Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оценка химико-экологического состояния прибрежных вод Курильских островов по содержанию металлов в бурой водоросли Fucus evanescens

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Оценка химико-экологического состояния прибрежных вод Курильских островов по содержанию металлов в бурой водоросли Fucus evanescens"

На правах рукописи

Оценка химико-экологического состояния прибрежных под Курильских островов по содержанию металлов в бурой водоросли Fucus evanescens

03.00.16 -экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток 1996

Работа выполнена в Институте биологии моря ДВО РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Н. К. Христофоро ва

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

В. Г. Тарасов кандидат биологических наук Л. Т.Ковековдова

Ведущая организация: Институт водных и экологических

проблем ДВО РАН .

Защита диссертации состоится " 28 " 199^-г.

в " Щ " часов на заседании диссертационного совета Д 064.58.01 при Дальневосточном государственном университете

Адрес: 690 ООО, Владивосток, ул. Мордовцева, 12, к. 221 ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГУ.

Автореферат разослан "¿У" г.

Ученый секретарь диссертационного coi

кандидат биологических наук

Г. Ю. Дмитриева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тяжелые металлы - одна из опаснейших групп веществ, загрязняющую окружающую среду. Многие из них, являясь физиологически важными как микроэлементы, в повышенных концентрациях оказывают токсичное действие на живые организмы. Контроль за содержанием металлов в окружающей среде ведется не только путем прямого химического определения их концентраций в воде, воздухе или почве, но и косвенно, с помощью аккумулирующих биоиндикаторов, т.е. организмов, способных концентрировать отдельные металлы в количествах, в десятки тысяч раз превышающих их содержание в среде обитания. Это упрощает и удешевляет сбор и обработку материала, а главное, позволяет получить данные о реакции живых организмов на изменение химического состава окружающей среды. Для слежения за уровнем содержания металлов в прибрежных водах, наиболее освоенной зоне Мирового океана, в качестве аккумулирующих организмов-индикаторов чаще всего используются двустворчатые моллюски и бурые водоросли.

Первоначально метод биоиндикации применялся для оценки влияния антропогенного пресса на прибрежные воды индустриально развитых и густонаселенных территорий. Однако повышенные концентрации тяжелых металлов в среде и биоте были обнаружены не только в районах действия техногенного пресса, но и в зонах природных геохимических аномалий, таких как области залеганиях рудных тел, эстуарии, зоны активного вулканизма и поствулканической деятельности. В таких районах создаются природно-импактные условия существования живых организмов, а уровень тяжелых металлов в среде и биоте зачастую приближается к уровню загрязненых акваторий.

Курильские острова - уникальный район для биоиндикационных

исследований. С одной стороны, его малая освоенность человеком дает возможность выявить природные уровни содержания тяжелых металлов б морской среде. С другой стороны, это район активного вулканизма, а также апвеллингов (поставляющих в поверхностные воды биогенные элементы, в том числе некоторые металлы). При этом влияние вулканизма на окружающую среду сказывается не только при катастрофических извержениях, когда за короткий промежуток времени на поверхность поступают огромные массы химических элементов, но и на промежуточных стадиях в результате поствулканичгской деятельности.

Целью работы было - оценить химико-экологическую ситуацию в прибрежных водах Курильских островов, используя бурую водоросль Фукус исчезающий Fucus evanescens (Ag.) как биоиндикатор. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

Изучить содержание тяжелых металлов железа, марганца, цинка, меди, кадмия, свинца, никеля и хрома в талломах бурой водоросли фукус исчезающий: установить диапазоны концентраций и выявить особенности накопления отдельных металлов водорослями.

Исследовать влияние возраста талломов на изменчивость содержания тяжелых металлов в фукусах.

Определить фоновые уровни содержания металлов в макрофитах, выявить основные факторы, влияющие на соотношение элементов в водорослях, изучить степень и характер их воздействия на содержание отдельных элементов в фукусах.

Выявить биогеохимическне особенности прибрежных мелководий отдельных частей Курильской дуги и сравнить их с аналогичными данными для других районов дальневосточных морей.

Научная новизна. Впервые для исследованного района установлены

4

уровни содержания железа, марганца, цинка, меди, кадмия, свинца, никчмм и хрома в фукусе исчезающем шести крупных и восьми более мелких островов. Изучено влияние возраста фукусов и условий обитания водорослей на накопление ими металлов. Выявлено достоверное увеличение .<оннент-раций Ие, Мп, Хп, Сс! и № в макрофитах старшей возрастной группы по сравнению с молодыми и зрелыми водорослями и различия в скорости накопления элементов растущими й стареющими организмами.

