CC BY
60
УДК 577.472
ЛЕД КАК КОМПОНЕНТ БИОСФЕРЫ И КОНЦЕНТРАТОР ТОКСИЧНЫХ
ВЕЩЕСТВ
Л.М. Кондратьева
Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН,
Хабаровск
Эл. почта: kondrlm@rambler.ru Статья поступила в редакцию 22.06.09, принята к печати 20.11.09
Лед рассматривается как компонент биосферы, связанный потоками вещества с разными геосферами. В ледовых образованиях происходят сложные биогеохимические процессы, формируются специфические экологические ниши для фототрофных (криоперифитон) и гетеротрофных (криомикробоценозы) организмов. Обсуждается концентрирование токсичных веществ в контактной зоне вода-лед в течение зимнего периода. На примере рек Амур и Сунгари анализируется послойное распределение поллютантов во льдах после техногенной аварии на нефтеперерабатывающем заводе в городе Цзилинь (Китай).
Ключевые слова: биосфера, криосфера, речной лед, поллютанты, криобиоценозы.
ICE AS A COMPONENT OF THE BIOSPHERE AND AN ACCUMULATOR OF
TOXIC SUBSTANCES
L.M. Kondratjeva
Institute of Aqueous and Environmental Problems, Far East Branch of the Russian Academy of Sciences,
Khabarovsk, Russia E-mail: kondrlm@rambler.ru
Ice is discussed as a component of the biosphere, which is interrelated with different geospheres via fluxes of substances. Glacial formations are involved in complex biogeochemical processes and provide specific ecological niches for phototrophic (cryoperiphyton) and heterotrophic (cryomicrobiocenosis) organisms. Examples of accumulation of toxic substances at the ice-water interface during winter are provided. The stratified distribution of pollutants in ice after the anthropogenic accident at an oil refinery in Chilin (China) is exemplified with the rivers Amur and Sungari. Keywords: biosphere, cryosphere, river ice, pollutants, cryobiocenosis.
Введение
Глубокое познание функционирования биосферы предполагает детальное изучение роли живого вещества в разнообразных процессах, происходящих во всех составляющих ее компонентах: атмосфере, литосфере и гидросфере. В.И. Вернадский подчеркивал, что если рассматривать биосферу как случайное явление на Земле, тогда «исчезает из нашего научного кругозора на каждом шагу проявляющееся влияние живого на ход земных процессов, не случайное развитие жизни на Земле и не случайное образование на поверхности планеты, на ее границе с космической средой, особой охваченной жизнью оболочки - биосферы» [3, с. 6). Безусловно доказанным является существование жизни во всех структурных компонентах биосферы. Однако довольно часто сложные биогеохимические процессы рассматриваются разными специалистами отдельно друг от друга, что служит препятствием для понимания единого целого по состоянию его составляющих.
Известно, что формирование качества воды в гидросфере осуществляется под влиянием многочисленных эндогенных и экзогенных факторов. В последнее время все больше стало уделяться внимания изучению био-
геохимических процессов в контактных зонах гидросферы: вода-воздух, вода-взвеси, вода-дно, вода-лед [17]. Пространственно-временная целостность гидросферы, сезонность воздействия отдельных факторов определяют актуальность изучения гляциохимических и биохимических процессов, происходящих во льдах. Лед выполняет особую роль в качестве биогеохимического барьера между различными геосферами. Взаимодействуя с атмосферой и гидросферой, лед выступает мощным аккумулятором токсичных веществ [14-15, 26].
Наши представления о роли льдов в функционировании биосферы могут намного расшириться при использовании геоэкологического подхода в их исследовании, особенно если обращать внимание на органическую составляющую льдов и «живое вещество». Само понимание геоэкологии как междисциплинарной науки, изучающей «экологические функции абиотических сфер Земли, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под влиянием природных и техногенных причин в связи с жизнью и деятельностью биоты и прежде всего - человека» [27, с. 181], определяется тем, что фазовые составы преоб-
ладающей части вещества литосферы, поверхностной гидросферы и атмосферы принципиально различны, поэтому создаваемые в них экологические условия будут оказывать существенное влияние на биологическое разнообразие биосферы. Особое положение среди геосфер занимает криосфера и ее специфическое геохимическое образование - лед. Использование льда в качестве объекта исследований экологического состояния многих рек Сибири и Дальнего Востока позволяет ответить на целый ряд вопросов, связанных с оценкой глобального, регионального и локального влияния загрязнения поверхностной гидросферы на биоту в целом, включая человека; установить закономерности формирования качества воды при совместном воздействии природных и антропогенных факторов в период ледостава; представить естественно-научное обоснование современной системы нормирования уровня загрязнения природных вод и оценить степень риска при техногенных авариях в зимний период.
