ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 3, с. 324-336
_ КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, _
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 551.463
моделирование сукцессии диатомового комплекса
____V __1
при росте техногенной нагрузки на водную экосистему1
© 2007 г. Б. М. Долгоносое, Т. И. Моисеенко
Институт водных проблем Российской академии наук 119991 Москва ГСП-1, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 16.06.2006 г.
На основе анализа палеолимнологических данных на участке оз. Имандра (Кольский п-ов), загрязненном стоками медно-никелевого производства, рассчитан вертикальный профиль токсичности донных отложений и определен отклик доминантных видов диатомового комплекса на рост токсичности. Проведено агрегирование видов по признаку сходства отклика на нагрузку. Найдена зависимость численности групп диатомей от токсичности. Показано, что перестройки структуры диатомового комплекса происходят: первая - при токсичности в 1.2, а вторая - в 3.2 раза превышающей фоновое значение. Разработана модель для описания изменений видового состава сообщества с ростом токсичности и показана ее применимость к анализу палеолимнологических данных. Проведен общий анализ модели, и описаны типовые сценарии изменения численности видов с ростом токсической нагрузки.
Диатомовые комплексы служат индикаторами антропогенной нагрузки на водные экосистемы [2, 7, 9]. Кремниевые панцири диатомей, сохранившиеся в донных отложениях (ДО), дают представление о видовом составе диатомового комплекса, по которому можно судить о прошлом состоянии экосистем. Эти сведения, дополненные информацией о химическом составе ДО, позволяют связать уровень антропогенной нагрузки с изменениями видового состава диатомовых водорослей. Качественная трактовка такой взаимосвязи широко используется в работах по палеореконструкции экологического состояния [5]. Для дальнейшего развития метода представляет интерес установить количественную связь между химическим составом слоев осадка и содержащимися в них остатками диатомовой флоры, разработать модель, описывающую влияние токсичных примесей на видовой состав диатомей.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные взяты из палеолимнологических исследований в наиболее загрязненном участке оз. Имандра - губе Монче, куда с водами рек Нюдуай и Монче поступают сточные воды г. Мончегорска и медно-никелевого комбината "Северо-никель", а также осаждающиеся на территории водосбора из атмосферы тяжелые металлы, сульфаты и другие загрязняющие вещества [6]. Комбинат был построен в 1938 г. До 1950 г. производство N1 и Си не превышало 10000 и 6300 т соответственно. В 1960 г. после расширения и реконструкции
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(грант 04-05-64523).
продукция комбината увеличилась в 2.7 раза. Объем производственных сточных вод в 1970 г. составлял 25 млн. м3/год и оставался на этом уровне до 1994 г., а затем постепенно снизился до 15 млн. м3/год к 1999 г. В составе сточных вод присутствуют N1, Си, 2п, Сг, Cd и другие металлы, а также нефтепродукты, взвешенные вещества и токсичные флотоагенты.
Одновременно с промышленными стоками в те же участки озера поступают хозяйственно-бытовые сточные воды, что приводит, параллельно с токсичным загрязнением, к евтрофированию вод. Объем хозяйственно-бытовых стоков изменялся симбатно с изменением объема производственных сточных вод. В последнее десятилетие наблюдается постепенное снижение сброса.
Губа Монче представляет собой узкий залив длиной 10 км. Колонки ДО отбирались в месте, расположенном на расстоянии 0.5 км от берега, с глубины 26.4 м, мощность колонок 25 см.
Химический анализ колонок позволил получить вертикальное распределение концентраций металлов, которое изображено на рис. 1 (по данным [4]).
Диатомовый анализ ДО [5] показал наличие 267 видов диатомей, из них планктонных - 42, представителей бентоса и перифитона - 225. Основной фон сохранившейся диатомовой флоры в осадках озера создают планктонные виды. Доминируют виды родов Aulacoseira и Cyclotella. Сохранились следы видов Asterionella formosa, Fragilaria capucina, F. crotonensis, Rhizosolenia erienensis, R. longiseta, которые в фитопланктоне присутствуют в заметных количествах (10-20% общей био-
мкг/г сух. веса 300
1500
1000 -'
500 -
0
8000
6000
4000 -i
2000 80
60
40 20 0
60000 -
40000 -
20000
20
10000
0 10 20 0
10 20 Глубина, см
Рис. 1. Распределение концентраций металлов по глубине осадка.
