Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование анропогенного эвтрофирования водоема-охладителя Ленинградской АЭС

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Исследование анропогенного эвтрофирования водоема-охладителя Ленинградской АЭС"

V \ 0 МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

о.

- им. М. Е ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет

На правах рукописи

ЗИМИНА ЛЮДМИЛА МИХАЙЛОВНА

УДК 577. 475

ИССЛЕДОВАНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ЭВ7РСШР0ВАШЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ ЛЕНИНГРАДСКОЙ АЭС

03.00.18 - гидробиология.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Мэсхва 1993

Работа выполнена в Радиевом институте да. Е Г. Хлопина Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор В.Е1&ксиыов; доктор физкко-ыатеиатических наук Я И. Кршев.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Г. £. Михайловский; кандидат биологических наук Л. С. Еитина

Вздгцгя организация - Институт Водных Проблем

Защита диссертации состоится "3 " апреле 1993 года вА£ часов на заседании специализированного Совета N Д. 053.05.71 Биологического факультета Московского государственного университета по адресу: Иосква, Взробьевы горы, Биологический факультет МГУ.

С диссертацией иожно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан ФУОр 1993 года

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат биологических каук

А. Г. Дмитриева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Увеличение числа атомных электростанций приводит к тому, что все чаще природные высокопродуктивные водоемы ркбохозяйственного значения интенсивно используются в качестве во-доемов-схладителей. Помимо специфического загрязнения водоема радионуклидами АЭС сбрасывает теплые воды, вредные химические вещества, изменяет гидродинамику водных масс, оказывает травмирующее действие на гидробионтов. Существенной причиной воздействия АЗС на водную среду становится высокая концентрация промышленных и сельскохозяйственных энергоемких производств вблизи АЗС (что выгодно экономически) и, как следствие, - дополнительное загрязнение водоема-охладителя вредными химическими веществами, в том числе биогенными - фосфором и азотом. В условиях подогрева биогенные вещества вызывают сильный • эвтрсфируюшй эффект природной воды в течение короткого промежутка времени.

Особого внимания заслуживает оценка воздействия мощных энергетических станций на юрские прибрежные экосистемы, поскольку наряду с рыбохознйственным и рекреационным значением прибреяные воды морских водоемов выполняет одну из главных биосферных функций: являются естественным биохимическим барьером на пути веществ, поступающих в водную среду с суши. Антропогенное эвтрофирование снижает устойчивость прибрежной экосистемы к техногенному■воздействию и способность природных вод к самоочищению. Многолетние регулярные исследования экосистемы КЬпорской губы Финского залива, являющегося водоемом-охладителем Ленинградской АЭС (единственной в России, расположенной на берегу морского водоема), показали, что эвтрофирование прибрежных зед является наиболее выраженным следствие« ан--тропогенного воздействия в районе расположения АЭС. Вместе с тем в существующей системе экологического мониторинга регионов АЗС мониторинг за состоянием экосистемы водоема-охладителя , как обязательное составляющее звено, отсутствует. Для изучения причин, про-

явлений, последствий, а также предотвращения антропогенного воздействия на природную среда организация такого рода мониторинга необходима.

Диссертационная работа выполнена по теме, являющейся часть® плановых научно-исследовательских работ, проводимых Рад-левым институтом км. Е Г. Хлопина в районах расположен:«! АЭС.

Пели и задачи работа Дельв диссертационнй работы является исследование антропогенного звтрэфирования морской прибрежной экосистемы - КопорскоЯ губы Финского валива, используемой в качестве водоема-охладителя Ленинградской АЭС.

В основные задачи исследования входили:

1. Анализ основных причин процесса звтрофирования Копорской

губы:

2. Изучение закономерности изменения прибрежного фитопланк-тонного сообщества (как одного из наиболее информативных индикаторов эвтрофирования) в зависимости от уровня биогенной и тепловой нагрузок на экосистему Копорской губи. Анализ изменения видовой струзсгуры, сезонной и многолетней сукцессии сообщества фитопланктона;

3. .Исследование динамики пигментных характеристик автогрофно-го звена в процессе эвтрофирования Копорской губы;

4. Изучение роли фитопланктонного собщества в формировании гидрохимического режиуа Копорской губы:

Сценка уровня к динамики эвтрофирования Копорской губы;

6. Сравнительный анализ воздействия на гидробиологический резол* водоемов-охладителей Ленинградской и других АЭС, расположенных на побережье Балтийского моря .в сходных географических и экологических условиях.

Научная новизна. Определены основные факторы и динамика эвт-' рофирования морской прибрежной эвосистемы в районе расположения ыоащой энергетической (атомной) станции.

' Впервые прослежена эволюция сезонной и многолетней сукцессии-

морского прибрежного фитопланктона вследствие эвтрофирования акватории по данным многолетних систематических наблюдений. Полученные результаты дополнят сведения о закономерностях сукцессии фитопланктона в ходе антропогенного эвтрофирования, выявленные для других районов Балтийского моря а также водоемов умеренного пояса.

Показана роль сезонных комплексов сообщества фитопланктона в формировании гидрохимического режима водоема.

Предложена методика определения границ биологических сезонов по данным синхронных гидрохимических и гидробиологических наблюдений с помощью методов математической статистики.

