CC BY
96
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2004 Биология Вып. 2-
УДК 574:504.06
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ФАЗ ТЕХНОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ЭКОСИСТЕМЫ
С. А. Бузмаков
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
На основании результатов, полученных при биотестировании воздействия нефти, дается определение и описание основных фаз техногенной трансформации экосистемы.
Техногенная трансформация природной среды - процесс изменения природных компонентов и комплексов под воздействием производственной деятельности. Заключается в преобразовании биосферы и ее частей (экосистем), вызываемом совокупностью геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрированию и перегруппировке минеральных и органических соединений. Изменение природных компонентов приводит к нарушению метаболизма, функционирования и структуры исходных природных комплексов, вплоть до перехода их в результате смен состояний (фаз) из ряда биогенных в ряд абиогенных.
В географии и экологии длительное время развиваются представления о трансформации природной среды. В этом направлении активизировались исследования, что обусловлено было необходимостью оценки и прогноза антропогенных последствий изменений в биосфере, биогеосфере, ландшафтной оболочке, географической оболочке и их участках.
Л.С. Берг (1958) выделял два типа изменений в природных комплексах - обратимые и необратимые. В.Б. Сочава (1978) считает, что все обратимые изменения геосистем связаны с динамикой ландшафта, тогда как необратимые составляют сущность его развития. Динамика - это смена состояний геосистем в рамках одного инварианта, а развитие (эволюция) - смена самого инварианта (эквифинального состояния).
Развиваются положения Б.Б. Полынова (1956) о сопряженности элементарных ландшафтов и их взаимосвязях, осуществляющихся посредством движения потоков вещества и закодированных в почвах как информации о вековых процессах, М.А. Глазовской (1983), рассматривающей элементарные ландшафты (исходные структурные единицы) как ландшафтно-геохимические системы (ЛГС), которые по уровню огранизации и тесноте связей
делятся на элементарные (ЭЛГС) и каскадные (КЛГС). Выделяются различные стадии техногенной трансформации, например: скрытая, позитивная и негативная (Давыдова, 2002).
Смена биогеохимических условий из-за антропогенного воздействия вызывает адекватную реакцию биоты. Дестабилизация исходных природных процессов при постепенном влиянии приводит к последовательной смене свойств и состояний экосистем - появляются различные деградационные формы изменения. Резкая смена сообществ происходит при катастрофическом, как правило, кратковременном воздействии, затем формируется аналог исходной экосистемы в виде восстановительных рядов развития.
С точки зрения классической экологии основной функциональной единицей организации природной среды является экосистема (Одум, 1986). Основными компонентами экосистемы являются сообщества, поток энергии, круговорот веществ и биотоп.
Экосистемой можно считать комплекс физикохимических и биологических компонентов, который осуществляет биотический круговорот веществ, движущийся благодаря направленному потоку энергии. Вещественно-энергетические потоки регулируются при участии информационных взаимодействий. Границы экосистемы определяются исходя из задач исследования. Произвольно принята масштабность, за пределами которой тот или иной компонент считается «элементом» системы. Далее компонент считается неделимым. В другом случае элемент может сам рассматриваться как система.
Концепция экосистемы - фундамент для развития геоэкологических исследований техногенного влияния, трансформации природной среды. Преимущества этой концепции как раз и состоят в отсутствии жестких пространственных, генетических и геохимических и других критериев. Она свободна от априорных гипотетических положений о степени дискретности и «дальнейшей неделимости», о степени взаимной обусловленности компонентов и
© С.А. Бузмаков, 2004
их организованности. Указанные характеристики можно получить только в результате интенсивных исследований (Второв, Дроздов, 1978).
Биоте обладает значительной, геохимической активностью прежде всего за счет различных катализаторов (ферментов), ускоряющих в тысячи раз различные реакции при обычных температурах. За длительный срок своего существования автотроф-ные экосистемы коренным образом изменили состав атмосферы, вод, осадочных пород.