Связь льдов с различными геосферами
Придерживаясь концепции В.И. Вернадского [3] о взаимодействии структурных компонентов биосферы, можно утверждать, что все эти геосферы принимают непосредственное участие в формировании химического состава льдов. Так, эмиссия различных промышленных поллютантов и углеводородов пирогенного происхождения в атмосферу приводит к значительному загрязнению поверхностных слоев льда. Лед называют «архивом» химических соединений, мигрирующих в атмосфере в течение нескольких веков [34]. Загрязнение арктических морей и их компонентов (вода, донные отложения, лед, гидробионты) хлорорганическими пестицидами также происходит в результате атмосферного переноса и речного стока из районов Северного полушария [5].
Послойное исследование кернов льда на севере Тихоокеанского региона позволяет через «химические сигналы» описать динамику эмиссии, транспорта и
осаждения ионов железа, поступающих из Азии во время пыльных бурь. По льдам Аляски производят реконструкцию не только климата, но и специфики деградации почв [33]. Наиболее яркое взаимодействие литосферы и криосферы рассматривается на примере припайных льдов [23, 25]. Вынос льдов с речным стоком определяет температурный режим и биопродуктивность Охотского и Японского морей [35]. При доминировании северо-восточных ветров токсичные вещества, поступающие в период ледостава из реки Амур, при медленной трансформации мигрируют вдоль восточного побережья острова Сахалин по направлению к островам Японии [32].
Криогенная метаморфизация химического состава природных вод - чрезвычайно важный процесс, происходящий в водных экосистемах в период ледостава. При образовании и таянии льдов осуществляется крупномасштабный газообмен в системе атмосфера-гидро-сфера-криосфера [10]. Лед, являясь важным компонентом биосферы, выступает фактором формирования экологической ситуации в водных экосистемах и промежуточным звеном в гляциогенной миграции веществ (рис. 1). Загрязнение льдов осуществляется на ядрах конденсации искусственного происхождения при сухом и мокром соосаждении антропогенных аэрозолей - аэрогенное загрязнение. При включении токсикантов в лед из загрязненных природных вод, происходит его внутриводоемное загрязнение [11].
Важнейшие функции ледовых образований - обеспечение гляциогенной миграции веществ и создание геохимических барьеров на границе фаз, которые обеспечивают экологически значимые геохимические изменения в природных водах и льдах. Речные льды включаются в круговорот веществ через обмен с атмосферой, с водами суши, с литосферой при глубоком промерзании водоемов и взаимодействии с берегами. Значительная доля льдов выносится в море и взаимодействует с водами континентального шельфа [7].
ЛЕД
Физическое тело
Физико-химическая система
Экологическая ниша
Экосж тема
Кристаллографическая система
Кристаллохимическая система
Природное вещество
Минерал
Компонент геосистем
Геологический объект
Горная порода
Геохимическая система
Географический объект
Ледяные массивы
Компонент климатической системы
Ледяные геосистемы
Компонент биосферы
Рис. 1. Лед как структурный и функциональный компонент биосферы (по [10]).
Лед как компонент геосистем более подробно исследуется в Арктике и Антарктике [26]. Отмечено, что морские льды прибрежных вод Антарктики по своему строению отличаются от морских льдов Арктики прежде всего тем, что их образование происходит из океанических вод с повышенной соленостью. Арктические льды в значительной степени формируются под влиянием речного стока. Загрязнение морских льдов отличается своей спецификой и определяется характером разнообразных процессов, происходящих в контактных зонах. С поверхности в толщу льда могут проникать углеводороды в результате разливов нефти и дизельного топлива (конвективно-диффузионные механизмы), свой вклад вносит энерго- и массообмен между морем и атмосферой [24].
На реках и водохранилищах гляциохимические и геоэкологические исследования проводят эпизодически, хотя период ледостава на водных объектах Сибири и Дальнего Востока длится до 4-6 месяцев. В период ледостава складываются специфические условия для транзита, седиментации, миграции, трансформации биогенных элементов, взвешенных и растворенных органических веществ (ОВ), которые влияют на жизнедеятельность гидробионтов, длительность токсикологических эффектов. Внутриводоемные процессы, происходящие в речных экосистемах зимой, во многом определяются функционированием уникальных биологических комплексов в контактной зоне вода-лед [14, 17, 20, 21, 29, 30].