Практическое значение. Результаты работы легли в основу разработки концепции, структуры и регламента экологического мониторинга в районе расположения Ленинградской атомной электростанции. Даны практические рекомендации по замедлению скорости антропоген-. ного эвтрофирования Копорской губы. Данные используются при проведении экологической экспертизы состояния природной среды в районе города Сосновый Бор.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 2 Межведомственном совещании "Экологические аспекты исследований водоемов-охладителей АЭС" (Москва, ИЭМЭЯ, 1982), на Всесоюзном совещании "Биотестирование в решении экологических проблем" (Ленинград, 1989), на конференции "Экология и охрана живой природы" (Ленинград,' ЛГУ, 1989), на Всесоюзном семинаре "Комплексные исследования влияния АЭС на окружавшую среду и разработка природоохранных мероприятий" (Москва, Атомзнергопроект, 1990), на международной симпозиуме "Геологический мониторинг и проблемы геоэкологии Балтийского и' Черного морей" (Ленинград,' 1990), на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Ленинградского технологического института* целлюлозно-бумажной промышленности (Ленинград, 1990), на Международном семинаре Латвийского фонда "Балтика" (Рига, 1991), на научном семинаре Ядерного общества СССР "Экология и АЭС" (Одесса, 1991), на семина-

ре университетов Сшасг-Петербурга и Турку (Санкт-Петербург, 1992), на 18 Международной конференции балтийских океанографов (Санкт-Пе тербург, 1992), на научных семинарах лаборатории и отдела Радиевого института им. ЕГ. Хлопика.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из Введения, 5 глав, Заключения, Выводов, Списка литературы и Приложения. Рукопись включает 4 Я/ страницу в том числе 57- рисунков, 12 таблиц (6 из них в Приложении). Список цитируемой литературы содержит и 5 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Дан краткий обзор состояния проблемы антропогенного эвтрофи-рования, его основные причины, признаки и внешние проявления. Б настоящее время понятие трсфности распространено как на озерные, так и на все водные экосистемы и применяется в связи с оценкой не только биологической продуктивности, но и качества есды в водоеме. Особое внимание уделено анализу закономерности сезонной и многолетней сукцессии фитопланктона звтрофируемых водоемов умеренного пояса и особенностям эвтрофировакия мелководны:-: и глубоководных водоемов. Рассмотрены главные причины эвтрофирования бассейна Балтийского моря, наиболее выраженного в прибрежных зонах.

Выполнен обзор исследований воздействия сбросных теплых вод на экосистемы водоемов-охладителей электростанция. Сделан вывод о том, что несмотря на сложность отклика биологических сообществ, вызываемого внесением дополнительного тепла, одним из основных результатов последнего является эвтрофировакиэ водоемов, которое в значительной мере связано с тем, что в настоящее время отсутствует нормативные требования на сброс биогенных элементов в гидросферу вообще и е водоемы-охладители, в частности. Кроме того, все разра-

- Б -

ботанные предельно допустимые концентрации вредных химических ве-¡цеств к настоящему времени рассчитаны на более низкие температуры, чем те, которые имеют место в водоемах-охладителях. Подчеркивается, что состояние биоценозов и качество воды в водоеме-охладителе редко является проблемой, связанной только с его термофикацией. Вместе с тем, в условиях глобального характера загрязнения водной среды эвтрофируюшими и вредными химическими веществами подогрев воды способствует деградации водных экосистем, часто необратимой.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом настоящего исследования явился водоем-охладитель.Ленинградской АЭС (ЛАЭС), в качестве которого используется восточная часть Копорской губы. Площадь - 55 кв. км, объем - 0,3 куб. км, средние глубины 5-6 м,'' наибольшие 10-12 м. Значительное влияние на физико-химический режим оказывают антропогенные факторы:

- подогрев водных масс и изменение их гидродинамики;

- сброс промышленных и хозяйственно-бытовых стоков;

- поступление эвтрофирующих веществ с речным стоком с водосборной территории.

Объем воды, забираемый для охлаждения конденсаторов турбин ЛАЭС, при работе на полную проектную мопдаость составляет 6.3 куб. км/год. Распространение сбросных теплых вод в заливе зависит от режима ветрев, конфигурации береговой линии, рельефа дна и расположения сбросных каналов. Преимущественное значение имеет ветровой фактор. В районе господствуют ветры западного направления.

Исследования распространения сбросных вод ЛАЭС в летний период с борта исследовательского катера и методом аэрофотосъемки в инфршфасной области спектра показали, что область повышенной по сравнению с фоновой температуры воды при разных ветровых условиях охватывает площадь более 25 кв. км.

Строительство ЛАЭС способствовало общей урбанизации побережья Копорской губы, в которую стаю поступать значительное количество

- б -

вредных химических Бегств (ВХВ) с юыыунально-бытовыми стоками города, сбросными водами предприятий, а также с речным стоком с водосборного бассейна Капорекой губи (с рекаш? Коваш, Спета, Воронка). Анализ обгешв поступления фосфора и азота в Копорскую губу из разных источников загрязнения показал, что основной вклад в поступление азо-та в водоем вносят реки - 951 , фосфора - хозяйс твенно-бытовиэ сбросы - 677. и реки - 301. Вклад промышленной зоны на этоы фоне составляет всего лишь 32 фосфора и 11 азота.

Зимняя концентрация минерального фосфора в трофогеннсм слое вод Копорской губы за последние 15 лет увеличилась в 3-4 раза, во столько ее раз возросла концентрация азота нитратного в вегетационный период.

Таким образом, Копорская губа помимо теплового воздействия (специфического для водоемов-охладителей АЭС) подвергается загрязнений главкыш биогенными элементами - фосфором и азотом, что проявляется презде всего в эвтрофировании водоема. Эвтрофированшо также способствует изменение гидродинамического режима прибредши вод и его мелководность. Интенсивная циркуляция водных масс в условиях мелководного водоема " обеспечивает хорошую прогреваемости воды, особенно в теплые месяцу года.

Индикация процесса эвтрофирования водоема-охладителя Ленинградская АЭС была проведена по многолетним данным видового состава и количественных показателей развития фитопланктонного сообщества, а такхо концентрации хлорофилла "а" и гидрохимических параме гров.

