Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности миграции тяжелых металлов в природной среде Северного Каспия

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Особенности миграции тяжелых металлов в природной среде Северного Каспия"

На правах рукописи

ЧУЙКО Елена Вячеславовна

ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДНОЙ СРЕДЕ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ

Специальность 03.02.08 - Экология (биологические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

7 МОЯ 2013

Астрахань - 2013

005536898

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии

«Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства» (КаспНИРХ) и на кафедре «гидробиологии и общей экологии» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ).

д.б.н., член-корреспондент РАЕН, почетный работник рыбного хозяйства России Абдусамадов Ахма Сандбегович

Сокольский Аркадий Федорович - д.б.н., профессор, почётный работник рыбного хозяйства России, ГАОУ ВПО «Астраханский инженерно-строительный институт», заведующий кафедрой инженерных систем и экологии

Елецкий Борис Дмитриевич - д.б.н., ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный университет», профессор кафедры физической географии

Каспийский филиал института океанологии Российской академии наук им. П.П.Ширшова

Защита диссертации состоится «27» ноября 2013г. в 1400 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.0 53.03 в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет» по адресу: 367025, г. Махачкала, ул. Дахадаева, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный университет».

Автореферат разослан «27» октября 2013г.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 367025, г. Махачкала, ул. Дахадаева, 21. Электронный адрес: ecodag@rambler.ru. тел./факс 8(8722) 56-21-40.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, к.г.н., доцент

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

АхмедоваГ.А.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

В настоящее время основные задачи исследования Каспия направлены на поиски путей сохранения его биологического и ландшафтного разнообразия. По мнению группы авторитетных ученых, в течение десятилетий изучающих динамику экосистемы Каспийского моря [Абдурахманов Г.М., 2002; Иванов В.П., 2000, 2001; Абдусамадов A.C., 2004; Катунин Д.Н., 1998; Бухарицин П.И, 2008], на рубеже XX-XXI веков экосистема Каспия функционирует под воздействием ряда негативных факторов (перелова, зарегулирования речного стока, вселения «сорных» видов, загрязнения), в отдельных случаях приводящих к возникновению высокой экологической напряженности.

Одним из основных факторов является загрязнение моря, которое формируется главным образом за счет поступления загрязняющих веществ с речным стоком. Среди других наиболее весомых источников поступления токсичных веществ могут быть названы атмосферный перенос и транспортное сообщение, а также изменение уровня Каспия (Веницианов Е.В., 1997). Кроме того, в современный период на акватории северной части Каспийского моря, богатой запасами углеводородного сырья, начаты работы по разведке и освоению нефтегазовых месторождений, что в будущем увеличит количество танкерных перевозок и создаст дополнительный потенциальный источник загрязнения акватории соединениями органического ряда и тяжелыми металлами, которые сопутствуют процессам нефтегазодобычи (Патин С.А., 2001). Совокупное воздействие негативных факторов в конечном итоге сказывается на жизненно важных функциях и генофонде гидробионтов, значительное снижение численности которых наблюдается в последние 20 лет.

В группу наиболее опасных загрязняющих веществ, присутствующих в водах Каспийского моря, наряду с углеводородами различного генезиса, полихлорированными бифинилами входят тяжелые металлы (ТМ) - продукты как естественного происхождения, так и привнесённые в виде компонентов промышленных отходов с речным стоком, а также сопутствующие при нефтедобыче. На сегодняшний момент накоплено огромное количество работ, посвященных проблеме загрязнения водных объектов тяжелыми металлами. В группу наиболее распространенных тяжелых металлов, по мнению многих авторов, входят марганец, никель, цинк, железо, кадмий, свинец, медь и их соли, характеризующиеся длительным сохранением в воде, накоплением в донных отложениях и гидробионтах [Перевозников М.А., Богданова Е.А., 1999].

Как микроэлементы, тяжелые металлы (ТМ) имеют большое значение в жизни рыб и других гидробионтов. Они являются необходимым источником энергии для водных организмов, входят в состав ферментов, витаминов, гормонов, участвуют в биохимических процессах, протекающих в организмах рыб [Ковальский В.В., 1974; Роль микроэлементов, 1980]. Но, находясь в воде в больших количествах, денатурируют белки, блокируют тиоловые группы, оказывают антибиотическое влияние на течение жизненных процессов и

3

вызывают генетические изменения [Будников Г.К., 1998]. Опасность металлов усугубляется тем, что они не подвергаются химической биодеградации, как это свойственно органическим соединениям, а лишь перераспределяются между абиотическими и биотическими компонентами и взаимодействуют с ними. В связи с этим особую актуальность приобретают сведения о формах существования, миграции, бионакоплении тяжелых металлов в звеньях экосистемы Северного Каспия.

Цель исследования - выявление особенностей миграции тяжелых металлов в экосистеме Северного Каспия.

Основные задачи исследования:

1. Изучить распределение тяжелых металлов в компонентах экосистемы Северного Каспия. Определить доминирующую форму нахождения элементов в воде.

2. Определить индекс загрязненности вод (ИЗВ).

3. Оценить накопление тяжелых металлов донными осадками Северного Каспия. Определить коэффициенты донной аккумуляции металлов.

4. Выявить корреляционную связь между многолетним уровнем накопления тяжелых металлов в тканях гидробионтов и в природной среде.

Научная новизна. Впервые обобщены данные по содержанию и распределению тяжелых металлов в воде, взвеси, донных отложениях и гидробионтах западной части Северного Каспия. Определена доминирующая форма миграции исследуемых элементов для вод Северного Каспия. В западной части Северного Каспия выявлены районы, где наиболее часто металлы транспортируются в ионном виде, концентрации ионных форм элементов превышают ПДК. Определен индекс загрязненности вод Северного Каспия. Выявлены участки наибольшей аккумуляции ТМ в донных отложениях. Изучено накопление тяжелых металлов ихтиофауной. В западной части Северного Каспия выявлены районы, где наиболее часто концентрации свинца и кадмия в рыбах превышают ДОК, определены коэффициенты накопления тяжелых металлов в рыбах.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные характеризуют современное состояние экосистемы Северного Каспия; могут быть использованы в мониторинге других районов моря.

Результаты работы могут быть использованы для разработки и осуществления природоохранных мероприятий с целью оздоровления экологической обстановки в районе обитания ценных промысловых видов рыб. Материалы работы включены в лекционные курсы специальных дисциплин «Экологический мониторинг», «Гидробиология», «Ихтиология» ФГБОУ ВПО «ЛГУ» и ФГБОУ ВПО «АГТУ».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Доминирующая форма миграции цинка в поверхностных водах Северного Каспия - ионная, остальные элементы находятся преимущественно во взвешенном состоянии.

2. Индекс загрязненности вод Северного Каспия определяется диапазоном чистые воды (0,2) - загрязненные воды (3,4). Центральная часть предустьевого пространства р. Волги у выхода Кировского и Белинского каналов и восточная часть акватории с глубинами свыше 5 метров относится к умеренно загрязненным водам, западная часть Северного Каспия - к загрязненным.

3. Наибольшее накопление в донных отложениях отмечено для железа и марганца, наименьшее - для цинка. Высокие коэффициенты донной аккумуляции обнаружены в западной части исследуемой акватории.

4. Выявлена корреляционная связь между содержанием кадмия в донных отложениях и тканях бычков-песочников (г=0,64); меди и марганца в донных отложениях и тканях северо-каспийской воблы (медь - г=0,74, марганец -г=0,64).

Апробация работы

Материалы диссертационной работы были доложены на 3-й Международной конференции молодых ученых и студентов. - Самара, гос.техн.ун-т. 2002; научно-практической конференции «Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской области». - Астрахань, 2002; научно практической конференции «Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской области». - Астрахань, 2003; первой международной научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек». - Астрахань, 2004; международной конференции БОРОК. - Москва, 2005; Тр. 2-го Международного форума (7-й Международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки». - Самара, 2006; IV Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений». - Астрахань, 2011.

