ГЕОХИМИЯ, 2015, № 3, с. 234-251
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА РОЛИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ГЕОХИМИЧЕСКОЙ МИГРАЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ОКЕАНЕ
© 2015 г. Л. Л. Демина
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН Москва 117997, Нахимовский просп., 36 e-mail: l_demina@mail.ru; ldemina@.ocean.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.
Принята к печати 27.05.2014 г.
Приведена количественная оценка вклада биологических процессов в геохимическую миграцию микроэлементов (Fe, Mn, Ni, Со, Cu, Zn, Cd, Pb, As) в океане на примере трех геохимически различающихся районов: граница континент-океан (маргинальный фильтр), эуфотическая зона открытого океана и глубоководные гидротермальные поля Срединно-Атлантического океана. Для сравнения интенсивности биоаккумуляции организмов использован новый термин — биоаккумуляционный потенциал микроэлементов, который учитывает главное отличительное свойство живого вещества — продуцирование биомассы. Биоаккумуляционный потенциал рассчитывается, исходя из среднего содержания микроэлементов в целых телах организмов доминирующих сообществ и их биомассы на единице площади биотопа. Проведенное сравнение показало, что наибольшим биоаккумуляционным потенциалом обладают донные сообщества глубоководных гидротермальных полей, функционирующих на основе хемосинтеза. Среди микроэлементов максимальное значение биоаккумуляционного потенциала установлено для Fe — эссенциального тяжелого металла, контролирующего многие биохимические процессы в организмах, тогда как минимальное значение характерно для Hg — токсичного тяжелого металла. По порядку убывания значения биоаккумуляционного потенциала в маргинальном фильтре и эуфотической зоне за Fe следуют Zn, Mn и Cu, в то время как в глубоководных гидротермальных полях биоаккумуляционный потенциал Mn был значительно ниже, и Mn находился среди таких микроэлементов как Pb, Co, Cr, Cd. В целом порядок расположения микроэлементов в этих рядах носит близкий характер в биоте, обитающей в геохимически различных областях. Исходя из этого, можно предположить, что биоаккумуляционная функция биоты в океане характеризуется геохимическим сходством.
Ключевые слова: морские организмы, океан, микроэлементы, геохимическая миграция, биоаккумуляция, биоминерализация, маргинальный фильтр, эуфотическая зона, глубоководные гидротермальные поля.
Б01: 10.7868/80016752515030048
ВВЕДЕНИЕ
Под термином биогенная геохимическая миграция понимается перенос химических элементов в процессе жизнедеятельности организмов, главным свойством которых является интенсивный энерго-и массообмен с окружающей средой (Вернадский, 1978). В.И. Вернадский, создавая учение о биосфере, рассматривал фитопланктон океана как самый грандиозный биоценоз планеты (Вернадский, 1926). Одной из важнейших биогеохимических функций живого вещества служит концентрационная, т.е. биоаккумуляция химических элементов из состояния рассеяния, которая осуществляется наряду с кислородной, газовой, окислительно-вос-
становительной, деструктивной, биоминеральной и другими функциями (Вернадский, 1980).
За последние десятилетия установлена важная роль биогенной седиментации в океане (Лисицын, 1978, 1986, 2001, 2004; Богданов и др., 1981), обусловленной процессами биопродуцирования (Бо-горов, 1974; Романкевич, 1977, 1988). Академиками А.П. Лисицыным и М.Е. Виноградовым создана концепция живого океана (Виноградов, Лисицын, 1981; Лисицын, Виноградов, 1982), согласно которой осадочный материал, поступивший в океан из разных источников (с речным стоком, аэрозолями, эндогенным веществом), трансформируется под влиянием живого вещества. Термин "биофильтр", которому в англоязычной литературе соответствует термин "biological pump" (биологический на-
сос), сначала применялся при изучении активности зоопланктона и фильтрующих бентосных организмов (Богоров, 1974; Беляев, 1966; Зенкевич и др., 1971). Позднее содержание этого термина было расширено для характеристики биоседимента-ционной деятельности морских организмов, использующих, наряду с фильтрацией, и биосинтез (Лисицын, 1986). В океане действует трехступенчатая система биофильтров: 1) фитопланктон, осуществляющий первичное биопродуцирование в зоне фотосинтеза, является энергетической основой биогеохимических процессов, это — глобальный биофильтр-1; 2) зоопланктон, улавливающий при фильтрации фитопланктон, производит вторичное биопродуцирование и вертикальные потоки биогенных частиц, формируя глобальный био-фильтр-2; 3) бентосные сообщества, перерабатывающие осадочный материал на дне, служат глобальным биофильтром-3 (Лисицын, 2001, 2004, 2008).