Ьйтериалоы для исследования многолетней динамики фитоплашего-на и гидрохимических показателей послужили пробы воды, отобранные в Вопорской губе в течение 1978-1991 годов,пигментов - в 1984-1991 годах. Пробы отбирались в водозаборном канале ЛАЗО, а также непосредственно в открытой части Копорской губы на удалении 2,3 и 6 км от сброса теплых вод станции . Контрольная точка (вне зоны подогрева) выбрана на условной линии границы раздела мезду водсемом-ох-ладихелеы с остальной акваторией Копорской губы (5 км). В канале

пробы отбирались в вегетационный сезон 3-4 раза в месяц, в зимние месяцы 1-3 раза В открытой части водоема отбор проводился только в безледоставный период с мая по сентябрь.. Ввиду того, что отбор в канале доступен в течение всего календарного года, ол носил наиболее систематический характер (с 1982 года - 1 раз в неделю).

При подготовке проб фитопланктона использовался осадочный метод. Пробы фиксировали 4Z раствором формалина и иодосодержащим раствором Г.R Кузьмина (Кузьмин," :971). Численность клеток подсчи-тывалась в камере Ваиотта объемом 0.01 куб. см.

Химический анализ природной воды (фосфор минеральный, азот нитратный, кремний, кислород, ХПК, БПК5, хлориды, pH 1 проводился в соответствии с общепринятыми методиками (Алекин, 1973; Методы гидрохимических..., 1978). Все показатели, за исключением ВПК и pH, определяли з фильтрованной воде (ядерный фильтр, диаметр -0. 46 :гкм, г. Дубка). Хлорофилл "а" определяли по методике, предложенной рабочей группой ЮНЕСКО (Report of SOOR - WESKO... , 1955; Экологическая физиология ..., 1971), каротиноиды рассчитывали по Еарсонсу и Стрихлзнду (Parsons, Strickland,1963).

При анализе закономерностей динамики фитопланктонного сообщества были использованы численность, биомасса (объем) и площадь поверхности клеток. Объем а площадь поверхности расчитывались по среднестатистическому значению размера клеток за сезон. Для получения количественной характеристик видовой структуры фитопланктона использовался коэффициент Серенсена (Sorensen,1948).

Кривые значимости видов были построены по средним значениям численности видов в пробе за вегетационный сезон (Vhittaker,1975).

Для оценки степени варьирования показателей использовался ко- " зффициент вариации (Лакин.1990).

Оценка динамики изменений физико-химических и биологических показателей была выполнена с применением методов корреляционного и дискриминантного анализов ( Горбенко, Крышев, 1985, Факторный, 'дискриминантный ... . 1989; Лакик, 1990).

CópaCcTíüa HHtiopvaiiHH была выполнена нз ПЗЕМ типа IEM PC/AT с помсе^в систему упранлекм йазал: данных (СУБД) ORACLE и пакета программ STATGRAPHiCG. Всего било проанализировано около 12000 записей.

ГЛАВА 3. МНОГОЛЕТНЯЯ СУКПЕСОИЯ ЖОПЛАНКТОЯА ПРКБРЕЕНЫХ* ЕОД .

КОПОРСКОЙ ГУБЫ

По уровню количественного рагвития и качественному составу фитопланктона в 30-х годах (дачные Киселева И. И. ,1924,1948) Ко-порскую губу можно было охарактеризовать как чистый олиготрофный водоем. Исследования фитопланктона Копорской губы были возобновлены в 1ST? году, спустя 4 года после пуска Ленинградской АЗС экспедицией Зоологического института АН СССР (Никулина. Порхачева, 1980). Регулярные наблюдения за фитопланктоном КопорокоЛ губы стали проводиться с 1978 года.

Сравнительный анализ данных о состоянии фитопланктона з 30-х годах и Е 1977-1978 годах показал, что за это время произошли некоторые изменения структуры сообщества микроводорослей, однако сезонная динамика и видовой состав фотопланктока 1978 года в Копорской губе в целом соответствовали типичной картине, характерной для изменчивости фитопланктона на основной акватории восточной частя ■йшского Р-алива (Балатона, 19S3; Никитина, 1983). Небольшие изменения, обнаруженные б распределен;;;'..отдельных видов фитопланктона в это время, заметкой роли в формировании новой структуры фитоп-ланктонного сообщества не играли . Однако зффест кумуляции изменений, происходивший в альгоценсзе, уже в этот период впервые проявился в 1979 году, ко!да в прибрежных водах Копорской губы в числе доминантоь было отмечено развитие синеаеленых водорослей - термофилов - Synechocystis salina, 5. aquatilis, Gleocapsa punctata, нехарактерных для Финского залива, которые б дальнейшем, однако, подобных пиков численности (до 9 млк. кл. в литре) не лазали.

'Хорошо известно, что феномен внезапного увеличения численное-

ти одного из видов - так называемая "вспьшка вида" указывает на нарушение стабильности экосистемы (Федоров, 1970). По-видимому. развитие термофилов явилось одним из первых проявлений начала неравновесного процесса з экосистеме Колорской губы. Таким образом, даже.при сравнительно небольших тепловой и биогенных нагрузках и обширном водообмене с основной акваторией в сообществе фитопланктона произошли изменения, указывающие на антропогенное воздействие на прибрежье.

Изменение структуры сообществе фитопланктона б период роста антропогенного воздействия. Наиболее существенные изменения в структуре и сезонкой динамике фитопланктона начинают происходить в 1380-е годы. По времени это совпадает с периодом вы/ода ЛАЭС на полную проектную мощность и ростом биогенного загрязнения.