В условиях техногенеза направленность потоков вещества переориентирована. Химические элементы принудительно направляются при добыче полезных ископаемых из недр земли с последующим их рассеянием по наземным природным комплексам. В этой связи достаточно важным представляется изучение процессов трансформации экосистем с целью установления направленности и динамики их развития в условиях техногенной нагрузки. При загрязнении природной среды поллютантами промышленных источников, действующих многие десятки лет, необходимо исследовать собственную техногенную трансформацию экосистем - ее структурно-функциональные особенности, скорость и направленность.
Антропогенные воздействия на окружающую среду считаются крайне опасными. Они заменяют биогенную эволюцию, разрушают естественные системы природы. Эволюция в этом случае идет экстенсивно, под воздействием внешних факторов, с темпом, диктуемым трансформацией природы человеком, а не ходом естественных явлений (Рей-мерс, 1994).
Нефтяная промышленность - одна из ведущих отраслей в России, и вопросы экологической безопасности, трансформации природной среды достаточно активно обсуждаются в научной литературе (Рыкова, 2000). Особенностью ее функционирования является поступление значительного количества в окружающие экосистемы органического вещества. Нефтепромыслы представляют собой техническую систему по извлечению продукта метаболизма прошлых биосфер в современные авто* трофные экосистемы.
Сложность и многофакторность природноантропогенных трансформаций в реальной обстановке, наложение одних закономерностей на другие, обратимость биотических, биогеохимических процессов затрудняет их понимание, интерпретацию результатов полевых обследований. В то же время экспериментальное изучение антропогенных явлений в упрощенных реальных моделях и их анализ дает достаточно хорошие данные по механизму трансформации экосистем. Примеры таких трансформаций можно найти в микробиологии (Микроорганизмы и охрана почв, 1989) и экологии (Одум, 1986). Реальная модель отражает существенные черты оригинала, его физическую сущность. Одна из наиболее сложных проблем, с кото-
рой приходится сталкиваться при работе с реальными моделями - установление адекватности модели оригиналу.
В современных автотрофных экосистемах в биогеохимическом обмене участвуют автотрофы-продуценты, геторотрофы-консументы, гетеро-трофы-редуценты и биотоп.
В настоящее время достаточно подробно изучены вопросы естественной деградации нефти в почвенном покрове (Пиковский, 1993; Солнцева 1998), выявлены стадии изменения видового состава почвенной микробиоты (Микроорганизмы и охрана почв, 1989). Возможным становится достоверное определение основных направлений, фаз техногенной трансформации экосистем. Под фазой техногенной трансформации понимается одно из качественно различных состояний изменяющейся экосистемы, отличающееся биотопом, функциональными группами биоты. Каждая фаза трансформации подготавливает комплекс условий для прохождения следующей за ней фазы. Это влечет за собой функциональную разнокачественность фаз и необходимость последовательного их прохождения в определенном обратимом порядке.
В экспериментальном микрокосме в качестве биотопа использовались естественные региональные почвы, изменение автотрофов-продуцентов определялось по начальному росту растений пшеницы, по выделению из почв углекислого газа.судили о состоянии гетеротрофов-редуцентов.
Почвы для эксперимента выбраны с учетом их распространения в нефтедобывающих районах Пермской области. Северные почвы (подзона южной тайги) представлены сильноподзолистыми, среднеподзолистыми; южные (подзона широколи-ственно-хвойных лесов) - дерновослабоподзолистыми и дерновосреднеподзолистыми.
Проведен отбор 11 почвенных образцов на участках с естественным протеканием почвенных процессов и различным землепользованием, выполнены лабораторные анализы почвенных проб. Краткая характеристика образцов приведена в табл. 1.