При разработке научных основ прогнозирования и рекомендаций по улучшению качества природных вод в зимний период, для нормирования сбрасываемых сточных вод в период ледостава во внимание принимали главным образом физико-химические факторы формирования состава льда как физического тела. Традиционным является представление, что льды намного чище подледной воды. Свидетельством является одна из публикаций о том, что содержание химических элементов в подледной воде озера Байкал превышает показатели тех же элементов во льду независимо от их миграционной способности [4]. Возможно, такая закономерность вполне подходит для озер при исследовании макро- и микроэлементного состава льдов. Исследуя речной лед, химический состав которого формируется проточными водными массами с изменяющимся качеством воды в течение ледостава, а также за счет биоаккумуляции веществ и функционирования криобиоценозов, можно выявить совсем иные закономерности.
Ниже приводятся материалы исследования льдов Приамурья, которые выступают в роли специфической экологической ниши для развития криоперифитона и криомикробоценозов; интегрального индикатора динамики внутриводоемных процессов и загрязнения речных вод в течение зимнего периода.
Лед - специфическая экологическая ниша
Лед можно рассматривать как структурный элемент биосферы и своеобразную экологическую нишу водных экосистем. Во льдах обнаружены представители различных групп фототрофных и гетеротрофных организмов, даже крупные беспозвоночные [14-16, 20, 2830]. Для многих рек в период ледостава важную роль в их функционировании играет биотический комплекс, формирующийся на нижней поверхности льда. Крио-
перифитон (водорослевое население) достаточно активно реагирует на поступление биогенных элементов и участвует в продукционных процессах [9].
Впервые на экологические аспекты гляциохимиче-ских процессов, происходящих при образовании и таянии льда в водотоках и водоемах Сибири и Дальнего Востока, обратили внимание в 70-е гг. В малоснежных и бесснежных районах Восточной Сибири, Монголии, Китая была замечена подледная вегетация водорослей. За счет процессов фотосинтеза, осуществляемых диатомовыми и перидиниевыми водорослями, в некоторых озерах Забайкалья были отмечены два максимума (летний и зимний) в динамике концентрации кислорода [6, 20]. Максимальная биомасса водорослей на нижней поверхности льда составляла до 15 г/м2. Было показано, что в результате жизнедеятельности водорослей происходят разнонаправленные процессы накопления или снижения концентрации ионов аммония и кремния [9]. С таянием ледяного покрова связывали загрязнение воды озер и рек фенолами, нефтепродуктами, кислотами и др. В начальный период таяния льдов и снежного покрова в воде отмечено повышение концентрации фенолов на 30% [8], включая ароматические соединения автохтонного происхождения.
Заселение льда диатомовыми водорослями на реке Амур отмечалось с начала декабря, наибольшая их биомасса формировалась в марте. Выявленное повышение содержания биогенных элементов во льдах и их специфическое неоднородное распределение в толще льда объяснялось активной жизнедеятельностью водорослей. Среди ледовой флоры реки Амур доминирующее положение занимает планктонная диатомовая водоросль Aulacoseira islandica. В расплавах льда (нижний 8 см слой) биомасса водорослей во время исследований составляла 300-700 мкг/дм3. Заселение льда и образование скоплений водорослей происходило непосредственно на нижней поверхности льда, в межкристаллических пространствах и в микротрещинах льда [21, 29].
Однако изучению влияния биологических факторов на формирование химического состава поверхностных вод в период ледостава, особенно в условиях антропогенной евтрофикации, до сих пор не уделяется достаточного внимания. Это связано, прежде всего, с определенными трудностями проведения зимних экспедиционных работ. Один из возможных путей преодоления таких трудностей - это сочетание натурных исследований и экспериментального моделирования с использованием индикаторных групп микроорганизмов, развивающихся в модельных микрокосмах.
При интерпретации неоднородности распределения биогенных элементов во льдах практически не обсуждаются микробиологические процессы, их динамика в пространстве и во времени. На наш взгляд, неоднородность химического состава льдов является интегральным результатом целого комплекса фундаментальных факторов льдообразования, среди которых специфическая роль принадлежит микробным сообществам -криомикробоценозам. Они участвуют в деструкции автохтонных и аллохтонных органических веществ (ОВ), способствуют миграции биогенных элементов, влияют на изменение структуры биоценозов и выступают в качестве индикаторов антропогенного загрязнения водных экосистем [14].
