CC BY
37
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.4.94-108 УДК 574.24
Д. Б. Денисов
Институт проблем промышленной экологии Севера ФИЦ КНЦ РАН
ФИТОПЛАНКТОН ВОДОЕМОВ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ В ЗОНАХ ВЛИЯНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Аннотация
Анализируются особенности развития пресноводного фитопланктона в условиях экстремального загрязнения в зоне воздействия крупнейших в Мурманской области предприятий черной и цветной металлургии. Мощное загрязнение вызвало кардинальную трансформацию структуры сообществ фитопланктона. Обосновано положительное влияние антропогенного эвтрофирования на снижении токсических эффектов. Многолетняя (1992-2018) динамика биомассы фитопланктона и содержания хлорофилла a в эвтрофируемых участках оз. Имандра позволила определить статус водоема как устойчивый мезотрофный. Показана стимулирующая роль соединений азота при массовом развитии динофитовой водоросли Ceratium hirundinella в малых озерах в зоне воздействия предприятий по добыче и переработке железных руд. Ключевые слова:
фитопланктон, озера Мурманской области, тяжелые металлы, эвтрофирование. D. B. Denisov
Institute of North Industrial Ecology Problems of the KSC of RAS
PHYTOPLANKTON OF THE LAKES OF THE MURMANSK REGION IN THE ZONES OF INFLUENCE OF THE METALLURGICAL INDUSTRY
Abstract
The condition of freshwater phytoplankton in areas exposed to pollution from some of the largest smelters in the Murmansk Region, Russia, was examined. High pollution level resulted in a radical transformation of the phytoplankton community structure. Patterns of algae growth under extreme pollution are described and the role of anthropogenic eutrophication in reducing the toxic effects is shown. Long-term (1992-2018) observations of phytoplankton biomass and chlorophyll a content in the eutrophied areas of the Imandra Lake support the lake's status as stable mesotrophic. The contribution of nitrogen compounds to the growth of Ceratium hirundinella in small lakes in the area exposed to pollution from iron ore mining and processing industry is shown. Keywords:
phytoplankton, lakes of the Murmansk Region, heavy metals, eutrophication. Введение
Состояние водорослевых сообществ (альгоценозов) является важнейшим показателем экологической обстановки и качества среды в целом и представляет собой информативный маркер стабильности экосистем. Водорослевые сообщества находятся в самом начале цепей питания, определяя структурно-функциональную организацию всей экосистемы. Водоросли тесно связаны с гидрохимическими, температурными, гидродинамическими и климатическими факторами, их видовой состав четко отражает условия окружающей среды. Они способны сами влиять на химический состав вод, особенно при массовом развитии. Доминирующие в составе альгоценозов виды зачастую определяют ход круговоротов вещества и энергии в водной экосистеме, вносят вклад в процессы самоочищения водоемов.
Пресноводные альгоценозы Евро-Арктического региона крайне чувствительны к изменениям факторов среды, включая динамику климатической системы и антропогенную нагрузку [Денисов и др., 2017]. Ранее нами было показано [Денисов, Кашулин, 2016], что отдельные представители водорослей и цианобактерий (Dolichospermum lemmermannii (Richter) Wack., Hoff. & Komar., Aulacoseira islandica
(Müll.) Simon. и др.) обладают мощным потенциалом к массовому развитию в водоемах Евро-Арктической зоны при возникновении благоприятных условий, например, при сочетании антропогенного эвтрофирования и потепления климата. Основным последствием такого развития является нарушение трофической структуры экосистемы. Так, крупноклеточные колониальные диатомеи или токсичные цианопрокариоты при массовом развитии практически не выедаются компонентом следующего трофического уровня — зоопланктоном, поэтому сформировавшаяся фитомасса не переходит на новый трофический уровень. Возможность таких явлений необходимо учитывать при экологических мониторинговых исследованиях и оценке качества вод.
Мурманская область — один из наиболее промышленно развитых регионов Арктической зоны РФ. Здесь сосредоточены крупные металлургические предприятия: ПАО «ГМК "Норильский никель"», ПАО «ФосАгро», ПАО «Северсталь» и др. Металлургическое производство — наиболее опасный источник загрязнения пресных вод как при непосредственном поступлении в водоемы сточных вод, так и в результате атмосферных выпадений. Значительный ущерб качеству вод наносит складирование отходов металлургических производств, приводящее к деградации ландшафтов и долговременному поступлению загрязняющих веществ в окружающую среду. Приемниками и естественными накопителями поллютантов служат водные объекты, расположенные в непосредственной близости к металлургическим предприятиям. Их экосистемы развиваются в условиях длительной интоксикации тяжелыми металлами (ТМ), соединениями алюминия, оксидами серы и азота. Биота этих водоемов оказывается подверженной хроническому стрессу, поскольку экстремальные природные условия дополняет высокий уровень промышленного загрязнения.
Фитопланктон малых субарктических водоемов в импактной зоне металлургических предприятий — уникальный модельный объект для анализа экологических последствий техногенного загрязнения пресных вод. Разработка и совершенствование систем биоиндикации на основе водорослевых сообществ особо актуальна в связи с мощным развитием промышленности и дальнейшим освоением стратегических ресурсов Арктической зоны РФ. В отличие от химико-аналитических методов, требующих наряду со сложным оборудованием проведения систематического мониторинга качества вод, биоиндикация на основе альгоценозов позволяет получить быструю, комплексную, интегральную оценку в виде непосредственного отклика биоты на условия окружающей среды. В этой связи перспективны исследования водорослевых сообществ, развивающихся в условиях мощной техногенной нагрузки.