По физико-химическим характеристикам нефти в широколиственно-хвойной подзоне и в южной тайге области отличаются друг от друга. Плотность «северной» нефти составляет 0,83 г/см3, вязкость -5,56 мм2/с, а плотность «южной» соответственно 0,90 г/см3, вязкость 51,74 мм2/с. Кроме того, в нефти южной тайги на порядок меньше серы, асфальтенов. Можно предположить, что рассматриваемые нефти отличаются токсическими эффектами. Опыты заложены в две серии: контроль и в дозах нефти 0,5; 1,0; 15; 50; 150 и 1,0; 15; 30; 50; 100 г/кг почвы. Свойства биотопа определялись по химическим, физическим параметрам почв. После компостирования при комнатной температуре в течение 1 месяца из сосудов отбирались средние пробы почвы и высушивались на воздухе. По вариантам опыта проводились химические анализы. Все образцы, используемые
для опытов, имели кислую реакцию среды, свойственную подзолистым почвам. При внесении различных доз нефти кислотный режим практически оста-
ется без изменений. Нефть незначительно подкисляет почвы в вариантах с близкими к нейтральным значениям pH.
Таблица 1
Краткая характеристика вариантов почвенных проб
Вариант pH КС-1 Гумус, % Сумма обменных оснований по Каппену, мг/100 г Физическая глина, % Ил, %
Подзона южной тайги
1 4,7 1,37 6,90 10,0 2,2
2 4,9 1,23 2,66 7,8 2,2
3 4,4 0,96 1,89 7,9 2,6
4 4,7 0,51 1,89 5,3 1,7
5 4,1 1,68 5,17 13,3 3,1
6 6,9 1,46 11,34 15,2 3,3
Подзона широколиственно-хвойных лесов
7 5,2 2,43 20,59 30,0 8,9
8 4,9 4,87 25,22 46,5 16,5
9 6,6 1,95 22,33 26,4 15,0
10 4,2 3,39 14,80 17,4 4,8
И 3,9 2,14 17,70 27,6 8,3
Одной из реакций почвы на нефтяное загрязнение является ухудшение питательного режима. При большой дозе нефти количество фосфатов в субстрате снижается в среднем на 30-40%.
В модельных опытах при определении фильтрационной способности почв выявляли содержание капиллярно-подвешенной воды, которая удерживается в почве довольно прочно. Загрязнение почв нефтью, особенно высокими концентрациями, снижает содержание (вместимость или влаго-емкость почвы) этого вида воды на 50%. Содержание влаги в почве становится ничтожно малым, находится в пределах влажности завядания. При увеличении дозы нефти увеличивается гидрофоб-ность почвы.
Нефть даже в малых дозах подавляет развитие нитрификаторов, и при дозе 15 г/кг нитраты практически исчезают. Нефть является веществом, которое изменяет химические и физические свойства почвы. Наиболее информативным показателем качества почв считается соотношение углерода и азота. В качестве индикатора изменения биотопа взят последний показатель.
Определение фитотоксичности субстрата проводили методом почвенных пластинок (Звягинцев,-1980). Учитывалось количество выросших растений, определялся сырой и сухой вес фитомассы корней и надземной части. Фитотоксические Свойства загрязнения определяли по угнетению семян и проростков пшеницы, по показателям высоты и длины корней 10-дневных растений, веса растения по вариантам опытов. Сравнивались показатели у растений с контрольных, не загрязненных нефтью пластинок. Анализ полученных данных показывает, что наиболее чувствительным к концентрациям нефтепродуктов оказался вес растений.
Важнейшей характеристикой состояния почвенных микроорганизмов является уровень выделения углекислого газа. Активность этого процесса отражает протекающие в почве процессы синтеза и распада, потребления и выделения органических и минеральных веществ. Выделение С02 можно рассматривать как интегральный показатель интенсивности микробиологических процессов и содержания легкогидролизуемого органического вещества в почве.