Публикации

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ - 4.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 165 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы, включающего 238 наименований, в том числе 46 иностранных авторов и приложения. Работа иллюстрирована 86 рисунками и содержит 18 таблиц.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРЕДМЕТА И ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

В представленной главе рассматриваются географические, гидролого-гидрохимические особенности Северного Каспия и его биологические ресурсы. Опираясь на отечественные и зарубежные источники, проводится анализ основных путей поступления тяжелых металлов, их форм нахождения в водной среде и донных отложениях для водоемов в целом и для Северного Каспия в частности, основных факторов окружающей среды, под влиянием которых происходит аккумуляция металлов в донных отложениях и их растворение. Приводятся сравнительные данные по транспорту тяжелых металлов волжскими водами, по их накоплению макрофитами, планктонными, бентосными организмами и рыбами Северного Каспия. Описываются разработанные в последние годы методы оценки качества водной среды.

Глава 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа выполнена в северо-западной части Каспийского моря на акватории, ограниченной координатами: 44° 00 северной широты и 50 10 восточной долготы. Для получения дискретной пробы, отражающей качество исследуемой воды и в соответствии с целями исследований на акватории северо-западной части Каспийского моря была разработана стандартная сетка станций (рис. 1).

Рис. 1. - Сетка станций отбора проб воды, донных отложений и ихтиофауны в северо-западной части Каспийского моря в период с 2002 по 2009 гг.

Исследования охватывали период с 2002 по 2009 гг., за время которого были отобраны образцы морской воды, донных отложений и ихтиофауны.

Отбор образцов воды осуществляли с поверхностного горизонта (наибольшая глубина изъятия воды составляла 0,5 м. вглубь от водной поверхности) в июне, июле-августе и сентябре 2002-2007 гг. и 2009 г. в ходе ежегодного мониторинга Каспийского моря, осуществляемого ФГУП «КаспНИРХ». Исследования, выполненные в июне позволили проследить влияния весеннего половодья на изменение количественных показателей тяжелых металлов, в летне-осеннюю межень, в условиях высокой прогретости вод - скорость протекания внутриводоемных процессов. ионные формы тяжелых металлов: Zn, Си, Pb, Cd, Mn, Ni, Со, Fe взвешенные формы тяжелых металлов: Zn, Си, Pb, Мп, Со, Fe

подвижные формы тяжелых металлов в донных отложениях: Zn, Си, Pb, Cd, Mn, Ni, Co, Fe

тяжелые металлы в тканях бычков-песочников (Neogobius fluviatilis pallasi), обыкновенной кильки (Clupeonella delicatula), воблы (Rutilus rutilus caspicus), относящейся к Северо-каспийской популяции: Zn, Си, Pb, Cd, Mn, Ni, Co

В общей сложности было обработано 708 проб воды, 309 проб донных отложений, 176 проб бычков-песочников, 178 проб кильки обыкновенной и 167 проб северо-каспийской воблы.

Пробы морской воды отбирались с поверхностного горизонта в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000. Подготовка проб воды для последующего определения в них растворенных форм ТМ проводилась в соответствии с РД 52.24.81-89. После отбора пробу фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм, отделяя тем самым взвешенные вещества. Фильтрат консервировали азотной кислотой. Исследуемый раствор, после экстракции, анализировался на атомно-абсорбционном спектрофотометре SHIMADZU АА -855.

Подготовка и анализ проб воды для определения содержания взвешенных форм ТМ осуществляли в соответствии с РД 52.10.556-95. Для анализа использовали мембранные фильтры «Владипор» диаметром 45мм и диаметром пор 0,45мкм, через которые на установке вакуумного фильтрования фильтровали 2000 мл морской воды. Фильтр высушивали до постоянного веса, взвешивали и в соответствии с прописью методики проводили дальнейшую пробоподготовку. В полученном растворе измеряли содержание металлов методом атомной абсорбции.

Донные отложения отбирались на тех же станциях, что и пробы воды. Отбор проводился в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01-80. Пробы донных отложений отбирались дночерпателем Петерсена объёмом - 5,0 дм3. Пробоподготовку образцов донных отложений на содержание подвижных форм элементов проводили в соответствии с М-МВИ-80-2008. В соответствии с прописью методики осуществляли разложение пробы азотной кислотой.

Полученный раствор анализировали на атомно-абсорбционном спектрофотометре БШМАОги АА - 855.

Каспийские бычки-песочники (Neogobius АтчайНз раПаз!) и килька обыкновенная (С1иреопе11а delicatula) отбирались из 15 футового трала, северокаспийская вобла (ЯиШш гиШиэ сазрюиэ) - из 30 футового трала. Выбирались одноразмерные особи кильки обыкновенной и бычков-песочников общим весом не менее 300 г. и не менее 10 шт. северо-каспийской воблы. Отобранные пробы транспортировали к месту анализа в замороженном виде. Единичная проба каждого из видов рыб, используемая в дальнейшем для анализа, представляла собой осредненную навеску тканей рыб, массой 20 г., подготовленную путем перемалывания отобранных 300 г. кильки обыкновенной, или бычков-песочников, или 10 особей воблы.

Предварительную подготовку проб гидробионтов проводили в соответствии с ГОСТ 26929-94 «СЫРЬЕ И ПРОДУКТЫ ПИЩЕВЫЕ. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов». Способ основан на полном разрушении органических веществ пробы гидробионтов при нагревании с серной и азотной концентрированными кислотами с добавлением перекиси водорода. Пламенное атомно-абсорбционное определение токсичных элементов в подготовленных образцах проводили в соответствии с ГОСТ 30178-96.

Содержание растворенного кислорода определяли методом Винклера, соленость - электрометрическим методом в соответствии с РД.52.10.243-92.

Математическая обработка полученных данных состояла из определения кратности предельно-допустимой концентрации (ПДК), классификации вод в зависимости от индекса загрязненности вод (ИЗВ), расчета коэффициента донной аккумуляции, коэффициента накопления в рыбах.

Кратность ПДК рассчитывалась как отношение концентрации микроэлемента к его предельно-допустимой концентрации [РД 52.24.643-2002].

Расчет (ИЗВ) осуществляли на основании [РД 52.24.643-2002] исходя из превышений ПДК по 5 нормируемым металлам и кислороду. Для расчета были использованы свинец, кадмий, цинк, медь и марганец.

Расчет индекса загрязненности вод проводили по формуле:

П ^ПДК;

?

где: а - концентрация компонента; п - число показателей, используемых для расчета индекса (п = 6); ПДКь- установленная величина норматива для соответствующего типа водного объекта [РД 52.24.643-2002].

Качество вод, исходя из определенного индекса загрязненности вод, классифицировалось в соответствии с руководящим документом [РД 52.24.6432002].

Коэффициент донной аккумуляции (КДА) определяли как отношение концентрации микроэлемента в донных отложениях Сд0 к его концентрации в воде Свод»:

КДА = Сдо/С,

Коэффициент накопления (КН) вычисляли как отношение концентрации металла в тканях гидробионтов Соыбя к его концентрации в воде Свояа (ионные формы):

КН СрЫба ''' Сводя

Статистические расчеты проводились в компьютерных программах «51а1Р1из 2009 5.7.6.0» и «Ехе11». Проводился расчет средних величин, оценки достоверности, коэффициента корреляции. Для оценки статистических закономерностей использовалась шкала Любарского [Любарский Е.Л., 1975].