Впервые биоиндикационная роль криомикробоце-нозов была показана при оценке трансграничного за-
грязнения реки Амур в период ледостава 2000-2001 гг. [15, 16]. Во льдах, особенно в контактной зоне вода-лед, были выявлены представители различных физиологических групп микроорганизмов. Их численность отражала довольно сложные микробиологические процессы, направленность которых определяется сорбцией и вмерзанием органических веществ и их происхождением.
Установлены ярко выраженные ответные реакции микробных сообществ льда на комплексное воздействие различных факторов: биогенных (развитие водорослей), абиогенных (толщина снежного покрова, присутствие микропримесей), включая локальное антропогенное загрязнение контактной зоны вода-лед нефтепродуктами. Была установлена пространственно-временная неоднородность загрязнения льда реки Амур азотсодержащими ОВ, ароматическими соединениями фенольного ряда (табл. 1) и ионами тяжелых металлов (табл. 2).
Независимо от характера антропогенного воздействия, самый «чистый» лед был отобран в феврале. К концу зимы зарегистрирована устойчивая тенденция
увеличения загрязнения льдов органическими веществами различного происхождения. Численность индикаторных групп бактерий возрастала в 4-8 раз, в том числе фенолрезистентных микроорганизмов - в 7 раз. Загрязнение контактной зоны вода-лед нефтепродуктами на одном из обследованных створов реки Амур спровоцировало значительное увеличение численности всех индикаторных групп микроорганизмов. В присутствии тонкодисперсных частиц угля и детрита во льдах также наблюдалось увеличение численности кри -омикробоценозов до 10 раз [31]. Значительное варьирование численности микроорганизмов во льдах Амура по направлению от левого берега к фарватеру было обнаружено ниже впадения крупного правобережного притока реки Сунгари, бассейн которой расположен на территории Китая. Максимальное увеличение численности криобактерий отмечено в 550 м от российского берега, где происходит смешение амурских и сунгарийских вод. Особенно высокой была численность группы бактерий, утилизирующих азотсодержащие ОВ в результате аммонификации и нитрификации. Этот факт свидетельствует о поступлении в Амур
Таблица 1.
Динамика структуры криомикробоценозов р. Амур выше (п. Нагибово) и ниже устья р. Сунгари (пп. Ленинское, Нижнеспасское) в период ледостава 2000-2001 гг.
Место отбора проб, от левого Численность эколого-трофических групп бактерий, КОЕ/ мл расплава льда
берега ОЧКМ АМБ НБ ФРБ
Нагибово
100 м 90 110 90 нет
150 м 40 120 90 55
300 м (нефть) 1 220 000 650 000 940 000 380
Ленинское
250 м 110 30 130 нет
440 м 220 35 200 нет
550 м (угольная пыль) 810 110 260 80
450 м (5 см снега) 40 90 75 40
450 м (без снега) 1000 40 130 70
Нижнеспасское
50 м 160 120 130 70
250 м (среди торосов) 930 490 1100 490
250м(с водорослями) 270 125 225 70
Примечание.КОЕ-колониеобразующиеединицынаагаризованныхсредах,ОЧКМ-общаячисленностькриомикробоценозов,
АМБ - аммонифицирующие бактерии, НБ - нитрифицирующие бактерии, ФРБ - фенолрезистентные бактерии.
Место отбора проб, от левого берега Численность резистентных к ТМ бактерий, КОЕ / мл расплава льда
Cd Нй 1 РЬ 1 Без ТМ
Нагибово
100 м 80 70 70 110
300 м (нефть) 80 40 60 650 000
Ленинское
440 м 60 80 60 135
550 м (угольная пыль) 130 220 150 110
450 м (без снега) 45 35 45 90
450 м (5 см снега) е.к. е.к. е.к. 40
Нижнеспасское
50 м 160 120 130 170
250 м (среди торосов) 500 390 420 490
250м(с водорослями) 160 130 80 125
Примечание. ТМ - тяжелые металлы, е.к. - единичные колонии.
Таблица 2.
Устойчивость природных микрокосмов льдов р. Амур к тяжелым металлам в период ледостава 2000-2001 гг.
с китайской территории (провинция Хейлундзян - население около 100 млн человек) неочищенных коммунальных сточных вод, обогащенных биогенными элементами, органическими веществами и продуктами их разложения.
Согласно полученным данным, в период ледостава в криосфере происходят сложные продукционно-деструкционные процессы, которые по масштабам не уступают круговороту веществ в толще воды и донных отложениях. Однако вопросы миграции элементов в условиях криогенеза, особенно с позиции их биологического концентрирования обитателями льда, изучены недостаточно полно. Ранее было показано [12], что концентрация олова, свинца, марганца во льдах реки Амур в отдельных случаях бывает выше, чем в подледной воде.
