Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Свойства ртути и ее поведение в окружающей среде 10
Глава 2. Объекты исследования. материалы и методы 19
2.1. Характеристика водоемов и объектов исследования 19
2.1.1. Природные условия Байкало-Ангарской водной системы 19
2.1.2, Краткая биологическая характеристика рассматриваемых в работе гидробионтов 28
2.2. Методы и объекты исследования 49
2.2.1. Районы работ. Отбор проб и пробоподготовка 49
2.2.2. Биологический и химический анализ 56
Глава 3. Пространственно-временная динамика ртутного загрязнения Братского водохранилища 62
3.1. Общая характеристика ртутного загрязнения Приангарья 62
3.2. Ртуть в абиотических компонентах экосистемы 64
3.2.1. Концентрации и распределение ртути в воде 64
3.2.2. Формы переноса ртути в воде 67
3.2.3. Ртуть в донных отложениях 68
3.3. Накопление и распределение ртути в гидробионтах 72
3.3.1. Планктон 72
3.3.2. Водные растения 75
3.3.3. Зообентос 80
3.3.4. Рыбы 82
Глава 4. Влияние абиотических и биотических факторов на аккумуляцию ртути гидробионтами 99
4.1. Абиотические факторы 99
4.2. Биотические факторы 107
Глава 5. Биоаккумуляция ртути в пищевых цепях оз. Байкал и Ангарских водохранилищ 121
5.1. Поведение ртути в гидробионтах водоемов, в различной степени подверженных техногенному воздействию 121
5.1.1. Аккумуляция ртути в однотипных пищевых цепях Иркутского и Братского водохранилищ 121
5.1.2. Сравнительная характеристика накопления и распределение ртути в органах и тканях окуня Иркутского и Братского водохранилищ 126
5.2. Биоаккумуляция ртути в пелагической трофической цепи оз. Байкал 132
5.2.1. Биомагнификация и биоконцентрация ртути в пелагической пищевой цепи оз. Байкал 135
5.2.2. Особенности распределения и аккумуляции ртути в органах и тканях байкальских тюленей 137
5.2.3. Биоконцентрация ртути и других химических элементов в печени байкальских тюленей, корреляционные зависимости накопления ртути 143
Выводы 148
Литература 150
- Свойства ртути и ее поведение в окружающей среде
- Ртуть в донных отложениях
- Биотические факторы
- Биоконцентрация ртути и других химических элементов в печени байкальских тюленей, корреляционные зависимости накопления ртути
Введение к работе
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.
Свойства ртути и ее поведение в окружающей среде
В условиях современной техногенной нагрузки и попытки минимизировать ее воздейетвие на окружающую среду, большое внимание уделяетея процеесам, онределяющих пути поступления, закономерноети распределения, аккумуляции и форм миграции большого количества элементов, как в организме биологических объектов, так и в среде их обитания. Наибольшее количество работ посвящается неэссенциальным элементам (свинец, кадмий, мышьяк, ртуть), которые представляют наибольшую опасность для живых организмов, вследствие своей чрезвычайной токсичности (Мур, Раммамурти, 1987; Сает и др., 1990; Моисеенко и др., 2006; Моисеенко, 2009; Немова, 2005; Walker et al, 2001). Природа этих элементов имеет в больших случаях антропогенное происхождение, их попадание в окружающую среду происходит со сточными водами и атмосферными выброеами промышленных предприятий, дождевыми емывами е загрязненных промышленных и сельскохозяйственных площадей и т.д.
Ртуть относитея к группе элементов, которые с одной стороны считаются сильно токсичными, а с другой стороны достаточно широко распространенными (Wood, 1974), встречающийся в небольших концентрациях во веех компонентах окружающей среды. Наибольшие природные концентрации ртути связаны с дегазацией земной коры, включая зоны ртутной минерализации. Примером могут служить горячие флюиды (еодержание ртути достигает 100-200 мкг/дм ), участвующие в формировании таких месторождений и рудопроявлений ртути, как Сульфер-Банк, Стимбот, Монте-Амиата в США, Ньява в Новой Зеландии и др., а в конденсате из Маунтовского вулкана (Камчатка) концентрация ртути составляет 70 мкг/дм (Уайт, 1970; Сауков, 1972).
