168859 (Закономерности и факторы устойчивости пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению)

На правах рукописи

Заличева Ирина Николаевна

Закономерности и факторы устойчивости пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению

03.02.08 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Петрозаводск - 2010

Работа выполнена в Северном научно-исследовательском институте рыбного хозяйства Петрозаводского государственного университета (СевНИИРХ ПетрГУ)

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор Китаев Станислав Петрович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Симаков Юрий Георгиевич

доктор биологических наук, профессор Немова Нина Николаевна

доктор биологических наук Калинкина Наталия Михайловна

Ведущая организация:

Институт озероведения РАН

Защита состоится " 10 " ноября 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете эколого-биологическом факультете по адресу: 185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета

Автореферат разослан " " 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук И.М. Дзюбук

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Глобальное загрязнение наземных и водных экосистем привело к тому, что токсический фактор стал неотъемлемой частью абиотической составляющей внешней среды. На современном этапе экологическая ситуация на водоемах все более осложняется, принимая, зачастую, регионально кризисные формы с неблагоприятным прогнозом.

Устойчивость водных экосистем к антропогенному воздействию существенно зависит от региональной нормы реакции, эволюционно связанной с природно-климатическими (зональными) и биогеохимическими (азональными) факторами ее формирования. В связи с этим, выявление географических закономерностей и особенностей функционирования экосистем, определяющих токсикорезистентность водных биоценозов, является актуальным направлением экологической токсикологии.

В то же время, действующая в России нормативная база регламентирования антропогенной токсикологической нагрузки на водоемы основана на общефедеральных рыбохозяйственных предельно допустимых концентрациях (ПДК), которые не учитывают функциональные особенности устойчивости к загрязнению пресноводных экосистем, расположенных в различных природно-климатических зонах и биогеохимических провинциях. Несомненно, это негативно отражается на адекватности нормирования и контроля загрязнения поверхностных вод и, прежде всего, в северных регионах с пониженной биологической и гидрохимической забуференностью, а по естественным элементам - для водоемов с их низким природным содержанием. В результате, экологическая некорректность системы общефедеральных рыбохозяйственных ПДК может привести к ухудшению токсикологической ситуации на водоемах и большим ресурсным потерям.

Без достаточно глубокого изучения свойств экосистем и факторов, формирующих их норму реакции на различные типы токсикантов невозможно создать адекватную методологическую базу лимитирования и раннего предупреждения отрицательных экологических последствий антропогенного загрязнения поверхностных вод. Перечисленные обстоятельства ставят разработку теоретических основ нормирования токсикологической нагрузки на водные экосистемы, учитывающих зональные и азональные факторы их резистентности, в ряд наиболее актуальных теоретико-прикладных проблем. Это особенно важно и актуально для России, территория которой охватывает пять природно-климатических зон и включает множество разнообразных биогеохимических провинций, что обусловливает существенную разнокачественность водных экосистем по их устойчивости к антропогенной нагрузке.

Цель и задачи исследований. Целью работы являлось выявление зональных и региональных закономерностей и особенностей устойчивости пресноводных экосистем к антропогенной интоксикации. В ходе исследований решали следующие задачи:

1. Показать зональный характер ведущих абиотических и биотических факторов забуференности водных экосистем.

2. Изучить влияние гидрохимического режима и трофического статуса водоемов разных природно-климатических зон на токсикорезистентность гидробионтов и токсичность поллютантов (металлы, пестициды, нефтепродукты).

3. Дать зональную характеристику токсикорезистентности пресноводных биоценозов.

4. Изучить сезонную динамику устойчивости гидробионтов к интоксикации на организменном, популяционном и ценотическом уровне.

5. Исследовать зависимость токсикорезистентности представительных популяций гидробионтов различных биогеохимических провинций к металлам от их природного содержания в водоемах.

6. Выявить эколого-токсикологические особенности влияния ацидификации на водные биоценозы зоны северной тайги в условиях их антропогенной токсификации и эвтрофикации.

7. Изучить формирование нормы реакции зоопланктонных организмов на закисление водной среды и токсическое воздействие металлами.

8. Дать оценку экологической обоснованности действующей системы регламентирования антропогенного загрязнения водных экосистем.

9. Разработать предложения по повышению экологической значимости рыбохозяйственных ПДК для веществ, поступающих в поверхностные пресные воды.

Научная новизна и теоретическое значение. Впервые в России на единой методологической и методической основе проведены сравнительные эколого-токсикологические исследования закономерностей и факторов устойчивости пресноводных экосистем различных природно-климатических зон и биогеохимических провинций к антропогенному загрязнению.

