168859 (Закономерности и факторы устойчивости пресноводных экосистем к антропогенному загрязнению), страница 3

2.1 Актуальность проблемы зональной токсикорезистентности пресноводных экосистем

Анализ литературы позволяет выделить (достаточно условно) два комплексных фактора снижения забуференности водных экосистем в направлении высокоширотных природных зон: биотический и абиотический. Биотическое уменьшение токсикорезистентности обусловлено упрощением трофической структуры, снижением биомассы и биопродуктивности водоемов, увеличением стенобионтных и олиготоксобных организмов, снижением самоочищаемости и восстанавливаемости водоемов. Абиотическое уменьшение устойчивости к интоксикации связано, прежде всего, с падением минерализации, жесткости и активной реакции водной среды.

Игнорирование поливалентного характера буферности пресноводных водоемов, сведение ее к одному-двум не всегда ведущим параметрам влечет за собой методологическую и методическую ошибку при экстраполяции полученных в лаборатории выводов на все природное многообразие водных экосистем. Разработка экологического подхода к нормированию антропогенной нагрузки на водоемы с учетом зональных особенностей их токсикорезистентности является актуальной природоохранной проблемой.

2.2 Влияние абиотических и биотических факторов водной среды на устойчивость гидробионтов к антропогенной интоксикации

Обследованные водоемы Карелии, Восточно-Казахстанской области (ВКО) и Южного Урала по минерализации входили в диапазон от ксеногалобных до полигалобных, с водой от очень мягкой до очень жесткой и рН от нормальной до щелочной, по перманганатной окисляемости - от ксеносапробных до полисапробных, по содержанию хлорофилла на период исследований - от олиготрофного до эвтрофного типа.

Результаты токсикометрии реагентов, проведенной на Урале и в ВКО, свидетельствуют о существенном влиянии качества фоновой среды на их токсичность для гаммарид. Так, например, в регионе Южного Урала максимальные различия по LT₅₀ составляют для никеля 7, меди – 217, свинца – 42, прометрина – 5.5 раз; по Кп для никеля - 25, меди - 20, свинца -55, прометрина - 27 и бензина – 42 раз. В регионе ВКО на разных фоновых средах величина КТН₅₀ цинка максимально отличается в 6 раз, а различия по Кп достигают для меди 170, цинка - 29, свинца - 19, калия и солярки -17 и ДДВФ - 250 раз.

Парный корреляционный анализ показал, что все исследованные параметры фоновой среды в той или иной степени статистически достоверно влияют на токсичность различных реагентов. Исходя из частоты достоверного воздействия (%) показателей водной среды на токсикометрические параметры получены получаются следующие ряды факторов по их значимости в определении токсичности поллютантов:

водоемы Южного Урала

минерализация (54 %) = Mg²⁺ (54 %) > жесткость (46 %) = SO₄^2- (46 %) = Na⁺+K⁺ ( 46 %) > Cl^- (39 %) > ПО (31 %) > НСО₃^- (23 %) = Са²⁺ (23 %) > рН (15 %) > хлорофилл (8 %) = СО₃^2- (8 %).

водоемы Восточно-Казахстанской области

минерализация (57 %) = жесткость (47 %) > хлорофилл (33 %) = Mg²⁺ (33 %) = НСО₃^- (33 %) > Cl^- (22 %) = SO₄^2- (22 %) = Са²⁺ (22 %) > рН (0 %).

В обоих регионах минерализация и жесткость являются ведущими параметрами, определяющими уровень токсичности большинства изученных реагентов, а токсичность металлов в большей степени зависит от фоновых характеристик водной среды, чем нефтепродуктов и пестицидов.