Повышенное содержание этих элементов объяснялось процессами выщелачивания из взвешенных частиц, а также влиянием промышленных и бытовых сточных вод. Однако позднее было показано биоконцентрирование элементов в биомассе ледовых водорослей. Так, в бассейне реки Амур в зимний период в качестве биообъекта для индикации загрязнения водных экосистем микроэлементами была рекомендована диатомовая водоросль Melosira [13]. Биогеохимические исследования льдов показали, что Melosira, обитая на границе вода-лед, является чувствительным объектом к загрязнению ионами тяжелых металлов (ТМ). Содержание никеля, титана, ванадия, хрома, меди, свинца и олова в биомассе этой водоросли было на некоторых участках реки в 12 раз больше, чем величины кларков этих элементов в наземных растениях.
В накоплении ТМ могут принимать участие фото-трофные и гетеротрофные организмы, поэтому лед как своеобразная геохимическая система при участии живых организмов приобретает эмерджентные (качественно новые) свойства. Адаптационная резистентность бактерий позволяет выявить на реках створы с хроническим загрязнением воды и льда ионами ТМ [16]. В результате экспериментального моделирования были установлены существенные различия в устойчивости криомикробоценозов к ионам ТМ на различных участках реки Амур. Повышенная резистентность микроорганизмов контактной зоны вода-лед к ионам рту-
ти и свинца отмечена на створе п. Ленинское ближе к правому берегу, где сосредоточены загрязняющие вещества, поступающие со стоком реки Сунгари (рис. 2).
В районе основного водозабора Хабаровска при исследовании динамики роста микроорганизмов в присутствии ионов ТМ было отмечено повышение их резистентности к кадмию, свидетельствующее о присутствии этого токсиканта в воде и его аккумуляции биомассой криобиоценозов во льдах. Сравнительный анализ чувствительности отдельных штаммов к ионам ТМ показал, что бактерии, выделенные изо льда в районе поселка Ленинское (ниже устья реки Сунгари), выдерживали достаточно высокие концентрации Hg, РЬ, Cd (до 0,1 г/л), что позволяет говорить об адаптации микробоценозов к хроническому загрязнению природных вод этими экотоксикантами.
Принимая во внимание зависимость миграции ТМ от наличия в водной среде органических веществ, можно предполагать, что во льдах в зимнее время происходит качественное изменение состава веществ. Это может быть связано с динамикой перераспределения ТМ между автохтонными и аллохтонными веществами, переходом отдельных ионов в растворенные формы в результате микробиологической деструкции органических соединений.
Лед - зеркало техногенных аварий
Как уже отмечалось, формирование льдов отражает химический состав воды в период ледостава. Послойное исследование кернов льда позволяет проанализировать не только динамику качества воды в период ледостава, но и зафиксировать случаи аварийных поступлений токсичных веществ, вероятность их миграции и трансформации не только в водной среде, но и непосредственно в толще льда. Наиболее ярким примером может служить исследование льдов в реках Амур и Сунгари после техногенной аварии в городе Цзилинь (КНР), которая произошла в ноябре 2005 г., когда в Сунгари поступило 100 т нитробензола и других летучих производных бензола. Во время прохождения загрязненных водных масс по Сунгари ледовое покрытие у города Харбин еще отсутствовало. Лед начал формироваться на нижерасположенных участках между городами Цзямусы и Тунцзян.
о
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Рис. 2. Устойчивость криомикробоценозов нижних слоев льда (январь 2001 г.) к тяжелым металлам выше (п. Нагибово) и ниже устья р. Сунгари (п. Ленинское) на различном расстоянии от левого (российского) берега.
Л Н W О X Н О
4 1=
я
«
CJ V X
5
н с О
□ п. Нагибово
(300 ) И п. Ленинское
(250 м) ЕЗ п. Ленинское (400 м)
На Амуре ниже устья Сунгари толщина льда уже составляла около 30-40 см. Несмотря на разбавление, максимальная концентрация маркерного соединения - нитробензола в воде Амура составляла 0,2 мг/л и превышала предельно допустимую концентрацию (ПДК) для водных объектов рыбохозяйственного назначения в 20 раз. Только ниже Комсомольска-на-Амуре концентрация нитробензола в воде снизилась до безопасных значений [2]. Произошедшая в 2005 г. техногенная авария продемонстрировала многокомпонентное загрязнение реки Сунгари и масштабную миграцию токсичных веществ вниз по течению, которые были обнаружены во всех компонентах экосистемы реки Амур, в том числе во льдах (табл. 3).