Ртуть принадлежит ко II группе Периодической системы, порядковый номер - 80, атомная масс 200,6 единиц и удельный вес 13,55 кг/дм . Помимо элементарного состояния (Hg(0)) ртуть существует и в одновалентном (Hg(I)), и двухвалентном (Hg(II)) соетояниях, причем в природной среде соединения (Hg(II)) встречаются значительно чаще, чем (Hg(I)). Важной геохимической особенностью ртути является то, что испарение последней происходит даже при температуре ниже точки ее замерзания (-39С), за счет чего создается «ртутная атмосфера», которая объясняет рассеяние атомов ртути в верхах литосферы, в гидросфере и биосфере. Содержание ртути в «ртутной атмосфере» менее 0,02 мкг/дм воздуха (Сауков, 1972).
К основным физико-химическим и химическим формам нахождения ртути в водных системах относятся следующие (Варшал, 1999; Faure, 1998; Fitzgerald, 1996):
- взвешенные - органические (метилртуть и др.) и неорганические, сорбированные на твердой фазе или химически связанные с ней, входящие в состав планктона. Взаимодействие соединений ртути с твердой фазой может осуществляться по механизмам ионного обмена и комплексообразования с гуминовыми кислотами, соосаждения с глинистыми и иными минералами;
- коллоидные - комплексносвязанные или сорбированные на коллоидных частицах глинистого происхождения, гидроксидов железа и марганца, гуматов металлов;
- растворенные - атомарная Hg и ионная (одно- и двухвалентная) ртуть, неорганические (гидроксидные, хлоридные и др.) и органические комплексы (фульватные и др.), монометилртуть, диметилртуть и другие ртутьорганические соединения с ковалентными связями ртуть - углерод;
- донные отложения - в твердой фазе и норовой воде отложений могут присутствовать все формы ртути, перечисленные выше.
Содержание ртути в воде и других компонентах природной среды зависит от ряда геологических, геохимических, климатических и гидрологических факторов, а также от степени техногенного воздействия. Биогеохимические циклы ртути очень сложны и включают множество процессов, происходящих в атмосфере, водной и твердой фазе, живых организмах.
Цикл ртути в водной среде определяется совокупностью достаточно сложных взаимосвязанных процессов, а различные действия способны сместить сложивщееся природное равновесие в ту или иную сторону (Сухенко, 1995). Многочисленные экспериментальные иеследования подтверждают токсический эффект ртутьорганических соединений, однако, такие исследования проведенные на природных популяциях единичны (Scheuhammer et al., 2007). Данных по накоплению ртути в животных, населяющих водные, наземные и околоводные экосистемы Росеии немногочиеленны и, как правило, ограничиваются изучением рыбы или отдельных гидробионтов. Что не дает реального представления об уровнях содержания металла в промежуточных и конечных звеньях трофических сетей (Немова, 2005; Комов, 2010).
Предельно-допустимые концентрации ртути для питьевых вод (ПДКпв) в России не должны превышать 0,5 мкг/дм3, а в реках и водоемах рыбохозяйетвенного использования (ПДКрбх) - 0,1 мкг/дм (Контроль..., 1998). Агентством по охране окружающей среды США (ЕРА) еще в 1986 г. ПДК ртути для водных экосистем пресных вод были установлены на уровне 0,012 мкг/дм . В качестве токсикологического критерия для разделения поверхностных вод на группы по экологической опасности. Начиная с 70-х годов, в связи с высокой токсичностью ртути и ее соединений и регистрируемыми случаями массовой ртутной интоксикации, во многих странах введены ограничения на использование ртути в промышленности и сельском хозяйстве. Ртуть и ее еоединения лимитируются во всех компонентах окружающей среды, питьевой воде, воздухе рабочей зоны и продуктах питания.
