ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 459, № 4, с. 504-506
= ГЕОГРАФИЯ
УДК 556.114
ОБ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
© 2014 г. Член-корреспондент РАН А. М. Никаноров
Поступило 27.05.2014 г.
БО1: 10.7868/80869565214340258
Большинство физико-химических процессов при загрязнении водных экосистем протекает при участии атмосферы, биосферы, донных отложений, но много неясного в том, как эти процессы работают и взаимодействуют в водной толще. Их всех объединяет понятие "внутриводоемные процессы". Они действуют одновременно и непрерывно. Только основных процессов десятки, может быть, сотни. Никто на современном уровне знаний и возможностей аналитической техники не способен определить, по каким путям в тот или иной момент времени реализуются указанные изменения состава природных вод.
Однако априори можно констатировать, что водные экосистемы не являются однородными по ответным реакциям на загрязнение и отношению к поступлению загрязняющих веществ, т.е. отдельные участки экосистем по-разному реагируют на антропогенные воздействия: глубоководные и хорошо промываемые характеризуются одними механизмами взаимодействия с загрязняющими веществами (превалируют смешение, разбавление, поглощение органоминеральными комплексами тяжелых металлов и др.), в то время как в мелководных и застойных участках наряду с указанными выше преобладают процессы осаждения и химико-биологического взаимодействия воды с загрязняющими веществами компонентов сточных вод.
Трудности заключаются не в понимании механизмов тех или иных процессов, сопровождающих загрязнение, а в определении реальных масштабов конкурирующих веществ для учета их в теоретических расчетах. Трудности также связаны и с тем, что мы способны воспринять и обработать только ту информацию о водном объекте, которая соответствует техническим возможностям используемой аналитической аппаратуры. Чем выше эти возможности, тем более достоверные и полные данные об анализируемом объекте будут получены. Однако неизбежно будет упущена ка-
Гидрохимический институт, Ростов-на-Дону
кая-то часть информации. Может быть, самая важная и ценная для понимания того, что происходит в водной экосистеме.
Таким образом, неоднородность водных экосистем — основание для раздельного рассмотрения тех или иных участков водных объектов в отношении антропогенного воздействия. Эти участки будут характеризоваться избирательной чувствительностью на такое воздействие. Указанное обстоятельство может оказаться ключевым, например при решении проблемы выбора мест для сброса сточных вод с тем, чтобы они в наименьшей степени оказывали негативное влияние на всю экосистему. На практике учет этих особенностей водоемов и водотоков не берется во внимание и сточные воды чаще всего сбрасываются именно в прибрежные зоны, которые являются самыми "слабыми местами" в большинстве водных объектов суши.
В качестве иллюстрации способности водоемов и водотоков к самоочищению в "слабых местах" приведем данные, полученные нами при моделировании в мезокосмах (природных моделях экосистем), установленных на р. Киржач в течение 14 сут. В экспериментах (более 100) оценивали нагрузку на экосистему при загрязнении медью по двум критериям: способности экосистемы к самоочищению воды и превышению ПДК меди в конце опыта. На рис. 1 показаны результаты эксперимента. Коэффициент скорости самоочищения воды Кв рассчитан по уравнению первого порядка [2]. Выделены три зоны:
I — в этом диапазоне нагрузок увеличение поступления меди сопровождается увеличением способности системы аккумулировать ее в других компонентах (фито-, зоо-, бактериопланктон, органические вещества, донные отложения);
II — увеличение нагрузки сопровождается быстрым снижением способности экосистемы к самоочищению воды;
III — возможности системы к самоочищению полностью исчерпаны, увеличение нагрузки до
ОБ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
505
150 ПДК практически не влияет на скорость самоочищения.
В другой серии экспериментов, посвященных биогеохимическим особенностям поведения токсичных металлов при их попадании в водные объекты, было показано, что большая часть вводимых тяжелых металлов связывается в модельных аналогах "слабых мест" (мезокосмах) растворенным органическим веществом (50—60% свинца, более 45% кадмия, до 85% ртути). В Исаковском водохранилище установлены еще большие потенциальные возможности РОВ: 10-кратное увеличение исходного содержания ртути практически не отражалось на относительном содержании органических форм в растворе. Другой важный абиотический фактор, обусловливающий буферные свойства пресноводных экосистем для свинца, кадмия, ртути, — донные отложения.
Учитывая неоднородность структуры водных экосистем и важную роль, которую играют в оценке экологического состояния отдельные участки водных объектов, целесообразно понятие "слабые места" ввести в число фундаментальных определений гидроэкологии для случаев, когда рассматривают водные объекты, находящиеся под антропогенным воздействием.