В феврале 2006 г. сотрудниками Института водных и экологических проблем Дальневосточного отделения РАН были проведены комплексные исследования воды и льда в реке Амур. Лед отбирали на двух створах: в районе городского водозабора и в 60 км выше Хабаровска (село Нижнеспасское). Для анализа использовали расплавы всего керна льда. Нитробензол во всех пробах льда отсутствовал. У левого берега на створе Хабаровска летучие производные бензола и сам бензол во льду также отсутствовали, а у правого берега были обнаружены толуол, этилбензол и о-ксилол. Выше по течению реки загрязнение льда было неоднородным. В кернах льда, отобранных в 100-200 м от берегов, встречались бензол, толуол и разные представители ксилолов [22]. Самый чистый лед по химическим и микробиологическим показателям был отобран на середине реки, что было характерно для февраля в предыдущие годы.
В зоне непосредственного влияния реки Сунгари (у правого берега) в керне льда была установлена самая высокая численность криомикробоценозов и максимальное содержание летучих производных бензола. Только здесь на фоне отсутствия бензола были обнаружены этилбензол и п-ксилол, что может быть показателем микробиологической трансформации бензола путем его этилирования и метилирования. Общее содержание летучих производных бензола, приходящихся на весь керн льда, в этой пробе составляло 5,1 мкг/л расплава льда. В марте 2006 г. во время совместного российско-китайского мониторинга состояния рек Сунгари и Амур нитробензол в воде и льдах не обнаружен [1, 2]. Экспериментально было показано, что нитробензол быстро подвергается микробиологической трансформации [18].
Исследования суммарного содержания ОВ во льдах реки Сунгари по интегральному показателю химического потребления кислорода (ХПК) позволили выя-
вить максимальный уровень загрязнения льда выше города Цзямусы у правого берега в верхнем 20-40 см слое. Значения ХПК в нижних слоях льда на этом и других створах (выше городов Харбин и Тунцзян) были намного ниже [22].
Согласно спектральным и хроматографическим методам исследования, наибольшее разнообразие индивидуальных органических веществ во льдах было обнаружено в низовье реки Сунгари, где льдообразование происходило непосредственно во время прохождения загрязненных нитробензолом водных масс. Во льдах Сунгари и ниже ее устья в реку Амур были обнаружены бензол, толуол, ксилолы, хлороформ, четыреххло-ристый углерод, полициклические ароматические углеводороды и ионы тяжелых металлов [1]. В максимально загрязненном органическими веществами слое льда (20-40 см) у правого берега в районе Цзямусы, который формировался в момент прохождения нитробен-зольного загрязнения по Сунгари, была обнаружена самая высокая концентрация суммы 14 приоритетных представителей стойких полициклических ароматических углеводородов (0,348 мкг/л), в том числе фенан-трена - 0,131 мкг/л, флуорантена - 0,05 мкг/л, пире-на - 0,038 мкг/л и бензо(Ь)флюорантена - 0,021 мкг/л расплава льда (рис. 3).
В природных водах нормируется только бенз(а)пи-рен; в период наблюдений его концентрация в Сунгари составляла 10 ПДК. Пирен и бензо(Ь)флюорантен относятся к техногенным загрязнителям, однако в воде и, тем более, во льдах они не нормируются. Фактически, во льдах произошло «консервирование» стойких ароматических углеводородов, следовательно, существовал экологический риск вторичного загрязнения этими поллютантами рек Амур и Сунгари во время ледохода.
В самом насыщенном химическими веществами слое льда общая численность криомикробоценозов составляла 1 752 000 КОЕ/мл, а фенол-резистентных бактерий - 48 000 КОЕ/мл. Для сравнения, в нижнем слое (60-75 см) их численность была соответственно 1000 и 60 КОЕ / мл. Рост численности бактериопланктона в поверхностных слоях воды в реке Амур в марте 2006 г. вдоль правого берега можно связать с началом таяния льда на реке Сунгари. Негативное влияние токсичных веществ, высвобождавшихся изо льда, происходило на протяжении длительного времени. Это отразилось на качестве воды в реке Амур у правого берега и на середине ниже устья реки Сунгари в период с марта по май 2006 г. [19].
Процессы вмерзания бензола и аккумуляции во льдах различных веществ техногенного характера, их последующее высвобождение в весенний период, мигра-
Таблица 3.