По данным различных авторов, от 50 до 97 % ртути, поступающей в водоем, связывается с донными отложениями (Безель и др., 1983). Хорошими сорбентами ртути являются; илистый материал водных потоков, почвы, гидрооксиды марганца, железа и алюминия, глиниетые сланцы, алевролиты, углистые породы и другие образования, имеющие в своем составе тонкодиеперсные материалы и органическое вещество. Степень их связывания зависит от pH и концентрации растворенного кислорода (Gambrell, 1980; Hintelmann, 1995), солености (Leermakers, 1995; Guentzel, 1996), Eh, присутствия органических лигандов в водной среде. С взвешенными частицами связано примерно 10 раз больше ртути, чем находится в растворе, независимо от природы взвешенного материала (Мур, Раммамурти, 1987).
Сорбция и последующая седиментация ртути играют важную роль в удалении ртути из водных масс. Однако, присутствие ртути в истинных растворах и тончайших коллоидах, которые являются устойчивыми формами и могут переноситься на значительные расстояния, заставляет считаться с возможностью образования обширных зон накопления ртути в природных водах в районах сброса ртутьсодержащих сточных вод химических предприятий.
Сосуществующие формы ртути в природных водах очень важны, т.к. их соотношение во многом определяет миграционные характеристики металла, его аккумуляцию в донных отложениях, биологическую доступность соединений и общую токсичность вод, а также выбор аналитических методов определения ртути и достоверность полученных результатов.
Ртуть способна биоаккумулироваться по пищевым цепям водных и наземных экосистем. Концентрирование металла происходит в цепи; вода - донные отложения - биота (бентос, фито-, зоопланктон и др.) - рыбы - птицы и животные, питающиеся рыбой (Мур, Раммамурти, 1987). Накопление ртути определяется не только скоростью прямых процессов аккумуляции металла конкретным трофическим уровнем, но и временными характеристиками естественных биологических процессов, т.е. совокупностью абиотических и биотических факторов среды (Бейзель и др., 1983). Трудно выявить наиболее чувствительное к ртути звено водной экосистемы (Немова, 2005), т.к. биомасса фитопланктона в десятки раз превышает биомассы других трофических уровней. Если учесть, что первичная продукция водоемов в значительной степени определяется этим компонентом экосистемы водоема, можно считать, что именно фитопланктон является ключевым в распределении и трансформации ртути в водоеме и в значительной мере влияет на остальные компоненты системы (Бейзель и др., 1983).
Особо опасной считается способность токсиканта к высокой аккумуляции в живых организмах, которая возрастает по трофической цепи (Мур, Раммамурти, 1987; Swain, 1992; Friedmann, 2002; Gochfeld, 2003). Рыбы являются представителями верхних уровней трофической цепи большинства водоемов, поэтому основным путем поступления металлов в организм рыб является поступление с пищей (алиментарное). В то же время жаберное дыхание делает возможным и поступление металлов через покровы тела (парентеральное). Поэтому накопление металлов происходит либо в тканях рыб, непосредственно контактирующих с водой (кожа и жабры) (Hall et al, 1997), либо во внутренних органах, обеспечивающих экскреторные функции (печень и почки) (Давыдова, Тагасов, 2002). Во многих исследованиях показано, что накопление ртути в организме рыб напрямую зависит от факторов среды. Наблюдаетея определенная зависимость между содержанием ртути в организме рыб, живущих в природных водоемах, и концентрацией ионов водорода в среде обитания (Cummont et al., 1972). Так, например, в закиеленной воде озер Скандинавии и Северной Америки (Rosseland, 2002), так же как в окуне закисленных озер Карелии (Haines et al., 1995; Комов, 2004) рыбы накапливают большие количества ртути. Заметную роль в связывании ртути тканями рыб играют соленость и жесткость водной среды (Коновалов, 1999). С понижением солености повышается способность рыб к аккумуляции ртути и ее соединений. В жесткой воде еоединения ртути менее токсичны, чем в мягкой (Papadopoulou, Andreatis, 1985).