Исследовано влияние на содержание тяжелых металлов в фукусах таких геохимических факторов как террнгешшй сток, антропогенное загрязнение и специфических для исследуемого района - вулканизм и апвел-линги. Выявлены ряды элементов, концентрации которых изменяются под воздействием каждого из факторов и степень этих изменений. На основании этого определены региональные фоновые уровни тяжелых металлов в фукусах и проведена сравнительная оценка химико-экологического состояния прибрежной зоны Курильских островов и других акваторий дальневосточных морей. Выявлены биогеохимичеекпе особенности отдельных частей островной дуги и проведено предварительное биогеохш шческсе районирование прибрежно-морских вод исследованного региона.

Практическая значимость. Полученные данные уточняют возможности использования фукуса исчезающего как организма-индикатора тяжелых металлов в морской среде для сравнительной оценки химико-экологического состояния прибрежных вод северо-западной Пацифики. Сведения о содержании тяжелых металлов в курильских фукусах расширяют общее представление о природных уровнях металлов в макрофитах и дополняют перечень возможных источников поступления этих элементов в среду специфическими для исследуемого региона (вулканизм и апвеллинги). Они могут служить основой для сети станций фонового

мониторинга уровней содержания металлов в морской среде, а также быть использованы при выборе районов для размещения марикультурных хозяйств или промышленного сбора макрофитов из природных популяций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Второй Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии (Санкт-Петербург, 1991 г.), Сахалинской конференции по рациональному природопользованию (Южно-Сахалинск, 1991 г.), Российско-Американской конференции "Bridges of Science" (Владивосток, 1994 г.), международной конференции по экотоксикологии и морскому загрязнению (Гон-Конг, 1995 г.), Международной конференции по устойчивому развитию прибрежных экосистем российского Дальнего Востока (Владивосток, 1996), годичных сессиях ИБМ (1994 и 1995 гг.), а также семинарах в ТИГ и ДВГУ. Данная работа входит в международную программу WESTPAC, выполняемую под эгидой ЮНЕСКО и нацеленную на комплексное изучение дальневосточных морей России и западной Пацифики.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания природных условий в районе работ, материала и методов исследования, результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы, включающего 220 источников, из которых 55 иностранные, и приложения. Общий объем работы 112 страниц. Диссертация иллюстрирована 15 рисунками и 15 таблицами.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В основу работы положены результаты, полученные автором по материалам, собраным лично и с помощью коллег в Курильских экспедициях Института биологин моря и Тихоокеанского института географии

6

(1986-1994 гг.). Основным объектом исследования являлся фукус исчезающий Fucus evancscens Ag. (Phaeophyta). Основными районами работ были прибрежные воды ряда островов Курильской гряды: Атласова, Пара-мушир, Шиашкотан, Расшуа, Ушишир, Уруп, Итуруп, Кунашир, острова Малой Курильской дуги (рис. 1).

Отбор проб проводился на литорали во время отлива. С каждой станции отбирали, как правило, 5-7 талломов среднего возраста (4-5 лет), на ряде станций были собраны разновозрастные экземпляры. Каждое слоевище анализировали как отдельный образец. Всего на 85 станциях собрано около пятисот проб макрофитов. Было сделано более трех тысяч элемент-определений. Все образцы после предварительной подготовки обработаны лично автором по стандартной методике (минерализация азотной кислотой) и проанализированы в лаборатории геохимии 'ГИГ ДВО РАН методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии (Hitachi 180-70) на содержание Fe, Mn, Zn, Си, Pb, Cd, Ni и Cr (ошибка определения 10-15 %). Точность определения контролировалась систематическим анализом стандартных образцов, а загрязнение в ходе анализа - регулярными холостыми пробами. Для математической обработки использованы пакеты программ Statgraph и Ехе1-4.0.

Автор искренне благодарит научного руководителя д.б.н., проф. Н.К.Хрисгофорову за ценные советы, неизменное внимание и практическую помощь, акад. А.В.Жирмунского за постоянный интерес к работе, к.б.н. В.М.Кавуна и к.г.-м.н. В.М.Шулькина за содействие в сборе материала, инженеров-аналитиков Г.А.Власову и Т.Л.Примак за аналитическую обработку материалов, И.Р.Левенец за помощь в определении водорослей, A.M.Плотникову, Н.Н.Богданову и С.Д.Кашенко за моральную поддержку в процессе выполнения работы.

п-ов Камчатка

Охотское море

о.Атласова О

о.Парамушир

С

<о

о о.Шиашкотан о.

