Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Популяционная экотоксикология в биомониторинге и охране птиц

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора биологических наук, Лебедева, Наталья Викторовна, Ростов-на-Дону

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВА Наталья Викторовна

ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ В БИОМОНИТОРИНГЕ И ОХРАНЕ ПТИЦ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Ф > д йй

Научный консультант:

чжн-1фреспондент РАН,

.....- доктор биологических наук,

. . р -' - - - профессор д. д. Криволуцкий

Ростов-на-Дону 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................6

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ..................................................................................26

1.1. Методы токсикологического исследования......................................................26

1.1.1. Методы анализа проб............................................................................................................26

1.1.1.1 .Анализ содержания тяжелых металлов и микроэлементов... 26

1.1.1.2. Мультиэлементный анализ........................................................................................27

1.1.1.3. Анализ радионуклидов................................................................................................27

1,. 1.1.4. Анализ пестицидов и диоксинов........................................................................28

1.1.2. Материал и места отбора проб..................................................................................29

1.2. Исследование популяций.......................................................................................46

1.2.1. Модельные виды..........................................................................................46

1.2.2. Места стационарных исследований........................................................................46

1.2.2.1. Александровский лесхоз в Ростовской области....................................46

1.2.2.2. г. Ростов-на-Дону..................................................................................................................47

1.2.2.3. Центральная Польша........................................................................................................48

1.2.2.4. Промышленный водоем в Верхней Силезии..........................................48

1.2.2.5. Восточно-Уральский радиоактивный след................................................49

1.2.3. Методы популяционных исследований............................................................49

1.2.3.1. Исследование пищевого рациона птиц......................................................50

1.2.3.2. Методы мониторинга модельных популяций гнездящихся птиц 51

1.2.3.3. Оценка успешности размножения.................................................55

1.2.3.4. Методика мечения эмбриона в яйце для идентификации птенцов мелких воробьиных Passeriform.es после вылупления..................................57

1.2.3.5. Наблюдения за поведением........................................................................................................................64

1.2.3.6. Оценка биоразнообразия................................................................................................65

1.2.3.7. Статистический анализ......................................................................................................68

1.2.3.8. Графический анализ..............................................................................................................68

ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПТИЦ 69

2.1. Особенности химического элементного состава птиц 69

2.2. Накопление и выведение элементов из организма птиц 106

2.3. Мультиэлементный анализ и его возможности в изучении популяций

птиц. 107

ГЛАВА 3. ПЕСТИЦИДЫ И ДИОКСИНЫ В ПТИЦАХ 109

3.1. Пестициды, ПХБ, ПХДД и ПХДФ в диких птицах 109

3.2. Влияние хлорорганических экотоксикантов на индивидуальное

развитие и популяционные показатели птиц 118

3.3. Пестициды и полихлорированные бифенилы в популяции полевого

воробья

3.4. ПХДД и ПХДФ в детритной трофической цепи

3.5. ПХДД и ПХДФ в яйцах птиц

ГЛАВА 4. ПОПУЛЯЦИОННАЯ РАДИОЭКОЛОГИЯ ПТИЦ

4.1. Накопление радионуклидов птицами

4.2. Влияние радиоактивного загрязнения на популяции птиц

4.3. Проблема переноса радионуклидов мигрирующими птицами

4.4. Биоразнообразие сообществ птиц в условиях радиоактивного

загрязнения

4.5. Глобальный уровень накопления радионуклидов ГЛАВА 5. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОРГАНИЗМЕ ПТИЦ

5.1. Накопление тяжелых металлов в организме птиц

5.2. Накопление тяжелых металлов птицами, обитающими в

разных географических регионах 5.2.1. Центральная часть Европейской России, Белоруссия, Украина,

Польша 204

5.2.2. Нижний Дон, Приазовье и Калмыкия 206

5.2.3. Северный Кавказ 215

5.2.4. Монголия 217

121 138 143 151 154 158 166

168 169 176 176

202

5.2.5. Эфиопия 219

5.3. Экотоксикология городских птиц 225

5.3.1. Особенности пребывания птиц в городах 225

5.3.2. Экотоксиканты в городских птицах 228

5.3.3. Накопление тяжелых металлов в детритной трофической цепи 230 ГЛАВА 6. ПОПУЛЯЦИИ ПТИЦ 237