Цель работы состояла в анализе видового состава и структуры альгоценозов в водных объектах, находящихся в зонах воздействия металлургической промышленности, оценке их количественных показателей, характеристике современного состояния пресноводных экосистем и выявлении причин и последствий их трансформации.
Материал и методика
Исследования сообществ фитопланктона были выполнены в двух районах Мурманской области, подверженных интенсивному промышленному загрязнению предприятиями черной и цветной металлургии: Оленегорским горно-обогатительным комбинатом АО «ОЛКОН» ПАО «Северсталь» и Мончегорской площадкой Кольской ГМК ПАО «Норильский никель» (МП КГМК) (рис. 1).
Рис. 1. Карта-схема расположения водных объектов исследования и станции отбора проб
Воздействие предприятия «ОЛКОН» на водные объекты проявляется в трансформации химического состава вод в результате поступления фильтрационных вод хвостохранилища и отвалов. Приоритетные загрязнители — сульфиды, входящие в состав железистых кварцитов, и атмосферные выбросы SO2 от МП КГМК. В водоемах отмечено повышенное, по сравнению с фоном, содержание основных ионов и увеличение минерализации воды. Содержание N03^ в некоторых озерах выше содержания главных ионов К+, С1- в пересчете на эквивалентную концентрацию, что обусловлено применением взрывчатых веществ при добыче железных руд [Даувальтер, Кашулин, 2018; Даувальтер, 2019].
Водные объекты в зоне воздействия МП КГМК подвержены интенсивному аэротехногенному загрязнению, а некоторые из них непосредственно принимают сточные воды медно-никелевого производства. Качество поверхностных вод определяется долговременной экстремальной техногенной нагрузкой, сочетающей высокие концентрации поллютантов в воде и донных отложениях, выраженную деградацию природно-ландшафтных комплексов, почвенного и растительного покрова на водосборных территориях [Даувальтер, Кашулин, 2011]. Экстремальное загрязнение привело к обеднению видового состава гидробионтов и кардинальной трансформации их сообществ по сравнению с природными [Денисов и др., 2018].
В каждом районе было выбрано по шесть водных объектов, включая разнотипные озера, а также отдельные участки акватории (губы) крупнейшего в Мурманской области оз. Имандра (табл. 1). Все исследуемые водные объекты расположены в пределах 10-километровой зоны от источников загрязнения. Исследования водных объектов в зоне воздействия «ОЛКОН» проводили в августе 2010 г., в зоне МП КГМК — в июле и августе 2016 и 2017 гг. Для анализа многолетней динамики трофического статуса губы Монче оз. Имандра использовали данные за период с 1992 по 2018 гг., включая материалы, полученные А. Н. Шаровым в 1992, 1994 и 1998 гг. [2000; 2004].
Некоторые характеристики изученных водных объектов
Объект Координаты Площадь зеркала, км2 Высота над ур. м., м
Пермусозеро 68°09'15,17"; 33°21'14,82" 24,2 142,9
Круглое 68°05'50,82"; 33°18'13,54" 1,4 130,8
Колозеро 68°13'35,45"; 33°14'08,82" 66,3 140,9
Кахозеро 68°10'17,49" 33°08'33,87" 12,2 163,9
Верхнее Старое 68°04'13,29"; 33°09'56,05" 0,8 181,6
Губа Куреньга оз. Имандра 68°03'35,17"; 33°19'39,99" 22,1 127,5
Кумужье 67°56'21,98"; 32°47'44,31" 0,2 187,2
Сопчъявр 67°54'30,70"; 32°48'01,60" 1,4 172,4
Пыслысчимъявр 67°53'57,11"; 32°53'11,51" 0,6 136,4
Травяное 67°56'26,46"; 32°51'09,78" 0,5 131,6
Нюдъявр 67°55'27,37"; 32°53'18,94" 3,78 127,6
Губа Монче оз. Имандра 67°56'08,96"; 32°59'43,24" 10,7 127,5
Отбор и анализ проб фитопланктона проводили согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 и рекомендованным стандартным методикам [Руководство..., 1992; Правила..., 2010] по описанной ранее схеме [Денисов, 2010; Денисов, Кашулин, 2013]. Биомассу фитопланктона определяли счетно-объемным методом на основе индивидуального объема клеток (или плотных колоний), рассчитанного для каждого вида по формулам объема сходных геометрических фигур [Гусева, 1959; Кузьмин, 1984; Tikkanen, 1986].
Подсчет численности и идентификацию водорослей проводили в камере Нажотта объемом 0,1 мл на световом микроскопе Motic BA300 с иммерсионным объективом. Названия таксонов приведены в соответствии с международной альгологической базой данных [Guiry, Guiry, 2019]. На основе таксономического состава фитопланктона оценивали качество вод (с определением класса) по индексу сапробности (5) методом Пантле и Букка в модификации Сладечека, согласно ГОСТ 17.1.3.07-82 [Pantle, Buck, 1955; Сладечек, 1967; Правила., 2010]. Экологические характеристики обнаруженных таксонов заимствовали из публикаций [Баринова и др., 2006].
Гидрохимический анализ выполняли в аналитической лаборатории ИППЭС КНЦ РАН согласно методикам [Руководство, 1977; Standard method, 1975]. В качестве условно фоновых использовали усредненные гидрохимические показатели озер тундры и северной тайги Мурманской области, удаленных от промышленных предприятий [Моисеенко, Яковлев, 1990; Кашулин и др., 2013, а, б; Валькова и др., 2015]. Трофический статус вод оценивали по классификации, предложенной С. П. Китаевым [2007].