Глава 3 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ВОДАХ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ

3.1 Распределение ионных и взвешенных форм тяжелых металлов в водах по годам и сезонам

Исследования, проведенные в западной части Северного Каспия показали, что содержание цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, кобальта и железа в водной среде значительно изменялось и имело ряд особенностей.

Многолетняя динамика ионных форм марганца, цинка, кобальта и железа характеризовалась общей тенденцией к возрастанию концентраций в среднем в 1,6; 2,0; 2,2 и 2,5 раза соответственно. Концентрации ионных форм свинца и кадмия изменялись в узком диапазоне и имели стабильный уровень. Для многолетней динамики меди было свойственно снижение концентраций в период с 2002 по 2009 гг. в 1,5 раза (таблица 1).

Сезонная изменчивость ионных форм анализируемых элементов в водах Северного Каспия имела общую закономерность для цинка, меди, свинца, кадмия и марганца, выражающуюся в возрастание концентраций в конце лета -начале осени. Сезонная динамика никеля и железа отличалась возрастанием концентраций в течение летнего периода.

Многолетняя динамика взвешенных форм металлов характеризовалась возрастанием концентраций цинка, меди, свинца (в период с 2002 по 2009 гг.) и кобальта (в период с 2002 по 2006 гг.) в 3,5; 1,7; 1,9 и 1,8 раза соответственно (таблица 1). В отличие от указанных металлов концентрации взвешенных форм марганца и железа снижались в 3,2 и 1,3 раза соответственно. Изменчивость концентраций взвешенных форм железа находилось в прямой зависимости от речного стока, коэффициент корреляции между содержанием железа во взвеси и объемом речного стока составил 0,94 (п=14, р<0,05).

3.2 Соотношение растворенной и взвешенной форм тяжелых металлов по годам и сезонам

Расчет соотношения растворенной и взвешенной форм исследуемых металлов в воде Северного Каспия в период с 2002 по 2009 гг. выявил доминирование взвешенной формы миграции для большинства металлов, которая составила в среднем от 64,6% (свинец) до 86,5% (марганец). К исключению относился цинк, основная доля которого переносилась в растворенном состоянии - 58,6% (таблица 2).

За период исследований (2002 - 2009 гг.) рассчитана частота случаев доминирования ионной формы миграции для анализируемых металлов над взвешенной. Определен район, где наиболее часто ионная форма миграции доминировала над взвешенной. К такому району относится центральная часть предустьевого пространства р. Волги у выхода Кировского и Белинского каналов (рис. 2).

4В°30'

Астрахань!-^

рование ионной формы на^

" 09 Г\_

9-3.1 К

Домин»

¿5 "О С

¿Л'ОС

Рис. 2. - Районы северо-западной части Каспийского моря, где наиболее часто ионная форма миграции тяжелых металлов доминировала над взвешенной (число случаев от общего количества проанализированных проб)

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в водах северо-западной части Каспийского моря

Период Исследований Определяемые металлы, мкг/л

га РЬ Сй Си Мп N1 Ре

2002 год 21,54/9,16 2,15/2,31 0,26/- 4,52/11,03 4,89/48,6 2,56/- -/384,6

2003 год 35,48/23,43 1.36/3,46 0,25/- 3,93/12,73 7,21/30,8 1,45/- -/256.0

2004 год 29,42/23,94 1,41/4 0,40/- 4,12/13,48 1,25/24,7 2,03/- 15,25/292,4

2005 год 28,73/- 2,55/- 0Д9/- 2-59/- 1,68/- 0,62/- 15,0/-

2006 год 31.83/55,99 1,84/3,76 0,27/- 2,84/11,15 1,67/58,4 4,57/2,36 11,15/91,5

2007 год 32,84/30,3» 1,78/2,08 0,31/- 2,61/25,6 2,41/223,1 1,69/12,33 25,06/3137,3

2009 год 42,99/31,8 2 ДО/4,31 031/- 3,06/19,19 3,49/1534 3,20/17,96 38,02/260,0

среднее (2002-2009 гг.) 31,83/29,12 1,90/3^2 030/- 3,38/15^53 3,23/66,8 230/10,88 21,04/730,9

станд. отклонение (я) 6,59/15,42 0,43/0,92 0,05/- 0,79/5,77 2,16/78,2 1,29/7,9 10,77/1181,9

размах концектрацнй 21,46/46,83 1,19/2,24 0,15/- 1,93/14^51 5,96/207,8 3,96/15,6 26.87/3045,69

Примечание: а числитель занесены ионные формы ТМ, в знаменатель - ювешенные формы ТМ.

Таблица 2

Соотношение конной и взвешенной форм ТМ от нзс суммарного содержания в водах северо-западной части Каспийского моря, %_

Элементы 2002 год 2003 год 2004 год 2006 год 2009 год Среднее (2002-2009 гг.)

ноппая взвешенная ионвая взвешенная ноппая взвешенная ионная взвешенная ионная взвешенная ионная взвешенная

2п 68Д 31,8 59,3 40,7 54,6 45,4 51,6 48,4 59,3 40,7 58,6 41,4

Си 22,5 77,5 20,4 79,6 23,1 76,9 26,2 73,8 9,3 90,7 20,3 79,7

РЬ 47,6 52,4 31,9 68,1 30,6 69,4 23,0 77,0 43,8 56,2 35,4 64,6

Мп 9,0 91,0 14,4 85,6 10,3 89,7 14,7 85,3 19,3 80,7 13,5 86,5

Ре - - - - 13,3 86,7 23,0 77,0 10,8 89,2 16 84

Со 163 83,7 17,0 83,0 23,6 76,4 - - - - 18,9 81,1

N1 - - - - - - 32,7 67,3 7,5 92,5 20,1 79,9

3.3 Районирование Северного Каспия по ИЗВ и степени превышения предельно-допустимой концентрации

Сравнение концентраций ионных форм металлов с предельно допустимыми концентрациями, определенными для водоемов рыбо-хозяйственного значения, показало, что частота встречаемости проб с содержание ионных форм цинка, меди, железа и никеля выше ПДК за период исследований (2002-2009 гг.) составила соответственно 14,9%; 4,9%; 3,0% и 1,2% случаев от общего числа проанализированных образцов. Концентрации свинца и марганца превышали ПДК эпизодически, составляя 0,9% и 0,7% от общего числа проанализированных проб. Для ионных форм кадмия и кобальта не отмечено случаев превышения ПДК в водах Северного Каспия.

Для западной акватории Северного Каспия определена частота случаев превышения ионными формами металлов ПДК. Выявлены районы моря с наибольшим количеством случаев превышения ПДК. К таким районам относится центральная часть акватории с глубинами от 5 м до 10 м, где число случаев превышения металлами предельно-допустимой концентрации было наибольшим и предустьевое пространство р. Волги с глубинами <5 м, (рис. 3).

дэ^во1

>хань

Случаи превышения ПДК.

48° ОО

Рис. 3. Пространственное распределение частоты встречаемости концентраций ионных форм группы тяжелых металлов в воде свыше ПДК (число случаев от общего количества проанализированных проб)

Индекс загрязненности вод Северного Каспия изменялся в диапазоне от 0,2 (чистые воды) до 3,4 (загрязненные воды). К умеренно загрязненным районам моря (ИЗВ 1-2) относился участок центральной части предустьевого

пространства р. Волги между Кировским и Белинским каналами и восточная часть акватории, западнее о. Кулалы с глубинами > 5м. К загрязненным относились поверхностные воды зоны, расположенной в западной части исследуемого района, испытывающего влияние транзитного стока р. Волги, движущегося основным Волго-Каспийским каналом: юго-восточнее Смирновского осередка, где ИЗВ составил 2,5 и у о. Тюлений (ИЗВ 3,4) (рис. 4).