Видовой состав. Значительные изменения претерпевает видовой состав внутри всех систематических групп. Всего за период наблюдений отмечено около 300 видов-, относящихся к 7 систематическим группам. Ежегодно он представлен обычно 110-130 видами. Наибольшее видовой разнобрааие отмечается в отделе ВасгПагШрЬуЬа (до 70 видов), СЫогорЬуЬа (до 50 видов), Суапор1т/1а (около 20 видов). Пи-рофитовые и -эвгленовые представлены обычно 3-5 видами, йэлтозеле-ные и хризофитсвыэ, отмеченные в 30-х годах и в конце 70- х годов, сейчас встречаются редко. В процентном отношении число видов диатомовых составляет обычно 50-60 %, зеленых - 20 Ж, синезеленых -15-20 %, остальных видов - не белее 5 2.

Анализ видового сходства по индексу Серенсена между сообществами фитопланктона 1578-79 годов и 1990-91 годов свидетельствует о том, что он обновился на три четверти. Основные изменения видового-состава диатомовых и зеленых связаны, главным - образом, с замещением второстепенных и редко встречающихся видов.

Наиболее существенна перестройка видового состава произошла в отделе СуапорЬу£а, в котором произошло формирование нового глъго-логического комплекса. Заметно уменьшились численность и разкооб-

разие вилов сюда ДлзЬаепа. Термофильный вид Synechocystis saliпа, ке отпеченный ранее iL А. Киселевым и развившийся в массе в 1979 году, в последующие годы не сохранил доминирующего положения в прибрежном фитопланктоне. Б то же время представители рода OsciRatoria постепенно завоевывали господствующее положение. 3 ранних исследованиях ( Киселев,1348) виды рода Oscillatoria отмечены оценкой " единично". Летом 1380 г. его впервые отыечаигг в числе домикантов (4.6 млн. ш. /л), а в августе 1984 г. численность клеток Oscillatoria достигла наибольших значений - 78.5 млн. кл. /л, что в 4 раза превосходило макскшлыше показатели прелших лет. Б группе субдошшантов наиболее прочные позиции занимают виды рода Gonphosphasria ( 6. lacustris, и 6. passila), интенсивно размножающиеся в осенние месяцы вплоть до декабря, и Aphanizornenon rlos-aquae, вызывающий "цветение" воды в летние месяцы, .а также роды Merisrnopedia и Gleocapsa. В ьоследние годы наблюдается тенденция роста численности и ■ периодов вегетации видов рода Microcystis, из которых № aeruginosa относят к числу "энбодее токсичных иг получивших доминирующее положение отдела Cyancpnyta.

Анализ динамики замещения видов в отделе синезеленьж свидетельствует о формировании : звого альгологического комплекса, состоящего из видов класса Chroococcophyceae (роды Gornphosphaeriа, Synechocystis, Microcystis, l&rismopedia, Gleocapsa) и осциллято-риевых (класс Hormog-oniophyceae). Особенностью этого комплекса является то, что его развитие происходит не только в поверхностном горизонте, как Со ль пшют ва синезе^еных, a so всей толще воды. Усиление роли осцилляторно-хроококкового комплекса в планктоне, отмечается для многих эвтрофируемьк районов- бассейна Балтийского моря и Северной Европы (Невская губа, 1987; Никулина, 1989; Faafeng, 1981; Gibson, 1982).

Сезонная сукцессия. Характерные изменения наблюдаются в сезонной сукцессии фитопланктона. Произошло заметное нарушение еетест-

венной динамики вегетации диатомовых, их интенсивное развитие наблюдается в последние годы только весной - в апреле и в мае. В летнем планктоне диатомовые не получают заметного развития. Осенний пик постепенно выпадает из годовой динамики. Таким образом, уровень годового развития диатомовых определяется весенним максимумом. Исключением явился 1990 год, когда был отмечен осенний пик диатомовых, который был обусловлен интенсивным сбросом биогенных веществ и снижением тепловой нагрузки в 2 раза. Средние значения численности и биомассы диатомовых в последние 5 лет имеют некоторую тенденцию к росту, что, вероятно, обусловлено увеличением общего запаса биогенных веществ в водоеме .

В сезонной динамике зеленых водорослей увеличилось число пиков численности от 3-5.до 8-10, однако массового размножения этого отдела не наблюдается. Обычно высокая численность зеленых отмечается весной. В летне-осеннем комплексе количество зеленых увеличивается, как правило, с уменьшением синезеленых водорослей, а численность и биомасса редко превышает 1,5 млн. кл./л и 1 мг/л, соответственно. Вклад зеленых водорослей в общую численность фитопланктона не превышает 4% . Средние значения численности и биомассы остаются беэ изменения.

Сезонная динамика численности синезеленых характеризуется постепенным увеличением частоты и интенсивности вспышек развития, сокращением периодов спада между пиками, удлинением срока вегетации, рис. 1. С 1986 года наблюдается непрерывная последовательная вегетация доминирующих видов отдела синезеленых с июня (сразу же вслед за цветением весеннего комплекса). Средние значения численности и биомассы синезеленых водорослей за вегетационный период по' отношению к концу 70-х годов возраст в 8 -10 раз.

В годовой динамике численности фитопланктона заметно возросла роль пирофитовых и эвгленовых, особенно интенсивное развитие которых наблюдаеся в мае-июне - в период мезду весенним пиком дйатомо-июньскмй фитопланктон характеризовался самыми низкими значениями

1"Г

П \Г » *

г №

~мтт ытмту/ишлтж' //тп/Ф'Яргшът'ж

V Т'

• -а

3

-а

Е" 3

_ ч

а

... --з

180 с-

4 г

ш

t

> ь-

' е

ь-

" С

5

В I-

8е Лг.-Г/; V ■ /•'.Чй'л? '

у > \ ,'.'// Л, I-ч •«ЙЧЛ'/'к "/•;'/.';,&

•• .. <Л-у РА«

/та» ••.......