Для определения концентрации хлорофилла a пробы воды объемом 600 мл пропускали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,47 мкм с помощью шприца Millipore c фильтровальной насадкой. Процедуру проводили непосредственно на водоеме, чтобы избежать изменений содержания фотосинтетических пигментов при транспортировке проб воды. Хлорофилл экстрагировали раствором ацетона (90 %), оптическую плотность экстрактов измеряли на спектрофотометре Hitachi UV-VIS-181. Концентрации фотосинтетических пигментов рассчитывали общепринятыми в мировой и отечественной практике методами [Determination ..., 1966, Минеева, 2004].
Для оценки условий обитания фитопланктона в водных объектах в зоне воздействия МП КГМК рассчитывали комплексный коэффициент, связывающий две группы наиболее значимых факторов: антропогенное эвтрофирование и токсическое воздействие ТМ:
тг,т,„ . /пч концентрация Cd+Pb
К (Met/P) = —-——---—.
концентрация Р( общ)
В основу этого соотношения легло предположение о том, что одним из факторов устойчивости планктона к токсической нагрузке можно считать избыток биогенных элементов (Денисов и др., 2018). Для расчета были выбраны наиболее токсичные ТМ — кадмий и свинец, концентрации которых в водах исследуемых озер многократно превышают фоновые показатели (табл. 2). Показателем уровня эвтрофикации вод было содержание в них общего фосфора.
Результаты и обсуждение
Воздействие предприятий черной металлургии. Химический состав вод в озерах, расположенных в зоне влияния предприятия «ОЛКОН», на период отбора проб характеризовался повышенным по сравнению с фоном содержанием Ni и Cu, сульфатов и соединений азота (табл. 2). Экстремально высокое содержание нитратов, на три порядка превышающее фоновые значения, было зафиксировано в оз. Верхнее Старое, на берегах которого расположены отвалы «ОЛКОН». Несмотря на поступление сточных вод железорудного производства, концентрации железа в этих озерах находятся на уровне фоновых показателей, что можно объяснить повышенной величиной рН вод, при которой снижается растворимость соединений железа.
В составе фитопланктона были обнаружены водоросли и цианопрокариоты, относящиеся к 61 таксону рангом ниже рода, в том числе: Bacillariophyta — 39, Chlorophyta — 6, Cyanobacteria — 5, Charophyta — 4, Dinophyceae — 3, Chrysophyceae и Cryptophyta — по 2 таксона. Типичными представителями диатомовых водорослей были Aulacoseira islandica (O. Müll.) Simons, A. subarctica (O. Müll.) Haworth, A. ambigua (Grun.) Simons., Tabellaría fenestrata Kütz., Asterionella formosa Hass., Fragilaria capucina subsp. rumpens (Kütz.) Lange-Bert. Золотистые водоросли были представлены Dinobryon bavaricum Imh., динофитовые — Ceratium hirundinella (O. Müll.) Dujar., цианопрокариоты — Tychonema bornetii (Zukal) Anagnost. & Kom. Структура фитопланктона с доминированием диатомовых и золотистых водорослей выявлена в большинстве исследованных озер и типична для арктических водоемов. Массовыми являются преимущественно космополитные эврибионтные таксоны, способные развиваться как в эвтрофируемых, так и в олиготрофных водах. Позиции субдоминантов занимали водоросли, характерные для мезотрофных вод: Tabellaria flocculosa (Roth) Kütz., Asterionella formosa, Fragilaria capucina Desm., F. crotonensis Kitt.
Средний уровень биомассы изменялся в пределах 0,2-2,14 г/м3, численность — от 90 до 742 тыс. экз/м3 (рис. 2). Исключением оказалось оз. Верхнее Старое с аномально высоким уровнем биомассы фитопланктона (свыше 34 г/м3), обусловленным интенсивным развитием крупноклеточной (с размерами клеток свыше 450 мкм в длину и 20-60 мкм в ширину) динофитовой водоросли Ceratium hirundinella.
Средние гидрохимические характеристики водоемов в зоне влияния предприятий АО «ОЛКОН» (2010 г.)
рН :ЫН4, мкгМл 8О4, мг/л N03, мкгМл С1, мг/л Мобщ), мкгМл РО4, мкгР/л Р(общ), мкг/л ТОС, мгС/л Си, мкг/л N1, мкг/л Ре, мкг/л
1 7,10 7,5 2,52 3,5 2,45 328,75 2,00 3,25 7,4 2,13 1,30 112,50
2 7,31 13,0 16,63 5,0 5,00 239,00 1,00 3,00 3,7 4,00 5,00 23,25
3 7,17 9,0 2,74 1,0 3,03 266,25 1,50 3,25 6,7 2,15 1,20 63,25
4 7,46 2,0 17,93 0,0 2,61 320,25 2,00 4,50 4,6 2,35 2,13 27,30
5 7,25 32,0 12,65 617,5 2,76 1405,00 1,00 3,00 6,4 4,35 5,05 59,00
6 7,53 87,5 35,85 4950,0 6,25 6580,00 1,50 2,00 5,2 2,25 5,55 17,00
Ф 6,80 15,0 2,00 3,5 1,60 130,00 0,80 6,00 5,00 < 1,00 < 1,00 92,00
Примечание. Водоемы: 1 — Пермусозеро; 2 — губа Куреньга оз. Имандра; 3 — Круглое; 4—Колозеро; 5 — Кахозеро; 6—Вернее Старое; ф—условно фоновые.