В модельных опытах по изучению действия различных доз товарной нефти выявлялась динамика активности дыхания почв на 1, 7, 14 и 28 сут после внесения нефти в почву. Активность (актуальная) дыхания почв определяли адсорбционным методом (Звягинцев, 1980).
Анализ результатов различного биотестирования показал, что, несмотря на применение несколько отличающихся друг от друга поллютантов, различных видов субстрата, наблюдаются одинаковые ответные реакции биоты и изменения биотопа.
Часть физико-химических свойств (соотношение углерода и азота) биотопа находится, практически, в прямой зависимости от количества поступивших нефтепродуктов (табл.2). Можно принять, что абиотическая среда однонаправленно изменяется при соответствующем внешнем воздействии.
Жизнедеятельность микроорганизмов имеет более сложную зависимость от дозы поллютантов (табл.2). Гетеротрофы-редуценты органического вещества на первоначальные воздействия реагируют положительно, затем наступает период отсутствия ответной реакции при высоком уровне метаболизма микроорганизмов; при еще большем количестве нефтепродуктов наступает снижение жизнедеятельности микробоценоза, вплоть ДО ПОЛНОГО прекращения.
Растения имеют тенденцию положительно или стоянное снижение жизнедеятельности автотро-
нейтрально реагировать лишь на самые незначи- фов-продуцентов, выражающееся в их разнокаче-
тельные дозы нефтепродуктов (табл.2). При увели- ственных состояниях: от затруднений в росте до
чении концентрации поллютанта начинается по- прекращения возобновления и существования.
Таблица 2
Изменение компонентов модельной экосистемы под воздействием дозы нефти
Параметры Норма Уровень воздействия
1 2 3 4
Доза нефти, г/кг почвы 0,01 -0,5 0,5-15 15-50 50-150 150-300
Относительный вес растений (по отношению к контролю) 1,0-1,016 1,016-0,768 0,768-0,650 0,650-0 -
Скорость изменения относительного веса растений 0,033 -0,017 -0,003 -0,007 -
Относительный вес выделенного микроорганизмами со2 (по отношению к контролю) 1,0-1,2 1,2-2,7 2,7-2,8 . 2,8-1,0 1,0-0
Скорость изменения относительного веса выделенного микроорганизмами СО? 0,408 0,102 0,003 -0,018 -0,007
Относительное соотношение в почве углерода и азота (по отношению к контролю) 1,0-1,003 1,003-1,631 1,631-2,704 2,704-4,611 4,611- 6,517
Скорость изменения относительного соотношения в почве углерода и азота 0,007 0,043 0,031 0,019 0,013
Фазы техногенной трансформации экосистем: у - относительное (к норме) состояние автотрофов, гетеротрофов, биотопа; х - доза нефти; а - изменение жизнедеятельности гетеротрофов; b - изменение свойств биотопа (отношение С/N); с - изменение жизнедеятельности автотрофов; 1-5 - фазы деградации и восстановления
Результаты экспериментов позволяют построить модель трансформации экосистемы при поступлении в нее нефтепродуктов (рисунок). В соответствии с направлениями развития процессов необходимо выделить восстановление и деградацию природного комплекса. В соответствии с основными качественными процессами, происходящими
с компонентами экосистемы, выделяется несколько последовательных фаз состояния экосистем.
Восстановительная трансформация. При поступлении нефти свыше 300 г/кг почвы жизнедеятельность растений, вообще автотрофов-продуцен-тов и даже гетеротрофов-редуцентов органического вещества, невозможна (Микроорганизмы и ох-
рана почв, 1989). Происходят процессы геохимического разрушения нефти за счет влияния внешних, соседних и занимающих следующие иерархические уровни экосистем.
Следующая фаза - состояние экосистем под воздействием дозы нефти в диапазоне 300-150 г/кг почвы. В результате геохимического разрушения нефти изменяются свойства биотопа, и здесь возможно существование олиготрофного сообщества гетеротрофов-редуцентов. Под влиянием биогео-химических процессов происходит дальнейшее изменение биотопа (снижается количество нефтепродуктов, соотношение углерода и азота).
