Введение к работе
Актуальность проблемы. К концу ХХ - началу ХХI веков в прибрежных акваториях Черного и Азовского морей возросла концентрация биогенных элементов и некоторых поллютантов (Зайцев, Поликарпов, 2002; Кленкин и др., 2007), появились и дали вспышку численности новые бентосные и планктонные организмы-вселенцы, изменившие естественный ход седиментогенеза на шельфе (Кучерук и др., 2002; Чикина, 2009), на шельфе Черного моря в 2 - 3 раза снизилась прозрачность воды (Техногенное…, 1996; Маньковский и др., 1996; Максимова, Лучина, 2002), а в местах наиболее интенсивного хозяйствования значительно увеличилась площадь восстановленных илистых донных отложений (Сорокин, Закускина, 2005). Изменение гранулометрического состава донных отложений на шельфе Черного моря, связанное как с общей эвтрофикацией, так с повышением количества взвешенного количества органического вещества после вселения мнемиопсиса, привело к заилению мелководий и изменению структуры бентосных сообществ (Чикина, 2009). Эти изменения привели к существенной антропогенной трансформации фитобентоса в северо-западном районе Черного моря (Black sea…, 1998). В то же время, до сих пор отсутствуют исчерпывающие ответы на такие принципиальные вопросы: - как же указанные изменения повлияли на структуру, продуктивность и распространение макрофитобентоса в Азовском и Черном морях? - как изменились и изменились ли вообще флора макрофитов, структура популяций основных видов фитобентоса? - как влияет загрязнение донных отложений одним из самых распространенных поллютантов – нефтью и нефтепродуктами – на важнейшие физиолого-биохимические параметры водорослей?
Таким образом, анализ современного состояния, распределения и динамики морских сообществ на восточном прибрежье Азовского и в северо-восточной части Черного морей, исследование структуры и продуктивности популяций отдельных видов, фитоценозов и морских экосистем, проблемы их рационального использования, а так же выявление адаптационных возможностей макрофитобентоса на разных иерархических уровнях организации живой материи являются чрезвычайно актуальными.
Цель исследований – выявить состав, структуру и биологическую продуктивность донных фитоценозов в прибрежных экосистемах северо-восточной части Черного моря и юго-восточной части Азовского моря, исследовать адаптационные механизмы макрофитобентоса на разных уровнях организации живой материи.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
-
выявить видовой состав, структуру фитоценозов, продуктивность доминирующих сообществ макрофитобентоса верхней сублиторали российского сектора Черного моря и юго-восточной части Азовского моря, включая экосистемы лиманов и плавней;
-
изучить влияние эвтрофикации и нефтяного загрязнения на физиолого-биохимические и морфологические характеристики наиболее важных компонентов водных фитоценозов;
-
выявить влияние нефтяных углеводородов и оценить степень деградации макрофитобентоса при антропогенном загрязнении морских прибрежных экосистем;
-
исследовать современное состояние и многолетнюю динамику популяций основных видов макрофитов в экосистемах российского шельфа Азово-Черноморья;
-
оценить изменения возрастной и размерно-массовой структуры популяций доминирующих видов;
-
разработать предложения по сохранению и рациональному использованию макрофитов прибрежных экосистем изучаемого региона;
-
оценить возможность восстановления популяций ценных видов макроводорослей.
Научная новизна работы. Выявлены состав, структура и состояние доминирующих растительных ассоциаций экосистем российского Азово-Черноморского шельфа. Впервые для указанного региона: исследована направленность физиолого-биохимических, морфологических изменений и популяционной структуры эдификаторов и ассектаторов сообществ макрофитов под влиянием антропогенного фактора. Оценено состояние популяций хозяйственно ценных видов макрофитов и проанализирована их многолетняя динамика в прибрежных экосистемах Азовского и Черного морей, экспериментально выявлены пороговые концентрации нефтяных углеводородов в донных отложениях, при которых происходит элиминация ценопопуляций основных видов фитобентоса. Определены запасы водорослей-макрофитов и морских трав, проанализирована многолетняя динамика запасов доминирующих видов макрофитов прибрежных экосистем Черного моря, обоснована гипотеза, объясняющая причины их изменения. Исследованы и описаны сукцессионные изменения макрофитобентоса в районах с интенсивным антропогенным прессингом (районы терминала по перекачке нефти и нефтепродуктов Каспийского трубопроводного консорциума (КТК), газопровода «Голубой поток»). Разработаны оригинальные гидробиотехнические конструкции, предназначенные для восстановления популяций хозяйственно ценных видов водорослей-макрофитов. Новизна результатов исследований подтверждена 4 патентами на изобретения и 4 патентами на полезные модели.
Теоретическая значимость работы заключается в анализе сукцессий, состава и структуры донных растительных сообществ и их роли в экосистемах российского Азово-Черноморского шельфа. Определены основные адаптационные механизмы фитобентоса на разных уровнях организации живой материи. Выявлены причины многолетней динамики макрофитобентоса в изученных прибрежных экосистемах.