чо
9
а б в
Рис. 2. Структура сообществ фитопланктона в водных объектах в зоне влияния АО «ОЛКОН»: а — биомасса, г/м3; б — соотношение численности крупных таксономических категорий, %; в — численность, тыс. экз/м3; 1 — Пермусозеро; 2 — губа Куреньга оз. Имандра; 3 — оз. Круглое; 4 — Колозеро; 5 — Кахозеро; 6 — оз. Верхнее Старое
Обилие этого вида — результат избытка доступных биогенных элементов (главным образом нитратов), а также низкого уровня водообмена и сравнительно малых размеров самого озера, в которое поступают воды с карьеров, дачных поселков и отстойника АО «ОЛКОН». C. hirundinella — планктонный вид-космополит, встречается в водоемах различного типа и способен к массовому развитию при относительно высоких температурах воды [Трифонова, 1990]. Дополнительным фактором, стимулирующим массовое развитие динофлагеллят, могло быть рекордное количество положительных аномалий температуры, отмеченное в регионе в 2010 г. [Доклад..., 2011]. Фоновые значения биомассы летнего фитопланктона в озерах северной тайги Кольского полуострова не превышают 0,56 г/м3 [Летанская, 1974]. Среди исследованных озер наиболее близкими к этому пределу остаются озера Колозеро, Пермусозеро и губа Куреньга оз. Имандра. В остальных водоемах, вследствие развития процессов эвтрофикации вод, уровень биомассы превышал фоновые значения на порядок, а в оз. Верхнее Старое — на два порядка.
Нормой содержания хлорофилла а в период открытой воды для Кольского полуострова считается 0,2-0,3 мг/м3 [Никулина, 1975]. Во всех исследованных озерах этот показатель оказался на порядок выше. Максимальное содержание хлорофилла а (мг/м3) было зафиксировано в озерах Верхнее Старое (4,06) и Кахозеро (3,71), минимальное — в озерах Пермусозеро (1,56) и Круглое (1,03). Промежуточное положение занимали губа Куреньга оз. Имандра (2,24) и оз. Колозеро (2,18). Сравнительно невысокое содержание хлорофилл a в оз. Верхнее Старое при экстремально высоких значениях биомассы может быть связано с низкой фотосинтетической активностью доминирующей динофитовой водоросли C. hirundinella, способной к миксотрофии, то есть сочетанию автотрофного питания с гетеротрофным (Jacobson, Anderson, 1986).
Содержание биогенных элементов является наиболее значимым гидрохимическим фактором, определяющим качественный состав и количественные показатели фитопланктона исследованных водоемов. Концентрация фосфатов во всех озерах на период исследований на порядок превышала фоновые показатели, при этом содержание общего фосфора соответствовало фоновому (табл. 2). Установлены интересные зависимости биомассы водорослей от концентрации биогенов в воде: для динофлагеллят — от нитратов, диатомей — от фосфатов, цианопрокариот — от содержания общего фосфора (рис. 3).
Рис. 3. Биомасса водорослей в зависимости от концентрации биогенных элементов в зоне влияния АО «ОЛКОН»: Bacill — диатомовые водоросли (Bacillariphyta); Cyan — цианопрокариоты (Cyanobacteria); Dino — динофитовые водоросли (Dinophyta)
По степени сапробности (5), рассчитанной по показателям фитопланктона, водоемы находились в пределах от олигосапробной (о) до бетамезосапробной (ß) категории. Класс качества вод варьировал от I (очень чистые) до III (умеренно загрязненные) в пределах лимносапробной категории. Наименьшее значение индекса S (0,93) было характерно для оз. Колозеро, наибольшее — (2,28) для оз. Круглое.
Воздействие предприятия цветной металлургии. Воды озер, исследованных в зоне влияния Мончегорской площадки «Кольской ГМК», характеризуются многократным превышением содержания загрязняющих веществ — ТМ (Cu, Ni, Pb, Cd) и сульфатов, а также биогенных элементов (табл. 3). Наибольшие концентрации хлоридов, сульфатов, меди и никеля, на два порядка превышавшие фоновые показатели, наблюдались в оз. Нюдъявр — непосредственном приемнике сточных вод МП КГМК. Воды озера в настоящее время могут рассматриваться как слабосоленые [Даувальтер, Кашулин, 2011]. Гидрохимические условия формирования качества вод остальных озер отражают преимущественно результат аэротехногенного загрязнения. Для губы Монче оз. Имандра характерно сочетание обоих путей поступления поллютантов. Очевидно, экосистемы озер развиваются под комплексным влиянием двух основных факторов: биогенного и токсического.