Рис. 4. Районирование северо-западной части Каспийского моря в зависимости от индекса загрязненности вод

Глава 4 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ

4.1 Распределение подвижных форм тяжелых металлов в донных отложениях по годам и сезонам

В донных отложения Северного Каспия средние концентрации подвижных форм меди, цинка, марганца, никеля и железа не превышали 17,1 % от кларковых значений. Для подвижных форм кадмия отмечался стабильный уровень содержания, что соответствовало его распределению в воде. Средняя концентрация кадмия составила 24% от кларкового значения. Увеличение концентраций взвешенных форм свинца в 1,9 раза, способствовало его аккумуляции в донных отложениях, где содержание подвижных форм этого элемента также возросло в 1,7 раза. К 2009 г. концентрации свинца незначительно превышали кларковое значение (в 1,1 раза).

Многолетняя динамика подвижных форм металлов в донных отложениях имела некоторые общие закономерности. Так, общая тенденция отмечалась для показателей меди и цинка, концентрации которых в период с 2003 г. по 2009 г. снижались в 1,5 и 1,6 раза соответственно. Изменчивость марганца и никеля

носила флуктуационный характер с коэффициентом корреляции 0,86 (п=311, р<0,05), что по мнению группы авторов [Gambrell R.P., Khalid R.A., Patrick J.W.H., 1980] обусловлено удалением никеля из морской воды за счет связывания его с оксидами и гидроксидами марганца и депонирования в донных отложениях. Снижение водности реки в последние годы исследований способствовало снижению взвешенных форм железа в воде и подвижных форм этого металла в донных отложениях в 1,3 и 1,1 раза соответственно (таблица 3).

Таблица 3

Содержание подвижных форм металлов в донных _отложениях Северного Каспия_

Период исследований Определяемые металлы, мкг/г

Zn Pb Cd Си Mn Ni Fe

2002 год 4,87 12,04 1,22 3,19 58,0 7,92 -

2003 год 7,03 16,74 1,08 5,13 141,5 11,65 -

2004 год 4,7 16,22 0,98 3,88 75,3 10,6 1300,3

2005 год 3,61 24,61 1,65 4,18 156,1 11,04 -

2006 год 3,66 19,56 1,13 3,63 79,1 9,52 1670,1

2007 год 4,87 17,34 1,44 3,57 152,7 11,49 1729,6

2009 год 4,33 17,57 1,14 3,42 106,17 9,55 1760,8

среднее (2002-2009 гг.) 4,72 17,73 1,23 3,86 109,84 10,25 1615,20

станд. отклонение (а) 1,15 3,80 0,23 0,64 40,45 1,34 213,28

размах концентраций 3,42 12,57 0,67 1,94 98,1 3,73 460,5

4.2 Районирование Северного Каспия по коэффициентам донной аккумуляции

Коэффициенты донной аккумуляции свидетельствовали о наибольшем накоплении в донных отложениях железа и марганца, коэффициенты которых составили 66,38 и 79,68 соответственно. Наименьший коэффициент донной аккумуляции был отмечен для цинка - 0,26 (рис. 5). Полученные величины коэффициентов донной аккумуляции металлов в Северном Каспии были обусловлены их формой миграции, которая по результатам расчетов, описанных в главе 3, для железа и марганца была преимущественно взвешенная, способствующая ускорению процессов их седиментации, для цинка - в основном ионная.

К районам с высокими значениями коэффициентов донной аккумуляции металлов в Северном Каспии относится западная часть акватории: участок у о. Чечень, расположенный в зоне конвергенции западной волжской струи, терских и средне-каспийских вод, и район Волго-Каспийского канала (рис. 6). В этих районах, согласно классификации, предложенной Хрипуновым с соавторами [Хрипунов И.А., Катунин Д.Н., 2010] донные отложения сложены мелкоапевритовым илом, для которого свойственна наибольшая аккумуляция тяжелых металлов, связанная с адсорбцией на материале мелких фракций (илистых, глинистых отложений) [Папина Т.С., 2001].

5,52

ЛП-

гв, 30 п

Рис. 5. Коэффициенты донной аккумуляции для металлов в Северном Каспии

Рис. 6. Районы северо-западной части Каспийского моря с наибольшими величинами коэффициента донной аккумуляции

Глава 5 СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЫБАХ И ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ ИХ ОБИТАНИЯ НА БИОАККУМУЛЯЦИЮ

5.1 Уровень накопления тяжелых металлов в рыбах

В многолетнем аспекте в период с 2003 по 2009 гг. в тканях исследуемых видов рыб отмечено снижение концентраций цинка, меди, марганца, железа и увеличение содержания свинца. Для кадмия отмечено возрастание концентраций с 2005 г., когда в донных отложениях была зафиксирована наибольшая средняя величина, превышающая среднемноголетний уровень в 1,3 раза.

По степени накопления металлов из трех анализируемых видов рыб наибольшее содержание большинства металлов отмечено в вобле (таблица 4), что, вероятно, связано с поступлением металлов с пищей - бентосными организмами, которые по данным Морозова Н.П. [Морозов Н.П., 1979] накапливают металлы в значительно больших количествах, чем планктон и размерами этого вида рыб. Цинк в большем количестве накапливается в тканях кильки обыкновенной - как следствие доминирования его ионных форм в воде (ряд убывания концентраций ионных форм металлов: гп>Ре>Си>Мп»№>РЬ>Со>С<1, ионная форма цинка >50% от валового содержания в воде), что, вероятно, влияет на накопление металла в планктонных организмах, являющихся основой пищевого рациона кильки обыкновенной.

Таблица 4

Среднее содержание тяжелых металлов в рыбах за _период исследований 2003-2009 гг._

Элементы Содержание тяжелых металлов, мг/кг сырого веса

Бычки-песочники NeogobillS (¡иугайИь раЧш Килька обыкновенная С1иреопе11а АеНсаШа Северо-каспийская вобла ЯмИих гиШиь сшрккх

Хп 15,39±1,54 29,23±2,92 18,23±1,82

РЬ 2,62±0,26 2,20±0,22 3,05±0,3

С(3 0,28±0,03 0,28±0,03 0,37±0,04

Си 2,09±0,21 1,69±0,17 2,63±0,26

Мп 4,18±0,42 4,69±0,47 4,88±0,49

N1 1,79±0,18 1.81±0,18 2,11±0,21

Ге 51,66±5,17 66,74±6,67 87,80±8,78

5.2 Влияние среды обитания на накопление металлов в ихтиофауне

Для определения степени накопления тяжелых металлов ихтиофауной в работе были рассчитаны коэффициенты накопления (КН). Ряды уменьшения коэффициентов накопления в рыбе можно представить в виде: Бычки-песочники {NeogoЫus Атча^Ия ра11аз1):

Мп>Ре>№>Со>РЬ>Сс1>Си>гп Северо-каспийская вобла (ЯиШиз гиШш сазр1сш): Ре>Мп>Со>СсММ1>РЬ>Си>гп Килька обыкновенная (С1иреопе11а с1еИса1и1а)\ Ре>Мп>Со>гп=1\Ч>РЬ=Сс1>Си

Накопление металлов в каждом из видов рыб было индивидуально. Вместе с тем, можно отметить особенность в распределении коэффициента накопления цинка. В бычках-песочниках и северо-каспийской вобле, относящихся к бентофагам, коэффициент накопления цинка минимален (0,6; 0,8 соответственно), в кильке обыкновенной, питающейся планктонными организмами, КН цинка в среднем в 2 раза выше и составляет 1,4, что означает, что ткани кильки обыкновенной содержат в 1,4 раза больше цинка, чем

содержание его ионных форм в воде. В главе 3 показано, что цинк мигрирует преимущественно в наиболее доступном ионном виде, в результате чего, вероятно, накапливается в гидробионтах.