6.1. Развитие представлений о географических популяциях 237

6.2. Популяции у птиц и их иерархия 245

6.3. Географическая изменчивость большой синицы 247

6.4. Популяции в условиях загрязнения 252

6.4.1. Популяция камышницы на зимовке 252

6.4.2. Популяция полевого воробья 263 ГЛАВА 7. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ ПОПУЛЯЦИЙ ПТИЦ 270

7.1. Представление о биогеохимических провинциях 270

7.2. Геохимические маркеры популяций птиц 274 ГЛАВА 8. ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ ПТИЦ 299

8.1. Птицы как объект популяционной экотоксикологии 299

8.2. Методы оценки состояния популяций птиц 303

8.3. Задачи популяционной экотоксикологии птиц 307 ГЛАВА 9. ПОПУЛЯЦИОННАЯ ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ В БИОМОНИТОРИНГЕ И ОХРАНЕ ПТИЦ 310 ВЫВОДЫ 319 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 324 ПРИЛОЖЕНИЕ 385 Таблица I. Результаты определений химических элементов в тушках птиц 386 Таблица II Результаты анализа пестицидов в пищевых пробах птенцов 411

полевого воробья

Таблица III. Результаты анализов пестицидов в экскрементах птенцов 415 полевого воробья

Таблица IV. Результаты анализов пестицидов в пищевых объектах 418

полевого воробья

Таблица V. Результаты определений тяжелых металлов в костях птиц 419 Таблица VI. Результаты определений тяжелых металлов в органах и

тканях птиц 482

Таблица VII. Результаты определений тяжелых металлов в костях,

экскрементах грачей, дождевых червях, листовом опаде и других компонентах экосистем 489

Таблица VIII. Результаты определения микроэлементов в костях диких

наземных позвоночных и домашнем скоте 495

ВВЕДЕНИЕ

Всесторонний экологический контроль за состоянием окружающей человека среды - актуальная задача для всех стран. Не составляет исключение и Россия, где разработке методологии и совершенствованию средств экологического контроля и биомониторинга уделяется постоянное внимание. В 1985 г. Верховный Совет СССР после рассмотрения вопроса об охране природы в стране принял постановление о выполнении комплекса изысканий с целью перевода всей системы государственного контроля загрязнений среды на экологическую основу. Реализации задачи охраны живой природы и созданию эффективной системы экологического мониторинга служит Международная Конвенция о сохранении биологического разнообразия (Рио-де-Жанейро, 1992), подписанная ныне более чем 180 странами, в том числе Россией. При решении этих задач одним из обязательных объектов биомониторинга, на наш взгляд, должны являться дикие птицы, поскольку их сообщества обладают высоким таксономическим и экологическим разнообразием. Они представляют собой удобный объект для наблюдения, хорошо изучена их биология, разработаны меры охраны и средства мониторинга, а в перспективе вся система наблюдений может вестись недеструктивными методами, чем птицы как объект мониторинга выгодно отличаются от большинства других животных.

Настоящая работа является первой в России, которая целиком посвящена решению задачи по использованию диких птиц в контроле состояния окружающей среды на основе их экотоксикологического исследования: анализа накопления разных групп экотоксикантов и изучения экологических последствий загрязнения популяций птиц.