В составе фитопланктона исследованных водных объектов выявлено 89 таксонов водорослей и цианопрокариот рангом ниже рода: Bacülariophyta — 43, Chlorophyta — 15, Charophyta — 12, Cyanobacteria — 8, Dinophyceae — 5, Chrysophyceae — 3, Euglenophyta и Cryptophyta — по 1 таксону. Все исследованные озера резко различались по таксономическому составу, доминирующим таксонам и видовому богатству фитопланктона (рис. 4). В оз. Кумужье типичными были представители цианопрокариот Pseudanabaena limnetica (Lemm.) Kom., динофлагелляты Peridinium bipes Stein, диатомеи Aulacoseira alpigena (Grun.) Kramm., Tabellaria flocculosa, зеленые водоросли Chlorella mucosa Korsh., харовые водоросли Spondylosium secedens (De Bary) Arch. и Spirogyra sp. В оз. Сопчъявр обнаружены зеленые нитчатые водоросли рода Ulothrix, представители рода Chlamydomonas и динофлагелляты P. bipes. В оз. Пыслысчимъявр доминировали динофлагелляты P. bipes, встречались диатомовые Aulacoseira alpigena (Grun.) Kram. В оз. Травяное абсолютным доминантом была цианобактерия P. limnetica. Большим таксономическим богатством характеризовалось оз. Нюдъявр, где доминировали диатомеи Fragilaria capucina subsp. rumpens (Kütz.) Lange-Bert., F. capucina var. gracilis (Oestr.) Huste., Surirella brebissonii Kram. & Lange-Bert., зеленые водоросли Stigeoclonium longipilum Kütz. и цианопрокариоты Anabaena sp. Фитопланктон губы Монче оз. Имандра соответствовал таковому в эвтрофируемых участках оз. Имандра [Денисов, Косова, 2017] с доминированием видов Asterionella formosa, A. islandica, Fragilaria crotonensis Kitt. и отличается наибольшим таксономическим богатством.
В целом видовой состав и структура сообществ фитопланктона всех исследованных водоемов кардинально отличались от фоновых озер Мурманской области высокой долей цианопрокариот и динофлагеллят, что является одним из показателей токсической нагрузки. В малых озерах в составе фитопланктона присутствовали нитчатые водоросли, характерные для обрастаний. Отдельные черты природных водоемов сохраняет альгофлора губы Монче оз. Имандра, где высока доля диатомовых и присутствуют золотистые водоросли (Dinobryon divergens Imh. и Synura sp.), что объясняется сравнительно большими размерами водного объекта и выраженными водообменными процессами. Альгофлора губы Монче оз. Имандра сохранила черты природных водоемов, что объясняется сравнительно большими размерами водного объекта и выраженными водообменными процессами; здесь была высокой доля диатомей и присутствовали золотистые водоросли Dinobryon divergens Imh. и Synura sp.
о 2
Таблица 3
Средние гидрохимические характеристики озер в зоне влияния МПКГМК (2016-2017 гг.)
рн :ЫН4, мкгЫ/л 8О4, мг/л N03, мкгМл С1, мг/л Мобщ), мкгМл РО4, мкгР/л Р(общ), мкг/л ТОС, мгС/л Си, мкг/л №, мкг/л РЬ, мкг/л СсС, мкг/л
1 6,89 31,00 14,00 13,43 0,80 174,00 6,00 10,71 3,65 16,43 77,80 0,34 0,02
2 7,06 17,00 20,26 139,14 4,34 288,57 4,29 12,14 2,52 41,03 270,29 1,40 0,04
3 6,70 16,00 26,47 15,71 1,24 252,43 2,43 9,29 4,44 98,59 275,57 0,44 0,12
4 6,97 38,71 13,22 46,29 4,49 350,86 6,71 20,29 6,54 177,29 186,14 0,86 0,08
5 8,62 74,00 550,00 95,86 241,91 518,14 19,00 41,43 4,85 199,46 335,29 0,50 0,10
6 7,10 60,50 24,90 5,00 11,00 328,00 6,00 26,00 4,32 10,50 0,66 - 0,01
ф 6,80 15,00 2,00 3,50 1,60 130,00 0,80 6,00 5,00 < 1,00 < 1,00 0,00 0,00
Примечание. Озера: 1 — Кумужье; 2 — Сопчъявр; 3 — Пыслысчимъявр; 4 — Травяное; 5 — Нюдъявр; 6 — губа Монче оз. Имандра, ф — условно фоновые.
а б в
Рис. 4. Структура сообществ фитопланктона в водных объектах в зоне влияния МП КГМК: а — биомасса, г/м3; б — соотношение численности крупных таксономических категорий, %; в — численность, тыс. экз/м3. Озера: 1 — Кумужье; 2 — Сопчъявр; 3 — Пыслысчимъявр; 4 — Травяное; 5 — Нюдъявр; 6 — губа Монче оз. Имандра
Губа Монче подвержена процессам длительного антропогенного эвтрофирования. По уровню биомассы фитопланктона и содержанию хлорофилла а в период с 1992 по 2018 гг. воды губы соответствовали мезотрофному статусу, а в некоторые годы достигали эвтрофного. Рост трофического статуса происходил в период с 1992 по 2006 г., затем количественные показатели фитопланктона снижались (рис. 5). К сожалению, нерегулярность проводимых отборов проб не дает оснований для заключения о дальнейшем снижении трофического статуса вод. Очевидно, развитие экосистемы губы Монче в условиях длительного загрязнения и эвтрофирования привело к формированию сравнительно стабильной альгофлоры, численные показатели которой соответствуют мезотрофным водам, что подтверждается гидрохимическими показателями.
а б
Рис. 5. Изменение трофического статуса вод губы Монче оз. Имандра в 1992-2018 гг.: а — биомасса фитопланктона, г/м3; б — содержание хлорофилла а, мг/м3
Средний уровень биомассы фитопланктона был не высоким — в пределах 0,13-3,43 г/м3, при этом численность варьировала в широких пределах от 88 до 56,979 тыс. экз/м3 (рис. 4). Самая высокая биомасса была отмечена в губе Монче, в остальных водоемах количественные показатели фитопланктона соответствовали олиготрофным водам. Максимально высокой численностью фитопланктона отличалось оз. Травяное, где в массе развивалась цианобактерия Pseudanabaena ИтпеЫса. Содержание хлорофилла а в планктоне варьировало в диапазоне 0,51-6,98 мг/м3, наибольшей фотосинтетической активностью характеризовались альгоценозы губы Монче оз. Имандра, наименьшей — оз. Кумужье.