к

о О

° О о.Расшуа ""о-ва Ушшшф

I

о.Симушир

о.Уруп

//

(у о.Итуруп

о.Кунашир

ТИХИЙ ОКЕАН

¿р о.Шикотан

о.Хоккайдо

Рис. 1. Район работ

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Содержание тяжелых металлов в курильских фукусах

Полученные данные позволили определить диапазоны концентраций и особенности накопления отдельных элементов в талломах водорослей. По степени накопления фукусами изученные металлы можно расположить следующим образом:

Fe > (Mn, Zn} » J Pb, Ni}> Cd > Cu > Cr, что в целом совпадает с известными результатами и сведениями других авторов для видов сем. Fucaceae (Fuge, James, 1973; Phillips, 1977; Христофорова, 1989, 1994; и др.). Для всего объема полученных нами данных прослеживается четкое разделение металлов на две группы. Первые три элемента содержатся в фукусах в количествах, измеряемых десятками и сотнями мкг/г сухой массы: модальный интервал для железа -80-100, для марганца - 20-30, для цинка - 20-25 мкг/г. Концентрации остальных металлов колеблются от единиц до десятых долей мкг/г: модальные интервалы для свинца - 6-7, никеля - 6-6,5, кадмия - 1,5-2,0. меди - 2,7-3,0, хрома - 0,8-1,0 мкг/г. Отмечены существенные различия между элементами по степени варьирования содержания в талломах при изменении условий обитания водорослей. Максимальные колебания концентраций характерны для железа - от 20 до 18000 мкг/г. Величина коэффициентов вариации для всего объема данных убывает в ряду: Fe>Cu>Cr>Mn>Zn>Cd>Ni>Pb.

Влияние возраста таллома на накопление металлов водорослями Основной принцип биоиндикации - сравнение отдельных свойств и параметров природных систем с соответствующими показателями этих систем в исходном состоянии или определенных систем принятых за

эталон. В нашем исследовании такими параметрами являются уровни содержания металлов в водорослях. Они формируются под воздействием разнообразных экологических и физиологических факторов на эволюционно-сложившиеся уровни элементов, характерные для данного вида. Использование организмов близкого возраста, размера и функционального состояния, собранных в один сезон, позволяет уменьшить варьирование данных, связанное с физиологическими факторами, сезонными колебаниями содержания металлов в среде, и на основании этого сравнивать химико-экологические условия различных акваторий.

Неоднородность размерно-возрастной структуры локальных популяций макрофитов затрудняет соблюдение требований стандартизации при сборе образцов для биоиндикационных целей. Для изучения изменчивости содержания тяжелых металлов в фукусах, связанной с Возрастом талломов на ряде станций были собраны экземпляры трех возрастных групп - молодые (2-3 года), зрелые (4-6 лет) и старые (7-8 лет). Возраст талломов определялся путем подсчета числа дихотомических ветвлений слоевищ (Возжинская, Камнев, 1994).

Как показали результаты, в целом соотношение концентраций тяжелых металлов в курильских фукусах с возрастом водорослей мало изменяется. Концентрации Ре, Мп, 2п, Сё, № в старых растениях в среднем в полтора-два раза выше, чем в молодых. Сопоставление данных для отдельных станций показало, что увеличение концентрации Ре с возрастом фукусов достоверно для каждой из них. Сила и направление связи между возрастом растения и содержанием в нем остальных металлов могут меняться в зависимости от места сбора. Данные по содержанию Си, РЬ и Сг не позволяют выявить каких-либо определенных тенденций в

10

изменении уровней этих элементов в талломах разного возраста.

Графический анализ данных по возрастной динамике накопления фукусами Ре, Мп, 2п, Сс} и № (рис.2) показал, что в возрасте 4-6 лет происходит изменение скорости их аккумуляции, при этом характер смены угла наклона линий тренда различается для отдельных металлов и станций. Так, для усредненных данных по марганцу, цинку, кадмию и никелю характерно резкое увеличение данного показателя после достижения водорослями зрелости. Заметно также сходство характера этих изменений для двух групп металлов - Мп-Еп и Сс!-№. Накопление железа, в отличие от четырех вышеупомянутых элементов, в обитателях всех станций, кроме второй, идет более равномерно. Станция №2 (старый пирс, п/п Северо-Курильск, о.Парамушир) явно отличается от остальных (рис.3) по характеру изменения скорости накопления этого металла фукусами: молодые растущие растения интенсивно накапливают железо, а в зрелом возрасте скорость аккумуляции снижается почти на порядок. Подобное различие, по нашему мнению, связано с более высоким уровнем содержания железа в морской воде на станции 2 по сравнению с остальными, о чем свидетельствуют повышенные концентрации данного металла в обитателях этой станции. Вероятно, существует некоторый предельный уровень содержания железа в среде, превышение которого ведет к резкому изменению характера накопления его водорослями.