Районы моря, где наиболее часто встречались высокие коэффициенты накопления тяжелых металлов в рыбах, располагались преимущественно в зоне выходных участков дельты р. Волги (рис. 7-9).

Рис. 7. Районы северо-западной части

Каспийского моря с наибольшими величинами КН в бычках песочниках

Рис. 8. Районы северо-западной части

Каспийского моря с наибольшими величинами КН в северо-каспийской вобле

Рис. 9. Районы северо-западной части Каспийского моря с наибольшими величинами КН в кильке обыкновенной

При анализе содержания тяжелых металлов в тканях гидробионтов было выявлено различие в концентрировании металлов бентофагами (бычки-песочники, северо-каспийская вобла) и планктофагами (килька обыкновенная). Ряды уменьшения концентраций металлов в исследуемых объектах можно представить в следующем виде:

Бычки-песочники (Neogobius/¡тпаИНз раПая/'):

Ре>2п>Мп>РЬ>Си>№>Со>Сс1

Северо-каспийская вобла (ЯиШш гиШш саяркш):

Ре>гп>Мп>РЬ>Си>№>Со>Сс1

Килька обыкновенная (С1иреопе11а йеНсМиЬ)-.

Ре>гп>Мп>РЬ> N1 > Си >Со>Сс1

Из схематичного ряда уменьшения концентраций тяжелых металлов видно, что бычки-песочники и северо-каспийская вобла имеют идентичную

последовательность в степени накопления тяжелых металлов. Килька обыкновенная, накапливает, по сравнению с первой группой в большей степени никель, чем медь, что в целом обусловлено особенностями их питания. Так, в бентосных организмах по данным Морозова Н.П. [Морозов Н.П., 1986] концентрации меди преобладают над никелем. В речной взвеси, выносимой в Северный Каспий в огромном количестве волжскими водами, по данным Добровольского В.В. [Добровольский В.В., 2003], содержится в большем количестве никель. Следует отметить, что органическую компоненту взвеси представляют планктонные организмы, составляющие пищевой рацион кильки.

Анализ результатов исследования содержания нормируемых тяжелых металлов (свинец, кадмий) в тканях рыб выявил эпизодическое превышение допустимых остаточных концентраций в бычках-песочниках в 51,7% и 42,4%, в кильке обыкновенной - в 42% и 52,2%, в северо-каспийской вобле - в 32% и 36% случаев соответственно. Наиболее часто бычки-песочники и северо-каспийская вобла с содержанием свинца и кадмия выше ДОК фиксировались в предустьевом пространстве реки Волги у выхода ее основных рукавов (рис. 10, 11), что в целом совпадает с районами, где отмечены наибольшие коэффициенты накопления в рыбе и доминирование ионных форм миграции металлов над взвешенными.

Рис. 10. Распределение частоты случаев превышения свинцом и кадмием ДОК в тканях бычков-песочников

Рис.11. Распределение частоты случаев превышения свинцом и кадмием ДОК в тканях северокаспийской воблы

Случаи превышения ДОК по свинцу и кадмию в кильке обыкновенной фиксировались на более обширной акватории, охватывающей помимо предустьевого пространства р.Волги районы с глубинами 10 м., где наиболее часто отмечены случаи превышения ПДК ионными формами тяжелых металлов в воде (рис. 12, 13).

Многолетняя динамика содержания тяжелых металлов в каспийских бычках-песочниках и северо-каспийской вобле, т.е. рыбах-бентофагах отражала динамику концентраций металлов в донных отложениях. Особенно четко идентичные изменчивости прослеживались для цинка, меди и кадмия в бычках-песочниках и донных отложениях. Для кадмия по результатам статистического анализа была выявлена линейная зависимость между содержанием металла в

донных отложениях и бычках-песочниках (г=0,64, п=120, р<0,05). Схожая многолетняя изменчивость в накоплении меди и марганца была отмечена в тканях северо-каспийской воблы и донных отложениях, что подтверждают результаты статистического анализа, выявившего тесные положительные зависимости между концентрациями металлов в донных отложениях и тканях гидробионтов (медь - г=0,74 п=120, р<0,05 и марганец - г=0,64 п=120, р<0,05).

Рис. 12. Распределение частоты случаев превышения свинцом и кадмием ДОК в тканях кильки обыкновенной

Не выявлено статистически значимых зависимостей между содержанием ионных форм тяжелых металлов в воде и их концентрациями в тканях рыб-бентофагов, что, учитывая зависимости, полученные с донными отложениями, позволяет сделать вывод о преимущественном влиянии накопления тяжелых металлов донными отложениями на их аккумуляцию в рыбах-бентофагах, что, вероятно, обусловлено особенностью питания рыб.

Для рыб-планктофагов, к которым относится килька обыкновенная, обнаружена значимая положительная корреляция между содержанием свинца во взвеси (взвешенные формы) и в тканях рыбы (г=0,52, п=127, р<0,05). Мигрирующая в морской воде взвесь включает кроме неорганической компоненты органическую составляющую, которая представлена, в том числе, планктонными организмами. В работе Bernhard М. и Zattera А. [Bernhard М. и Zattera А., 1975], посвященной вопросам накопления металлов морскими организмами, авторы отмечают, что свинец более активно накапливается организмами пищевых трофических уровней (фито-, зоопланктоном, макрофитами), по сравнению с другими металлами. Для кильки обыкновенной обнаружена также значимая обратная зависимость между содержанием цинка, мигрирующего в ионном виде в воде и в тканях рыбы (г= -0,65, п=154, р<0,05). Такая зависимость указывает на влияние накопления металла рыбой на его концентрацию в воде, т.е. при увеличении содержания цинка в кильке обыкновенной концентрация ионных форм металла в воде снижается. Следует подчеркнуть, что по результатам собственных исследований в период с 2002 по 2009 гг. цинк в водах северо-западной части Каспия, в отличие от других ТМ, мигрировал преимущественно в наиболее доступной для ихтиофауны форме -ионной.

Рис. 13. Распределение частоты случаев превышения ПДК ионными формами тяжелых металлов в воде

ДбТ|Ы>11НЬ: — ОУ.Ч1 I провышн*» ПДК - _

ВЫВОДЫ:

1. В многолетнем ряду (2002 по 2009 гг.) выявлена тенденция роста концентраций ионных форм цинка, кобальта, марганца, железа и снижения меди в воде северо-западной части Каспийского моря. Содержание ионных форм цинка, меди, железа и никеля за период исследований превышало ПДК в 15%; 5%; 3% и 1% случаев от общего числа проанализированных проб соответственно. Наибольшее количество случаев превышения ПДК выявлено в центральной части акватории с глубинами 5-10 м. и в предустьевом пространстве р. Волги.

2. В водах практически всей исследуемой акватории северо-западной части Каспия в период исследований (2002-2009 гг.) взвешенные формы свинца, меди, кобальта, железа, марганца как правило преобладали над ионными, в то время как в центральной части предустьевого пространства р. Волги у выхода Кировского и Белинского каналов наиболее часто регистрировали случаи доминирования ионной формы, являющейся наиболее биодоступной.

3. Индекс загрязненности вод северо-западной части Каспийского моря изменялся в диапазоне от 0,2 (чистые воды) до 3,4 (загрязненные воды). Центральная часть предустьевого пространства р. Волги у выхода Кировского и Белинского каналов и восточная часть акватории с глубинами свыше 5 метров относилась к умеренно загрязненным районам моря (ИЗВ 1-2). Воды западной части исследуемой акватории относились к загрязненным (ИЗВ 2-4).

4. Наибольшее накопление в донных отложениях отмечено для железа и марганца. Наименьший коэффициент донной аккумуляции определен для цинка. Наиболее высокие индексы донной аккумуляции обнаружены в западной части исследуемого района моря.