Наступает третья фаза (содержание нефти 150— 50 г/кг почвы), в ходе которой формируется полноценное сообщество гетеротрофов-редуцентов. Био-топические условия становятся относительно пригодны для жизни растений, но не благоприятны.
Четвертая фаза характеризуется существованием равновесного, не реагирующего на изменение содержания нефтепродуктов (50-30 нефти г/кг почвы), сообщества гетеротрофов-редуцентов. Ав-тотрофы находятся в угнетенном состоянии и также мало реагируют на изменение биотопа. На этой фазе сформировалась равновесная гетеротрофная экосистема.
Пятая фаза - фаза деградации ценоза гетеротрофов-редуцентов, формирования сбалансированного сообщества гетеротрофов-редуцентов и автотрофов-продуцентов (в т.ч. растительности). Трансформация этих компонентов экосистемы соответствует изменению биотопических условий. В этой фазе доза нефти составляет 30-0.5 г/кг почвы. Формируется равновесная автотрофная экосистема с балансированным соотношением автотрофов-продуцентов, гетеротрофов-редуцентов и биотопических условий.
Деградационная трансформация. Происходит при постоянном или периодическом поступлении нефтепродуктов, когда скорость их поступления превышает скорость утилизации органических веществ в ходе биогеохимических процессов. Отличается от восстановительной трансформации противоположным направлением развития экосистемы.
В первой фазе деградации экосистемы при увеличении дозы нефти от 0.5 до 30 г/кг почвы происходит активизация деятельности микроорганизмов (гетеротрофов) и ухудшение жизнедеятельности ав-тотрофов, что соответствует изменению биотопа.
При увеличении поступления нефтепродуктов на второй фазе появляется равновесная гетеротрофная экосистема. Автотрофы находятся в угнетенном состоянии и незначительно реагируют на изменение биотопа. Гетеротрофы-редуценты, находящиеся в оптимальных условиях, также мало реагируют на внешнее поступление вещества, энергии и изменение биотопических условий.
Дальнейшее увеличение содержания нефтепродуктов в почве приводит к деградации сообщества
гетеротрофов-редуцентов, жизнедеятельность их снижается. У автотрофов продолжается ухудшение жизнедеятельности.
Последняя фаза существования гетеротрофов-редуцентов характеризуется значительным снижением их жизнедеятельности, вплоть до полного прекращения. При дозе нефтепродуктов свыше 300 г/кг почвы биотическое сообщество экосистемы полностью разрушено.
Трансформация экосистемы представляет собой процесс, при котором компоненты экосистемы, дополняющие друг друга, соответствующие условиям биотопа, последовательно формируют закономерный ряд состояний, ведущих к наиболее устойчивой в данных условиях фазе. Каждая фаза готовит биотоп для возникновения последующей. Компоненты экосистемы в своем развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других компонентов. Биота в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. При внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это развитие системы идет в том направлении, при котором достигается равновесие и эффект внешнего воздействия ослабляется.
Качество среда территории можно определить по степени завершенности трансформаций восстановительного направления. Чем сильнее деграда-ционные изменения, тем существенней нарушен-ность экосистем! По степени завершенности восстановления экосистем можно дать оценку состояния территории, вести трансформационный мониторинг состояния природной среды.
Экосистема при снятии антропогенной нагрузки стремится к достижению экологического равновесия, или автотрофной фазы. Восстановление природной системы может следовать лишь в эво-люционно и функционально закрепленном порядке, обычно от простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов. Поэтому нельзя существенно изменить ряд фаз трансформации, но возможно задержание или ускорение протекания фаз.
Необходимо отметить, что если энергетическая составляющая поллютанта на каждой фазе восстановления теряется, то аккумуляция, депонирование веществ - продуктов бигеохимического изменения исходного загрязнителя, в том числе токсичных - вполне возможно и более чем вероятно.