Доминирующие токсичные вещества, обнаруженные в различных компонентах экосистемы р. Амур после техногенной аварии в бассейне р. Сунгари (ноябрь 2005 г.).
Компоненты экосистемы Вещества
Вода Нитробензол, бензол, толуол, ксилол, этилбензол, хлороформ, ди- и трихлорметан, дихлорбензол, ПАУ, ТМ
Лед Бензол, этилбензол, толуол, ксилол, дихлорбензолы, дихлорфенолы, третбутилфенол, крезолы, ПАУ, ТМ
Донные отложения Хлороформ, тетрахлорметан, хлорбензолы, хлорфенолы, ПАУ, ТМ
Рыба Нитробензол, бензол, толуол, ксилол, этилбензол, ТМ, хлорсодержащие пестициды
Рис. 3. Послойное распределение полициклических ароматических углеводородов в керне льда, отобранного в марте 2006 г. в р. Сунгари возле правого берега выше г. Цзямусы: Б(а)П - бенз(а)пирен, Фен - фенантрен, Флю - флюорантен, Б(б)Флю - бенз(б)флюорантен, Пир - пирен (Анализы выполнены в НПО «Тайфун», г. Обнинск).
й «
л -
К
о ч О
Концентрация, мкг/л 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
0,12 0,14
0-20
20-40
40-60
60-75
1
1 1
' 1 и
1
1 1
■ Б(а)П
■ Фен
■ Флю
□ Б(б)Флю
□ Пир
0
ция в составе льдов в низовье реки Амур во время ледохода и вынос стойких токсичных веществ в составе взвешенных веществ в прибрежные морские акватории - свидетельство масштабов распространения экологического риска не только в пространстве, но и во времени. Большая группа поллютантов, включая производные бензола и ароматические углеводороды, которые были идентифицированы в марте во льдах реки Сунгари, после ледохода в мае 2006 г. были обнаружены в воде реки Амур. Фактически, в результате трансграничного переноса льдов по маршруту Сунгари - Амур - Японское море токсикологическому воздействию и экологическому риску подвергалось население трех стран Азиатско-Тихоокеанского региона.
Заключение
Лед является важным компонентом биосферы и может выступать в качестве объекта геоэкологических исследований и структурного компонента междисциплинарного мониторинга гидросферы в целом. Хозяйственная деятельность человека вносит существенные изменения в гляциогенный круговорот веществ, влияет на жизненные условия специфической экологической ниши, в которой осуществляются сложные продукционно-деструкционные процессы при участии биокомплексов.
Биоценозы льда участвуют в самоочищении и вторичном загрязнении природных вод, аккумулируют тяжелые металлы при хроническом загрязнении низкими концентрациями, которые порой не регистрируются инструментальными методами в подледной воде. Состояние водных экосистем в зимний период зависит от комплекса факторов, связанных с функционированием живого вещества в контактной зоне вода-лед, спецификой транзита, седиментации, миграции, трансформации взвешенных и растворенных веществ и пространственно-временным пролонгированием ток-
сикологических эффектов.
Изучение гляцио-биогеохимических процессов происходящих во льдах может стать составной частью комплексного мониторинга состояния биосферы. Это особенно важно при решении целого ряда геоэкологических задач, связанных с выявлением сезонных факторов изменения качества воды, оценкой экологического риска трансграничного загрязнения в период ледостава и миграции льдов во время ледохода, разработкой экологически допустимых уровней воздействия на геосистемы с учетом сезонного и комплексного воздействия токсичных веществ.
К наиболее актуальным вопросам в исследовании льдов относятся:
- выяснение роли ледовых образований в миграции поллютантов;
- выбор методов оценки уровня загрязнения льдов, в том числе с использованием современных спектральных методов и биодиагностики;
- изучение механизмов трансформации вещества и энергии при участии фототрофных и гетеротрофных организмов в контактной зоне вода-лед.
В качестве биотической компоненты криосферы при мониторинге загрязнения водных экосистем в период ледостава биохимически лабильными и стойкими органическими веществами, летучими ароматическими углеводородами и солями тяжелых металлов можно использовать криомикробоценозы. Послойное концентрирование органических и минеральных веществ во льдах отражает динамику поступления и преобразования загрязняющих веществ во времени. Аккумуляция поллютантов влияет не только на гляциохимические реакции, а также оказывает существенное воздействие на специфику биогеохимических процессов, происходящих при низких температурах в различных компонентах криосферы Земли.