Ртуть в донных отложениях
Донные отложения являются основным аккумулятором ртути в водохранилищах. Они также играют важную роль в загрязнении водных организмов металлоорганическими формами ртути, поскольку в их поверхностном слое происходит микробиологическое превращение неорганических форм ртути в ее метилированные формы, прежде всего, в наиболее опасную монометилртуть (Кузубова и др., 2000). Высокая растворимость монометилртути в воде способствует ее интенсивному поглощению водными организмами.
Масса ртути, поступившей из техногенных источников в Братское водохранилище и осевшей в его донных отложениях, оцениваются величиной порядка 65 тонн, что составляет около 97% всей ртути, содержащейся в донных отложениях (Коваль и др., 2008а). Причем 95% депонированной ртути сосредоточено в Верхней части Братского водохранилища на участке Свирск -Балаганск (табл. 3.3). Как было указано выше, снижение концентраций ртути по мере удаления от источника техногенного загрязнения в воде связано с тем, что ее значительная часть оседает в аллювиальные отложения реки. Наиболее высокие концентрации ртути в наилках приурочены к местам сброса организованных выпусков в р. Ангара. В донных осадках в районе выпусков содержание ртути достигает 9 мг/кг, в районе дренажной канавы - 6 мг/кг. Маештабы этих процессов можно оценить, если сравнить их с распределением ртути в донных отложениях Иркутекого водохранилища, являющегося первым в каскаде Ангарских водохранилищ и находящегося вне зоны техногенеза, в котором содержание токсиканта не превышает 0,035 мг/кг.
Братское водохранилище, принимая высокую техногенную нагрузку от сбраеываемых недостаточно очищенных етоков, играет роль своеобразного буфера-отстойника, в связи с чем, в нем образуютея устойчивые зоны вторичного загрязнения. Одной из таких зон является зона основного седиментационного барьера, расположенного в 50 км ниже выпуеков предприятия (район о. Конный) (рис. 6).
Анализ вертикального распределения ртути в донных осадках этого района показал, что максимальные концентрации ртути в осадках приурочены к средней части разреза (20-70 ем), что е одной стороны указывает на снижение темпов поступления ртути в последние годы и преобладание процесса захоронения ртути. С другой етороны, накопленные за годы работы химического комбината большие объемы ртути в донных отложениях Братского водохранилища, являются вторичными источниками загрязнения. Концентрации ртути, превышающие ПДКрбх, периодически отмечаются в воде Братского водохранилища и на значительном удалении от предприятия «Усольехимпром», что указывает на поступления ртути из донных осадков в водную среду. В толще осадка также «захоронено» большое количество органического вещества (количество достигает 3-5% от массы осадка). Установлена корреляционная завиеимоеть между содержанием органического углерода и концентрацией ртути в донных осадках (рис. 3.3).
В захороненных и обогащённых органическим веществом и ртутью донных отложениях при анаэробных условиях в результате микробиологических преобразований возможна активация процесса метилирования ртути, и, как следствие, создание органических биодоступных сверхтоксичных соединений, накапливающихея в пищевых цепях гидробионтов, а при потреблении загрязненной рыбы и в организме человека. Резкие периодичеекие изменения уровня воды, в результате которых происходит вымывание ртути из донных отложений и ее переход в водную фазу, епособствуют вторичному ртутному загрязнению Братского водохранилища и представляют серьезную опасноеть для всей экоеистемы водоема.
Предположение о том, что после остановки цеха ртутного электролиза и снижения поступления ртути в водохранилища в течение 6-8 лет загрязненные донные отложения будут перекрыты свежими относительно чистыми донными осадкоми (Коваль и др., 2003), и интенсивность метилирования резко понизится, не нашло своего подтверждения. Вероятно, это связано с колебаниями уровня водохранилища, вызывающего перемыв прибрежных отложений и отчасти поверхностного слоя осадков основной акватории, а также ослаблением со временем абразии берегов. Это особенно отчетливо проявляется в зоне седиментационного барьера водохранилища. Косвенным свидетельством может служить также распространение интенсивного загрязнения донных отложений Свирско-Балаганской части водохранилища вниз по течению. Вместе с тем, заметно общее очищение донных отложений от ртути в менее загрязненных Центральной и Нижней частях Братского водохранилища, которое в наиболее загрязненной Верхней части Братского водохранилища практически не проявлено (табл. 3.3).
