Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях научно-технического прог->есса и роста народонаселения действие антропогенных факторов на ікружаюцую среду и биосферу в целом будет усиливаться. Выявление в [ей возможных изменений, познание условий их возникновения и зако-;ов развития становятся жизненно валкой необходимостью как основы охранения природы и нахождения таких форм взаимодействия человека : биосферы, которые бы обеспечили их совместное развитие.
Наиболее сильно подвержены воздействию человека и его хозяйе-
венной деятельности водные источники, особенно внутренние водое-
ы. В результате многофакторного антропогенного воздействия (гид-
сстроительство, ирригация, промышленное и бытовое
одопользование, химическое и тепловое загрязнение, промысел, ры-оводство) к настоящему времени трансформированы экосистемы почти сех крупных озер. В силу объективной необходимости человек и предь будет вовлекать в эксплуатацию водные ресурса Поэтому несходима новая стратегия взаимоотношений человека с гидросферой, читываюшая негативный опыт. Приоритет при комплексном использова-ии водных ресурсов должен быть отдан чистой воде и формированию в ей биопродукции, в частности рыбопродукции.
Регионы Субарктики обладают уникальными запасами водных и ыбных ресурсов. Интенсивное освоение и заселение регионов Севера буславливает антропогенный пресс на природные комплексы, обладание низким запасом гомеостатичности в экстремальных природных ус-овиях. Процессы самоочищения вод замедлены в силу низкого уровня нерго- и массообмена в высоких шротах. Существующие нормы ЦКрбхз ориентированы на водоемы средней полосы страны и пракги-5ски не учитывают специфику и высокую уязвимость природы северных ггионов.
Полувековая многофакторная антропогенная нагрузка на поверх-зстные воды Кольской Субарктики, обусловленная концентрацией десь мощных горно-добывающих и металлургических предприятий, АЭС а прямоточной системе охлаждения, городов и поселков, сформирова-а оригинальную экспериментальную модель для исследования антропо-энных преобразований субарктических водных экосистем. Появляется гобходимость в новых методических подходах к нормированию нагрузи, учитывающих специфику региона и действие фактора в конкретных зловиях водоема. Решение данной проблемы невозможно без соответс-
твупцих теоретических проработок и познания природы происходящих изменений в водной среде и закономерностей реагирования биологических звеньев на антропогенную нагрузку.
Таким образом, разработка . эколого-токсикологических основ нормирования нагрузок является актуальной задачей современной лимнологии.
Цель работа Разработка теоретических основ нормирования нагрузок на озера Субарктики на базе выявления закономерностей реакций организма и популяций, рыб на изменение физико-химических параметров водной среды.
Идея работы заключалась в раскрытии механизмов взаимодействия изменяпагйся среды, патогенеза и эволюционных преадаптаций рыб, направленных на их выжигание в стрессовой ситуации, для обоснования критериев и методов нормирования антропогенных нагрузок.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цеди необходимо было решение ряда конкретных задач: 1. Выявить определяющие природные факторы формирования качества вод и организации водных экосистем в регионах Субарктики; 2. Изучить закономерности формирования качества вод крупных озер в условиях воздействия сточных вод металлургических, горно-обогатительных производств, подогретых вод АЭС и хоэбытовых стоков; разработать методические подходы выделения химических критериев оценки антропогенно обусловленных процессов в водной среде; 3. Исследовать влияние аэротехногенного загрязнения водосборов на процессы закислення и загрязнения тяжелыми металлами поверхностных вод; 4. Установить характер и закономерности патогенеза рыб при различных видах загрязнения вод на основе изучения клинических, патологоанатомических, гематологических, питоморфологических и морфофиаиологических показателей состояния их организма; 5. Выявить информативные биологические критерии оценки качества вод и на основе зависимостей между качеством среды и состоянием организма разработать подходы к определению критического уровня загрязнения вод от комплекса факторов; 6. Изучить устойчивые изменения в структурно-функциональной организации популяций рыб (на примере сиговых рыб); определить стратегию перестройки жизненного цикла в техногенно-нарушенных условиях обитания; дать оценку изменений в рыбной части сообществ и рыбопродуктивности водоемов Субарктики в условиях антропогенных нагрузок; 7. Обосновать основные направления.совершенствования водопользования в регионах Субарктики, разработать с учетом приоритетов методические приемы расчета и нормирования нагрузок.