■ «ЯР '.•/////.'//// '///' / г» '///Л'/-'

/ /V ■ / -'/ / / / /

/'//У/.'//;

//////•''//,'"////>'»»//'//-ж_ '//,"//.-,.'/////// " - У.'/,'.'////«/АзП

■'Ъ-'^з}-'•'/.'.'//,'/';:'.'/:,'(/'1' 1 ■ Ч/ '!////% ' " '' >/'/••'' '// ///"■' /'". , /// //>'/ / / //1 ///>/////!//!?///////////!/!/?!///},

/у////, //// /'//////'/// // / ////'/'/У/ ///.

.....'///////л........ "'•" ' ■■'

^ ■/!/!//>:///г/////¡Н;.'/'.'(/!/.'/.''//.ч/Ш'/Х ■Л \'://П1Г//П//1!!Н/!1Г1/://гГ!!1/.Ч1/Ш>П •ы. '//.О,'/'//л/.''/.';//://,//////%/!■

V

//////. /»: тЗ '/////

_ 1--*'•••'//

СО =

8-=

''На „'<'///////и-:.ГШ

я г

«I-

///'.'//Л'// "Л'//.'//,'//'.'.'/ '//.'// ////>////'///.'///'

: аку/-.'.!-//////' •Чи/.11!П/1/Ц/.Ч1'!/1/1111/1/111,Ч1!/П/1!,'1:^-%С.^

а £-

.щ//■//,//'///'■////>//;/? >/ч\-.//////////////!////!/?////Ы/* А ■//>'/* ///.'///////,// //11!!'/.'///.';!//.'/.Ч1/1^!//,'.'1'//1.Ч!,',ЧШ'^Л Х-:/>%£Г!ГА'&<.';/Ш1'/1и!-Ч.,1/11!/1Ч///!;1/:'/!/</!/> .4! Ч/////////,Ч,Ч///;т./Я:л /%■;'-.'■■ "'I '.'////////У/'////,'//'.'.'/.//'//////////////' '//////.«Г

жч- т:;:■'.>/.//!,'/.ч/////////xv/^v//////у//////////////.у////^////!'///л

'1/1/1.•///., 1/11/1 чш/и/и/и!/; Ч//ГЧ1

Й ■ Д

и

Кис.1. Сезонная динамика численности основных систематических групп фитопланктона Копорской губы (доля в 2).

месяц

га Вао111аг1ор1^ *а

7

4

5

3

>

численности клеток всех групп водорослей за весь вегетационный сезон) .

Анализ многолетней динамики суммарной поверхности клеток фитопланктона в 1 литре воды Копорсксй губы, а также динамики средних значений этой величины за вегетационный сезон по отделам указывает на рост этого показателя, причем главным образом за счет увеличения суммарной поверхности диатомовых и синезеленых. В среднем хв, по отношению к 78-79 годам к началу 90-х он вырос з 4 раза По-видимому, изменение суммарной поверхности меток закономерно сзязано со степенью эвтрофирозания водоема , что подтверждает результаты исследования КМ. Хайлова (Хайлов.1986) и дает основание рассматривать этот показатель как индикатор трофности.

Качественная перестройка структуры сообщества фитопланктона хорошо выявляется при сравнении форм кривых значимости видов с использованием метода ранговых распределений. Анализ форм этих кривых указывает на усиление доминирования отдельных видов в сообществе на фоне тенденции роста общей численности клеток.

Основные закономерности изменения структуры фитопланктона водоема- охладителя Ленинградской АЭС, выявленные за исследуемый период, в целом типичны для эвтрофируемых водоемов умеренного пояса Характерной особенностью нарушения развития фитопланктонкого сообщества изучаемого водоема является удлинение периода активной вегетации синезеленых водорослей и ;'выпадение" осеннего "цветения" диатомовых из годовой динамики, что,.очевидно, обусловлено термо-фикацией водоема

Сравнительный анализ изменения структуры фитопланктона Кд-порской губы и других водоемов-охладителей АЭС северной части Балтийского моря (Ловииса, Олкилуого, Форсмарк) показал, что еоцо-ем- охладитель Ленинградской АЭС испытывает наибольшее антропогенное воздействие, что связано, по-видимому:

- с выбором места расположения станции;

- с сосредоточением нескольких блоков большой мощности на огра-

ниченнсй .территория;

- с расположением заборных и сбросных каналов, создающих принудительную циркуляцию подогретых вод. которая в условиях мелководного водоема, приводит к образованию обширной области с повышенной , по сравнению с фоновой, температурой воды;

- с концентрированием большого количества промышленных и сельскохозяйственных предприятий на территории водосборного бассейна Копорской губы, сбрасывании.. вредные химические вещества в водную среду (реки к Копорскую губу).

4. АНАЛИЗ ПИГМЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФИТОПЛАНКТОНА

Хлорофилл "а". Данные о содержании хлорофилла "а" впервые были получены в ходе исследований Копорской губы сотрудниками ЗИН АН СССР, проводившихся в июле-августе 1977 года (Трофические связи.., 1981). Регулярные наблюдения были организованы в 1984 году. Анализ многолетней динамики концентрации хлорофилла "а" показывает, что изменение характера хода кривой связано с постепенным увеличением высоты пиков и продолжительности периодов с высокими значениями концентрации.

Средняя концентрация хлорофилла "а" за год, вегетационный сезон, летние месяцы (как огна из основных характеристик трофического статуса водоема) возросла особенно заметно с 1987 года, рис. 2. В целом за вегетационный сезон средняя концентрация в период с 1987-1991 годы по сравнению с 1584-1986 годамивозросла почти в 2 раза (1862). В сравнении же с летними пробами за июль-аЕгуст 1977 года она выросла в 5-6 раз.