Биотические факторы
Качественный состав и биомасса планктона
В авгуете 2006 гг. общая биомасеа планктона на различных станциях Братского водохранилища существенно изменялась - от 1,2 г/м3 в речных участках до 40 г/м . Качественный состав планктона также значительно варьировал, меняя доминирующие группы планктона от етанции к станции (рис. 4.7). Это дало нам возможность проследить изменения аккумуляции ртути планктонным еообществом в завиеимости от общей биомассы и доминирования тех или иных групп планктонных организмов.
При делении зоопланктона на трофичеекие группы мы объединили животных е одинаковым типом питания и характером пищи вне завиеимоети от принадлежноети их к таксономическому виду. К “тонким” фильтраторам отнесены виды рода Daphnia (Daphnia galeata, Daphnia cristata) и Bosmina (Bosmina crassicornis, Bosmina longirostris), Diaphanosoma brachyurum. К “грубым” фильтраторам - Eudiaptomus graciloides. К хищникам отнесены Cyclops vicinus, Mesocyclops leuckarti. При определении роли коловраток Asplanchna herricki и Asplanchna priodonta в трофическом статусе было принято, что доля животной пищи в их питании составляет 50 % (Иванова, 2001). Доминирующие виды фитопланктона разделялись по отделам: диатомовые (Aulacoseira granlata, Aulacoseira islndica, Asterionella formosa, Fragilaria crotonensis, Melosira varians), динофитовые (Ceratium hirundinella) и синезеленые водоросли (Aphanizomenon flos-aquae, Anabaena flos-aquae, Anabaena scheremetievi, Anabaena lemmermannii). Чтобы проверить гипотезу о влиянии изменения биомассы планктона на содержание ртути в воде, были выбраны участки Братского водохранилища, не подверженные прямому воздействию стоков химических комбинатов, имеющие сходные содержания ртути в донных осадках и близкие гидролого-геохимические характеристики.
Установлено, что при увеличении биомассы планктона содержание ртути в воде снижается, это происходит вследствие ее биоаккумуляции планктонными организмами (i?=-0,87, ;? 0,001) (рис. 4.8А). Полученная зависимость еще раз подтверждает важнейшую роль планктона в очищении водных масс от токсических веществ. Следует отметить, что массовое развитие планктонных организмов приводит к значительному очищению воды от ртути - фитопланктон главным образом сорбирует ее растворенные формы, зоопланктон, помимо сорбции, при фильтрации воды утилизирует планктонные водоросли и взвещенные частицы.
Обнаружено, что увеличение биомассы планктона также влечет за собой уменьщение концентраций ртути в самом планктонном сообществе (#=-0,85, / 0,001) (рис. 4.8Б). То есть, при возрастании биомассы ртуть распределяется на больщее количество планктонных организмов, каждый из которых в итоге извлекает ее меньше из водной среды. Выявленная зависимость хорошо сочетается с результатами, полученными американскими учеными, исследовавшими влияние плотности фито- зоопланктона на содержание ртути в трофических цепях озер США (Celia Y. Chen et al, 2005). По их мнению, эвтрофирование водоемов, приводящее к повышению биопродуктивности, может даже решить проблему ртутного загрязнения гидробионтов путем выведения ртути в донные отложения с отмирающим планктоном. Иселедования показали, что в тех пробах, где биомасеа зоопланктона была выеокой, отмечалиеь повыщенные концентрации ртути (i?=0,82, /? 0,001) и, наоборот, е преобладанием в пробах фитопланктона содержание ртути уменьшалоеь (Д=-0,82, р 0,001) (рис. 4.8В). Такая закономерность объясняется более выеоким трофическим уровнем зоопланктона, аккумулирующего ртуть как из воды, так и из объектов питания (в чаетности, фитопланктона и мелких беепозвоночных) (Пастухов и др., 20076; Пастухов и др., 2008в).