Теоретической основой работы послужили представления о популя-ционной экотоксикологии, заложенные С. С. Шварцем (Шварц, 1954, 1958, 1967, 1980; Шварц и др., 1968) в учении о морфо-физиологических индикаторах состояния популяций животных и оформленные в виде самостоятель-

ного научного направления В. С. Безелем и В. Н. Большаковым (198?, 1994). Применительно к птицам, проведение экотоксикологических популяцион-ных исследований стало возможным благодаря разработанности в России экологии географических и локальных популяций птиц, созданной на протяжении полувека трудами А. С. Серебровского (1926-1927), А. Н. Промптова (1934, 1936), М. А. Мензбира (1927), Г.П.Дементьева (1938, 1940, 1948, 1954, 1957, 1962), В.Ф.Ларионова (1938), Ю.С.Исакова (1948, 1949, 1963), а в последствии работами Н.П.Наумова (1955, 1963, 1967), И.А.Шилова (1985, 1977, 1997), Г. Н. Симкина (Симкин, Ильичев, 1965; Симкин, Штейнбах, 1980; Симкин, 1982), В. Е. Флинта (1977), Н. П. Дубинина (1966), В. М. Поливанова (1960, 1981, 1995) и многих других орнитологов.

Еще одной научной базой для проводимых нами исследований стала методология экологического мониторинга, изложенная в работах Ю. А. Израэля (1979), А. В. Макрушина (1974, 1978), К. С. Бурдина (1985), Д. А. Криволуцкого (1985, 1994) и других экологов, которая привела к формированию вывода, закрепленного в решениях Международной комиссии по радиационной безопасности в Вене (1996), о том, что именно популяци-онный уровень исследования биоты в зонах загрязнения является наиболее методически удобным, воспроизводимым и показательным при проведении наблюдений по биоиндикации, оценке качества окружающей среды и степени экологического риска. Популяционной экологией в последнее время стали широко пользоваться и при проведении природоохранных мероприятий (Сулей и др., 1989) для сохранения редких видов и биологического разнообразия.

Одним из междисциплинарных научных направлений, занимающихся изучением опасности загрязнения окружающей среды с экологических позиций с целью защиты живых организмов от поражения вредными вещества-

ми, находящимися в окружающей среде, является экологическая токсикология или экотоксикология.

Экотоксикология, как термин, определяющий самостоятельное научное направление, введен в 1969 г. Я-ТгаИа^ (1977), когда при международном научном комитете по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) была организована специальная Рабочая комиссия по экотоксикологии. Эта рабочая комиссия сформулировала основные направления работ по экотоксикологии и приняла первое официальное определение, согласно которому экотоксикология представляет собой междисциплинарное научное направление, изучающее действие вредных химических веществ, находящихся в окружающей среде, на живые организмы, их популяции, входящие в состав экосистем, от микроорганизмов до человека.

Впоследствии, по мере развития работ по проблемам экотоксикологии была уточнена область научных интересов этого направления и круг решаемых задач. В 1978 г. на конференции СКОПЕ было принято уточненное определение экотоксикологии, применяемое до сих пор: "Экотоксикология - междисциплинарное научное направление, связанное с токсическими эффектами химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение и превращение в окружающей среде, действие на живые организмы".

На начальном этапе развития экотоксикологии широкое распространение получили исследования на организменном уровне, в основе которых было изучение распределения токсических веществ в организме и пути их поступления. Экотоксикологические исследования получили новый импульс в изучении наземных экосистем и сконцентрировались на токсикантах, имеющих промышленный генезис, лишь в последние полтора десятилетия. А после Чернобыльской экологической катастрофы усилился интерес к воз-

действию радионуклидов на популяции и экосистемы. Характерной особенностью экотоксикологии, вытекающей из приведенного выше определения, является то, что в отличие от традиционной медицинской токсикологии она изучает токсические эффекты, как на индивидуальные организмы, так и на популяции организмов. Вторая группа особенностей экотоксикологии связана с тем, что при изучении токсических эффектов на популяционном уровне возрастает значение окружающей среды как активного фактора, влияющего на поведение экотоксиканта и проявление токсических и других свойств. Применение системного подхода является важным условием эффективного решения сложных многоступенчатых задач экотоксикологии.

В последние годы экотоксикология все более активно утверждает свои позиции как актуальное и дееспособное научное направление. Об этом свидетельствует организация Международного общества экотоксикологов, Общества экологической токсикологии и химии (СЕТАК), регулярное проведение национальных и международных конференций и симпозиумов. Важное значение этому направлению придают международные неправительственные организации, такие как СКОПЕ, ЮНЕП, ВОЗ и др., при поддержке которых проводятся научные совещания различных уровней, издаются несколько десятков специализированных научных журналов.