В 1984-86 годах доля концентраций, характеризующих водоем как мезо-эвтрофный и эвтрофный, составила 20-30%, в 1987-1991 годах -56-6521.

Концентрация каротиноидов в прибрежных водах Копорской губь колеблется в диапазоне от аналитического нуля до 96 мг/куб. м. Максимальные значения приходятся на весеннее цветение диатомовых. От-

Рис.2. Средняя концентрация хлорофилла "а" за отдельные временные интервалы: 1 - март - май, 2 - ишь - октябрь. 3 - марттоктябрь, 4 - июль-август.

нохение концентрации кзрстилсгдов к ххороф;ияу "а" (Ск/Схл ) в период цветения Д)$аТ0!«0БЫХ составляет величину 0.6-1.6, во время дсм/нкрозакия синеяе.-екых годороелей ока падает до 0.2-0. -1 . В ме-тсдсвом аспект»1 отмечается тенденция к незначительному росту отнек-ния Ск/Схл .-.(."гкето фитопланктона, что южт свидетельствовать о некотором угнетении их физиологического состояния; вместе с тем, пкг..;онгкый индекс (Е 450 /Б 665), предложения! Мэргалефом (>.'агда11е-1Т, 1364), з ¿^морской губ? в течение вегетационного сезона »а Еесь период кай^.гечнй варьировал обычно в границах от 1.0 до 6.0. ,что указывает на высокую физиологическую активность фитопланктона.

Оцеькз трофического статуса водоема-охладителя ЛАЭС по концентрации хлорофилла "а" дает основание характеризовать водсем-ох-ладитель в конце 70-х гогов как олиготрофный с признакам;! мезотро-фик, что указывает на то , чго с а предыдущие 40 - 50 лет ( со времени исследований И. А. Киселева) уровень трофии Копорской губы увеличился недлительно ( учитывая .эзтрофикациокные процессы, наблюдающиеся б Сииском заливе и в Балтике в целом). К середине. 80 -х годов концентрация хлорофилла "а" в прибрежных водах.Копорской губы стала приближаться к верхнему пределу концентраций, характеризующих водоем как ыеготр.фный, а со второй половины 80-х годов водоем перешел в устойчивое мезо-эвтроф^ог состояние. Скорость динамики эвтрофирсвания свидетельствует о его антропогенном характере.

ГЛАВА 5. РОЛЬ ФИТОПЛАНКТОНА ЗОРЖРОВАНИИ ГИДРО.ХИМИЧЕСКОГО .

■ РЕЖИМА ПРЙБРЕЯНЫХ БОД КОПОРСКОЙ ГУБЫ Динамика изменений__физико-химических и биологических показателей. Вклад отдельных сезонных комплексов планктонных микреводо-рослей в формирование физико-химического режима и качества зоды в течение биологического сезона и год от года по «ере эвтрофирования водоема меняется. В зависимости от доминирования того или иного

комплекса фитопланктона, б водоеме формируются характерные для этой группы водорослей физико-химические уеловия (Федоров,1973; Скурлатов, 1983, 1988; Эрнестова, 1988 ; Штамм, Еатовская, 1988).

Для сценки динамики взаимозависимости между абиотическими и биотическими параметрами экосистемы был проведен корреляционный анализ данных за рлд лет (1385-1389,1991) по трем временным интервалам: весь вегетационный сезон ; биологическая весна,<когда основные доминанты представлены диатомовыми водорослями; летне-осенний период, характеризующийся преобладанием синезеленых в планктоне. В число анализируемых параметров вошли: температура, рН, концентрации фосфора минерального, азота нитратного, кремния, кислорода, ХПК, БПК5, хлорфилл "а", численность диатомовых и сине-зеленых водорослей. Значения коэфициентов корреляции были рассчитаны как средние величины за наблюдаемый период по каждому из б лет наблюдений.

Результаты корреляционного анализа показывают, что в пределах одного года при смене биологической весны на детс-осень по ряду пар параметров происходит исчезновение значимых корреляций,' некоторые значения корреляции меняют знак или носят неустойчивый характер. То есть харастер взаимосвязи между гидрохимическими и гидробиологическими параметрами от сезона к сезону меняется, а корреляционный анализ, выполненный без учета биологической сезонности , с точки зрения оценки взаимосвязи физико-химических и биологических процессов представляется малоэффективным. Результаты анализа указывают также на то, что при оценке поведения какого-либо компонента экосистемы естественного или антропогенного происхождения необходимо учитывать особенности динамики физико-химических и биологических процессов, характерные для каждого из биологических сезонов.

Определение границ биологических сезонов было проведено по еженедельным, синхронно отобранным гидрохимическим и гидробиологическим пробам за ряд лет с использованием метода дискриминантного

анализа. Дискриминант}«?, анализ позволяет изучать различия между группа«! наблюдений по нескольким переменным одновременно и при этой классифицировать наблюдения по принципу максимального сходства путем построения дискриминантных функций, по которым группы наблюдений различаются наилучшим образом. Графически ( в двухмерном пространстве) результаты анализа представляются в виде точек скоплений, обозначаг-дих наблюдения и равных по значению их дискри-шнантным функциям.