По степени сапробности (5) все водоемы находились в пределах от ксеносапробной (х) до бетаолигосапробной (Р-<э) категории. Класс качества вод варьировал от I (очень чистые) до III (умеренно загрязненные) в пределах лимносапробной категории. Минимальное значение индекса 5 (0,36) было характерно для оз. Сопчявр, наибольшее (1,60) — для оз. Травяное. Применение индекса 5 для оценки качества вод в водоемах, подверженных интенсивному загрязнению предприятиями цветной металлургии, ограничено вследствие двух причин: предельно малого числа таксонов, недостаточного для расчета количества сапробионтов, и выраженной токсической нагрузки, подавляющей развитие водорослей даже при наличии достаточного количества биогенных элементов
(соединений азота и фосфора). В рассматриваемом случае объективно заниженные значения индекса S в условиях биогенной нагрузки можно учитывать в качестве индикатора токсического загрязнения вод.
Одним из факторов устойчивости планктонных организмов к токсической нагрузке может быть достаточное количество биогенных элементов. Чрезмерные концентрации токсикантов замедляют процессы эвтрофирования, что демонстрирует низкий трофический статус озер по показателям фитопланктона [Денисов и др., 2018]. Для изученных озер характерно различное сочетание трофической и токсической нагрузки, что затрудняет поиск общих закономерностей на фоне высокой вариабельности батиметрических, гидрологических, ландшафтно-географических и других условий. Достоверных зависимостей показателей фитопланктона от гидрохимических характеристик, включая содержание биогенных элементов и концентрацию ТМ, выявлено не было. Эти показатели связывает коэффициент K (Met/P), использование которого позволяет с определенной долей условности проанализировать комплексное воздействие как трофической, так и токсической нагрузки на альгоценозы. Так, выявлена связь коэффициента K с таксономическим разнообразием фитопланктона, выраженным числом видов и уровнем биомассы (рис. 6).
О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 о 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
К (Met/P) к (Met/P)
Рис. 6. Зависимость числа видов и биомассы фитопланктона от соотношения концентрации металлов (Cd и Pb, мкг/л) и содержания общего фосфора (мкг/л) в водных объектах в зоне влияния МП КГМК
Токсичные тяжелые металлы (Cd и Pb) угнетают фотосинтетическую активность фитопланктона, биогенные элементы, напротив, способствуют интенсификации фотосинтеза. Следовательно, водорослевые сообщества, развивающиеся в условиях достаточного количества или избытка биогенных элементов, способны активнее противостоять токсической нагрузке. Таким образом, величина K (Met/P) позволяет оценить качество вод и состояние водных объектов с различным соотношением токсической и трофической нагрузки.
Полученные зависимости позволяют ранжировать исследованные водные объекты в направлении увеличения степени деградации их экосистем следующим образом: губа Монче - Нюдъявр - Кумужье - Травяное - Пыслысчимъявр - Сопчъявр. Очевидно, что степень нарушения экосистем максималена у малых озер с низким уровнем водообмена, находящиеся в непосредственной близости к МП КГМК. Более крупные водные объекты (оз. Нюдъявр и губа Монче оз. Имандра) за счет избытка биогенных элементов и выраженного водообмена обладают определенной
устойчивостью экосистем, несмотря на прямое поступление сточных вод цехов МП КГМК. Промежуточное положение занимает оз. Кумужье, водосборная территория которого в наименьшей степени подвержена влиянию деятельности МП КГМК, однако характеризуется уязвимостью экосистем к аэротехногенному загрязнению из-за отсутствия источника биогенных элементов.
Заключение
Водоемы Мурманской области, находящиеся в непосредственной близости от металлургических предприятий, характеризуются кардинальными отличиями гидрохимических условий формирования качества вод, при которых многократно превышены условно фоновые показатели и по токсичным тяжелым металлам, включая кадмий и свинец, и по биогенным элементам — соединениям фосфора и азота. Экстремальные условия обитания водорослей и цианопрокариот в наибольшей степени реализуются в малых озерах с низким уровнем водообмена, расположенных в непосредственной близости от источников загрязнения в пределах техногенно трансформированного ландшафта.
Исследования [Баринова, 2018] показали, что нитратный азот исчерпывается организмами-автотрофами во всех случаях, когда фотосинтезу не препятствуют негативные воздействия, например, токсическое загрязнение. В большинстве исследованных водоемов содержание NO3 превышало фоновые показатели, что свидетельствовало о подавлении в различной степени фотоситетической активности фитопланктона в результате токсического воздействия высоких концентраций металлов.
Воздействие предприятия черной металлургии «ОЛКОН» на фитопланктон проявляется в основном в экстремально высоких концентрациях NO3 и NH4, поступающих в водоемы вследствие использования нитрат-содержащих взрывчатых веществ при добыче руды. Так, превышение фоновых концентраций нитратов на три порядка, наряду с положительными аномалиями температуры воздуха в 2010 г., вызвало массовоое развитие динофлагеллят (C. hirundinella), при котором общая биомасса фитопланктона достигла 34,8 г/м3. При этом фотосинтетическая активность C. hirundinella оказалась низка вследствие способности к миксотрофному питанию. Соединения железа существенного воздействия на фитопланктон, по-видимому, не оказывают, так как повышенные значения pH снижают их растворимость. Большинство исследованных водных объектов сохранили черты альгофлоры, характерные для фоновых арктических озер с доминированием диатомовых и золотистых водорослей.