Таким образом, при сборе фукусов для мониторинга и индикации качества среды в прибрежных водах Курильских островов при отсутствии экземпляров средней возрастной группы предпочтение следует отдавать молодым растениям, ненамного отличающимся от зрелых по содержанию большинства тяжелых металлов. При использовании старых растений (6-8 лет) необходимо вносить поправку, учитывающую

11

повышенное (в 1,5-2 раза) содержание металлов по сравнению с более молодыми организмами.

та с; с; <0

S ©

S

з

3

го о. Е £ Ю

за:

о *

-j

5 -г

4 --

3 --

2 --

1 --

Ч

Мп л Cd Ni

0 12 3

Рис. 2. Содержание металлов в фукусах разного возрастал-молодые, 2- зрелые, 3-старые

а £

а> 3-

I £

450 j 400-■ 350 -■ 300 --250-200 -• 150 -■ 100 - -50 -■

-Fe2 -Fe

О

3

Рис.3. Содержание железа в фукусах разного возраста, мкг/г. Fe2- данные для ст.2, Fe - среднее для остальных мест сбора, 1-молодые, 2-зрелые, 3-старые

1

Влияние условий обитания водорослей на содержание в них тяжелых металлов Терригениын сток Основным осточником поступления металлов в прибрежную зону является сток с суши. В зоне смешения морских и пресных вод в результате падения скорости движения вод и изменения рН среды происходит переход большинства металлов из растворенной формы во взвешенную, вследствие чего в приустьевых участках наблюдается повышение содержания взвешенного материала в воде, вызывающее увеличение концентраций тяжелых металлов, в первую очередь железа и марганца, в гидроби-онтах. С продвижением к мористым участкам уровни содержания металлов в них снижаются.

Наши результаты в целом соответствуют этой закономерности. Обитатели скалистых мысов и открытых побережий Курильских островов содержат железа, марганца и свинца в 1.5-3 раза меньше, чем водоросли из кутовых частей бухт и мест впадения водотоков разной мощности. Для оценки масштабов влияния терригенного стока на геохимическую ситуацию в прибрежных водах Курил мы использовали данные по содержанию Ре н Мп - металлов-маркеров стока с суши в водорослях фоновых районов, т.е. мест, максимально удаленных от устьевых зон и населенных пунктов. Как видно на рис.4а, минимальные уровни этих элементов характерны для небольших островов в центральной части гряды. В краевых зонах дуги их концентрации заметно выше.

Выявленная неоднородность, на наш взгляд, связана с неравномерностью распределения взвешенного материала в прибрежной зоне Курил, которая отражает особенности геологического строения отдельных островов и морфологии их берегов. Рельеф молодых вулканических

13

а)

1 ! Ж ! г----^ ! : 1

т \г 1~Т~г, 1 1 ; 1 \ !

7 ( ^ \ Г П 1 У^ч4^ 1

_1-------

РП

Север

Рис.4. Средние концентрации тяжелых металлов в фукусах фоновых

участков:

а - железа и марганца, б - цинка (п х 10), кадмия и никеля.

1-о.Атласова, 2- о.Парамушир, 3- о.Расшуа, 4 - о.Рыпонкича, 5- о.Янкича, 6 - Итуруп, 7 - о. Кунашир, 8 - о. Шикотан, 9 - о. Танфильева.

Рельеф молодых вулканических островов слабо изменен водной и ветровой эрозией, постоянные водотоки на них отсутствуют, поэтому объем стока с суши невелик. На крупных более древних островах в

14

выветривания достигает 1-2 мегров. В сочешнии с развитой гидросеизЮ это приводит к усилению роли речного стока в поставке взвешенного материала в море.

Нами показано, что влияние терригенного стока на геохимические условия в прибрежной зоне исследуемого района заметно усиливается также на участках, подверженных антропогенному воздействию, в связи с тем, что при прокладке дорог, вырубке лесов, строительстве береговых сооружений, происходит интенсивное разрушение почвенного покрова, ускоряющего размывание и вынос терригенного материала.

Антропогенный пресс

Для Курильских островов характерна малая освоенность и отсутствие специфических (металлургических, гальванических и т.п.) производств, загрязняющих окружающую среду тяжелыми металлами. Основная отрасль народного хозяйства - рыбный промысел и рыбопереработка. Населенные пункты немногочисленны и невелики.