массы). Хрупкие панцири этих диатомей растворяются в процессе осадконакопления в водоемах [3].
Анализ данных по диатомовому составу ДО Монче-губы позволяет выделить семь доминант-
ных видов диатомей: Aulacoseira islandica, A. alpígena, A. italica var. italica, A. subarctica, A. ambigua, Cyclotella bodanica var. lemanica, Tabellaria floccu-losa. Вертикальное распределение численностей
0.12
и щ
М н о
я
&0.08
к
я
н
н
о
о
м
со 0.04
ч
о
н
к
£ &
о 3 %
«
н
d
щ
f н
2 2 &
о
щ
м «
н &
ю iO
10
Глубина, см
20
0
Рис. 2. Распределение численностей доминантных видов диатомей (1-7) и общего неорганического фосфора (8) по глубине осадка: 1 - A. islandica, 2 - A. ambigua, 3 - A. alpígena, 4 - A. subarctica, 5 - A. italica var. italica, 6 - T. flocculosa, 7 - C. bodanica var. lemanica.
этих видов представлено на рис. 2 (по данным [5]), где приводится относительное содержание видов, полученное нормированием экземпляров каждого вида на данной глубине к общей численности видов в колонке (в этих же относительных единицах приводятся численности видов диатомей и их групп на последующих рисунках). Нарастание численности диатомей при движении от глубинных слоев к поверхностным обусловлено повышением содержания фосфора за счет сброса сточных вод. В поверхностном слое общее содержание неорганических форм фосфора примерно в три раза превышает его фоновое значение.
ВЛИЯНИЕ ТОКСИЧНОСТИ
Концентрации металлов в воде
Токсичность водной среды губы Монче обусловлена присутствием металлов в воде. Однако при палеореконструкции известны лишь концентраций металлов в донном осадке. Восстановление состояния водной среды можно произвести, сопоставляя концентрации металлов в поверхностном слое ДО с их средними концентрациями в толще воды. Сведения такого рода можно получить по результатам регулярных натурных съемок на оз. Имандра в 1990-2003 гг. Средние за этот период значения концентраций металлов в ДО и воде в разных зонах озера представлены в табл. 1, где указаны также некоторые статистические характеристики (расположение зон И-1 -И-9 описано в [6]; в частности, зона И-1 - это губа Монче). Статистически значимая связь между концентрациями в ДО и воде обнаруживается только для двух металлов: Си и № (рис. 3) - основных загрязняющих веществ промышленных
сточных вод, поступающих в губу Монче. Уравнения регрессии имеют вид
для Си: у = -0.1274с3 + 8.230с2 - 2.187с
(Я2 = 0.986),
для №: у = 0.0698с3 + 0.1562с2 - 45.30с
(Я2 = 0.998),
где с - средняя концентрация металла в столбе воды, мкг/л, у - концентрация металла в поверхностном слое ДО (0-1 см), мкг/г сух. веса, Я2 - коэффициент детерминации.
Концентрации других металлов в воде в течение всего времени наблюдения флуктуировали относительно средних значений практически независимо от их содержания в ДО.
Токсичность металлов
Металлы, присутствующие в водной среде, оказывают токсическое воздействие на диато-меи. В малых количествах действие аддитивно, но с ростом концентрации нелинейность нарастает [11]. Она становится заметной, по-видимому, при столь высоких концентрациях, которые в природных условиях не встречаются. Чтобы оценить совместное действие разных металлов в аддитивном приближении, нужно использовать понятие эквивалентной концентрации, определяемое следующим образом: концентрации двух металлов считаются токсически эквивалентными, если они вызывают одинаковое снижение численности тестируемой популяции.