Более негативные последствия токсического воздействия на фитопланктон наблюдались в зоне предприятия цветной металлургии МП КГМК. Таксономическая структура фитопланктона кардинально отличалась от типичной для арктических вод из-за высокой доли цинопрокариот и динофлагеллят. Малые озера, расположенные в непосредственной близости от источника загрязнения, предельно обедненны по таксономическому составу (менее 10 таксонов рангом ниже рода). При этом количествнные показатели могут быть значительными: в результате массового развития Pseudanabaena limnetica в оз. Травяное численность фитопланктона достигала 57 тыс. экз/м3. Крупные размеры озера, наряду с интенсивным водообменом и наличием избытка биогенных элементов (соединений фосфора и азота), способствуют устойчивости водорослей к токсическому загрязнению. Выявлена зависимость показателя K (Met/P), суммирующего трофическую и токсическую нагрузку, от числа видов и уровня биомассы фитопланктона, что подтверждает способность альгоценозов противостоять токсическому воздействию при наличии достаточного количества элементов минерального питания, в первую очередь
соединений фосфора. Установлено, что воды губы Монче оз. Имандра имеют мезотрофный статус, начиная, как минимум, с 1992 г. и по настоящее время. Это привело к формированию сравнительно устойчивого сообщества фитопланктона, представленного преимущественно диатомовыми водорослями. Использование индекса сапробности S для оценки качества вод в условиях загрязнения предприятиями цветной металлургии должно производиться с учетом токсической нагрузки, которая существенно занижает расчетные значения; при этом индекс может выступать в качестве косвенного индикатора факта токсического воздействия на альгоценозы.
Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания ИППЭС КНЦ РАН, тема: «Закономерности функционирования арктических пресноводных экосистем в условиях изменения климата и усиления антропогенного воздействия» (№ AAAA-A19-119041890010-4) и частично поддержана из средств гранта РФФИ 18-05-60142 «Арктика».
Литература
Баринова С. С., Медведева Л. А., Анисимова О. В. Биоразнообразие водорослей-индикаторов окружающей среды. Тель-Авив: Pilies Studio, 2006. 498 с.
Баринова С. С. Проблема интегральной оценки токсического влияния на фотосинтетические организмы в водных экосистемах // Водные биоресурсы и среда обитания. 2018. Т. 1, № 1. С. 39-43.
Валькова С. А., Денисов Д. Б., Терентьев П. М., Вандыш О. А., Кашулин Н. А. Гидробиологическая характеристика некоторых малых озер зоны северной тайги (Кольский полуостров) // Труды КарНЦ РАН. 2015. № 4. С. 79-93.
Гусева К. А. К методике учета фитопланктона // Тр. Ин-та биологии водохранилищ. Л., 1959. Т. 2. С. 44-51.
Даувальтер В. А. Гидрохимия озер в зоне влияния стоков производства железорудного сырья // Вестник МГТУ. 2019. Т. 22, № 1. С. 167-176.
Даувальтер В. А., Кашулин Н. А. Эколого-экономическая оценка необходимости извлечения донных отложений оз. Нюдъявр Мончегорского района Мурманской области // Вестник МГТУ. 2011. Т. 14, № 4. С. 884-891
Даувальтер В. А., Кашулин Н. А. Оценка экологического состояния водных объектов в зоне влияния деятельности АО «Олкон» (Оленегорский ГОК) // Наука и образование в Арктическом регионе: мат-лы междунар. науч.-практ. конф. Мурманск: МГТУ, 2018. С. 186-192.
Денисов Д. Б. Экологические особенности водорослевых сообществ разнотипных субарктических водоемов // Вестник КНЦ РАН. 2010. № 1. С. 48-55.
Денисов Д. Б., Валькова С. А., Терентьев П. М., Сандимиров С. С., Вандыш О. И. Современное состояние экосистемы оз. Имандра в зоне влияния Кольской АЭС (Мурманская область) // Вода: химия и экология. 2017. № 6. С. 41-51.
Денисов Д. Б., Валькова С. А., Терентьев П. М., Черепанов А. А., Разумовская А. В. Экологическая характеристика малых озер в зоне деятельности Мончегорской площадки АО «Кольская ГМК» // Труды КарНЦ РАН. Серия: Лимнология и океанология. 2018. № 9. С. 65-76.
Денисов Д. Б., Кашулин Н. А. Современное состояние водорослевых сообществ планктона в зоне влияния Кольской АЭС (оз. Имандра) // Труды КНЦ РАН. Серия: Прикладная экология Севера. 2013. № 3 (16). С. 70-96.
Денисов Д. Б., Кашулин Н. А. Цианопрокариоты в составе планктона оз. Имандра (Кольский полуостров) // Труды КНЦ РАН. Серия: Прикладная экология Севера. 2016. Вып. 4, № 7 (41). С. 40-56.
Денисов Д. Б., Косова А. Л. Разнообразие диатомовых водорослей (Bacillariophyta) озера Имандра (Кольский полуостров) // Труды XIV Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. Апатиты, 2017. С. 448-450.
Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2010 год. М., 2011. 66 с.
Кашулин Н. А., Сандимиров С. С., Даувальтер В. А., Кудрявцева Л. П., Терентъев П. М., Денисов Д. Б., Вандыш О. И., Королева И. М., Валькова С. А., Кашулина Т. Г. Аннотированный экологический каталог озер Мурманской области: центральный и юго-западный районы Мурманской области (бассейны Баренцева и Белого морей и Ботнического залива Балтийского моря). Апатиты: КНЦ РАН, 2013 а. Ч. 1. 298 с. 2013 б. Ч. 2. 253 с.