Как было указано выше, в пределах освоенных человеком территорий наблюдается увеличение стока с суши и, соответственно, повышение концентраций ряда металлов в прибрежных мелководьях. Так. концентрация железа в обитателях м.Заводского (б.Южно-Курильская, о.Кунашир) в пять раз превышает региональный фоновый уровень этого элемента. Фукусы с о.Анучина (Малая Курильская гряда), на котором низменный берег разрушается тяжелой военной техникой, содержат 317+70 мкгГе/г, что в пять раз больше, чем в водорослях, собранных на соседнем о.Танфильева (64+7 мкг/г), где автотранспорт не используется. Концентрации марганца в фукусах антропогенно освоенных участков побережья Курильских островов увеличиваются в меньшей степени - в 2-3 раза.

Вблизи населенных пунктов нами было зафиксировано достоверное повышение концентраций цинка и меди в фукусах. Корреляционный анализ показал наличие сильной положительной связи между уровнями содержания этих двух металлов в водорослях. Обитатели литорали в порту Южно-Курильска (тихоокеанское побережье о.Кунашира) содержат цинка в 3.8, меди - в 2.4 раза больше чем фукусы м.Столбчатого, незатронутого антропогенным воздействием. Уровни содержания цинка и меди в водорослях внутренней части побережья б.Крабовой (о.Шикотан) в 3 и 6 раз, соответственно, выше, чем в обитателях ее южного входного мыса. Как и для железа, для этой пары элементов-прослеживаются различия в их содержании в фукусах северного и южного побережий закрытых бухт

Крабовая и Мало-Курильская (рис.5).

Ъа. Си __7.П Си

1 | южный Сюрст | | северный берег

Рис.5. Содержание цинка и меди (мкт/г) в фукусах двух бухт о.Шикотан.

16

Известно (Христофорова, 1989; и др.), что при отсутствии специфических производств содержание цинка в компонентах экосистемы является показателем освоенности побережья человеком. Вероятно, источником поступления этих двух элементов в прибрежную зону упомянутых акваторий в повышенных количествах является сброс неочищенных хозяйственно-бытовых стоков, а также отходов рыбоперерабатывающих предприятий.

Таким образом, антропогенное воздействие на прибрежные воды Курильских островов носит локальный характер, а степень загрязнения зависит от морфологии побережий и гидродинамики водных масс.

Апвеллинги

Курильские острова - район высокой биологической продуктивности морских вод, максимальные показатели которой приурочены к зонам воздействия апвеллингов, т.е. подъема глубинных водных масс, обогащенных биогенами и микроэлементами. В мидиях этого района, а также на западном побережье Камчатки (Кавун и др., 1989, 1991) и в фукусах о. Медного (Командорские о-ва) (Сурмач, 1991) были зафиксированы повышенные концентрации кадмия. Авторы связали эти факты с влиянием апвеллингов на геохимию морской среды.

Наши результаты показали, что в курильских фукусах повышены не только концентрации кадмия, но и таких элементов как цинк и никель. Для этих трех металлов обнаружена достоверная положительная корреляция между их содержанием в водорослях, а также значительная отрицательная связь с концентрациями железа и марганца - элементов-маркеров терригенного стока. Как видно на рис.4, области максимального влияния апвеллинговых вод на геохимию морской среды совпадают с районами минимального влияния терригенного стока. Это позволяет предположить

17

наличие единого источника поступтения Сс1, 7п и N1 в прибрежные воды Курил. Следует отметить, что характер связи между концентрациями в фукусах упомянутых выше пяти элементов сохраняется и для всего объема данных (то есть имеет региональные масштабы), хотя достоверность отрицательной корреляции снижается. По-видимому, это связано с тем, что имеются случаи повышенного содержания кадмия, цинка и никеля в обитателях зон с существенным влиянием терригенного стока Например, максимальные для всего региона концентрации никеля в фукусах (11.3+1.1 мкг/г) зафиксированы в водорослях о.Уруп, хотя содержание железа в них в 2-3 раза превышает фоновый уровень для этого металла. Обитатели ку-товой части б.Димитрова (о.Шикотан) содержат в повышенных количествах и железо, и кадмий и никель. Возможно, определяющее значение в таких случаях имеют гидродинамические особенности акваторий и морфология берегов, позволяющие проникать обогащенным питательными солями и микроэлементами водам даже в приустьевые участки. На наш взгляд, ведущую роль при этом играют прлливно-отлпвные течения, скорость которых на Курилах очень высока. В.И.Чернявский с соавторами (1981) указывали, что в отдельных районах в зависимости от фаз прилив-но-огливных процессов апвеллинг становится либо более отчетливым, либо вуалируется в результате интенсивного перемешивания различных водных масс. Это определяет мозаичность распределения в прибрежных водах гидрохимических и биопродукционных показателей. Как видно на рис.4(б), максимальное влияние на содержание металлов в фукусах апвеллинги оказывают в средней части гряды. Это согласуется с известными данными о повышеных концентрациях фосфатов и нитратов и пониженой температуре в поверхностных водах этого района (Пропп, Пропп, 1983; Шунтов, 1985; и др.), свидетельствующими о поступлении глубинных водных масс.

