Введение к работе
Актуальность. Проблема загрязнения металлами водных экосистем привлекла особое внимание общества в 60-х годах, в связи с отравлением людей соединениями Hg и Cd. Люди потребляли в пищу продукты, выращенные или выловленные в среде загрязненной этими металлами (Langston, 1990).
В соответствии с большим интересом к вопросам поведения металлов в среде и организмах количество публикаций по различным аспектам биогеохимии токсичных элементов весьма велико, и охаракетризованы многие процессы, контролирующие их поведение в водных экосистемах (Лисицын, 1978, Гордеев, 1983, Чудаева, 2002, Опекунов, 2005, Braland, 1983, Santschi et al., 1990). Вместе с тем при оценке загрязнения металлами водных экосистем остается ряд недостаточно решенных проблем.
Во-первых, это вопросы надежного определения содержания растворенных металлов на уровне нг/л, и, соответственно, корректная характеристика фоновых концентраций и степени загрязнения. Несмотря на успешные методические работы (напр. Benoit et al., 1997), в том числе в РФ (напр., Папина, 2004), уровни содержания ряда растворенных металлов (Zn, Pb, Cd), определяемых в речных и прибрежно-морских водах многими лабораториями, как в России, так и за рубежом, являются дискуссионными.
Во-вторых, это высокая изменчивость концентраций различных форм металлов, и факторов, контролирующих эту изменчивость. Одинаковые по механизму процессы в одних прибрежно-морских экосистемах могут сопровождаться изменением концентрации металлов, в других - нет, вследствие различия гидродинамических и биологических параметров экосистем. Для речных вод основными факторами, контролирующими содержание и формы нахождения металлов, являются расход воды, количество взвеси и растворенного органического вещества. Однако вид этих зависимостей не однозначен, и, в свою очередь, определяется природными особенностями водотока и степенью антропогенной нагрузки.
В-третьих, это оценка воздействия металлов на гидробионты в условиях изменяющихся факторов среды. Очевидно, что повышенная или пониженная концентрация металлов в среде имеет экологическую значимость, только если она сказывается на составе и/или функционировании организмов Существующие в настоящее время методики оценки токсичности металлов оперируют концентрациями, как правило, намного превышающими реально наблюдаемые в речных и морских водах. С геохимической точки зрения привлекательна идея использования изменения концентрации металлов в гидробионтах, обитающих в среде с различным химическим составом, для характеристики её загрязнения биодоступными формами металлов (Христофорова, 1985, Бурдин, 1985), однако при этом необходимо учитывать многие биотические и абиотические факторы, влияющие на накопление металлов тканями гидробионтов.
Только при достаточной проработанности перечисленных проблем возможна оптимизация мониторинга загрязнения металлами водных экосистем (что и когда мерить).
С токсикологической точки зрения наиболее важны биодоступные растворенные формы металлов и металлы, входящие в состав продуцируемого органического вещества, и способные к дальнейшей миграции по пищевой цепи. Однако системный подход требует учета всех основных компонентов водных экосистем: раствора, взвеси, донных отложений, гидробионтов и распределения металлов между ними, поскольку в природе эти компоненты связаны реально существующими потоками вещества, которые могут вести к значительному увеличению концентрации вплоть до токсичного уровня. Особенно это актуально для прибрежных акваторий, где местные гидродинамические и биологические условия могут кардинально влиять на потоки вещества.
Кроме оценки возможного токсического воздействия, изучение распределения металлов в водных экосистемах позволяет оценить общий масштаб антропогенной нагрузки, используя концентрацию металлов как трассер дополнительных источников поступления или определенных биогеохимических процессов.
Цель и задачи. Целью работы является характеристика главных процессов, контролирующих концентрацию и миграционные потоки ряда тяжелых металлов в речных и прибрежно-морских экосистемах, как основы для оценки загрязнения металлами и общей антропогенной нагрузки на водные экосистемы на примере северо-западной части Японского моря и прилегающей суши.
Для достижения этой цели представлялось необходимым решить следующие задачи:
-
Охарактеризовать природные (фоновые) уровни содержания ряда металлов (Zn, Си, Pb, Cd, Ni, Fe, Мп,) в основных компонентах речных, эстуарных и прибрежно-морских водных экосистем и определить масштабы их антропогенного изменения;
-
Определить и охарактеризовать ключевые физические, физико-химические и биологические процессы, контролирующие миграцию и накопление металлов в основных компонентах речных, эстуарных и прибрежно-морских водных экосистем различного типа;
-
Оценить возможности использования изменения химического состава воды, взвеси, донных осадков и гидробионтов для выявления загрязнения типичных водных экосистем;
Включение в список изучаемых металлов Fe и Мп обусловлено их важной ролью во многих биогеохимических процессах в водных экосистемах.