В нашей стране исследовательские работы по проблемам экотоксикологии ведутся почти столетие, хотя сам термин пока не получил широкого распространения. Основные вопросы экотоксикологии находят отражение в программах работ по экологическим и гигиеническим аспектам охраны окружающей среды: исследование распространения и превращения экотокси-кантов в почве, воде, атмосфере, растениях, животных и в трофических цепях, оканчивающихся человеком; прогнозирование опасности загрязнения окружающей среды для людей, животных и растений и экосистем в целом; исследование механизма токсичности и разработка критериев оценки вредного воздействия экотоксикантов; разработка гигиенических основ регла-

ментации поступления экотоксикантов в окружающую среду; разработка методов анализа экотоксикантов в объектах окружающей среды, диагностики, лечения и профилактики поражений и др.

Приоритетными научными направлениями, обеспечивающими выполнение указанных выше программ, являются следующие направления:

1. Исследование источников поступления экотоксикантов и изучение их судьбы в абиотических компонентах экосистем.

2. Исследование биодоступности экотоксикантов, биоаккумуляции и метаболизма в живых организмах.

3. Изучение токсического действия экотоксикантов и продуктов их трансформации в окружающей среде (Соколов и др., 1986).

Практическими результатами исследований по указанным направлениям является разработка рекомендаций и проведение комплекса правовых, технологических, медицинских и санитарно-гигиенических мероприятий по контролю и снижению уровня загрязнений. В основе разработки таких мероприятий и рекомендаций положена концепция гигиенического регламентирования вредных факторов окружающей среды, включающая установление количественных значений предельно-допустимых концентраций (ориентировочных безопасных уровней воздействия) экотоксикантов в воздухе, воде, почве, продуктах питания.

По оценкам специалистов в мире существует около 63 тысяч используемых человеком химических веществ, среди которых около 3 тысяч составляют 90% от массы всех веществ, производимых промышленностью. Ежегодно синтезируется около 200-1000 новых веществ, экологическое воздействие которых совершенно не известно (МопаЛу. 1993). Многие страны запрещают использование новых веществ до проверки их экологического воздействия.

Основными источниками загрязнения среды химическими веществами являются следующие:

О теплоэлектроцентрали, загрязняющие атмосферу токсическими продуктами горения (окись углерода, окислы серы, тяжелые продукты неполного сгорания углеводородов, частицы сажи, являющиеся носителями канцерогенных полициклических углеводородов);

О вредные отходы химической, нефтехимической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, поступающие в атмосферу с газообразными продуктами, в водоемы со сточными водами и в почву при захоронении твердых отходов;

О различные виды транспорта (автомобильный, авиационный, морской и речной), работающие на нефтяном топливе или на природном газе, выхлопные газы которых содержат окись углерода, окислы азота, сажу и другие продукты неполного сгорания топлива и присадок, в особенности частицы свинца из антидетонаторной присадки тетраэтилсвинца;

О предприятия различных отраслей промышленности, использующие асбест, полихлорированные бифенилы, химические антисептики для пропитывания древесины, различные растворители;

О производство и применение радиоактивных веществ различного назначения;

О применения в сельском и лесном хозяйстве химических средств защиты растений и средств борьбы с сорной растительностью (пестицидов и гербицидов), применение биологически активных добавок в корм домашним животным;

О применение химико-фармацевтических и косметических средств, химических добавок к пищевым продуктам (консервантов, отдушек, пищевых красителей, вкусовых добавок и пр.), применение продуктов бытовой химии (синтетических моющих средств, дезинфектантов, растворителей, красителей и пр.);

О природные (не антропогенные) токсичные продукты - микротоксины некоторых грибов, среди которых наиболее опасными являются афло-

токсины, биотоксины гидробионтов, например, моллюсков, ракообразных и