18

Таким образом, использование фукусов как индикаторов уровня содержания металлов в прибрежных водах позволило выявить особенности фоновых уровней цинка, кадмия и никеля в курильских водорослях, связанные с влиянием специфичного для исследуемого региона фактора -апвеллинга.

Поствулканическая активность

Курильские острова - одно из звеньев вулканического пояса, охватывающего западное побережье Тихого океана цепочками островных дуг. Разнообразные проявления современного вулканизма создают в этих зонах специфические химико-экологические условия существования живых организмов, связанные с выносом на поверхность огромных масс химических элементов и их соединений. Влияние вулканической активности проявляется не только в виде изменений химического состава организмов, но и на популяционно-видовом и экосистемном уровнях.

Характерный пример сообщества, сформировавшегося под влиянием вулканических процессов, б.Кратерная, - затопленный морскими водами кратер действующего вулкана Ушишир (рис.6). В воды бухты через многочисленные береговые и подводные источники поступают кислые высокоминерализованные растворы. В результате этого и в связи со слабым водообменом бухтовые воды обогащены по сравнению с окружающими водами отдельными металлами в десятки и сотни раз. Для экосистемы бухты характерны особый видовой состав, большая плотность популяций гидробионтов и высокая интенсивность продукционно-деструкционных процессов.

Анализ полученных данных по содержанию тяжелых металлов в фукусах б.Кратерной показал, что главной их особенностью является аномально высокие концентрации железа, в отличие от остальных металлов.

Внешнее побержье

Рис.6. Соотношение между концентрациями металлов в водорослях из различных участков б.Кратерной (о.Янкича).

1- гидротермальные источники; 2 - места отбора проб.

Вследствие этого нарушается естественное соотношение элементов в тканях по сравнению с местообитаниями, не испытывающими импактного воздействия. Подробное обследование бухты позволило выявить различия между уровнями накопления металлов в обитателях отдельных участков ее побережья (рис. 6). Наибольшее влияние гидротермальная активность оказывает на геохимические условия в кутовой части бухты и на восточном берегу мелководного пролива, что соответствует данным о расположении вулканических выходов, приуроченных к кольцевому разлому в

20

основании бухты. Максимальные изменения наблюдаются в химическом составе обитателей северных низкотемпературных гидротерм. В этой зоне обнаружены не только самые высокие концентрации железа в- фукусах, превышающих фоновые на 2-3 порядка, но и морфологические изменения талломов: общее угнетение роста, отсутствие молодых ветвей, а главное -органов размножения.

Уровни концентраций и соотношение металлов в фукусах, собранных в литоральных гидротермальных ваннах на побережье о.Шиашкотан, близки к таковым для обитателей зоны гидротерм б.Кратерной. Водоросли пригидротермальных сообществ на о.Кунашире обогащены марганцем и цинком. Подобные различия связаны с особенностями химического состава вулканических растворов, поступающих в морскую среду и совпадают с данными Кавуна с коллегами (1989, 1991), обнаруживших повышенные концентрации тех же металлов в литоральных мидиях, собранных в местах выхода гидротерм.

Оценка химико-экологической ситуации в прибрежных водах Курильских островов Изучение содержания тяжелых металлов в курильских фукусах позволило выявить влияние четырех факторов на накопление тяжелых металлов водорослями этого вида: терригенного стока, апвеллингов, поствулканичесКой активности и антропогенного загрязнения (табл.1). Для первых двух характерно воздействие на прибрежную зону в масштабах всего региона, два последних оказывают локальное влияние на территории, непосредственно прилегающие к источникам поступления металлов. Выявленные факторы различаются и по характеру воздействия на степень накопления отдельных металлов: первый и третий в большей степени влияют на содержание Ре и Мп, второй N1 и Сё, четвертый - Ъх\ и Си.

