлияло также и ступенчатость заполнения водохранилища: темпы воспроизводства запасов судака в различных участках были не одинаковыми. Массовое развитие сине-зеленых водорослей в августе 1956 г., неблагоприятные гидрометеорологические условия в весенний период 1958 г. отрицательно сказывались на эффективности размножения судака. В первые годы существования водохранилища среднегодовой запас судака составлял 5707 т (рис. 3.43).
Определение экологического статуса Куйбышевского водохранилища и экологического риска для его функционирования
Многими исследователями Куйбышевского водохранилища отмечается (Кузнецов, 1991; 1997), что доминирующим фактором, влияющим на снижение количественных и качественных характеристик ихтиофауны, является токсикологический, обусловленный повышенной антропогенной нагрузкой. Насколько влияют металлы в воде Куйбышевского водохранилища на их содержание в тканях и органах рыб отдельных экологических групп данная задача решалась в ходе регрессионного анализа на следующем этапе исследования, результаты которого обобщены в табл. 3.39.
Анализ проводился при поиске зависимостей между содержанием металла в воде и в рыбе (по тканям и органам), а также между Ко (превышение фактического содержания металла в воде относительно ПДК) и Кс (коэффициентом концентрации - повышенным (относительно фона) содержанием в биообъекте). В обоих случаях выявляются общие закономерности. Уровень металлов в воде меньше всего отражается на их повышенном содержании в тканях и органах бентофагов. Однако здесь прослеживается влияние концентрации Ni, Pb и Си в воде на их содержание в мышцах, жабрах и печени соответственно. Наибольшее превышение фона как в жабрах, так и в мышцах наблюдается для Pb. В первом случае это главным образом определяется его содержанием в воде, а во втором - в пищевом субстрате - бентосе.
Для хищников отмечена ассоциация двух эссенциальных элементов Zn-Fe, содержание которых в воде влияет на их накопление в жабрах и мышцах. Причем связь содержания Zn в воде и рыбе прямая, а для Fe - обратная. Концентрация Cd-Mn в воде коррелирует с содержанием этих элементов в мышцах хищников, хотя и не приводит к повышению их уровня относительного фоновых значений. Повышенное содержание Cd, Сг и Ni в печени также обусловлено их поступлением в том числе из воды, для первых двух металлов - это обратная зависимость, а для Ni - прямая.
Накопление металлов в печени планктофагов в меньшей степени зависит от химического состава воды, что возможно связано с малой выборкой данных. Для жабр и мышц отмечена общая закономерность, связанная с зависимостью содержания пар металлов Cd-Mn и Zn-Fe в этих органах и тканях от их концентрации в воде. Для Fe и Мп данная зависимость обратная, a Zn и Cd - прямая.
Изучение взаимосвязи содержания металлов в воде и их уровнем в тканях и органах рыб, различающихся трофическим статусом, выявило следующие закономерности. Fe, несмотря на его сверхнормативное содержание в воде, не влияет на его повышенный уровень в жабрах и мышцах. Fe играет значительную роль в дыхательной системе за счет включения в состав дыхательного пигмента, образование и разрушение которого происходит в костном мозге, печени и селезенке, обуславливая тем самым сложность цикла Fe в организме. Количество гемоглобина, а, следовательно, и Fe в тканях и органах зависит от активности организма, поэтому наблюдается сезонная изменчивость его содержания в организме рыб. Среди экологических факторов, влияющих на его содержание, ведущая роль принадлежит температуре и кислородному режиму водоема, при понижении температуры и концентрации растворенного кислорода количество гемоглобина увеличивается (Романенко, 1978). В меньшей степени количество Fe в жабрах и мышцах рыб зависит от содержания Fe в воде, его резерв в водной экосистеме достаточен для пополнения физиологической потребности.
Другая физиологически важная группа металлов - Zn и Мп - активаторы карбоксилаз. Для них отмечена прямая зависимость содержания в рыбе от концентрации в воде. Однако у планктофагов содержание Мп в организме обратно пропорционально его концентрации в воде. Общим для физиологически активных металлов (Fe, Zn и Мп) является наличие большой величины независимого коэффициента В в уравнениях регрессии (табл. 3.39), что указывает на второстепенность фактора - концентрация металлов в воде по сравнению с другими, не изученными в данной работе.
Следующая группа металлов - Cd, Cr, Ni и РЬ - это физиологически неактивные металлы, обладающие выраженным токсическим эффектом. Их содержание в воде Куйбышевского водохранилища, как правило, не превышает ПДК за исключением Ni. Для Cd в большинстве случаев отмечена прямая зависимость содержания в организме рыб от концентрации в воде. Процесс сорбции металлов в жабрах и печени происходит более быстро и соответствует логарифмическому виду зависимости, для мышц характерен более медленный процесс насыщения по экспоненциальной кривой (Пономаренко и др., 2007). Наличие прямой зависимости концентрация в воде - содержание в жабрах для Ni, Cd и РЬ указывает на путь поступления этих металлов, связь концентрация в воде - содержание в мышцах при отсутствии подобной зависимости для печени может свидетельствовать об исчерпании печенью функции барьера в отношении этих металлов.
Другим экологическим фактором для бентофагов является содержание металлов в пищевом субстрате. Наличие прямой зависимости содержания РЬ в мышцах от его содержания в бентосе свидетельствует о доминировании биомагнификационного механизма его накопления.
Таким образом, преимущественные взаимодействия металлов в воде и тканях и органах рыб различного трофического уровня можно представить в виде обобщенной схемы (рис. 3.52). 2 стабилизацией запасов основных промысловых видов рыб и улучшением гидрохимической обстановки в Куйбышевском водохранилище, дает основание для обоснования рассчитанного в данной работе биогеохимического фона содержания металлов в тканях и органах рыб различного трофического статуса. Для физиологически активных металлов (Fe, Zn и Мп) большая величина независимого коэффициента В в уравнениях регрессии указывает на второстепенность фактора - концентрация металлов в воде - по сравнению с другими, влияющими на содержание этих металлов в тканях и органах рыб. Наличие прямой зависимости концентрация в воде - содержание в жабрах для Ni, Cd и РЬ указывает на путь поступления этих металлов в организм рыб из воды, связь концентрация в воде - содержание в мышцах при отсутствии подобной зависимости для печени свидетельствует об исчерпании последней барьерных функций в отношении этих металлов.
Из всех рассмотренных металлов наибольшую опасность для ихтиофауны представляет Ni. Несмотря на то, что в среднем концентрации в воде Cd и РЬ почти вдвое меньше ПДК, они представляют реальную угрозу для планктофагов (Cd) и бентофагов (РЬ) в силу их высокой токсичности. В отношении Си можно отметить, что высокий фоновый уровень ее содержания в воде не влияет на накопление этого элемента в тканях и органах рыб.