Известно, что живое вещество океана на 99.9% состоит из 12 химических элементов: H, C, N, O, P, Al, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, и лишь на оставшиеся 0.1% в сумме приходится около 100 микроэлементов с содержанием 10-2—10—8%. Основными геохимическими предпосылками биогенной миграции микроэлементов являются следующие: 1) "всюдность жизни", по В.И. Вернадскому (Вернадский, 1978), — повсеместная заселенность вод океана живыми организмами, которые в процессе метаболизма выделяют в воду органические лиганды, связывающие микроэлементы; 2) способность микроэлементов к образованию устойчивых растворенных металлорганических комплексов, что способствует повышению их миграционной способности; 3) выполнение многими микроэлементами (Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Ni, Co, Cr и др.) важных физиологических и биохимических функций в качестве катализаторов процесса фотосинтеза, реакций окисления-восстановления, биосинтеза, углеводного обмена, гидролиза, активизации ферментов, энзимов, гормонов, индукторов синтеза металлотионеинов и антиоксидантов. Первичная продукция и сукцессия фитопланктона в значительной мере зависит от наличия биодоступных форм металлов (Sunda, 1989; Bruland, Lohan, 2004).
За последние примерно пятьдесят лет в атмо- и гидросфере заметно выросла антропогенная составляющая в балансе микроэлементов, и особенно тяжелых металлов, в среднем в 2—5 раз превышающая их природную поставку (Callender, 2004). Отсюда становится очевидной необходимость изучения процессов взаимодействия тяжелых металлов и живого вещества в океане, а также получения не только качественной, но и количественной оценки роли этих процессов в геохимической миграции группы микроэлементов, включающей тяжелые металлы и металлоиды, в различных геохимических услови-
ях океана. Изучение биоаккумуляции тяжелых металлов важно и с практической точки зрения - при проведении биомониторинга акваторий, поскольку донные беспозвоночные являются одним из наиболее массовых компонентов биотической системы самоочищения водоемов (Лисицын, 1994; Моисеенко, 1997; Остроумов, 2004).
В данной работе сделана попытка получить количественную оценку интегрального биологического поглощения группы микроэлементов (Бе, Мп, N1, Со, Сг, Си, 2п, Сё, РЬ, Аз) на разных стадиях геохимической миграции — от зоны смешения речных и морских вод, т.е. от маргинального фильтра, до эуфотической зоны океана и глубоководных частей океана, включая гидротермальные области, а кроме того — рассмотреть геохимические последствия включения микроэлементов в биологические циклы. Геохимическая миграция микроэлементов в маргинальном фильтре, продуктивной зоне океана и глубоководных гидротермальных полях протекает в геохимически различающихся об-становках: насыщенная кислородом и биогенными элементами вода прибрежной зоны и океана с близким к нейтральному рН и горячая слабокислая вода гидротермальных биотопов, обогащенная восстановленными соединениями (Н^, СН4, Н2). Эти области различаются также и энергетической основой биопродуцирования — фотосинтез в маргинальном фильтре и продуктивной (эуфотической) зоне океана и бактериальный хемосинтез и (или) метанотро-фия в глубоководных гидротермальных биотопах.
Одним из важных абиотических факторов среды обитания организмов является мутность и связанный с ней поток оседающих частиц, которые влияют на соотношение форм нахождения микроэлементов (в том числе биодоступных), а также характер их взаимодействия с организмами, особенно донными фильтраторами. Напомним, что скорость фильтрации колонии двустворчатых моллюсков на 1 м2 дна, достигающая 1000 т воды в сутки, снижается с увеличением мутности, а при превышении ее более 471 мг/л фильтрационная деятельность моллюсков прекращается (Кудинова-Пастернак, 1951).
МЕТОДОЛОГИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Очевидно, интенсивность биогенной миграции микроэлементов определяется уровнями их поглощения организмами, которые зависят от таких параметров экосистемы как биомасса и продолжительность биоциклов. Для сравнительной количественной оценки интенсивности биоаккумуляции в геохимически разных районах океана автором предложен биоаккумуляционный потенциал, который рассчитывается на основе не только интегрального содержания микроэлементов в совокупности доминирующих биосообществ (в
расчете на целый организм), но и значения биомассы последних. Применение биоаккумуляционного потенциала позволяет учитывать главное свойство живого вещества — продуцирование биомассы. Биомасса как правило характеризует массу живых целых организмов (тотально), и для корректной оценки накопления микроэлементов в биомассе следует опираться на данные по содержанию того или иного микроэлемента не в грамме вещества того или иного органа или ткани, а в расчете на целый организм. Данные по микроэлементам в организмах-автотрофах (фитопланктон, макрофиты), а также в зоопланктоне обычно приводятся для целых организмов (гомогенизированные усредненные пробы), тогда как в случае гетеротрофных организмов (двустворчатых моллюсков) в большинстве работ рассматриваются только мягкие ткани. Из литературы известно, что среднее содержание ряда тяжелых металлов в веществе мягких тканей мидий значительно (до 10 раз) выше, чем в их раковинах. Однако карбонатные биоминеральные (кальцитовые или арагонитовые) раковины мидий в весовом отношении намного превосходят мягкие ткани, а кроме того они сохраняются в геологических разрезах, являясь основой для формирования прибрежных карбонатных донных осадков. Для количественной оценки биоаккумуляции в целых организмах
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.