21

Таблица 1

Масштабы и характер воздействия геохимических факторов на содержание тяжелых металлов в фукусах Курильских островов

Терригешшй сток Аивеллинги Поствулкан, активность Антропоген. пресс

Масштабы воздействия региональный региональный локальный локальный

Металлы, концентрации которых изменяются Ре, Мп са, гп Бе, Мп, Сг 7п, Си, Бе

Сила воздействия* 1,5-10 1,5-3 10-10000 3-6

Чаегь гряды, наиболее подверженная воздействию южная центральная все южная

* Отношение содержания металла в водорослях в зоне влияния фактора к его уровню за пределами зоны

Для установления регионального фонового диапазона концентраций металлов в курильских фукусах мы использовали данные по содержанию их в обитателях небольших островов в центральной части гряды и скалистых мысов на островах южной части, испытывающих минимальное воздействие терригенного стока, антропогенного пресса и удаленных от зон гидротермальной активности (табл.2).

Таблица 2

Фоновые уровни содержания тяжелых металлов в фукусах дальневосточных морей

Район Ре Мп гп Си РЬ Сс1 № Сг

Курильские о-ва 20-60 10-30 15-35 2-3 5-7 4-6 5-8 1-2

Командорские о-ва* 80 20 20 1,5 1 6 4 1,4

Северное Приморье** 25-80 5-20 20-60 1-2 1-4 1-5 - -

* Сурмач (1991); **Христофорова (1989).

Сравнение полученных данных с фоновыми уровнями металлов в фукусах других районов дальневосточных морей показало, что они близки для железа и марганца. Концентрации цинка в водорослях островных побережий заметно ниже, чем в япономорских фукусах, что объясняется,

22

по-видимому, их меньшей освоенностью и рудоносностью прибрежных территорий северного Приморья (Хрпстофорова, 1989). Различия в содержании меди и хрома незначительны. Различия в уровне накопления кадмия между фукусами малоосвоенных побережий Японского моря и водорослями приостровных вод объясняются поступлением обогащенных микроэлементами глубинных вод в прибрежную зону последних.. Высокие (для акваторий, не подверженных техногенному влиянию) и стабильные концентрации свинца в курильских фукусах по сравнению с япономорскпми и командорскими обусловлены, по-видимому, высоким естественным уровнем этого элемента в морской воде.

Биогеохимическое районирование прибрежно-морских вод Курил

Биогеохимическое районирование - комплексная система изучения строения биосферы, основанная на признании единства живых организмов и геохимической среды обитания (Вернадский, 1960; Ковальский, 1974, 1991). Основной метод подобного районирования - биогеохимическое картирование, которое основывается на данных по количественному химическому составу основных компонентов биогеоценозов, в том числе на сведениях о концентрировании живыми организмами химических элементов и возникновении биологических эффектов при недостаточном или избыточном их содержании.

Результаты нашего исследования, а также работа Кавуна и Христофоровой (1991), показали, что уровни содержания тяжелых металлов в обитателях зон поствулканической активности существенно отклоняются от нормальных. Для водорослей, растущих в непосредственной близости от литоральных газогидротермальных источников на северном

23

побережье б.Кратерной, кроме аномалий микроэлементного состава, нами были зафиксированы отклонения в морфологии слоевищ, проявляющиеся в виде угнетения роста талломов, отсутствия молодых "ветвей" и, что более важно, органов размножения. Сочетание подобных терратологиче-ских изменений и существенных отклонений химического состава среды и биоты позволяют охарактеризовать б.Кратерную как локальную биогеохимическую провинцию второго типа (по Виноградову, 1968). К провинциям этого типа относят зоны с резким преобладанием в среде и организмах 1 -3 элементов на ограниченных участках вследствие образования ореолов рассеяния, солевых отложений, вулканических излияний и рудных месторождений.

Биогеохимические провинции второго типа возникают на суше в пределах почвенно-климатических зон и охватывают большие по площади территории. В морской среде разница концентраций элементов в провинциях этого типа по сравнению с соседними, по-видимому, не столь резкая, как на суше. К провинциям этого типа, по нашему мнению, можно отнести зоны с повышенным содержанием микроэлементов и других питательных веществ в среде и гндробионтах, формирующиеся под влиянием апвеллин-гов, в том числе и прибрежные воды Курильских островов.

Таким образом, в процессе работы над диссертацией было изучено содержание железа, марганца, цинка, меди, свинца, кадмия, никеля и хрома в бурой водоросли Fucus evanescens из прибрежных вод Курильскоих островов. Исследовано влияние возраста слоевищ на степень накопления в них металлов. Выявлены основные факторы, влияющие на содержание отдельных элементов (терригенный сток, антропогенное загрязнение, апвел-ллнги и вулканизм), определены характер и масштабы их воздействия. Основные выводы работы сводятся к следующему.