Эквивалентные концентрации могут соответствовать разному снижению численности: на 1, 10, 50% и т.п. При низких концентрациях токси-
Таблица 1. Средние концентрации металлов в воде (числитель), мкг/л, и в поверхностном слое ДО (0-1 см) (знаменатель), мкг/г сух. веса, в разных зонах оз. Имандра (здесь и в табл. 3 прочерк - отсутствие данных)
ПДК в воде Зоны по всем зонам Среднее по озеру Стандарт-ное откло- Услов
Металл И-1 И-2 И-3 И-4 И-5 И-6 И-7 И-8 И-9 тт тах ный фон [3]
нение
№ 10 49 .7 18.9 13. 1 13. 0 11. 1 5. 6 8 5. 2 5 3. 3 6 5. 9 3 3. 3 6 49 .7 14. 0 0 14. 2 8 1
11 2 0 0 1340 635 992 613 500 160 88 140 88 11 2 0 0 1741 3571 77. 8
Си 1 17.1 6. 0 9 5. 4 4 6. 5 8 6. 0 2 3. 7 2 3. 9 3 4. 4 7 3. 1 1 3. 1 1 17.1 6. 2 7 4. 2 3 1
1730 289 308 322 169 153 87 52 82 52 1730 355 526 79. 5
А1 40 29 .9 3 4 .2 113 4 7 .4 4 7 .6 2 0 .2 2 0 .0 - 2 1 .0 20 113 41. 6 0 30. 8 0 30
12 2 2 7 15 4 4 3 41 3 3 0 47 3 9 0 24 8 7 1 14 5 0 0 16 0 8 4 - 20 3 7 0 12 2 2 7 47 3 9 0 24 0 2 7 13 2 3 5 37 5 5 2
Sr 30 36. 8 60. 0 98.5 72.1 67. 9 57. 5 54. 5 45. 2 44. 4 36. 8 98.5 59. 6 4 18. 4 7 26
96 143 1290 1883 139 83 83 50 62 50 1883 425 675 1878
Zn 10 4. 1 5 3. 7 2 6. 1 4 5. 2 6 4. 6 8 4. 0 4 3. 4 3 9. 2 3 3. 4 6 3. 4 3 9. 2 3 4. 9 0 1. 8 5 2
197 96 148 132 144 87 97 79 98 79 197 120 38. 4 130. 2
Fe 100 40 .2 22 .6 6 5 .1 2 4 .5 26.9 1 4 .9 1 6 .3 1 8.4 19. 3 1 4 .9 65. 1 27 .6 1 6 .0 34
28 0 3 5 29 6 7 8 19 8 0 0 24 2 4 4 32 486 29 7 4 1 22 1 7 3 37 2 1 1 115385 19 8 0 0 115385 37 6 3 9 29 6 3 5 40 6 3 4
Мп 10 14.9 12.5 15. 8 8.6 9 .75 2.78 1.84 1 .31 1.6 1. 3 1 1 5 .8 7.68 5.94 5.6
1841 6833 763 2707 21 6 4 7 5456 1719 27 5 4 2 6725 763 27 5 4 2 8359 9580 3394
Сг 20 0. 2 7 0 120 0. 2 9 7 57 0. 3 1 7 43 0. 2 5 0 36 0. 1 7 0 34 0. 1 2 5 72 0. 1 3 3 60 - 0. 1 0 0 50 0. 1 0 0 34 0. 3 1 7 120 0. 2 0 8 59 0. 0 8 5 2 7 .7 0 .1 69. 4
РЬ 100 0. 5 8 3 6 9 .3 0. 1 5 0 24 0. 6 7 5 29.3 0. 1 5 0 26 .7 0. 1 5 0 2 4 .7 0. 1 5 0 5 6 .3 0. 5 1 7 3 9 .8 0. 4 5 0 35 - 0. 1 5 0 24 0. 6 7 5 69 .3 0. 3 5 3 3 8 .1 0. 2 2 6 1 6 .5 0. 1 5 24. 3
Cd 5 0. 3 3 5 4 .54 0. 2 4 5 1. 6 0. 2 3 0 1. 5 0. 1 3 0 2.67 0. 1 6 0 2 0. 0 7 0 1 .47 0. 0 3 0 2 .17 0. 0 5 0 2 0. 2 0
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.