С увеличением доли фильтраторов в биомаесе зоопланктона увеличивается и содержание ртути в общем планктоне (Я=0,80, /? 0,001) (рис. 4.9А), обратная зависимость наблюдается у хищного зоопланктона 7?=-0,78, 0,001) (рис. 4.9А). Это связано с особенностями питания различных групп зоопланктона -фильтраторы помимо употребления в пищу фитопланктона и детрита, часто заглатывают минеральную и органическую взвесь, также сорбирующую на себе ртуть, в то время как хищный зоопланктон не фильтрует воду, а избирательно питается только мелкими беспозвоночными.
В отличие от гетеротрофного зоопланктона, водоросли являются автотрофами и, следовательно, могут накапливать ртуть только из воды. С увеличением биомассы диатомовых водорослей содержание ртути в планктоне понижается ( =-0,74,/К0,001) (рис. 4.9Б). Противоположная связь наблюдается у синезеленых водорослей - при их высокой биомассе концентрации ртути в общем планктоне были повыщены (К =0,73,р 0,001) (рис. 4.9В) (Пастухов и др., 2009).
Таким образом, концентрации ртути в воде и планктоне завиеят как от его общей биомасеы, так и от преобладания по биомаесе тех или иных трофических группировок в планктонном сообществе. Однако, следует отметить, что такие корреляционные зависимости могут наблюдаться в неглубоких и слабопроточных водоемах. Например, в таком глубоководном озере как Байкал, с массой вертикальных и горизонтальных течений и развитием планктона преимущественно в трофическом слое, описанные выше зависимости накопления, вероятно, будут малозначимы.
Биотопы, трофический статус, эколого-морфологические особенности
Пищевая диета и биотоп обитания гидробионтов в существенной мере воздействуют на уровни биоаккумуляции ртути. На примере эндемичных обитателей оз. Байкал - рогатковидных рыбах и амфиподах, показано как кардинально отличающаяся среда обитания - открытые воды и дно озера, влияет на уровни накопления ртути гидробионтами в неподверженном техногенному воздействию водоеме. Из байкальских рогатковидных для исследования было выбрано 5 видов пелагических (большая голомянка (Comephorus baicalensis), малая голомянка (С. dybowski), длиннокрылая широколобка {Cottocomephorus inermis), желтокрылая широколобка (С. grewingkii), северобайкальская желтокрылка (С. alexandrae)) и 5 видов глубоководных донных рыб (жирная широколобка (Batrachocottus nikolskii), пестрокрылая широколобка (В. multiradiatus), плоская широколобка {Limnocottus bergianus\ глубоководная широколобка (Asprocottus abyssalis), большая широколобка (Procottus major)). Глубоководные рыбы, обитающие на дне озера, накапливают ртуть на порядок больше, чем пелагические (рис. 4.10).
Такие значительные отличия обусловлены как разными концентрациями общей ртути в воде (0,00025 мкг/л) (Meuleman et al, 1995) и донных осадках (0,04 мкг/г) (Leermakers et al., 1996), так и процессами метилирования ртути, преимущественно проходящих в анаэробных условиях на дне озера. В объектах питания пелагических рыб (зоопланктоне, пелагических амфиподах и молоди рыб) доля MeHg заметно ниже (от 16 до 37%), чем у аналогичных глубоководных донных обитателей (от 30 до 92%), что, несомненно, сказывается и на уровне аккумуляции MeHg рыбами из разных биотопов (рис. 4.10).
Биоконцентрация ртути и других химических элементов в печени байкальских тюленей, корреляционные зависимости накопления ртути
Вычисленный коэффициент биоконцентрации (CF = 40x10 ) для ртути в печени разновозрастных байкальских нерп (0,125-15 лет) демонстрирует высокую степень усвоения ртути организмом из всех источников поступления (пища, вода, воздух), в значительной степени превышающую выведение в ходе биологических процессов. По сравнению с ртутью, фактор концентрации других элементов варьировал в промежутке от 3,5х 10 для Si, Sr, Ва до 3,5х 104 для Cd (рис. 5.5).