5. Случаи превышения ДОК по свинцу и кадмию отмечены у бычка-песочника и кильки обыкновенной практически в 50% случаев, у северокаспийской воблы в среднем в 35%. Рыбы, содержащие свинец и кадмий в концентрациях выше ДОК, встречались преимущественно в мелководной зоне предустьевого пространства р. Волги.

6. Выявлена корреляционная связь между содержанием тяжелых металлов в тканях рыб бентофагов и донных отложениях: кадмия в бычках-песочниках (г=0,64); меди и марганца в тканях северо-каспийской воблы (медь -г=0,74, марганец - г=0,64). Для кильки обыкновенной (планктофага) обнаружена зависимость с содержанием свинца во взвеси (взвешенные формы) (г=0,52), обратная зависимость с содержанием цинка в воде (ионная форма) (г= -0,65).

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Алыков, Н.М. Геоэкология тяжелых металлов в различных водных экосистемах Северного Каспия/ Н.М. Алыков, Е.В. Чуйко, Т.Ф. Курочкина, О.В. Попова, О.С. Маркова // Геология, география и глобальная энергия.№ 1(48), 2013.- С.181-189.

2. Чуйко, Е.В. Накопление тяжелых металлов в донных отложениях западной части Северного Каспия/ Е.В. Чуйко, О.В. Попова //Юг России: экология, развитие. №1, 2013.-С.11-15.

3. Чуйко, Е.В. Особенности транспорта некоторых микроэлементов в воде Северного Каспия/ Е.В. Чуйко, О.В. Попова /ЛОг России: экология, развитие. №1, 2013.-С.89-92.

4. Монахов, С.К. Комплексная оценка качества морской среды в районах разведки и разработки нефтегазовых месторождений на морском шельфе/ С.К. Монахов, A.A. Курапов, Н.В. Попова, Г.А. Монахова, JI.B. Дегтярева, Е.В. Чуйко // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2011. №11. - С.12-17.

Публикации в других изданиях:

5. Курочкина, Т.Ф. Оценка эколого-санитарного состояния дельты р. Волги/ Т.Ф. Курочкина, Б.М. Насибулина, Е.В. Чуйко //Каспийский плавучий университет.-Научный бюллетень №1.-Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2000.-С.137-138.

6. Чуйко, Е.В. Распределение взвешенных форм микроэлементов по акватории Северного Каспия в паводковый период/ Е.В. Чуйко //Актуальные проблемы современной науки: Тр. 3-й Международной конференции молодых ученых и студентов. Естественные науки,-Экология.-Самара.: Самар.гос.техн.ун-т,2002.-С.85-86.

7. Рылина, О.Н. Эколого-токсикологический мониторинг Волго-Каспийского бассейна/ О.Н. Рылина, О.В. Попова, Н.В. Карыгина, A.A. Теркулова, Е.В. Чуйко, Л.П. Кобзева, Э.С. Попова //Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2002 г. - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2003. - С.54-74.

8. Чуйко, Е.В. Распределение микроэлементов взвешенного вещества по акватории Северного Каспия в паводковый период 2002 г. / Е.В. Чуйко// Сб. тезисов научно-практической конференции «Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской области».-Астрахань, 2002.-С.36-37.

9. Чуйко, Е.В. Взвешенные формы тяжелых металлов в р. Волге у г. Астрахани / Е.В. Чуйко // Сб. тезисов научно-практической конференции

«Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской области».-Астрахань, 2003.-С.71-72.

Ю.Катунин, Д-Н. Эколого-токсикологическая характеристика Волго-Каспийского бассейна/ Д.Н. Катунин, С.Н. Егоров, О.Н. Рылина, О.В. Попова, Н.В. Карыгина, A.A. Теркулова, Е.В. Чуйко, Л.П. Кобзева, Э.С. Попова //Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2003 г. - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2004. - С.44-56.

11.Чуйко, Е.В. Сезонная динамика тяжелых металлов в поверхностных водах Северного Каспия в 2002 г./ Е.В. Чуйко, О.В. Попова //Материалы первой международной научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек». - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2004.-С. 204-206.

12.Чуйко, Е.В. Тяжелые металлы в водотоках дельты р. Волги / Е.В. Чуйко, О.В. Попова //Материалы первой международной научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек». - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2004.-С. 206-209.

13.Егоров, С.Н. Эколого-токсикологическое состояние водной среды низовьев р. Волги и Северного Каспия в 2004 г. / С.Н. Егоров, О.Н. Рылина, О.В. Попова, Н.В. Карыгина, Е.В. Чуйко, A.A. Теркулова, Э.С. Попова //Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2004 г. - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2005. - С.41-43.

14.Егоров, С.Н. Эколого-токсикологическое состояние водной среды низовьев р. Волги и Каспийского моря / С.Н. Егоров, О.Н. Рылина, О.В. Попова, Н.В. Карыгина, Е.В. Чуйко, A.A. Теркулова, Э.С. Попова // Рыбохозяйственные исследования на Каспии: Результаты НИР за 2005 г. - Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2006. - С.44-65.

15.Попова, О.В. Многолетнее изменение содержания тяжелых металлов в поверхностных водах Северного Каспия и факторы их определяющие/ О.В. Попова, Е.В. Чуйко // Тез.межд.конф. Борок.: ИБВВ РАН, 2005.-С.110.

16.Попова, О.В. Вынос тяжелых металлов в составе волжского стока и распределение их по западной акватории Северного Каспия в 2005 г./ О.В. Попова, Е.В. Чуйко, O.A. Львова // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 2-го Международного форума (7-й Международной конференции). Технические науки. 4.16. Экология.-Самара.: Самар.гос.техн.ун-т, 2006.-С.70-73.

17.Чуйко, Е.В. Распределение растворенной и взвешенной форм ТМ по водотокам дельты р. Волги/ Е.В. Чуйко, О.В. Попова // Актуальные проблемы современной науки: Тр. 2-го Международного форума (7-й Международной конференции). Технические науки. 4.16. Экология.-Самара.: Самар.гос.техн.ун-т, 2006.-С.70-73.

18.Чуйко, Е.В. Формирование элементного состава взвешенного вещества нижней Волги в паводковый период 2006 г./ Е.В. Чуйко, О.В. Попова //

Актуальные проблемы современной науки: Тр. 2-го Международного форума (7-й Международной конференции). Технические науки. 4.16. Экология,- Самара.: Самар.гос.техн.ун-т, 2006.-С.83-86.

19.Чуйко, Е.В. Комплексная оценка качества морских вод в районах разведки и разработки нефтегазовых месторождений на Северном Каспии/ Е.В. Чуйко, Г.А. Монахова, Л.Ю. Иванова, М.В. Воинова, О.И. Зорникова // материалы IV Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений» (11-13 октября 2011г. Астрахань).- Астрахань.: изд-во КаспНИРХ, 2011.-С.264-269.