Районы работ, объекты и методы. Основными районами, на примере которых решались эти задачи, были прибрежные воды северо-западной части Японского моря, включая залив Петра Великого и побережье Приморья до м. Золотого, Курильские острова, Амурский лиман и некоторые прибрежные акватории тропической зоны Тихого океана (Новая Гвинея, Вьетнам), где автору удалось работать в 80-х годах. Большая часть материала
по речным экосистемам относится к рекам Приморья. Для некоторых из этих водных экосистем имеется достаточно обширный литературный материал, в том числе и по биогеохимии металлов (Игнатова, Чудаева, 1983, Христофорова, 1989, Христофорова и др., 1994, Аникиев, 1987, Чудаева, 2002). Однако, как нам кажется, задачи, поставленные в данной работе, до сих пор в полном объеме решены не были. Кроме собственных материалов, использовали данные из большого числа публикаций по другим регионам. Учитывая достаточно универсальный характер геохимических процессов, протекающих в водных экосистемах зоны гипергенеза, можно надеяться, что многие полученные результаты окажутся справедливыми для водных экосистем других акваторий и регионов.
Научная новизна. Автором проведен анализ изменчивости концентрации металлов в основных компонентах водных экосистем в ряду: река - эстуарий - прибрежные морские акватории. При этом получены новые данные по фоновым уровням содержания растворенных металлов (Zn, Pb, Cd) в реках юга Дальнего Востока и в прибрежно-морских водах северозападной части Японского моря, что позволило корректно оценить степень антропогенного влияния на содержание микроэлементов в природных водах региона.
Изучены биогеохимические особенности поведения металлов в зонах смешения рек Приморья по сравнению с другими эстуариями. Показано, что главным фактором, определяющим геохимические процессы в системе вода -взвесь, и, соответственно, поведение растворенных форм, является состав исходного речного стока. Однако пространственная изменчивость концентрации металлов во взвешенном материале эстуарных зон контролируется в большей степени продукцией планктона, разбавляющего речную взвесь, а в донных отложениях - механической дифференциацией донных осадков.
Изучено поведение металлов в прибрежных морских экосистемах гумидной зоны на примере ряда типичных акваторий, различающихся по гидрологическим и морфометрическим характеристикам, а также уровню антропогенной нагрузки. Впервые оценено изменение концентрации, форм нахождения и биогеохимических потоков металлов в цикле миграции вещества, включая седиментогенез, в прибрежных экосистемах Приморья.
Экспериментально изучена подвижность потенциально токсичных металлов Cd, Pb, Си, Zn при взаимодействии речной взвеси и прибрежных донных отложений с морской водой. Показаны масштабы и условия мобилизации металлов в раствор, а также влияние на этот процесс температуры воды и содержания микроэлементов в твердой фазе. Оценена возможность вторичного загрязнения вод растворенными формами Cd, Pb, Си, Zn за счет мобилизации из верхнего слоя донных отложений.
На примере прибрежных акваторий Приморья с различным уровнем и типом антропогенной нагрузки отработана и опробована оптимальная схема мониторинга загрязнения среды металлами, основанная на изучении микроэлементного состава донных отложений и гидробионтов. Определены
условия, обуславливающие необходимость мониторинга содержания растворенных форм металлов. Показано, что изменение концентрации металлов в компонентах экосистем может являться маркером общей антропогенной нагрузки и основных биогеохимических процессов.
Основные защищаемые положения
-
Фоновая концентрация растворенных форм Zn, Си, Pb, Cd, Ni, Mn, Fe в малозагрязненных реках юга Дальнего Востока находится на уровне наиболее чистых рек Мира. Умеренная хозяйственно-бытовая нагрузка ведет к увеличению концентрации растворенных металлов в крупных реках Приморья не более чем в 2-3 раза. Только в р.Туманная вследствие на порядок величин большей плотности населения на водосборе, концентрация растворенных Mn, Pb, Cd повышается в 8-20 раз по сравнению с фоном.
-
Характер геохимических процессов с участием металлов в эстуарных водах определяется содержанием микроэлементов в речном стоке, а влияние этих процессов на распределение растворенных и взвешенных форм металлов в эстуариях контролируется гидродинамическими условиями и седиментацией взвеси. При повышенной концентрации в поступающей речной взвеси таких металлов, как Zn, Cd, Mn, Ni, преобладает их десорбция в раствор вод промежуточной солёности.