Таким образом, ртуть имеет наибольший фактор биоконцентрации в сравнении с другими химическими элементами, содержащимися в печени байкальской нерпы. Ртуть, несмотря на свою концентрацию в организме байкальской нерпы, может быть определена как элемент, попадающий под категорию токсичных, либо потенциально токсичных, т. е. элементов, которые имеют значение CF больше, чем 3,5 х Ю4 (Ikemoto et al., 2004).
Наши результаты соответствуют данным Mackey (1995), где значение коэффициента обогащения (EF) для печени чёрных дельфинов (Globicephala melas), белухи {Delphinapterus leucas) и кольчатого тюленя (Phoca hispida) были поделены на три основные категории; электролиты (самое низкое значение EF), жизненно важные элементы и токсичные элементы с наибольшим значением EF.
Концентрация ртути позитивно коррелировала (р 0,001) с биометрическими параметрами, такими, как длина и масса тела, толщина и масса жирового слоя, объём тела. Ртуть находилась в положительной корреляционной зависимости с Cd (р 0,00001) и в отрицательной сМп(р 0,01), Мо (р 0,01) и Zn (р 0,05). Аккумуляция ртути в организме нерпы нарастает с возрастом, в то время как концентрация Mn, Zn и Мо была выще у первогодков, чем у взрослых нерп (Ciesielski et al., 2006). Результаты исследований показали сильную статистическую зависимость концентрации ртути от возраста (р 0,01, F = 8,5) и пола (р 0,0000001, F = 44,9) исследуемых тюленей, а также значительную степень взаимодействия между этими переменными (р = 0,014, F = 5,3). В нашем исследовании обнаружены более высокие концентрации ртути в организмах самок по сравнению с самцами. Связанные с половыми различиями отклонения в уровне концентрации (р = 0,01, F = 8,27) могут быть объяснены большим количеством ртути, попадающей в организм с нишей у самок, чем у самцов (Watanabe et al., 1996), возможно, из-за необходимости для самок получать больше энергии для нормального протекания репродуктивного процесеа. С другой стороны, у самок есть дополнительная возможноеть выделения ртути из организма - роды. Выведение ртути е плодом в процессе родов может ечитаться важным фактором, влияющим на более значительные изменения концентраций ртути в организмах еамок по сравнению е самцами.
Различия в концентрации Hg у разных полов не так велики, как, например, в случае с Cd (Ciesielski et al., 2006). Более ранние исследования гренландеких тюленей показали ограниченный плацентарный переное кадмия (Wagemann et al, 1988), который по евойетвам противоположен ртути. Кроме того, Watanabe и др., 1998, обнаружили, что концентрация ртути в печени новорожденных детенышей нерпы была выше (0,7 мкг/г сухого веса) чем концентрация Cd (0,04 мкг/г сухого веса). Это наблюдение повышает значимоеть родов как епособа выброса ртути в сравнении с кадмием. В нашем исследовании шенки 1-2 месяцев (не новорожденные), были проанализированы на еодержание ртути. Средняя концентрация ртути в печени была почти той же, что и кадмия: 0,43 and 0,41 мкг/г сухого веса соответственно. Различия в концентрации кадмия и ртути у новорожденных и их отсутетвие у щенков 1-2 месяцев могут быть следствием выеокого еодержания кадмия в молоке байкальской нерпы. Как было обнаружено, кадмий легко проникает в эпителий гланд млекопитающих и поступает в молоко самок морских млекопитающих (Frodello et al., 2002). Таким образом, увеличение в печени концентрации Cd отноеительно Hg у 1-2-месячных щенков по сравнению с новорожденными (Watanabe et al., 1996) может быть вызвано высокими уровнями содержания Cd в молоке самок байкальских тюленей. В отличие от кадмия, такие элементы как Мл, Мо и Zn имеют отрицательную корреляцию с ртутью. Негативная корреляция между ртутью и магнием была отмечена и ранее, в мышечной ткани байкальской нерпы и каспийского тюленя (Watanabe et al, 1996; Watanabe et al., 2002) и в печени полосатого дельфина (Stenella coeruleoalba), обитающего в прибрежных водах Японии (Agusa et al, 2008). Позитивная корреляция Hg с Мп и Zn наблюдалась у калифорнийских морских выдр, причем у больных либо истощенных особей (Kannan et al, 2006). Значимой корреляции между этими элементами у здоровых выдр не отмечено. Было сделано предположение, что связь ртути и жизненно важных элементов в больных экземплярах отражает изоляцию металлов при помощи связывающих протеинов, таких как металлотионеины, которые играют важную роль в процессе регулирования доступности металлов для металло-зависимых протеинов (Kannan et al, 2006). В нашем исследовании негативные корреляции между парами элементов Mn-Hg, Mo-Hg и Zn-Hg вероятней происходят из-за взаимоотношений между этими элементами и возрастом, чем вследствие прямого соединения в печени. Ртуть аккумулируется в организме нерпы с возрастом, в то время как концентрация Mn, Zn и Мо была выше у первогодков, чем у взрослых нерп (Ciesielski et al, 2006а).