методологической основой работы послужил.мерологический эко-системный (от частного к обвему) подход к анализу явлений и про-4
ессов в водных экосистемах СОдуы, 1986; Бигон, Харпер, Таундсенд, 989), при котором поэтапно рассматриваются свойства составных астей (качество вод, организм, популяция и сообщество рыб). а заем полученные факты интегрируются в общие закономерности. В рамах данного подхода придерживались основных теоретических полоие-ий концепций О. А. Алекина (1953) о законах формирования природных од; С.С.Шварца (1959, 1980), Г.ЕНикольского (1974), ЛМ-Каишило-а (1979, 1983), Дукьяненко (1983, 1987), М.Еигона, Дж.Харпера и . Таундсенда (1989) и др. о взаимодействии организма и среды, риспособительных механизмах, направленных на выживание вида, за-ономерностях микроэволюцин, а также современных фундаментальных сследозаний в областях лимнологии, водной токсикологии и ихтиоло-ии.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились одная среда (химико-физические параметры) и рыбное население (ор-анизм, популяция и сообщество) интенсивно загрязняемых водоемов убарктики. Наблюдения на крупных озерах: Имандра, Умбозеро и Ло-озеро (1971-1990 гг.) - велись в зонах влияния стоков различных вдов' производств: медно -никелевого, апатито-нефелинового, горно-удного. обогатительного, редкоземельного, а такие подогретых вод ЭС и хозбытовых стоков. Исследование.состояния малых водосборов 1987-1991 гг.) на всей территории были проведены в связи с аэро-ехногенным их загрязнением кислотообразующими веществами и тяюе-ыми металлами.
Изучение изменчивости признаков велось во временном (сопос-авление собственных результатов с немногочисленными данными .пред-ествувдих исследований) и территориальном (в сопоставлении с не-агрязняемыми районами) срезах.
Исследование качества водной среды проводилось на основе оп-еделения гидрохимических показателей (рН, содержание 0*,. СОг, зетность, электропроводность, ионный состав,' биогенные и органи-еские вещества, токсичные компоненты) согласно общепринятым мето-ам (Standart method, 1975; Вода питьевая..., 1984). Определение яяелых металлов велось методом атомной абсорбции в воде, в донных тложениях, в различных системах организма сига и других видов рыб.
На уровне организма - состояние рыб оценивалось на основе линических, патологоанатомических, гематологических, цитоморфоло-ических и морфо-физиологических показателей отдельных особей.
На уровне популяции - изучалась размерно-возрастная и половая труктура, характер роста , жиронакопления, питания, созревания, іереста и убыли рыб в районах, различающихся по видам и интенсив-юсти антропогенной нагрузки.
Ва уровне сообществ - исследовались численность и распределение рыб, их видовое разнообразие в различных водоемах и гонах техногенного влияния.
Статистическая обработка полученных данных проведена на основе ЭВМ БС-1045 по пакету прикладных программ (Математическое обеспечение. .., 1980) и персональном компьютере системы IBM PC. Защищаемые положения.
1. Теоретическое обоснование эколого-токсикологических критериев оценки качества вод и методов нормирования антропогенных нагрузок, заключавшееся в раскрытии законов взаимодействия антропогенных факторов, условий среды, патогенеза и эволюционных преадаптаций рыб. 2. Особенности протекания и тенденции развития антропогенно обусловленных процессов в водной среде регионов Су-барктики по следующим направлениям: на региональном уровне - рост минерализации и изменение ионного состава вод в сторону превалирующего положения сульфатов, токсикофикация и ацидификжщя; на локальном - эвтрофикация и термофикация. & Специфические проявления патогенеза в зависимости от факторов воздействия и общая закономерность развития токсикоза рыб, выражающаяся в неизбежном прохождении четырех стадий: контакта, мобилизации, дестабилизации и деградации. 4. Гипотеза дополнительной 'энергетической платы" особей на детоксикацию, как элемента адаптационной системы, определявшей перестройку стратегии жизненного цикла рыб. 5. Саморегуляция жизнеспособности популяций рыб в загрязняемых водоемах двумя механизмами: а) замедление темпа роста при повышенном жиронаколлении, отсрочка созревания и пропуски нерестового сезона; б) переход на короткий цикл воспроизводства. 6. методика определения критического уровня загрязнения вод регионов Субарктики под воздействием комплекса факторов, основанная на раскрытии зависимостей между химическими и биологическими критериями качества вод.
Научная новизна. Ва основе предпринятых комплексных лимнологических исследований на Кольском Севере, обобщения обширных материалов двадцатилетних исследований антропогенных изменений качества вод и ответных реакций рыбного населения разработаны теоретические основы нормирования антропогенных нагрузок на водоемы Субарктики. Сформулирована концепция единства и взаимодействия антропогенно изменяющейся среды, патогенеза и эволюционных преадаптаций, которая позволила определить иерархическую последовательность изменений в системе: организм - популяция - сообщество и дать научное обоснование критериям и методам экологического нормирования.