-
Главным биогеохимическим процессом, контролирующим поведение Zn, Си и Cd на границе воды и дна в аэробных условиях, является деструкция органического вещества осаждающейся взвеси и донных отложений, вызывающая мобилизацию металлов в раствор. Переход в раствор Zn и Cd пропорционален исходному загрязнению твердой фазы. Существенное вторичное загрязнение прибрежных и эстуарных вод за счет донных осадков и речной взвеси возможно кадмием, и только при очень значительном загрязнении исходной твердой фазы - цинком. Переход в раствор Pb практически не значим даже при высокой концентрации в твердой фазе.
-
Для оценки степени антропогенной нагрузки на прибрежно-морские и речные экосистемы по содержанию микроэлементов в различных компонентах наиболее рационально использовать донные отложения и взвесь для характеристики общего уровня загрязнения среды и пространственного распределения техногенной нагрузки по акватории, а содержание металлов в гидробионтах (макроводорослях и моллюсках фильтраторах) - для оценки биодоступного загрязнения.
Практическая значимость. Полученные данные о фоновых уровнях содержания металлов в воде и взвеси рек и прибрежно-морских акваторий позволяют корректно оценить масштабы и специфику антропогенного влияния на химический состав компонентов водных экосистем. Эти данные могут быть положены в основу нормирования допустимости антропогенных сбросов как с точки зрения загрязнения потенциально токсичными металлами, так и для оценки общей антропогенной нагрузки на водные экосистемы. В последнем случае металлы используются как маркеры
гидродинамических и биогеохимических процессов. Данные по накоплению металлов тканями гидробионтов могут быть использованы при решении проблем марикультуры, добычи и использования морепродуктов и биоиндикации загрязнения среды.
Личный вклад. Автор непосредственно участвовал в получении результатов, положенных в основу представленной работы, начиная со стадии постановки задач, разработки методики работ, полевых, экспедиционных и лабораторно-экспериментальных исследований, отбора и обработки проб, и заканчивая интерпретацией полученных данных.
Публикации и апробация. Основные результаты диссертации опубликованы в одной персональной монографии, одной монографии в соавторстве, и в 23 статьях, в том числе в 19 статьях опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на ряде форумов, в том числе: на Совещаниях географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, 1996 и 2004 гг.), на Международном симпозиуме по загрязнению океана (США, 1997), на 9-ом Тихоокеанском Интер-Конгрессе (Тайвань, 1998), на 8-ом Менждународном симпозиуме по взаимодействию осадков и воды (Пекин, 1999), на Международном совещании представителей сети Биосферных заповедников Восточной Азии (Владивосток, 2001), на Вероссийской Биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, ГЕОХИ, 2003), на Международных симпозиумах по биогеохимии эстуариев, (Норвегия, 2002 и Германия, 2006), на Совещаниях PICES в 1999, 2001, и в 2003 гг., на конференциях «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов» (Иркутск, ИГ СО РАН, 2005) и «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006), на семинарах ТИГ и ИБМ ДВО РАН.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, изложена на 289 страницах машинописного текста, иллюстрирована 55 таблицами и 69 рисунками. Список литературы содержит 379 источников, из них 268 иностранных.
Благодарности. В основе работы лежат исследования автора, проводившиеся в последние 20 лет совместно с коллегами из лаборатории геохимии ТИГ ДВО РАН, других институтов, прежде всего Института биологии моря ДВО РАН и ДВНИГМИ. Особую благодарность автор хотел бы выразить сотрудникам ТИГ ДВО РАН вед. инженеру Н.Н.Богдановой, проф. Н.К.Христофоровой, вед. инженерам Т.Л.Примак и Г.А.Власовой, к.б.н. Е.Н.Черновой, к.б.н. Коженковой, к.г.н. И.С.Арзамасцеву, к.г.н. А.Н.Качуру, вед. инженеру Л.В.Перепелятникову, а также начальнику ЦМС ПУГКС Г.И.Семыкиной, сотрудникам ИБМ ДВО РАН к.б.н. В.Я.Кавуну и д.б.н. В.Г.Тарасову, к.г.н А.В.Ткалину из ДВНИГМИ, и к.б.н. Л.Т.Ковековдовой из ТИНРО-Центра. Без помощи этих людей, получение результатов, положенных в основу представляемой работы, было бы невозможно.