Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Экологический мониторинг океана 7
1.2 Мониторинг загрязнения донных отложений океана 10
1.2.1 Донные отложения важнейший компонент водной экосистемы 10
1.2.2 Приоритетные загрязняющие вещества при мониторинге химического загрязнения донных отложений 15
1.2.3 Оценка токсичности донных отложений 21
1.2.4 Оценка изменений в бентосных сообществах под влиянием загрязнения 30
1.3 Химическое загрязнение Баренцева моря 33
Глава 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА 41
2.1 Отбор проб донных отложений 41
2.2 Получение водных вытяжек из донных отложений 41
2.3 Объем исследований, выполненных по теме диссертации 45
2.4 Эксперименты на водорослях 46
2.4 Эксперименты на ракообразных 48
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 51
3.1 Исследование токсичности донных отложений Баренцева моря (низкий уровень техногенного воздействия) 51
3.2 Исследование токсичности донных отложений и воды Кольского залива Баренцева моря (высокий уровень техногенного воздействия) 76
3.3 Исследование токсичности донных отложений и воды в районе размещения форелевого хозяйства (биотехногенное загрязнение) 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
ВЫВОДЫ 158
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 160
ПРИЛОЖЕНИЯ 184
- Приоритетные загрязняющие вещества при мониторинге химического загрязнения донных отложений
- Получение водных вытяжек из донных отложений
- Исследование токсичности донных отложений и воды Кольского залива Баренцева моря (высокий уровень техногенного воздействия)
Введение к работе
В последние десятилетия заметно усилилось антропогенное воздействие на морские экосистемы в результате загрязнения морей и океанов. Экологический стресс уже проявился в Баренцевом и Белом морях в виде потерь ценных литоральных зон в результате урбанизации, а также возросшем содержании загрязняющих веществ в прибрежных водах.
Экономическое развитие Европейского Севера Российской Федерации неразрывно связано с интенсивным использованием ресурсов Баренцева и Белого морей. В нефтегазовом комплексе особые надежды возлагаются на активное развитие эксплуатации нефтяных месторождений Тимано-Печорской провинции, постройку нефтеналивного перегрузочного терминала в губе Печенга. Одновременно предполагается добыча и транспортировка газа и конденсата Штокмановского месторождения. В рыбохозяйственном комплексе будет реализовываться особое стратегическое направление - освоение прибрежных промыслов и организация фермерских хозяйств (Денисов, 2002). Известно, что Белое море обладает уникальными особенностями для развития индустриального лососеводства. Незамерзающие акватории прибрежных вод Баренцева моря, большой выбор губ и заливов, пригодных для установки садков позволяют выращивать здесь тысячи тонн лососевых в год (Воробьева, 2001). Все перечисленное неизбежно приведет к увеличению антропогенной нагрузки на морские экосистемы и необходимости усиления контроля, за последствиями хозяйственной освоения ресурсов Баренцева и Белого морей.
На основе анализа современного состояния знаний о загрязнении морской среды разработана система экологического мониторинга океана, где особое внимание уделяется оценке уровня загрязнения донных осадков, которые в отличие от динамичной водной среды способны фиксировать долговременные тенденции в распространении токсикантов. Коэффициенты накопления некоторых металлов и высокомолекулярных соединений в донных
5 осадках во много раз больше, чем в водной толще и морских организмах.
При взмучивании или изменении физико-химических условий среды (рН, Eh, температура, соленость и др.) эти вещества могут вновь поступать в придонные слои воды и оказывать негативное воздействие на биоту.
Исследования последних лет показали, что для подавляющего загрязненных участков морей, характерно присутствие не одного, а целого комплекса поллютантов, относящихся к разным типам техногенных воздействий. Известно, что интегральная токсичность группы поллютантов за счет синер-гического эффекта может быть значительно выше, чем токсичность каждого из них. Считается, что наилучшая интегральная оценка качества морской среды может быть получена с помощью живых тест-объектов (Гуревич, 2002). Результаты биотестирования позволяют учесть не только токсичность смеси веществ, накопленных в донных осадках, но и отражают концентрации биологически доступных форм соединений.
Важность контроля токсичности донных отложений признана специалистами и природоохранными службами во всем мире. В нашей стране оценка качества донных осадков, как правило, ограничивается определением уровня содержания техногенных примесей. Отсутствуют и стандартные биотесты для подобных исследований. Вместе с тем при увеличении загрязнения морских биоценозов необходимость использования биологических методов для экспрессного обнаружения изменений состояний морской среды возрастает.