йивлены закономерности трансформации качества вод в регионах 6
гбарктики под воздействием различных факторов: сточных вод горно-гдных, металлургических, химических производств, подогретых вод ЭС, хозбытовых стоков, а также азротехногенного загрязнения тер-ггории водосборов. Разработаны методологические подходы к выделено химических критериев неблагоприятных процессов в водной среде зонированию акваторий по степени изменения качества вод при еди-івременном развитии процессов токсикофикации, эвтрофикации и избиении солевого режима и др. Раскрыты основные аспекты закисле-и вод в регионах Субарктики.
Разработана система оценки патогенеза рыб, основанная на кли-іческих, патологоанатомических и гематологических показателях. щелены функции-мишени к различным действующим на Кольском Севере ікторам и информативные токсикологические критерии оценки качест-t вод. Раскрыты закономерности течения токсикологического процес-i и мобилизации защитных функций организма, определен методичес-й подход к выявлению "критической точки" перехода организма к ібели по гематологическим показателям. Установлены закономерности ікопления тяжелых металлов и перераспределения микроэлементов в істемах организма рыб. Определена зависимость между накоплениеи таллов и появлением специфических патологий рыб; доказано, что 'иология массового заболевания рыб Кольского Севера нефрокальци-ізом обусловлена аккумуляцией никеля в почке.
Доказано существование дополнительной "энергетической платы" обей, как элемента адаптационной системы в субтоксичных условиях еды, обусловливающее популяционные изменения. Определены законо-рности перестройки стратегии жизненного цикла рыб, которые можно есматривать как направление антропогенных микроэволвционных пре-'разований. Разработан методический подход к оценке изменения ка-ства вод на основе токсикологических критериев, и раскрытия их зисимости с химическими показателями, позволяющий обосновывать этический уровень загрязнения вод и нормировать нагрузку на воем.
Практическая значимость работы и реализация. В результате знания химических и биологических процессов, происходящих в под-рженных загрязнению водоемах Кольского Севера, сформулирован но-й принцип нормирования нагрузок на основе определения эколого-ксикологической ситуации в водоеме и разработаны рекомендации по атональному использованию водных и рыбных ресурсов.
Результаты исследований антропогенных процессов в водной сре-
и закономерностей реагирования рыб, преобразования популяций и
обществ являются основой для: определения критического уровня
грязнения вод от комплекса факторов, прогнозирования последствий
хозяйственной деятельности в регионах Субарктики; экологической экспертизы функционирующих и планируемых предприятий; выявления глобальных трендов изменения гидросферы и принятия согласованных международных решений по сохранению водных и рыбных ресурсов Севера,
Результаты исследований использовались в качестве научных обоснований необходимости реконструкции металлургических комбинатов "Печенганикель" (1991) и "Североникель" (1992),,введения оборотного водоснабжения на ПО "Апатит" С1980), экологической оптимизации системы водопользования АЭС (1985). Разработаны рекомендации по повышению рыбопродуктивности и использованию подогретых вод для промышленного рыбоводства (1985, 1988).
Апробация. Основные положения работы долоаены и обсуждены на следующих научных собраниях: VIII-XI Всесоюзных симпозиумах "Биологические проблемы Севера" (Апатиты, 1978; Сыктывкар, 1981; Магадан, 1983; Якутск, 1986); Всесоюзном совещании "Природные ресурсы больших озер" (Ленинград, 1980); XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987); III Всесоюзном совещании по лососевым рыбам (Тольятти, 1988); I и II Всесоюзной конференции по рыбохоаяйственной токсикологии (Рига, 1988; Санкт-Петербург,, 1991); международном семинаре по биоиндикации закислення пресноводных экосистем (Тольятти, 1988); III-IV Интернациональных конференциях по сохранению и управлению состоянием озер Балатон-88 (Венгрия); Ханджу-90 (Китай); международном симпозиуме "микрозле-менты в окружающей среде Арктики" (Норвегия, 1989); Совещании экологов стран Сенноскандии (Рованиеми, йшландая, 1989); Международном симпозиуме "Геохимия окружающей среды в Северной Европе" (Рованиеми, Финляндия, 1989); Всесоюзной конференции "Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова (Апатиты, 1989); IV Всесоюзной конференции по биологии и биотехнике разведения сиговых рыб (Вологда, 1990); Всесоюзной конференции "методология экологического нормирования" (Харьков, 1990); IY Всесоюзном гидробиологическом съезде (Мурманск, 1991); международной конференции по инвайрометрике (Хельсинки, 1992).
Публикация. Результаты исследований отражены в 62 публикациях, в том числе в 14 зарубежных и международных изданиях и 2 монографиях.
Структура и объем работы. Диссертация сосотоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы(231 источников на русском и 64 - на иностранных). Она включает 244 стр. машинописного текста, 17 таблиц и 45 рисунков, 19 табличных приложений