Сравнительный анализ концентраций ртути в печени пресноводных тюленей семейства Phocidae показал значительные отличия в накоплении этого элемента у разных видов. У кольчатых тюленей {Phoca hispida saimensis) из озера Сайма в Финляндии концентрация ртути в печени варьировала от 240 до 1698 (в среднем 766) мкг/г сух. веса (Kari, Kauranen, 1978), а у кольчатого тюленя из Ладожского озера (Phoca hispida ladogensis) - от 1,37 до 568 (в среднем 118) мкг/г сух. веса (Medvedev et al, 1997). В нашем исследовании концентрация ртути в печени байкальской нерпы (Phoca sibirica) изменялась от 0,27 до 19,1 (в среднем 4,16) мкг/г сух. веса, что на 2 порядка ниже по сравнению с аналогичными результатами в озерах Сайма и Ладога.
Проведенные исследования накопления ртути органами и тканями тюленей, обитающих в Северном, Среднем и Южном Байкале достоверных отличий не обнаружили. Также не было установлено различий в концентрациях ртути между пойманными нерпами и найденными погибшими. Низкий уровень содержания ртути в байкальских тюленях и отсутствие разницы между бассейнами Байкала отражает низкую концентрацию ртути в байкальской воде, о которой сообщалось ранее в работах (Meuleman et al., 1995; Falkner et al., 1997). Это позволяет предполагать, что находящаяся в оз. Байкал ртуть имеет в основном природное происхождение.
Таким образом, подводя итог проведенным исследованиям, изложенным в этой главе можно сделать следующие выводы:
- установлено, что максимальная аккумуляция ртути происходит в печени и почках, являющихся барьерами для проникновения значительного количества ртути в другие органы и ткани байкальских тюленей. Эффективным механизмом элиминации ртути из организмов тюленей является её выведение в волосяной покров и последующее удаление в период линьки.
- обнаружена низкая концентрация ртути в гидробионтах пелагической пищевой цепи оз. Байкал. Коэффициент биоконцентрации (CF) и биомагнификации (BMF) описывают возможности биоаккумуляции ртути в пелагической пищевой цепи оз. Байкал. Самая высокая степень биомагнификации ртути зафиксирована на высщих ступенях трофического взаимодействия (рыба - нерпа). Это, в первую очередь, связано с процентным содержанием метилированных форм ртути в пищевых объектах и больщим её потреблением тюленями с пищей, благодаря интенсивному обмену веществ.
- выявлено, что наиболее важными биологическими факторами, влияющими на уровень накопления ртути в печени байкальской нерпы, является пол и возраст.
Наще исследование не обнаружило различий в концентрациях ртути у нерп из разных районов оз. Байкал, как и между пойманными и найденными погибщими тюленями. Так как нерпа представляет собой высшее звено трофической цепочки Байкала, полученные данные отражают ртутное загрязнение всей экосистемы озера. На основании результатов исследования можно утверждать, что Байкал в настоящее время не подвержен значительному техногенному ртутному загрязнению.