Цель исследований: Оценить токсичность донных осадков Баренцева и Белого морей в районах, подверженных различному антропогенному воздействию, и дать рекомендации по особенностям применения тест-объектов для их мониторинга.
Для реализации указанной цели были определены следующие задачи:
1. Исследовать токсичность донных отложений Баренцева моря (низкий уровень техногенного загрязнения).
Ф 2. Оценить токсичность донных отложений Кольского залива
Баренцева моря (высокий уровень техногенного загрязнения).
#
Изучить в динамике токсичность донных отложений в районе размещения форелевых ферм в губе Палкина Кандалакшского залива Белого моря (высокий уровень биотехногенного загрязнения).
Сравнить чувствительность тест-объектов (Phaeodactylum tricornutum и Artemia salina) к различным типам загрязнения донных отложений.
Выявить факторы, определяющие уровень токсичности донных отложений для тест-объектов.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю Рыжкову Л. П, заведующей лабораторией прикладной экологии и токсикологии ПИНРО Плотицыной Н. Ф. и сотрудникам Новикову М. А., Лаптевой А. М., Зимовейсковой Т. А, Голубевой Т.А, Киреевой Л. И., Шаляпиной Т. Н., Косаревич И. П и Разинкову В. П. за консультации и практическую помощь в написании работы.
«t
Приоритетные загрязняющие вещества при мониторинге химического загрязнения донных отложений
Во второй половине XX в. в связи с усилением негативного влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду и ухудшением экологической обстановки в Мировом океане мощное развитие получило всестороннее и детальное изучение химического загрязнения морской среды (Израэль, Цыбань, 1989).
Особое внимание уделяется изучению уровней загрязнения донных осадков. Многочисленные исследования указывают, что коэффиценты накопления некоторых металлов и высокомолекулярных органических соединений в донных осадках во много раз больше, чем в водной толще (Израэль, Цыбань, 1981). В отличие от процессов происходящих в динамичной водной среде, процессы в донных отложениях характеризуют долговременные тенденции и более надежно фиксируют влияние внешних факторов (Матишов и ДР., 1997).
Действующее водное законодательство РФ основывается на двух базовых стратегиях охраны водоемов: с одной стороны, это стандарты качества водной среды, с другой - стандарты сброса сточных вод. Вместе с тем эти стратегии не учитывают состояния донных отложений - источника повторного и вторичного загрязнения, порождающий токсический и мутагенно-канцерогенный фон в водоеме (Перечень ..., 1999; Мойсейченко и др., 2003).
Важность контроля загрязнения донных осадков признана природоохранными службами во всем мире. В ряде стран существуют эколого-токсикологические нормативы содержания загрязняющих веществ в донных осадках. В таблице 1 приведена классификация уровней загрязнения морских донных осадков фьордов и прибрежных вод, принятая Норвежской государственной инспекцией контроля загрязнения окружающей среды (Klassifiser-ing..., 1997).
Приоритетными для мониторинга химического загрязнения донных отложений являются: токсические металлы, сырая нефть и нефтяные углеводороды (бенз(а)прирен, метилнафталин и др.), стойкие органические соединения (полихлорированные бифенилы, хлорированные пестициды, диоксины, фураны и др.). Это обусловлено глобальным характером их распространения в биосфере и высокой биологической опасностью (Глобальное загрязнение..., 1977; Израэль, Цыбань, 1981; Загрязнение..., 2002).
Металлы - естественный компонент морских донных отложений и в тоже время одни из наиболее опасных и распространенных загрязняющих веществ в тех местах, где их природный цикл нарушается деятельностью человека (Гуревич, 2002). Они встречаются как в элементарной форме, так и в составе химических соединений. Каждая химическая форма или соединение имеет свои свойства, которые определяют их перенос, поведение в пищевой цепи и токсичность. В небольших концентрациях некоторые металлы являются важными питательными элементами (Глобальное загрязнение..., 1977; Лапин, Едигаров, 1985; Мур, Рамамурти, 1987; Моисеенко и др., 1998; Мои-сеенко, 1999).
Источниками техногенной миграции ряда элементов являются отвалы горных пород и отработанных руд, шахтные и карьерные воды, сточные воды и складированные отходы обогатительных производств (Линник, 1986). К поступлению металлов в атмосферу также приводит горение угля, сжигание отходов и деятельность промышленных предприятий. Использование этилированного бензина считается главной причиной увеличения содержание биосфере свинца (Загрязнение..., 2002).