Китаев С. П. Основы лимнологии для гидробиологов и ихтиологов. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2007. 395 с.
Кузьмин Г. В. Таблицы для вычисления биомассы водорослей. Магадан, 1984. 48 с.
Летанская Г. И. Фитопланктон и первичная продукция озер Кольского полуострова // Озера различных ландшафтов Кольского полуострова. Л., 1974. Ч. 2. С. 143-179.
Минеева Н. М. Растительные пигменты в воде волжских водохранилищ. М.: Наука, 2004. 156 с.
Моисеенко Т. И., Яковлев В. А. Антропогенные преобразования водных экосистем Кольского Севера. Л.: Наука, 1990. 221 с.
Никулина В. Н. Фитопланктон // Биологическая продуктивность северных озер. В 2-х ч. Ч. 2: Озера Зеленецкое и Акулькино. Л.: Наука. 1975. С. 37-52.
Правила контроля качества воды водоемов и водотоков. ГОСТ 17.1.3.07-82 // Контроль качества воды: сб. ГОСТов. М.: Стандартинформ, 2010.
Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений / В. А. Абакумов (ред.). СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 318 с.
Сладечек В. Общая биологическая схема качества воды. Санитарная и техническая гидробиология. М.: Наука, 1967. С. 26-31.
Трифонова И. С. Экология и сукцессия озерного фитопланктона. Л.: Наука, 1990. 184 с.
Шаров А. Н. Структура фитопланктона водоемов Крайнего Севера в условиях техногенного загрязнения: дисс. ... канд. биол. наук. Апатиты, 2000. 168 с.
Шаров А. Н. Фитопланктон водоемов Кольского полуострова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2004. 113 с.
Determination of photosynthetic pigments in sea water: monography / Rep. of SCOP-UNESCO Working Group 17. Paris, UNESCO. 1966. P. 9-18.
Guiry M. D., Guiry G. M. Algae base // World-wide electronic publication. National University of Ireland. Galway, 2019. URL: http://www.algaebase.org
Jacobson D. M., Anderson D. M. The cate heterotrophic dinoflagellates: feeding behavior and mechanisms // J. Phycol. 1986. Vol. 22. P. 249-258.
Pantle R., Buck H. Die biologische Uberwachung der Gewasser und die Darstellung der Ergebnisse. Gas- und Wasserbach. 96 (18). 1955. 604 s.
Standard method for examination for water and wastewater / L. S. Clescerl et al. (eds.). USA, 1975. 119 p.
Tikkanen T.Kasviplanctonopas. Suomen Luonnonsuojelun Tuki Oy. Helsinki. 1986. 279 p.
Сведения об авторе
Денисов Дмитрий Борисович
кандидат биологических наук, заведующий лабораторией водных экосистем Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, Апатиты [email protected]
Denisov Dmitry Borisovich
PhD (Biology), Head of the Laboratory of the Aquatic Ecosystems of Institute of North Industrial Ecology Problems of the Kola Science Center of RAS, Apatity, [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.4.108-122 УДК 631.466
М. В. Корнейкова, В. В. Редькина, В. А. Мязин, Н. В. Фокина, Р. Р. Шалыгина
Институт проблем промышленной экологии Севера ФИЦ КНЦ РАН
МИКРООРГАНИЗМЫ ПОЧВ ПОЛУОСТРОВА РЫБАЧИЙ
Аннотация
В статье приведены результаты исследований микробных сообществ в органогенном горизонте тундровых почв п-ова Рыбачий (Мурманская область): Al-Fe-гумусовых подзолов, подбуров, сухо-торфяных и торфяно-болотных низинных, примитивных криогенных и каменистых почв. Дана характеристика фототрофного (водоросли и цианобактерии) и гетеротрофного (бактерии, микроскопические грибы) компонентов, характеризующих продукционный и деструкционной потенциал почв. Микробиологические данные дополнены характеристикой физико-химических свойств изученных почв. Численность бактерий и микромицетов, длина и биомасса грибного мицелия определены методами прямого счета и посева на твердые питательные среды. Видовое разнообразие микроскопических грибов, микроводорослей и цианобактерий охарактеризовано по культурально-морфологическим признакам. Отмечено сходство почв альфегумусового отдела для п-ова Рыбачий и Кольского п-ова по количественным показателям микробных сообществ, за следующим исключением: показатели длины и биомассы грибного мицелия в органогенных горизонтах почв Рыбачьего заметно выше. Разнообразие почвенных микромицетов было представлено 12 видами. В органогенных горизонтах подбуров, сухо-торфяных, торфяно-болотных почв и подзолов по обилию и частоте встречаемости доминировал вид Pénicillium decumbens, в примитивных каменистых почвах — виды P. raistrickii и P. glabrum, в примитивных криогенных — Mortierella stylospora. Обнаружено 80 видов водорослей и цианобактерий. Наиболее богаты видами органогенные горизонты сухо-торфяных и торфяно-болотных низинных почв Рыбачьего, где цианобактерии, зеленые и диатомовые водоросли вносили равный вклад в общее видовое разнообразие. Остальные типы почв характеризовались низким числом видов микрофототрофов с преобладанием зеленых водорослей классов Chlorophyceae и Trebouxiophyceae.
Ключевые слова:
бактерии, микроскопические грибы, водоросли, цианобактерии, биоразнообразие, тундровые почвы, органическое вещество, полуостров Рыбачий.