Парный регрессионный анализ позволил получить целый ряд уравнений зависимости токсикометрических параметров реагентов от исследованных параметров водной среды (р ≤ 0.05). На примере металлов мы рассчитали их токсичность при разных уровнях гидрохимических показателей и содержания хлорофилла, соответствующих средним значениям различных типов и классов озер (рис.1). При увеличении значений фоновых характеристик водной среды закономерно повышаются все токсикометрические параметры меди и никеля, т. е их токсичность при остром и хроническом воздействии (по LT₅₀ и ПК) для гаммарид Южного Урала снижается. Увеличение Кп также указывает на понижение токсичности металлов по мере возрастания фоновых показателей. В регионе ВКО выявлены аналогичные закономерности. Приведенные данные свидетельствуют о существенной статистически и биологически значимой зависимости токсичности металлов от трофического статуса водоемов и всего комплекса исследованных гидрохимических показателей.

Рис. 1. Влияние хлорофилла (А) и гидрохимических показателей водной среды (Б, В и Г) на токсикометрические параметры металлов для Gammarus lacustris из оз. Карагайского (регион Южного Урала): 1 - медь (LT₅₀), 2 - медь (Кп), 3 - никель (LT₅₀), 4 - никель (ПК), 5 - никель (Кп)

Анализ результатов 88 экспериментов, проведенных в регионе Карелии на фоне воды из 6 водоемов показал, что даже в узком диапазоне изменения параметров водной среды Кп для исследованных веществ изменяется в достаточно широких пределах: для меди - в 2.6, цинка - до 45, никеля - до 8, свинца - до 68, солярки – до 10, прометрина - до 20, ДДВФ - до 17, бензина - до 3497 раз. Установлено также, что ПК токсикантов зависит не только от фоновых характеристик водоемов, но и от тест-объекта. Так, ПК никеля для сценедесмуса изменяется на разных фонах в 2.3, для рыб – в 1.8, для дафний – в 24.6 раза; бензина для сценедесмуса – в 1.3, для рыб – в 8.7, для дафний – в 1645 раз; прометрина для сценедесмуса – в 25, для сига – в 7.8, для форели – в 26.7, для дафний – в 400 раз.

В экспериментах на D. magna изучено влияние гидрохимического класса вод на ПК реагентов. Модельную фоновую среду создавали добавлением гидрокарбоната, сульфата и хлорида натрия к воде из Урозера до общей минерализации 200 мг/л. Полученные результаты указывают на существенную зависимости токсичности веществ различной природы от анионного состава среды, причем, эта зависимость неодинакова для изученных реагентов (табл. 1). Следовательно, при разработке токсикологических нормативов целесообразно учитывать химический класс вод.

Таблица 1 Влияние гидрохимического класса водной среды на токсичность реагентов для Daphnia magna (экспозиция 30 суток)

Также экспериментально показано, что на фоне воды с более высоким содержанием гуминовых веществ (ГВ) возрастает доля связанных форм меди и цинка и обнаруживается меньшая токсичность, чем на воде, обедненной гумусом. Комплексообразующая способность ГВ должна учитываться при разработке ПДК для металлов.

2.3 Зональная характеристика токсикорезистентности пресноводных биоценозов

О безусловной зависимости функционального состояния биоценозов озерных экосистем от природной климатической зоны свидетельствуют данные собственного расчета токсобности и сведения других авторов [Борисов, 1975; Будыко, 1977; Китаев, 1984], представленные на рис. 2. От тундры к степной зоне увеличивается не только биомасса, биопродуктивность и сапробность гидробионтов, но и их эврибионтность, а также преадаптивно связанная с ней токосбность. С севера на юг наблюдается снижение почти до полного исчезновения в составе ихтиофауны и руководящих комплексах зоопланктона доли олиготоксобных видов при увеличении в- и б-мезотоксобов, характеризующихся повышенной устойчивостью к загрязнению.