Изучена зависимость токсикорезистентности биоценозов водотоков, водохранилищ и озер от зонально значимых параметров среды, показан зональный характер ведущих абиотических и биотических факторов забуференности пресноводных водоемов. Впервые проведен анализ широтной изменчивости устойчивости к интоксикации озерных биоценозов в пределах северотаежной зоны и изучена ее корреляция с ведущими экологическими факторами, отражающими региональную специфику.

Впервые изучена сезонная динамика устойчивости гидробионтов к интоксикации на организменном, популяционном и ценотическом уровне. Показано, что окологодовые (сезонные) ритмы в значительной степени определяют устойчивость биосистем к неблагоприятным факторам среды на всех уровнях структурной организации. Выявлены общие межзональные закономерности сезонной динамики токсикорезистентности водных биоценозов и региональные особенности.

Впервые дана характеристика адаптационной пластичности популяций зоопланктонных организмов в условиях хронической интоксикации металлами, показана эффективность использования конкурентоспособности в качестве интегрального критерия популяционной адаптации гидробионтов к антропогенной токсификации на уровне межвидовых связей.

Впервые в широком географическом диапазоне (Карелия, Хакасия, Приморский край, Южный Урал и Восточно-Казахстанская область) проведены сравнительные исследования токсикорезистентности представительных для различных биогеохимических провинций популяций гидробионтов к металлам, показана зависимость региональной нормы реакции к интоксикации металлами от их природного содержания в водоемах, выявлены количественные и качественные межпопуляционные и межвидовые различия токсикорезистентности гидробионтов.

Впервые проблема закисления водных экосистем таежной зоны рассмотрена (на примере Карелии) в эколого-токсикологическом аспекте. Выявлены зональные особенности проявления биологической активности регионально приоритетных поллютантов (металлы, нефтепродукты, пестициды, формальдегид, минеральный фосфор), в условиях различной степени закисления и гумификации вод. Впервые разработана и апробирована биологическая шкала распределения индикаторных видов зоопланктона по степени закисления поверхностных вод зоны северной тайги.

Впервые в водной токсикологии дано комплексное системное представление о биотических и абиотических закономерностях и особенностях функционирования пресноводных экосистем России в условиях антропогенного загрязнения, что является частью решения фундаментальной проблемы токсикорезистентности водных биоценозов с экологических позиций.

Практическое значение. Основные выводы и рекомендации, сделанные в работе, направлены на повышение экологической значимости и обоснованности рыбохозяйственных ПДК и могут составить методологическую и методическую базу регионального нормирования антропогенной нагрузки на водоемы России. Результаты исследований нашли отражение в "Методических указаниях по установлению эколого-рыбохозяйственных нормативов загрязняющих веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение" (М: ВНИРО, 1998, п. 1.6 "Установление региональных нормативов").

Применение в лабораторных исследованиях рекомендованного теста на конкурентоспособность в качестве интегрального показателя жизнеспособности популяций при изменении среды обитания повысит экологическую значимость результатов токсикологических экспериментов.

Учет выявленных закономерностей сезонной динамики токсобности водных экосистем при разработке предельно допустимых сбросов (ПДС) и предельно допустимой экологической нагрузки (ПДЭН) от предприятий позволит свести к минимуму токсикологическую нагрузку на водоемы в критические периоды развития биоценозов.

Оценка степени закисления поверхностных вод по разработанной региональной шкале ацидорезистентности зоопланктонных организмов повысит экологическую эффективность прогнозирования, ранней диагностики и предупреждения негативных последствий антропогенной ацидификации водоемов таежной зоны Европейского Севера России. Полученные уравнения регрессии зависимости токсичности металлов и органических поллютантов от рН и цветности водной среды могут быть использованы при расчете их критической токсикологической нагрузки на водные экосистемы зоны северной тайги.

Основные защищаемые положения:

1. Устойчивость пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению в значительной степени определяется ведущими биотическими и абиотическими факторами водной среды, имеющими четко выраженный зональный характер.

2. Биогеохимические провинции с различным содержанием природных веществ (элементов) в поверхностных водах обусловливают формирование специфической региональной нормы реакции гидробионтов на антропогенную нагрузку естественными для среды обитания компонентами.