Календарный год делили на 3 постоянно наблюдаемые сезона: 1 -зимний. 2 - весенний, 3 -- летне-осенний (осенний период сначала был объединен с летним в связи с трудностью их разделения). Выбор параметров и задание исходного разделения на сезоны осуществляли на основе экспертной оценки в соответствии с характером внутриго-доеой динамики измерявши параметров. Если выделенные на основе дискрн»,шантного анализа группы наблюдений совпадали с исходным разделением на сезоны, то око принималось в качестве окончательного. При несовпадении результата анализа с экспертной оценкой граница корректировалась. Она соответственно смещалась, если наблюдения находились на грани сезонов, либо, если наблюдения находились не нз грани сезонов, процедура анализа повторялась - до тех пор пока не подбирался такой нчбор анализируемых параметров, который eCv спечивал дучдее разделение наблюдений в пространстве.

В оптимальный вариант набора анализируемых параметров вошли: температура, рН, концентрации фосфора минерального, азота нитратного, кремния, кислорода, БПК5, численности диатомовых и синезеле-ных водорослей.

На втором этапе проводилось разделение летне-осекнего периода на лето и осень путем объединения данных, летне-осеннего сезона за несколько лет. Весь массив наблюдений был разбит на 2 группы лет. В первую группу вошли 1984, 1985 и 1986 годы, во вторую 1987, 1968,1989 и 19Э1 годы, 1990 год по ряду параметров (численности синезеленых, численности диатомовых, БПК5) не мог быть объединен

ни с одной из групп лет, поэтому он был исключен из дальнейшего анализа.

Для первой группы лет было достигнуто полное разделение наблюдений на летний и осенний биологические сезоны, для второй группы лет четко выделить осень не удалось. По-зидимсму, в течении 1986 -1987 годов произошло некоторое качественное изменение экологического состояния исследуемого водоема, одним из проявлений которого явилось исчезновение четкой границы между биологическим летом и осенью.

Полученная оценка результатов совпадает с результатами анализа характера динамики отдельных параметров: сезонной сукцессии фитопланктона (гл. 3), хлорофилла "а"(гл. 4) , а тага© с данными диск-риминантногс анализа, выполненного для характеристики отдельных лет наблюдений по совокупности гидрохимических и гидробиологических показателей (группировка дан?;'« по годам).

Биохимическое потребление-кислорода. Анализ многолетней динамики БПК5 в прибрежных водах КопорекоЯ губы показывает, что эта величина в значительной степени зависит от качественного состава фитопланктона: в период доминирования весеннего комплекса (диатомовые, пирофитовые, звгленовые) эта величина растет, в момент интенсивного развития видов отдела Суапор.^а снижается. В первом случае значения БПЕ5 составляют обычно 2.8-4.0 мгО /л сут., (х=3. 2), во втором - 0.5-2.0 мгО/л сут.. (х-1.5).

Одним из объяснений указанного различия может являться то, что величина ВПК в природном водоеме зависит не только от наличия органических веществ, но и от активности микрофлоры. По-видимому, у синезеленых водорослей с бактериями, наиболее близкими к ним зяолюционно, складываются антагонистические отношения, вследствие чего в момент доминирования синезеленых физиологическая активность бактерий угнетена , и БПК5 падает. По мере старения популяции синезеленых водорослей или снижения их функциональной активности антибиотические свойства воды исчезает и создаются благоприятные, ус-

-головня для развития бактерия - БПК5 начмнет расти.

Очевидно,что в тек водоемах, где содержание органики обусловлено главным образоы метаболизмом фитопланктона, БПК5 является скорее показателем активности микрофлоры, чем наличия органических веществ в воде. В связи с этим ВПК природных и сточных вод в санитарно-гигиеническом отношении должны иметь разную интерпретацию. А при использовании этого показателя в системах оценки качества вод необходимо учитывать значения его величины в зависимости от доминирования того нш? шзго фитопланкгонного комплекса видов.

Многолетняя динадагка рН как индикатор состояния экосистемы водоема. Являясь одной из главных интегральных физико-химических характеристик водной среды, величина рН выступает как индикатор состояния экосистемы. Наиболее сильные изменения экосистемы водое-ыа связаны с периодом весеннего развития диатомовых водорослей (май - начало июня). Интенсивное потребление водорослями растворенной углекислоты приводит к резкому подщелачиьани» воды от рН -7.5 до рН -9.0. В летне-осенний сезон перепады рН связаны со сменой доминирующих видов синезеленых водорослей , хотя в целом они не столь велики, как весной.

Анализ многолетней динамики рН , указывает ка наличие тенденции роста частоты и амплитуды колебания этой величины. Для оценки стабильности прибрежной экосистемы Еопорсксй губы по величине рН был использован относительный показатель - коэффициент вариации ,' который был определен для вегетационного периода (середина марта -октябрь), для календарного года и для зимнего периода (октябрь -ыарт). Наблюдается тенденция роста коэффициента от' 1.5-4.0 2 в конце 70-х - начале 80-х годов до 6.0-7.8 % в 90- е годы, что подтверждает наличие процесса дестабилизации экосистемы Копорской губа

выводы

1. По данным длительных систематитеских наблюдений ( с 1978 по 1991 годы) впервые прослежена эволюция структуры морского прибрежного фитопланктона как вследствие антропогенного эвтрофиро-вания акватории в районе размещения мощных энергетических установок (район расположения Ленинградской АЭС).

2. Определены причины антропогенного звтрофирования водоема-охладителя Ленинградской АЭС, главными из которых являются: сброс теплых вод, изменение гидродинамического режима прибрежных вод, поступление биогенных веществ с хозяйственно-бытовыми стоками города и реками водосборного бассейна йопорской губы. Выполнена оценка вклада в общий-объем поступления фосфора и азота в водоем, от разных источников. Основной вклад в поступление азота вносят реки (35%), фосфора - коммунальный сток города (около 70%) и реки

(30%).