Одним из наиболее важных свойств металлов, в значительной мере определяющих их токсический эффект, является способность накапливаться в живых организмах в силу высокого химического сродства к функционально активным группам биомакромолекул и передаваться по пищевым цепям. Многие металлы, связываясь с белковыми компонентами клеточных, мембран могут изменять проницаемость клеточной оболочки, способствуя нару шению таких физиологических функций, как фотосинтез, дыхание и осморе-гуляция (Патин, 1979; Проблемы..., 1985).
При изучение негативных экологических последствий нефтяного загрязнения морской среды необходимо учитывать, что нефть это природное органическое соединение. Миграционные потоки природного газа и нефти на морском дне за счет их просачивания из нефтегазоносных структур и газо-гидратных скоплений обнаружены во многих районах Мирового океана (Патин, 2001). В таких районах концентрации углеводородов в придонных слоях на 2-3 порядка величин превосходят фоновые уровни (Газохимические..., 1993; Геодакян и др, 1994).
Получение водных вытяжек из донных отложений
Токсичность донных отложений оценивали на основании биотестирования их водных вытяжек.
Известно, что отобранные для анализа пробы грунта пр?едставляют со бой трехкомпонентную систему, состоящую из жидкой фазы, фазы взвешен ных частиц и твердой фазы. Каждая из этих составляющих может по-разному воздействовать на гидробионтов. Наиболее токсичными считаются жидкая фаза, в которой присутствуют растворенные загрязняющие вещества, и фаза взвешенных частиц. Наименьшего эффекта следует ожидать от твердой фазы (Руководство..., 1984).
Для исследования качества донных осадков в США был предложен «элюатныи тест», при проведении которого получают водную вытяжку из донных отложений (элюат, элютриат) и оценивают токсичность жидкой фазы. В настоящее время этот тест достаточно часто применяется при эколого-токсикологическом мониторинге донных осадков. Считается, что водная вытяжка донных отложений, как и поровая вода, являются репрезентативными фракциями для предсказания токсичности донных осадков. Если токсична водная вытяжка, то и донные отложения, как правило, токсичны (Ankley et al., 1991).
В наших исследованиях при получении вытяжки пробу донных осадков смешивали с морской водой из условно чистого района в объемном соотношении 1:4 и перемешивали встряхиванием, которое осуществляется с частотой 100 колебаний в минуту в течение 2 ч. После смешения суспензии давали отстояться в течение 1ч. Полученную надосадочную жидкость сливали и центрифугировали в течение 10 минут при скорости 4000 об/мин. Затем фильтровали через мембранный фильтр с размером пор 0, 45-0,50 мкм.
Приготовление вытяжки мы осуществляли в соответствии с методикой (Руководство..., 1984), увеличив время перемешивания донных отложений с морской водой с 0,5 до 2 часов. Согласно последним исследованиям более полный переход загрязняющих веществ из донных отложений в воду происходит при увеличение длительности перемешивания до 2 ч и более (Ткачен-ко, 1983; Методика..., 1994). Кроме того, для удаление грубодисперсной взвеси из надосадочной жидкости вместо последовательного фильтрования применили центрифугирование, как это рекомендовано в ряде работ (Тка-ченко, 1983; Методика..., 1994; Miller et al., 2000). Это позволило сократить затраты времени на получение вытяжки.
При проведении исследований в губе Палкина (район размещения форелевых ферм) использовали воздушно-сухие донные отложения. Донные отложения высушивали в темноте при комнатной температуре. Для получе ния вытяжки их смешивали с морской водой из условно чистого района в соотношении 1:4 по весу и далее как описано выше.
Исследование токсичности донных отложений и воды Кольского залива Баренцева моря (высокий уровень техногенного воздействия)
Урбанизации побережья Кольского залива обусловила высокий уровень загрязнения его экосистемы. Биотестирование донных отложений залива позволило оценить биологические эффекты многокомпонентного загрязнения высокими концентрациями поллютантов. Для выявления соотношения в распределении токсичных компонентов загрязнения между водными массами и донными осадками на отдельных станциях в Кольском заливе определяли также токсичность воды придонного и поверхностного слоев.
Наиболее распространенный тип донных отложений в Кольском заливе тонкодисперсные илы с различной примесью песчаного и алевритового материала. В большинстве проб исследованных донных осадков постоянно присутствовало два горизонта: верхний - коричневых тонов - окисленный и нижний - черного цвета с запахом сероводорода. Лишь в кутовой части Южного колена залива донные отложения представлены крупнозернистыми, мелкозернистыми и илистыми песками, которые выносятся в залив с речным стоком.