3. Токсикорезистентность гидробионтов на организменном, популяционном и ценотическом уровне не является величиной постоянной, изменяясь во времени в соответствии с окологодовыми (сезонными) ритмами функционирования водных экосистем.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на научно-технической конференции "Пути решения региональных проблем охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в КАССР" (Петрозаводск, 1987); I-ой Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии (Рига, 1989); ХХIII конференции по изучению водоемов Прибалтики (Петрозаводск, 1991); VI съезде ВГБО (Мурманск, 1991); Международной конференции по проблеме "Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера" (Петрозаводск, 1995); заседаниях научно-консультационного совета по рыбохозяйственной токсикологии МИК (Ярославль, 1996, 1997, 2002; Санкт-Петербург, 1999); I съезде токсикологов России (Москва, 1999); научной конференции "Проблемы воспроизводства, кормления и борьбы с болезнями рыб при выращивании в искусственных условиях" (Петрозаводск, 2002); Всероссийской конференции с участием специалистов из стран ближнего и дальнего зарубежья "Современные проблемы водной токсикологии" (Борок, 2002); Международной конференции "Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах" (Москва, 2002); II и IV Международной научной конференции "Биотехнология – охране окружающей среды" (Москва, 2004, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, в том числе 11 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, списка литературы, приложения, содержащего 32 таблицы. Общий объем диссертации - 410 страниц, работа содержит 72 рисунка и 68 таблиц. Список литературы включает 833 наименования, из них - 226 работ зарубежных авторов.

Содержание работы

1. Материал и методы

В работе представлены и обобщены результаты многолетних исследований лаборатории экологической токсикологии и биомониторинга СевНИИРХ ПетрГУ, проведенных в 1985-2007 г.г. с участием автора или под его руководством, а также результаты собственного анализа литературных данных по эколого-токсикологическим аспектам формирования устойчивости пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению.

При проведении токсикологических экспериментов применяли стандартные методики [Методические рекомендации по установлению эколого-рыбохозяйственных нормативов…, 1998]. Исходя из поставленных задач, в качестве основного регистрируемого параметра во всех опытах использовали показатель смертности. Исключение составляют модельные популяции планктонных организмов, функциональное состояние которых при хроническом воздействии оценивали по показателям численности и биомассы. Биомассу ветвистоусых рачков определяли по формуле Е.В. Балушкиной и Г.Г. Винберга перерасчетом после измерения их длины тела под бинокуляром [Общие основы…, 1979].

В острых опытах, наряду с традиционным определением LT₅₀ (время гибели 50-ти процентов подопытных в остролетальных концентрациях) и LC₅₀²⁴ (остролетальная концентрация реагента, вызывающая гибель 50-ти процентов подопытных за 24 часа), широко использован метод ступенчатой нагрузки. Тест-объекты в течение равных промежутков времени (1 сутки) подвергали действию концентраций веществ, возрастающих в арифметической или геометрической прогрессии при условии отсутствия отхода в опытных вариантах по сравнению с контролем и фиксировали величину LT₅₀. Начальную концентрацию токсикантов выбирали заведомо малой, чтобы не вызывать мгновенной гибели организмов ни в одном из вариантов. Критерием устойчивости гидробионтов и токсичности реагентов служила критическая токсикологическая нагрузка, вызывающая гибель 50-ти процентов организмов в опыте (КТН₅₀), равная сумме произведений заданных концентраций токсиканта на время экспозиции в них.

В хронических экспериментах определяли пороговую концентрацию (ПК), обусловливающую отклонение параметра от контрольного уровня на 20 % [Строганов, Колосова, 1971], максимальную недействующую концентрацию (МНДК), не вызывающую достоверных различий параметра в опыте по сравнению с контролем и расчетную величину полученной в эксперименте МНДК (LC₀).

Оценку сапробности зоопланктоценозов проводили по методу Пантле и Букка, индекс видового разнообразия (ИВР) определяли по формуле Шеннона-Уивера [Макрушин,1974]. Расчет токсобности ценозов осуществляли по видовому составу руководящих комплексов, соотнесенных со шкалой токсобности организмов по ГОСТ 17.1.2.04-077.

Статистическую обработку материала проводили стандартными методами с использованием корреляционного, регрессионного и полиномиального трендового анализа [Ивантер, Коросов, 2003]. Значения LC₅₀²⁴ и LC₀ определяли методом регрессионного и пробит-анализа, LT₅₀ и ПК – графическим методом. Достоверность различий средних оценивали по двухвыборочному t-тесту Стьюдента с различными дисперсиями (р ≤ 0.05).

Исследования влияния факторов водной среды на устойчивость гидробионтов к интоксикации проведены в 1989-1990 г.г. в регионе Карелии, Южного Урала и Восточно-Казахстанской области (ВКО). В качестве фоновой среды в экспериментах изучена вода из 24 водоемов Южного Урала, расположенных в среднегорном лесостепном и степных районах Башкирии и Челябинской области, 24 водоемов ВКО (зона горной тайги, лесостепи и степи) и 6 водоемов Карелии (зона северной тайги).