3. Анализ видовой структуры, сезонной и многолетней сукцесии сообщества фитопланктона Копорской губы за период с 1978 по 1991 годы выявил изменения, присуще интенсивно эвтрофируемым континентальным водам умеренного пояса. Характерной особенностью нарушения развития фитопланктоного сообщества изучаемого водоема является удлинение периода активной вегетации синезеленых водорослей и "выпадение" осеннего "цветения" диатомовых из годовой динамики, что, очевидно, обусловлено термофикацией водоема. Исследования свидетельствуют о незавершенности процесса перестройки фитопланктоннсго сообщества, находящегося иод постоянным воздействием комплекса-техногенных факторов.

4. Скорость эвтрофикационных процессов в водоеме-охладителе электростанции связана с ростом мощности станции и загрязнением биогенными веществами.

5. Впервые роль фитопланктона в формировании гидрохимического

рекима водоема ьыявлена по синхронным функционально связанным гидрохимическим и адьгологическим данным наблюдений многолетних натурных исследований:

- методами математической статистики показано, что характер связи ыеэду физико-химическими и биологическими показателями зависит от биологического сезона, поэтому при оценке поведения в водной. среде какого-либо вещества естественного или антропогенног'-происховдения необходимо определение временных интервалов (биологических сезонов), в пределах которых зависимости между экологическими параметрами имеют сходный характер;

- предложена «етодика определен!»! границ биологических сезонов по данным синхронных гидрохимических и гидробиологических наблюдений;

-показано, что величина БПК5 природной воды в периоды активной вегетации фитопланктона в значительной степени зависит от его качественного состава, б связи с этим применение БГШ5 в системах оценю! ¡качества воды как показателя наличия лабильного органического вецества представляется не вполне обоснованным и нуждается в корректировке.

5, Одним из показателей процесса дестабилизации водной экосистемы в ходе эьтрофкрования шлет служить рост коэффициента вариации величины рН многолетнего ряда наблюдений.

7. Практичесштми результатами исследований являются следующие рекомендации:

- для предотвращения дальнейшего эвтрофирования Копсрской губы необходимо снижение биогенной нагрузки на водоем

- прк выборе плошадок АЭС необходимо учитывать географические и гидробиологические особенности естественных водоешв, которые должны рассматриваться .в качестве факторов, ограничивающих предельно допустимую мощность АЭС;

- в существующую систему экологического мониторинга регионов АЭС необходимо включение мониторинга за состоянием экосистемы во-

доема-охладителя;

- при нормировании допустимого уровня содержания биогенных элементов в природных водоемах, используемых в качестве охладителей электростанция (ТЭС и АЗС), необходимо учитывать, что рост первичной продуктивности происходит не только вследствие абсолютных нагрузок биогенами, ко и в результате увеличения скорости их оборота под действием подогрева

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Балашова Е Б., Верещагин В. М. , Зимина Л. М., Никитина В. II , Сазыкина Т. Г. Роль фитопланктона в формировании химического состава и качества еоды водоема-охладителя Ленинградской АЭС. - Водные ресурсы; 1930, N 4, с. 50-57.

2. Зимина Л. Ы. , Сазыкина Т. Г. , Балашова Е Е. , Никитина В. Е , Зимин К Л., Рябова К Е Мониторинг антропогенного эвтрофирования и загрязнения прибрежья Зинского залива б районе Ленинградской АЭС. -Геологический мониторинг и проблемы геоэкологии Балтийского и Черного морей- Тезисы докладов международного симпозиума, Ленинград, 2-4 октября, 1990. Л.: 1990, с. 39-40.

3. Рябова В. Е , Зимина Л Ы., Зимин К Л. , Лутона Е. Е Биоиндикация антропогенного загрязнения малых рек бассейна Финского залива. - Материалы 43 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Ленинградского технологического института целлшозно-бумажной промышленности, Ленинград, 1990. Л.: 1990, с. 41.

4. Балашова Е Б., Никитина Е Е , Зимина Л. Ы., Сазыкина Т. Г. Многолетние изменения фитопланктона морского водоема-охладителя

ч

Ленинградской АЭС.- Экология, 1992, N 1, с. 10-16.

• 5. Зимина Л. М., Балашова Е Е , Крышев И. 31, Никитина К Е , Сазыкина Т. Г. Антропогенное звтрофлрование водоема-охладителя Ленинградской АЭС. - В сб.: Эколого-геофизические аспекты мониторинга районов АЭС.- - Я: Гидрометеоиздат, 1992, с. 61-70.

6. Зимина Л. \L , Сазыкина Т. Г. , Зимин В. Л. , Рябова Е Я Опенка воздействия теплового загрязнения и биогенных стоков на состояние прибрежных биоценозов водоема-охладителя Ленинградской АЭС. - Материалы научного сешшара " Экология АЗС", Одесса, 1-Ю июня 1991. -У.: ИЛЗ им. JLE Курчатова, 1992, с. 165-171.

7. Блинова Л Д., Зимин В. JL , Зимина Л. U. Экологический мониторинг Сосковоборского региона (район расположения Ленинградской АЗС) как составная часть койитсринга бассейна Балтийского моря. -Состояние Финского залива и очистка сточных вод в районе Санкг-Петербурга. Тезисы докладов семинара университетов Санкт-Петербурга и Турку, Санкт-Петербург, 2-4 июня, 1992.- С-Петербург,1S92.

8. Ryabova V. N. , ZiminV. L. Zimina L. M. , Kudryavtseva A. M. Thermal pollution and eutrophication of the Gulf of Finland in region of Leningrad Nuclear Power Plant . Materials of 18-th Conference of Baltic Oceanographers, St-Petersburg, 23-27 novesriser, 1992. - St-Petersburg, 1992. P. 82.

9. Злшва Л. M., Максимов E E , Хайрутдинова Ю. А. Определение границ биологических сезонов по гидрохимическим и альгологическим данным. - Биологические науки, "1993 (в печати).