20. Овсянникова, Е.В., Влияние основных загрязняющих веществ на биоту Северного Каспия / Е.В. Овсянникова, Е.В. Чуйко // Астраханский вестник экологического образования. № 2, 2013,- С:117-122

21. Чуйко, Е.В. Влияние содержания тяжелых металлов в донных отложениях на их биоаккумуляцию в тканях каспийских бычков-песочников/ Е.В. Чуйко // Астраханский вестник экологического образования. № 3, 2013,- С:139-144

Подписано в печать 19.09.2013г. Формат 60х84|Лб. Печать ризетрафная. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательеко-типографском участке ИПЭ РД Дахадаева 21. Тел.: 8-988-2919-920

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Чуйко, Елена Вячеславовна, Астрахань

Каспийский филиал института океанологии Российской академии наук им. П.П.Ширшова

На правахрукописи

04201 451 1 51 ЧУЙКО Елена Вячеславовна

Особенности миграции тяжелых металлов в природной среде Северного Каспия

03.02.08 — Экология (биология) — биологические науки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

научный руководитель-Абдусамадов Ахма Саидбегович -

директор Дагестанского филиала ФГУП «КаспНИРХ», д.б.н., член-корреспондент РАЕН, почетный работник рыбного хозяйства России

Астрахань-2013

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРЕДМЕТА И

ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................................9

1.1 Особенности западной части Северного Каспия......................................9

1.2 Тяжелые металлы в различных компонентах

экосистемы Северного Каспия..............................................................................13

1.3 Методы оценки качества воды.......................................................................27

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................31

2.1 Район отбора проб и количество образцов................................................31

2.2 Методика исследований...................................................................................34

2.3 Математическая обработка результатов.....................................................37

ГЛАВА 3 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ВОДАХ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ........39

3.1 Распределение ионных и взвешенных форм

тяжелых металлов в воде по годам и сезонам.................................................39

3.2 Соотношение растворенной и взвешенной форм

тяжелых металлов по годам и сезонам..............................................................63

3.3 Районирование Северного Каспия по ИЗВ и степени превышения предельно-допустимой концентрации.....................................70

ГЛАВА 4 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ СЕВЕРНОГО КАСПИЯ....................................................................................................75

4.1 Распределение подвижных форм тяжелых металлов в

донных отложениях по годам и сезонам...........................................................75

4.2 Районирование Северного Каспия по

коэффициентам донной аккумуляции................................................................85

ГЛАВА 5 СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЫБАХ И

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ ИХ ОБИТАНИЯ НА БИОАККУМУЛЯЦИЮ..................88

5.1 Уровень накопления тяжелых металлов в рыбах...................................88

5.2 Влияние среды обитания на накопление

тяжелых металлов в ихтиофауне............................................................. 107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................114

ВЫВОДЫ:..........................................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ ..............................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Каспийское море это крупнейший в мире замкнутый водоём, отличающийся уникальным строением и высоким биоразнообразием ("61]. За исторический период развития науки на Каспии наиболее полно изучены особенности его строения, изменения уровня моря, гидролого-гидрохимические факторы, формирующие структуру вод, донных осадков, а также представители ихтиофауны и гидробионты, являющиеся их кормовой базой [62,63,64, 2, 4, 21,7, 75].

По мнению группы авторитетных ученых, в течение десятилетий изучающих динамику экосистемы Каспийского моря, [2, 64, 65, 4, 81, 20] на рубеже ХХ-ХХ1 веков экосистема Каспия функционирует под воздействием ряда негативных факторов (перелова, зарегулирования речного стока, вселения «сорных» видов, загрязнения), в отдельных случаях приводящих к воз-, никновению высокой экологической напряженности. Одним из основных факторов является загрязнение моря, которое формируется главным образом за счет поступления загрязняющих веществ с речным стоком. К еще одному источнику привноса загрязняющих веществ в Каспий можно отнести изменение его уровня, сопровождающееся подтоплением прибрежных районов ш вымыванием токсичных веществ как органического, так и неорганического ряда. Определенную роль в насыщении поверхностных вод Северного Каспия токсичными компонентами играет атмосферный перенос и транспортное сообщение. Кроме того, в современный период на акватории северной части Каспийского моря, богатой запасами углеводородного сырья [35], начаты работы по разведке и освоению нефтегазовых месторождений, что в будущем увеличит количество танкерных перевозок и создаст потенциальный источник загрязнения акватории тяжелыми металлами, которые сопутствуют процессам нефтегазодобычи [140].

Совокупное воздействие негативных факторов в конечном итоге сказывается на жизненно важных функциях и воспроизводстве гидробионтов

[79, 96, 173, 119], значительное снижение численности которых наблюдается в последние 20 лет.

В группу наиболее приоритетных загрязняющих веществ, присутствующих в водах Каспийского моря, наряду с соединениями органического ряда, входят тяжелые металлы - продукты, как естественного происхождения, так и привнесённые в виде компонентов промышленных отходов с речным стоком [57, 143, 34, 36], сопутствующие при нефтедобыче. Марганец, никель, цинк, железо, кадмий, свинец, медь и их соли являются наиболее распространенной группой химических веществ, характеризующихся длительным сохранением и накоплением в воде, донных отложениях и гидро-бионтах [144].

Как микроэлементы, тяжелые металлы (ТМ) имеют большое значение в жизни рыб и других гидробионтов. Они являются необходимым источником энергии для водных организмов [89], входят в состав ферментов, витаминов, ♦ гормонов, участвуют в биохимических процессах, протекающих в организмах рыб [161, 25, 28, 84]. Но, находясь в воде в больших количествах, денатурируют белки, блокируют тиоловые группы, оказывают антибиотическое влияние на проявление жизненных процессов и вызывают генетические изменения [18]. Опасность металлов усугубляется тем, что они не подвергают- с ся химической биодеградации, а лишь перераспределяются между абиотическими и биотическими компонентами и взаимодействуют с ними. В связи с этим особую актуальность приобретают сведения о формах существования, миграции, бионакоплении тяжелых металлов в звеньях экосистем [144].

Цель и задачи исследований.

Целью исследований является выявление особенностей миграции тяжелых металлов в экосистеме Северного Каспия.

Для достижения поставленной цели в процессе работы решались следующие задачи:

1. Изучить распределение тяжелых металлов в компонентах экосистемы Северного Каспия по годам исследований. Определить доминирующую форму нахождения элементов в воде.

2. Определить индекс загрязненности вод (ИЗВ).

3. Оценить накопление тяжелых металлов донными осадками Северного Каспия. Определить коэффициенты донной аккумуляции металлов.

4. Выявить корреляционную связь между многолетним уровнем накопления тяжелых металлов в тканях гидробионтов и в природной среде.

Научная новизна. Впервые обобщены данные по содержанию и распределению тяжелых металлов в воде, взвеси, донных отложениях и гидро-бионтах западной части Северного Каспия. Определена доминирующая форма миграции исследуемых элементов для вод Северного Каспия. В западной части Северного Каспия выявлены районы, где наиболее часто металлы транспортируются в ионном виде, концентрации ионных форм элементов превышают ПДК. Определен индекс загрязненности вод Северного Каспия. Выявлены участки наибольшей аккумуляции ТМ в донных отложениях. Изучено накопление тяжелых металлов ихтиофауной. В западной части Северного Каспия выявлены районы, где наиболее часто концентрации свинца и кадмия в рыбах превышают ДОК, определены коэффициенты накопления тяжелых металлов в рыбах.

Практическая значимость работы.

Полученные данные характеризуют современное состояние экосистемы Северного Каспия; могут быть использованы в мониторинге других районов моря.

Результаты работы могут быть использованы для разработки и осуществления природоохранных мероприятий с целью оздоровления экологической обстановки в районе обитания ценных промысловых видов рыб. Материалы работы включены в лекционные курсы специальных дисциплин «Экологический мониторинг», «Гидробиология», «Ихтиология» ФГБОУ ВПО «АГУ» и ФГБОУ ВПО «АГТУ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Установлено, что свыше 50% меди, свинца, кобальта, никеля, марганца и железа переносится во взвешенном состоянии. Преимущественная форма миграции цинка (>50%) - ионная. В центральной части предустье-вого пространства р. Волги исследуемые микроэлементы наиболее часто транспортируются в растворенном виде.

2. Индекс загрязненности вод северо-западной части Каспийского моря изменялся в диапазоне от 0,2 (чистые воды) до 3,4 (загрязненные воды). Западная часть исследуемой акватории относится к категории загрязненных вод, центральная часть предустьевого пространства р. Волги у выхода Кировского и Белинского каналов и восточная часть акватории с глубинами свыше 5 метров - к категории умеренно загрязненных.