В соответствии с особенностями морформетрии акваторию залива подразделяют на три участка: северное, среднее и южное колена. Эти названия не узаконены в географической номенклатуре, но общеприняты в научной и практической деятельности.
Южное колено Кольского залива. За южную оконечность залива принимают Кольскую узость - место впадения р. Туломы, где ее русло сужается примерно до 100 м. Границей между южным и средним коленом является линия, соединяющая мыс Мишуков и мыс Пинагорий. Максимальная глубина осевой части залива в южном колене не превышает 40 м, характерно сильное течение, создаваемое впадением рек Туломы и Колы, которое не компенсируется даже приливным течением (Кольский..., 1997).
Побережье южного колена залива наиболее урбанизировано (здесь расположен г. Мурманск, торговый и рыбный порты, РТП «Атомфлот» и др.) и соответетвеннонодвергается наибольшей антропогенной нагрузке.
В кутовой части залива располагались ст. 56-58 (рис. 1). Неразведенные вытяжки из донных отложений ст. 56 и 57 стимулировали рост культуры водорослей (рис. 21 и 22). Начиная со 2-х сут эксперимента, численность клеток превосходила контрольный уровень на 23 -179 %. При концентрации вытяжек 1-50 % наблюдали различные по продолжительности фазы стимуляции и восстановления роста Ph. tricornutum.
В неразведенной вытяжке донных отложений ст. 58 наблюдали периоды достоверного снижения численности клеток водорослей на 2-е и 3-й сут опыта (рис. 23). Стабильную стимуляцию размножения водорослей зарегистрировали при концентрации вытяжки 1-50 %. Наиболее высокую численность Ph. tricornutum - 216 % по сравнению с контролем отмечали при концентрации вытяжки 10 % на 3-й сут экспозиции.
вытяжки донных отложений Кольского залива, ст. 56. Красным цветом отмечены статистически достоверные отличия от контроля . Численность водорослей при различных концентрациях вытяжки донных отложений Кольского залива, ст. 57. Красным цветом отмечены статистически достоверные отличия от контроля.
. Численность водорослей при различных концентрациях вытяжки донных отложений Кольского залива, ст. 58. Красным цветом отмечены статистически достоверные отличия от контроля. Повышенной гибели личинок A. salina в вытяжках из донных отложений кутовой части залива не происходило (табл.8). Скорость роста рачков была выше, чем в контроле (табл. 9). Наибольшая длина тела личинок артемии -148 и 175 % по сравнению с контролем была зафиксирована в вытяжках из донных осадков ст. 57 и 58.
Более сильно загрязнены донные отложения, отобранные в районе Мур-майского морского рыбного порта и ПО "Судоверфь"- ст. 59, 60 и 61. Вытяжки из них обладали альгицидным действием (рис. 24, 25 и 26). Клетки водорослей в конце эксперимента здесь или полностью погибали (ст.61), или их численность падала до 24 % от контроля (ст. 59 и 60). Достоверного подавления размножения Ph. tricornutum не отмечали в вытяжках из донных отложений ст. 59 и 61 при концентрации 1%, ст. 60 - 5 %. В конце экспериментов 50 %-е ингибирование роста культуры водорослей (ЕС50) достигалось при следующих концентрациях вытяжек из донных осадков: ст. 59-3,7 %, ст . 60 - 27,5 %, ст. 61 - 10,0 %. На выживаемость личинок A. salina эти вытяжки не влияли (см. табл. 8). В вытяжке из донных отложений ст. 5 линейные размеры личинок превосходили контрольный уровень при концентрации 50 % (см. табл. 9).
Токсичность воды определяли на ст. 61. Статистически достоверное угнетение роста водорослей отмечали в воде, отобранной в поверхностном слое (рис. 27). Ингибирующий эффект сохранялся только при разведении воды в два раза. В воде придонного слоя достоверное снижение численности Ph. tricornutum наблюдали в первые трое суток опыта (рис. 28). Повышенной смертности личинок A. salina не зарегистрировали (табл. 10).
В районе причалов Мурманского торгового порта и Атомфлота (ст. 62 и 63) токсичность донных отложений снижалась. Вытяжки из них не влияли на , выживаемость и рост личинок A. salina (см. табл. 8 и 9).