"Слабые места" — это участки экосистем с минимальной метаболической мощностью [1], т.е. способностью к самоочищению и мобилизации экологических резервов водной толщи, донных отложений, гидробионтов и других факторов самоочищения водоемов при их загрязнении. В "слабых местах" уязвимость водных объектов максимальная. "Слабые места" характеризуются минимальной экологической емкостью [2], наименьшей способностью к сопротивлению (сохранению толерантности) при антропогенном воздействии. Это мелководья в озерах и водохранилищах с замедленным водообменом, малой мощностью и депонирующей способностью донных отложений, сильно прогревающихся в летний период, что приводит к дефициту кислорода в воде.
К "слабым местам" в водных экосистемах можно отнести также ветленды (морские, эстуар-ные, речные, озерные, болотные). Согласно международной классификации (Б^^, США) [3] — это влажные среды обитания водных организмов, периодически заливаемые или насыщаемые водой, т.е. переходные между наземными и глубоководными зонами водных экосистем.
Второе обстоятельство, определяющее и влияющее на устойчивость экосистем к антропогенному воздействию, — характеристика начального режима водного объекта в момент воздействия. Состояние водоема в момент воздействия является важнейшим параметром, который необходимо изучать при решении вопроса о способности экосистем к самоочищению. Любая водная экосистема обладает защитными свойствами, своеоб-
Кв, сут 1
/ / / - \ \ \ \ \ \ \
I 1 1 1 II 1 1 1 1 1 !| 111 1 |
0 20 40 60 80
W, мкг/(дм3 • сут)
Рис. 1. Влияние постоянной нагрузки на способность
экосистемы к самоочищению воды.
Объяснения в тексте.
разным иммунитетом, т.е. механизмом, который позволяет функционировать экосистеме в том или ином режиме, но мобилизуется при воздействии на экосистему внешних факторов, включая антропогенные. Серия специальных модельных экспериментов, проведенных на природных моделях — мезокосмах, была посвящена изучению реакции водных объектов на загрязнение наиболее опасными веществами (медь, ртуть, кадмий и др. в концентрациях до 150 ПДК) в зависимости от начальных режимов этих объектов [4].
Эксперименты позволили понять и объяснить, почему различаются реакции на одно и то же токсическое воздействие на водные экосистемы, характеризующиеся различными исходными режимами. Оказалось, что начальные режимы в мезо-космах количественно отличались друг от друга площадью фазового пространства, размер которой в свою очередь определялся величиной одного из ключевых интегральных показателей — отношением деструкции к валовой продукции — (А(Я/Р)АГ1) экосистемы. В точке, где экосистема обладала критически минимальной, близкой к нулю удельной метаболической мощностью и не обладала необходимым энергетическим потенциалом для противостояния внешнему воздействию (достаточным иммунитетом), происходила перестройка структуры экосистемы, адаптирующая ее к новым условиям.
Напротив, экосистемы в режиме предельного цикла с большой площадью фазового пространства обладали достаточным запасом мощности для того, чтобы какое-то время сохранять существующую структуру с исходной величиной балансового соотношения "деструкция—продукция". Только после исчерпания этого запаса экосистема перестраивалась в новую структуру, соответствующую измененным условиям существования.
506
НИКАНОРОВ
Из сказанного следует, что, чем более сбалансированными и экологически благополучными в смысле взаимодействия водного объекта с атмосферой, продукционно-деструкционными процессами внутри водной толщи, донными отложениями и другими факторами будут условия функционирования природных водных экосистем, а также, чем большей метаболической мощностью обладает экосистема, тем более устойчивой (толерантной) она будет по отношению к внешнему воздействию.
В контексте рассматриваемой проблемы отметим, однако, важную закономерность, наблюдавшуюся в процессе возвращения экосистем в начальное состояние после снятия разовой нагрузки. Возврат всегда происходил по правилу экологического гистерезиса [5]. Это мы регистрировали во время экспериментов не только по отбираемым пробам, но и по спектрам коэффициента яркости восходящего излучения от мезокос-мов, подвергавшихся загрязнению соединениями тяжелых металлов, в частности меди, ртути. Комплексный показатель преломления водной среды отражал интегральные изменения, происходившие в экосистеме. Важная деталь — во всех экспериментах наблюдали невязку между показателями спектральной яркости первого и последнего дней экспериментов. Эта невязка подтверждала произошедшие необратимые изменения в экосистемах от действия высоких концентраций опасных загрязняющих веществ.
Поскольку "слабые места" — это чаще всего прибрежные зоны водных объектов с низкой бу-
ферной емкостью, они максимально подобны ме-зокосмам. Поэтому последние можно рассматривать в качестве модельных аналогов "слабых мест" в водных экосистемах. Изучение в экспериментах возможных реакций наименее защищенных зон на высокую техногенную нагрузку позволит разработать меры превентивного характера
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.