Практическая значимость исследования определяется следующими основными результатами работы:
определена продуктивность отдельных видов макрофитов и их сообществ в экосистемах Азово-Черноморского шельфа;
оценена степень дигрессии растительных сообществ при нефтяном загрязнении акватории Черного моря;
разработаны и внедрены гидробиотехнические конструкции, позволяющие культивировать ценные виды макроводорослей в экосистемах с антропогенно измененными донными отложениями и низкой прозрачностью воды;
разработаны предложения по рациональному использованию и сохранению ценных видов водорослей и морских трав Азовского и Черного морей.
Практические и теоретические данные, полученные в ходе исследования, используются при выполнении научных исследований в Азовском НИИ рыбного хозяйства и в учебном процессе на биолого-почвенном факультете Южного федерального университета.
Положения, выносимые на защиту:
-
Современное видовое и фитоценотическое разнообразие макрофитобентоса в экосистемах Азово-Черноморского шельфа России представлено 253 видами макроводорослей и 59 видами высших водных растений, образующих 54 ассоциации.
-
В прибрежных экосистемах Азовского моря доминирующей является ассоциация Phragmitetum subpurum, Черного моря – Cystoseiretum dilophoso-cladostephosum, имеющая 3-4-х ярусное строение. Из глубоководных доминируют моно- и олигодоминантные 1-2-х ярусные ассоциации Codium vermilara и Phyllophora crispa. За прошедшие 50 лет полностью исчезли ассоциации зостеры и группировки глубоководных водорослей, нижняя граница фитобентоса в прибрежных экосистемах Черного моря поднялась до глубины 15-30 м. В антропогенно нарушенных экосистемах олигосапробные ассоциации макроводорослей сменились мезо- и полисапробными с одновременным упрощением пространственной и иерархической структуры сообществ.
-
Популяции цистозиры адаптируются к антропогенному загрязнению и эвтрофикации путем изменений физиолого-биохимических параметров, размерно-массовых характеристик и возрастной структуры.
-
Популяции основных видов водорослей-макрофитов в шельфовых экосистемах Черного моря сокращаются. Общая биомасса водорослей рода Cystoseira составляет 130 тыс.т. сырой массы, что в 6 раз меньше, чем в 60-х гг. ХХ в., биомасса Phyllophora crispa оценивается в 15,8 тыс.т, что в 2 раза меньше, чем имелось ранее.
-
Рекомендуемая норма изъятия цистозиры из прибрежных экосистем составляет 5%, других водорослей и трав – от 0 до 10% от общей биомассы.
Публикации. В период 2000-2009 гг. по материалам диссертации опубликована 81 работа, в том числе 3 монографии, главы в 6 коллективных монографиях и монографических сборниках, 24 статьи, 8 патентов РФ.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на VIII и IX съездах гидробиологического общества РАН (Калининград, 2001, Тольятти, 2006); XI и XII съездах Русского ботанического общества (Барнаул, 2003, Петрозаводск, 2008), 22 всероссийских и международных конференциях, школах, форумах, в том числе “Проблемы сохранения экосистем и рационального использования биоресурсов Азово-Черноморского бассейна” (Ростов-на-Дону, 2001); “Сохранение и воспроизводство растительной компоненты биоразнообразия” (Ростов-на-Дону, 2002); “Современные проблемы океанологии шельфовых морей России” (Ростов-на-Дону, 2002); “Биотехнология – охране окружающей среды” (Москва, 2004); “Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов” (Петрозаводск, 2004); “International workshop on the Black sea benthos” (Стамбул, 2004); “Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем” (Ростов-на-Дону, 2006); “1st Biannual Scientific conference “Black sea ecosystem 2005 and beyond” (Стамбул, 2006); Всемирном Форуме инноваций и инвестиций «Эврика» (Брюссель, 2007); Салоне инноваций «Innova 2008» (Касабланка, 2008); 2nd Biannual and Black sea scene EC project joint conference “Climate change in the Black sea – hypothesis, observations, trends. Scenarios and mitigation strategy for the ecosystem” (София, 2008); “Современные проблемы альгологии” (Ростов-на-Дону, 2008); “Современные основы формирования сырьевых ресурсов Азово-Черноморского бассейна в условиях изменения климата и антропогенного воздействия” (Ростов-на-Дону, 2008); Европейском салоне изобретений «Concourse Lepine» (Страсбург, 2009); V и VI всероссийских конференциях по водным растениям (Борок, 2000, 2005), I и VII всероссийской школе по морской биологии (Ростов-на-Дону, 2001, 2008).
Личный вклад автора заключается в обосновании цели и задач исследования, выборе конкретных направлений работы, выполнении представленного в диссертации исследования и разработке практических рекомендаций по применению полученных результатов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, практических рекомендаций, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа представлена на 456 страницах текста; содержит 80 таблиц, 73 рисунка. Список литературы содержит 461 источник, в том числе 51 иностранный.