В закономерностях трансформации есть два ряда - эволюционно-исторический и собственного развития индивидуальных систем. Между эволюционно-историческими процессами и ходом генезиса любой системной совокупности, как правило, существует сходство. Выделяется геогенетическая закономерность: минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют общую историю геологического развития. Геоло-
гические процессы однонаправленны на протяжении всей геоэволюции. Определяется системогенетическая закономерность: системы в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной и нередко закономерно измененной и обобщенной форме эволюционный путь своей системной структуры (Реймерс, 1994). Результаты моделирования трансформации экосистемы в лабораторном микрокосме позволяют утверждать, что фазы восстановления можно интерпретировать и как этапы формирования современных автотрофных сообществ. Считается, что первичные экосистемы при становлении биосферы состояли из анаэробных хемо-трофов, которые с самого начала существования поставляли в окружающую среду продукты метаболизма, что должно было привести к возникновению первичных биогеохимических циклов, сначала типа «хемотроф первого порядка - хемотроф второго порядка - хемотроф-редуцент». Появление автотрофов-продуцентов означало ослабление роли геохимической энергии и усиление значения солнечной составляющей для биотических сообществ. Скорость редукции органики анаэробами-гетеротрофами крайне низкая, она не обеспечила полного круговорота веществ. Это привело интенсивному накоплению биогенных веществ, которые были депонированы в виде существующих ныне горючих ископаемых. В середине мелового периода практически сложился ныне существующий тип биогеохимического обмена - из автотрофов-продуцентов, геторотрофов-консументов и гетеротро-фов-редуцентов (Реймерс, 1994). Современная цивилизация, извлекая продукты метаболизма прошлых биотических сообществ, которые можно рассматривать как отходы или те же продукты метаболизма, только уже промышленности, в экосистемах, вызывает в них деградационные и восстановительные процессы. Как показывают результаты экспериментального моделирования, в такой ситуации возможно появление устойчивых гетеротрофных экосистем.
Техногенная трансформация экосистемы зависит от величины и периода поступления нефтепродуктов (органики). Трансформация осуществляется в форме относительно обратимых восстанови-
тельных и деградационных фаз, которые имеют
определенное направление развития процесса, состояние биотических компонентов.
Библиографический список
Берг Л.С. Фации, географические аспекты и географические зоны // Избранные труды. Т.2. М., 1958.
Второв П.П., Дроздов H.H. Биогеография. М.: Просвещение. 1978.
Глазовская М.А. Принципы классификации природных геосистем по устойчивости к техногенезу и прогнозное ландшафтно-геохимическое районирование // Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983.
Давыдова Н.Д Техногенная трансформация топо-геосистем в условиях атмосферного загрязнения // География и природные ресурсы. 2002. №4. С. 10-14.
Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ. 1980. С. 130-138.
Микроорганизмы и охрана почв / Под ред. Д.Г. Звягинцева/М.: Изд-во МГУ, 1989. С. 129-150.
Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986.
Птовский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. М.: Изд-во МГУ, 1993.
Полынов Б.Б. Избранные труды. Д.: Изд-во АН СССР, 1956.
Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Россия Молодая, 1994.
Рыкова В.В Проблемы экологии и охраны природы в районах добычи нефти и газа Западной Сибири: Библиометрический анализ документопотока // Исследования эколого-географических проблем природопользования для обеспечения территориальной организации и устойчивости развития нефтегазовых регионов России: Теория, методы и практика / НГПИ, ХМРО РАЕН, ИОА СО РАН. Нижэневартовск, 2000. С. 143-145.
Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1998.
Сочава В. Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978.
Experimental definition of main phases of ecosystem technogenic transformation
S.A. Buzmakov
On the establishment of the results received at biotesting of influence of oil, the description of the basic phases of technogenic transformation of an ecosystem defines also.