3. Выявлено, что железо и марганец имели наибольший коэффициент донной аккумуляции (66,38 и 79,68 соответственно), цинк - наименьший * (0,26). Наибольшая аккумуляция тяжелых металлов в донных отложениях обнаружена в западной части исследуемой акватории (участок у о. Чечень и район Волго-Каспийского канала).

4. Выявлена корреляционная связь между содержанием кадмия в донных отложениях и тканях бычков-песочников (г=0,64); меди и марганца в * донных отложениях и тканях северо-каспийской воблы (медь - г=0,74, марганец - г=0,64). Обнаружено, что концентрации цинка в тканях кильки обыкновенной находились в обратной зависимости от содержания ионных форм этого элемента в воде (г=-0.65).

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы были представлены на 3-й Международной конференции молодых ученых и студентов.- Самара, го с.техн.ун-т. 2002; научно-практической конференции «Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской области».- Астрахань, 2002; научно практической конференции «Научные исследования молодых ученых - социально-экономическому развитию Астраханской об-

ласти».- Астрахань, 2003; первой международной научно-практической конференции молодых ученых «Комплексные исследования биологических ресурсов южных морей и рек».- Астрахань, 2004; международной конференции БОРОК,- Москва, 2005; Тр. 2-го Международного форума (7-й Международной конференции) «Актуальные проблемы современной науки».- Самара, 2006; IV Международной научно-практической конференции «Проблемы сохранения экосистемы Каспия в условиях освоения нефтегазовых месторождений».- Астрахань, 2011.

Публикации результатов исследований

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ - 4.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 165 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы, включающе- * го 238 наименований, в том числе 46 иностранных авторов и приложения. Работа иллюстрирована 86 рисунками и содержит 18 таблиц.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРЕДМЕТА И ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Особенности западной части Северного Каспия

Каспийское море по физико-географическим признакам, характеру рельефа и особенностям гидрологического режима делится на северную, среднюю и южную части. Северным Каспием считается район, расположенный к северу от линии соединяющей восточную оконечность острова Чечень с мысом Тюб-Караган (приложение рисунок 16). Площадь Северного Каспия - 83000 км2, объем воды 400 тыс. км3. На долю Северного Каспия приходится более 24,3% площади и 0,5% объема моря [77].

Западная часть Северного Каспия расположена к западу от линии, соединяющей о.Укатный и о.Кулалы. В северо-западной части Северного Каспия расположена авандельта реки Волги, а на ее северо-восточной границе. находятся аккумулятивные острова Джамбайский, Жесткий и Укатный. В районе дельты Волги лежат острова Зюйдев, Галкин, Конев, а южнее — острова Чистой банки, Ракушечная банка (приложение, рисунок 15). В Северном Каспии очень много банок (Кулалинская, Большая и Средняя Жемчужные, Ракушечная-Горбачек и др.) и островов, имеющих волновое происхождение. -На дне Северного Каспия есть так называемые Бороздины. В западной части Северного Каспия расположена Мангышлакская Бороздина, являющаяся затопленным участком речной долины ныне не существующей реки. Низкие, пологие берега покрыты труднопроходимыми зарослями тростника высотой до 3 - 4м [79].

Северная часть Каспийского моря очень мелководна. Наибольшая глубина Северного Каспия 25 м., а средняя - 4,4 м. Большая его часть (68%) занята глубинами менее 5 метров [77, 78, 33].

Западная часть Северного Каспия испытывает непосредственное влияние волжского стока, на долю которого приходится более 80% от суммарного притока речных вод [67]. Данные многолетних исследований [95] указывают

на относительную стабильность средних значений годового стока р.Волги

3 3

234,7км (в период до зарегулирования стока), 230,1 км ив период с 2006 по 2011 гг. Вместе с тем, наблюдается снижение продолжительности половодья и стока за второй квартал. Средняя соленость в северной части Каспия колеблется в пределах 6-11%о и уменьшается до 3%о в устьевой части Волги. В настоящий момент соленость западной части Северного Каспия возросла в среднем на 1,43%о относительно периода 1998-2005 гг. и составляет 8,71%о.

Характерной особенностью западной части Северного Каспия является наличие зоны маргинального фильтра. Поступающие в Каспийское море речные воды содержат огромное количество взвешенных и коллоидных частиц. При смешении речной и морской воды возникает зона, где осаждается в среднем до 93% взвешенного речного стока и загрязнений, переносящихся во взвешенной форме [103]. В области маргинального фильтра возникают лавинные скорости седиментации, в связи с чем, эту область согласно А.Г1. Лисицыну [106] называют областью лавинной седиментации. Зона маргинального фильтра представляет собой последовательное в три ступени [104] снижение количества взвешенных и коллоидных частиц. На первом этапе происходит механическое осаждение крупнозернистых частиц. На втором этапе под воздействием электролита происходит коагуляция речных коллоидов и их осаждение, влекущее за собой увеличение прозрачности воды. Третий этап - биологическое очищение, подчиняющееся биологическим законам [180].

Уровень Каспийского моря подвержен значительным многолетним колебаниям. До 1995 г отмечался период трансгрессии моря, сопровождающийся подтоплением прибрежных территорий и частичным растворением загрязняющих веществ. После относительной стабилизации уровня Каспия (с 1998 по 2005 гг.) к 2011 г. уровень моря снизился на 50 см и установился на отметке 27,5 м абс. [95]. Кроме изменений среднемноголетнего уровня моря отмечены его сезонные колебания. Наибольший уровень моря достигается в

мае, наименьший в зимний период, что обусловлено влиянием речного стока [168, 178].

Западная часть Северного Каспия имеет важное рыбохозяйственное значение, так как является основным местом нагула многих ценных пород рыб, в том числе и осетровых. Биологические ресурсы Каспия издавна привлекали внимание исследователей. Фауна рыб Каспийского моря и устьев рек насчитывает от 124 до 156 видов и подвидов рыб [75, 76]. Наиболее массовыми являются морские - 43,5%, затем речные - 34,4%, проходные - 14,7%, полупроходные - 7,4% [71]. В Северном Каспии (включая дельту р. Волги) обитает 76 видов и 47 подвидов, относящихся к 17 семействам. К наиболее ценным относятся осетровые (в основном проходные). Общая биомасса рыб составляет, по расчетам Е.Н.Казанчеева [72], около 2900 тыс.т. По количеству форм доминируют представители из семейства сельдевых, карповых и бычковых [2].В Северном Каспии находятся основные места нагула проход- « ных и полупроходных рыб, а также в этой части моря размножаются морские рыбы [65].

В настоящее момент наблюдается значительное снижение запасов ценных видов рыб и уменьшение количества объектов коммерческого вылова. Так по данным Т.А. Ветлугиной [24] запасы воблы снизились с 57 тыс.т. в t 2001 гг. до 25 тыс. т. в 2011 г. Доля кильки в исследовательских уловах по данным С.И.Седова [167] составляет 3 %, в промысловых - 0,1-0,3 %. Вместе с тем, для научных целей в Северном Каспии используются отдельные виды рыб, условно названные индикаторными. К таким видам относятся вобла, являющаяся наиболее распространенным на территории Северного Каспия видом рыб и питающаяся бентосными организмами; бычки - придонные, малоподвижные рыбы, не совершающие больших миграций, конкурирующие в питании с воблой и отражающее степень загрязнения отдельных участков моря; килька, которая также как вобла широко распространена в северозападной части Каспийского моря, но, в отличие от воблы и бычков, питается планконными организмами, обитающими в толще воды.

Вобла (Rutilus rutilus caspicus) Вобла обитает, как правило, в мелководной зоне (до 6 м.), а для икрометания идет в реки Волгу и Урал. Нагуливается во