Рис. 2. Экологическая характеристика биоценозов озер различных природно-климатических зон (полиномиальные тренды): А - зоопланктоценоз: по левой оси ординат - биомасса (Вз), г/м³, индекс видового разнообразия (ИВРз), индекс сапробности (Sз); по правой оси ординат - биомасса олиготоксобов и в-мезотоксобов (ОТз и БМТз, %). Б - ихтиоценоз: по левой оси ординат - ихтиомасса олиготоксобов, в- и б-мезотоксобов (ОТ, БМТ и АМТ, %); по правой оси ординат - ИВР и Р/В коэффициент. По оси абсцисс - природная зона (суммарная радиация, ккал/см²)

Для экологической оценки ихтиоценозов водохранилищ по литературным данным рассчитаны ИВР и токсобность руководящих комплексов. Корреляционный анализ выявил статистически значимую зависимость токсобности ихтиологических комплексов от географической широты расположения водоемов (положительную – для олиготоксобных и отрицательную – для в- и б-мезотоксобных видов рыб).

Изменение экологических показателей ихтиоценоза водохранилищ по градиенту зональных значений суммарной радиации и географической широты иллюстрируют данные рис. 3. Достоверность аппроксимации для трендов зависимости всех параметров ихтиоценоза от теплового баланса достаточно велика (R² 0.85-0.99) По градиенту широты коэффициент детерминации (R²) равен для рыбопродукции 0.71, для показателей токсобности - 0.58-0.95, а для ИВР составляет всего 0.17, т.е. суммарная радиация является более существенным фактором, определяющим функциональное состояние ихтиоценоза водохранилищ, чем географическая широта.

Рис. 3. Тренды связи параметров ихтиоценоза водохранилищ различных природных зон с суммарной радиацией (А) и географической широтой (Б): А: по оси абсцисс - природная зона (суммарная радиация, ккал/см2); по левой оси ординат - ихтиомасса олиготоксобов и в-мезотоксобов (ОТ и БМТ), %; по правой оси ординат - рыбопродукция (Рр), кг/га, ИВР, ихтиомасса б-мезотоксобов (АМТ), %. Б: по оси абсцисс - широта, град. с. ш.; по левой оси ординат - рыбопродукция (Рр), кг/га, ихтиомасса ОТ и БМТ, %; по правой оси ординат - ИВР, ихтиомасса АМТ, %

Сравнение экологических характеристик 14 озер Карелии, расположенных в зоне северной тайги, показало, что при рассмотрении конкретных водоемов одной природной зоны на первое место выступают региональные экологические факторы их забуференности. Выявлена достоверная связь токсобности ихтиологического комплекса с прозрачностью воды, перманганатной окисляемостью, термическим режимом, максимальной и средней глубиной, численностью зоопланктона, биомассой бентоса и рыбопродукцией. Напротив, ИВР ихтиоценоза не коррелирует ни с одним из 13 параметров, отражающих географическое положение, морфометрию, физико-химическое и биологическое состояние озер Карелии. Полученные результаты свидетельствуют о низкой региональной значимости показателя ИВР.

Следует особо отметить тесную связанность токсобности озерных ихтиоценозов с прозрачностью воды, что достоверно подтверждают результаты регрессионного (R² = 0.75, р << 0.01), корреляционного (r = 0.86) и трендового анализа (R² тренда = 0.85). По мере повышения прозрачности озер наблюдается увеличение в составе ихтиоценоза доли олиготоксобных видов рыб, т.е снижается его токсикорезистентность. С увеличением прозрачности воды наблюдается также достоверное снижение и таких биотических факторов забуференности озерных экосистем, как численность зоопланктона, биомасса бентоса, величина общей рыбопродукции (р = 0.01-0.02). Следовательно, в регионе Карелии прозрачность воды может являться косвенным показателем, характеризующим устойчивость пресноводных биоценозов к антропогенному загрязнению. В целом, весь изложенный материал свидетельствует об экологической опасности системы единых токсикологических регламентов без учета зональной и региональной нормы реакции биоты, а также биотической и абиотической забуференности пресноводных экосистем.