Введение к работе
Актуальность работы. Загрязнение поверхностных вод токсичными элементами (ТЭ) остается одной из важнейших проблем современной экологии. Для сохранения устойчивости водных экосистем в условиях хронического антропогенного загрязнения необходим анализ не только содержания токсикантов, но и исследование процессов их аккумуляции и миграции в компонентах экосистем.
После поступления в водную экосистему токсичные элементы накапливаются в ее компонентах и могут вызывать риски вторичного загрязнения, что в конечном итоге приводит к неблагоприятным последствиям для жизнедеятельности биоты и нарушает устойчивость самой экосистемы (Даувальтер, 2008; Моисеенко, 2009; Яковлев и др., 2002). Биодоступные формы токсичных элементов оказывают прямое воздействие на живые организмы, которое может выражаться в виде мутагенных, канцерогенных, эмбриотоксических, гонадотоксических и других эффектов (Христофорова, 2006; Моисеенко, 2009; Ковековдова, 2011). Поступление токсикантов можно контролировать, но прогнозировать их распределение по компонентам водной экосистемы представляет значительные трудности.
Особенно остро проблема загрязнения ТЭ стоит перед реками с большой площадью водосбора, имеющими несколько крупных притоков. Например, для трансграничной реки Амур, наряду со специфическим природным поступлением токсичных элементов (Кот, 1994; Чудаева, 1996; Ивашов, Сиротский, 1998), характерна повышенная антропогенная нагрузка с сопредельных территорий Китая (Кондратьева и др., 2006; Клишко, 2007, 2008). Традиционно для оценки содержания ТЭ в воде, донных отложениях и рыбе р. Амур использовали геохимический и санитарно-гигиенический подходы, а уровень загрязнения ТЭ сравнивали с их содержанием в осадочных породах или с показателями ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения.
Однако для адекватной оценки состояния водных экосистем необходим анализ не только содержания и аккумуляции ТЭ в абиотических и биотических компонентах, но и их участия в различных биохимических реакциях (Spry et al., 1991; McDonald et al., 2001; Немова, Высоцкая, 2004; Голованова, 2008; Заботкина и др., 2011) и процессах, происходящих в контактных зонах: вода -взвешенные вещества, вода - лед и вода - дно (Кондратьева, 2005). Особое внимание уделяется изучению процессов концентрирования токсичных элементов гидробионтами и их поступления в донные отложения через «биогенный канал» (Леонова, 2009).
Цель исследования: сравнить содержание токсичных элементов (Fe, Мп, Си, Zn, Cd, Pb, Hg и As) в абиотических (вода, донные отложения, лед), биотических (рыба, моллюски) компонентах и обосновать их участие в биогеохимических процессах в экосистеме реки Амур.
Задачи исследования:
-
Определить уровни содержания токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения и лед) и выявить особенности миграции железа и марганца на биогеохимическом барьере вода - дно в экосистеме р. Амур.
-
Сравнить уровни накопления токсичных элементов в различных гидробионтах (рыбы, моллюски) в зависимости от их местообитания, характера загрязнения водной среды и донных отложений.
-
Выявить приоритетные элементы, с которыми может быть связан риск вторичного загрязнения р. Амур в результате биогеохимических процессов.
Защищаемые положения:
1. Содержание токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения, лед) влияет на сезонное экологическое состояние водной экосистемы и определяет предпосылки ее вторичного загрязнения.
-
Гидробионты из различных местообитаний могут выступать индикаторами загрязнения водной среды конкретными токсичными элементами и отражать предпосылки изменения устойчивости водной экосистемы.
-
Экосистемный подход позволяет адекватно оценить состояние р. Амур, учитывая процессы аккумуляции и миграции токсичных элементов на биогеохимических барьерах.
Научная новизна. На примере экосистемы р. Амур обоснована необходимость экосистемного подхода в оценке ее загрязнения токсичными элементами (Fe, Mn, Си, Zn, Cd, Pb, Hg и As). Впервые проведен комплексный анализ сезонного содержания токсичных элементов в депонирующих абиотических и биотических компонентах р. Амур (лед, донные отложения, моллюски и рыба). Проведен сравнительный анализ накопления этих элементов в разных группах рыб за многолетний период (2002-2010 гг.) в зависимости от их местообитания. Показана роль биогеохимических процессов, происходящих в контактной зоне вода - дно, в формировании качества воды, и обоснованы сезонные предпосылки повышенного содержания железа и марганца в поверхностных водах р. Амур. Впервые показано, что в зимний период наиболее ярко раскрываются биогеохимические процессы, происходящие в контактных зонах вода - дно и вода - лед. Эти процессы определяют качество среды обитания гидробионтов различных трофических уровней за счет миграции, аккумуляции и изменения подвижности отдельных элементов.
Практическая значимость. Определение содержания ТЭ в отдельных компонентах водной экосистемы позволяет понять закономерности их распределения в условиях локального антропогенного воздействия.
В работе показана необходимость совершенствования экологического мониторинга, в который должны быть включены сезонные исследования содержания токсичных элементов в абиотических компонентах (вода, донные отложения, лед) и гидробионтах различных трофических уровней, поддерживающих стабильное состояние экосистемы р. Амур в целом.
Исследование процессов миграции железа и марганца в зимний период при поступлении подземных вод в речную систему позволяет прогнозировать «марганцевые аномалии», связанные с переходом марганца из нераствореиного в растворенное состояние на фоне высоких концентраций органических веществ.
Анализ последствий техногенной аварии в Китае и загрязнения различных компонентов р. Амур токсичными элементами могут найти применение при решении вопросов, связанных с контролем качества воды и состояния биоресурсов. Данные могут быть экстраполированы на другие водные объекты, имеющие высокую степень сходства по интенсивности антропогенного воздействия, гидродинамическим и гидрохимическим показателям.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научной конференции, посвященной 70-летию СМ. Коновалова, «Современное состояние водных биоресурсов» (Владивосток, 2008); всероссийской конференции «Тектоника и глубинное строение Востока Азии: VI Косыгинские чтения» (Хабаровск, 2009; 2011); 2-ой Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность водных ресурсов» (Хабаровск, 2009); Международной конференции, посвященной памяти М.М. Кожова, «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010); 3rd International Multidisciplinary Conference on Hydrology and Ecology: Ecosystems, Groundwater and Surface Water Pressure and Options (Vienna, 2011), а также на региональных конференциях студентов, аспирантов, молодых ученых (с 2007 по 2011).
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы. Работа изложена на 163 страницах и состоит из введения, обзора литературы (1 глава), объектов и методов исследования
(2 глава), результатов исследования и их обсуждения (главы 3, 4, 5) и заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 8 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 275 источников, из которых 81 на иностранных языках.
Личный вклад автора. Диссертант лично участвовал в пробоподготовке, в проведении анализов по содержанию токсичных элементов во всех исследуемых компонентах, в обработке и обобщении результатов, подготовке иллюстрационного материала и формулировке выводов, а также его подготовке и апробации на научных конференциях и в научной печати.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору биологических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Любовь Михайловне Кондратьевой за внимание, постоянную помощь в организации и выполнении работ, ценные советы и обсуждения. За интерес к работе и ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. В. В. Кулакову. Автор благодарен всем коллегам из лаборатории физико-химических методов исследования Института тектоники и геофизики ДВО РАН во главе с к. г.-м. н. Н.В. Бердниковым и особенно Д.В. Авдееву за постоянную помощь при определении токсичных элементов.