24

1. Установлено, что концентрации железа, марганца, цинка, кадмия и никеля с возрастом водорослей увеличиваются, при этом молодые фукусы меньше отличаются по содержанию металлов от зрелых, чем зрелые от старых. Рекомендуется отбор молодых экземпляров при отсутствии стандартных (одновозрастных и одноразмерных) при сборе проб для биоиндикации и мониторинга состояния морских вод.

2. Выявлено, что влияние терригенного стока на уровни содержания металлов в макрофнтах проявляется в виде достоверного повышения концентраций железа, марганца VI свинца. Наибольшее воздействие этого фактора характерно для прибрежных вод крупных островов северной и южной частей гряды, минимальное - для небольших вулканических островов в центральной и северной частях.

3. Показано, что хозяйственная деятельность оказывает локальное влияние в виде повышения концентраций цинка и меди в непосредственной близости от источников сброса загрязненных вод, а также увеличения уровня железа и марганца (в меньшей степени) в зоне строительства береговых сооружений и прокладки дорог.

4. Высказано предположение, что повышенные уровни никеля, кадмия и в меньшей степени цинка в прикурильских водах связаны с поступлением в результате апвеллингов глубинных водных масс, обогащенных этими элементами.

5. Выявлено, что газогидротермальная активность оказывает локальное воздействие в прибрежной зоне, вызывая изменение соотношения металлов в талломах водорослей за счет повышенной аккумуляции железа, марганца, цинка и хрома.

6. Проведена оценка состояния прибрежной зоны Курильских островов: определены фоновые уровни содержания металлов в фукусах и

25

проведено их сравнение с фоновыми уровнями для других районов дальневосточных морей, в результате чего выявлены их особенности - повышенное содержание свинца, никеля и кадмия.

7. Показано, что полученные методом биоиндикации данные можно использовать для бногеохимического районирования прибрежной зоны. Исследованный район охарактеризован как биогеохимическая провинция первого типа (зональная) с повышенным уровнем никеля, кадмия и свинца в морской среде, а участки литоральных газогидротерм - как локальные биогеохнмические провинции второго типа (азональные).

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Малиновская Т.М. Микроэлементный состав Фукуса исчезающего ряда островов Курильской гряды// 2-ая Всесоюз. конф. по рыбо-хоз. токсикологии: Тез. докл. Т. 2. Санкт-Петербург. 1991. С. 28.

2. Христофорова Н.К. , Малиновская Т.М. Влияние газогидротермальной деятельности на минеральный состав фукусов в бухте Кратер-ной// Мелководные газогидротермы и экосистема бухты Кратерной (вулкан Ушишир, Курильские острова). Кн. I. Функциональные характеристики. 4.2. Владивосток: ДВО АН СССР. 1991. С. 112-122.

3. N.K.Khristoforova, T.M.Malinovskaya. An assesment of biogeochemical situation in the marine environment of the Kuriie Islands using indicator organisms// Bridges of the Science between North America and the Russian Far East. Abstract. Book 1. Vladivostok: Dalnauka. 1994. P. 98.

4. Христофорова H.K., Малиновская Т.М. Содержание металлов в фукусах б.Кратерной (Курильские о-ва) в связи с условиями существования//Биология моря. 1995. № 1. С. 77-83.

5. N.K.Khristoforova, T.M.Malinovskaya. Heavy metals in brown seaweeds from natural impact zones in shallow waters of Kuriie Islands// 2nd

26

International Conference of Marine Pollution and Ecotoxicology. Hong-Kong. 1995. P. 132.

6. T.M.Malinovskaya. Accumulation of metals in seaweeds from natural impact zones// Intern, conf. on the Sustainability of Coastal Ecosystems in Russian Far East. Abstract. Vladivostok. Dalnauka. 1996. P.46.

7. Малиновская T.M., Христофорова H.K. Характеристика прибрежных вод Южных Курил по ■ микроэлементному составу организмов-индикаторов// Биология моря (в печати).

Татьяна Михайловна Малиновская ОЦЕНКА ХИМИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ В ПРИБРЕЖНЫХ ВОДАХ КУРИЛЬСКИХ ОСТРОВОВ ПО СОДЕРЖАНИЮ МЕТАЛЛОВ В БУРОЙ ВОДОРОСЛИ FUCUS EVANESCENS

Автореферат

Лицензия ЛР№040118 от 15.10.96 г. Подписано к печати 16.12.96 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. п.л. 1,75. Уч.-изд.л. 1,64. Тираж 100 экз. Заказ 525

Отпечатано в типографии издательства "Дальнаука" ДВО РАН 690041, Владивосток, ул. Радио,7.