Литература
1. Андриенко CM, Бардюк В.В., Веселов-ская О.В. О реализации комплексных мер по обеспечению экологической безопасности населения Российского Приамурья // Материалы международной научно-практической конференции в области экологии и безопасности жизнедеятельности. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. - С. 10-15.
2. Бердников Н.В., Рапопорт В.Л., Рыбас О.В. и др. Мониторинг загрязнения экосистемы р. Амур в результате аварии на химическом заводе в г. Цзилинь (КНР): нитробензол // Тихоокеанская геология. - 2006. - Т. 25. -№ 5. - С. 94-103.
3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. -М.: Наука, 1989. - 261 с.
4. Воробьева И.Б., Напрасникова Е.В., Вла -сова М.В. Эколого-геохимические особенности снега, льда и подледной воды южной части озера Байкал // Геоэкология. - 2009. - № 1. -С. 54-60.
5. Динамика экосистем Берингова и Чукотского морей / Ю.А. Израэль, А.В. Цыбань, Дж. Грейбмайер и др. - М.: Наука, 2000. - 357 с.
6. Иванов А.В., Морозова Т.Н., Трофимова Л.Н. Фитопланктон и гидрохимия некоторых озер Забайкалья / / Гидробиология бассейна Амура. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1978. - С. 102-115.
7. Иванов А.В. Теория криогенных и гляци-огенных гидрохимических процессов. - М.: ВИНИТИ, 1987. - 236 с.
8. Иванов А.В., Неудачин А.П. Фенолы в снежном покрове и талых водах антропогенных и естественных ландшафтов // Методы оценки состояния природной среды. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1987. - С. 45-51.
9. Иванов А.В., Юрьев Д.Н., Лебедев Ю.М. Криоперифитон в ледяном покрове р. Амур // Материалы гляциологических исследований. Вып. 60. - М.: 1987. - С. 184-189.
10. Иванов А.В. Гляциогенный круговорот веществ. - Хабаровск: ИВЭП ДВО РАН, 1993.
- 94 с.
11. Иванов А.В. Криогенная метаморфиза-ция химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод. - Хабаровск, Владивосток: Дальнаука, 1998. - 164 с.
12. Иванова В.И., Гончаров А.Ф. Микроэлементный состав снежного покрова, льда и воды Амура // Гляциохимические и криогенные гидрохимические процессы. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. - С. 106-108.
13. Ивашов П.В. Значение диатомовых водорослей в индикации качества воды реки Амур // Биогеохимические и экологические оценки техногенных экосистем бассейна реки Амур. - Владивосток: Дальнаука, 1994.
- С. 170-173.
14. Кондратьева Л.М. Микробоценозы кри-осферы - индикаторы антропогенного загрязнения водных экосистем // Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга.
Тез. Международного симпозиума по биоиндикаторам. - Сыктывкар, 2001. - С. 82-83.
15. Кондратьева Л.М. Лед как компонент мониторинга загрязнения поверхностных вод // Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загряз -нений на городском и региональном уровне.
- ENVIROMIS-2002. Труды международной конференции, т. 1. - Томск: 2002. - С. 174-179.
16. Кондратьева Л.М., Кара-Уланова С.Ю. Адаптация микробных сообществ контактных зон водных экосистем к тяжелым металлам // Современные проблемы водной токсикологии: Тезисы докладов Всероссийской конференции. - Боровск: 2002. - С. 128-129.
17. Кондратьева Л.М. Экологический риск загрязнения водных экосистем. - Владивосток: Дальнаука, 2005. - 299 с.
18. Кондратьева Л.М., Фишер Н.К. Реакции микробных комплексов на трансграничное загрязнение реки Амур // Биоиндикация в мониторинге пресноводных экосистем. Сборник материалов международной конференции. - СПб.: ЛЕМА, 2007. - С. 181-186.
19. Кондратьева Л.М., Фишер Н.К. Биоиндикация качества воды в реке Амур после техногенной аварии в Китае // Эколого-географические проблемы развития трансграничных регионов: материалы международной научной конференции. - Улан-Удэ: Изд-во Бурятского ГУ, 2007. - С. 51-54.
20. Лебедев Ю.М. Расчет кислородного режима водотока при закрытом русле и наличии подледного фотосинтеза // Водные ресурсы.
- 1981. - № 4. - С. 195-199.
21. Лебедев Ю.М., Сиротский С.Е., Юрьев Д.Н. Зимний фотосинтез в р. Амур и развитие водорослей в связи с подледными световыми условиями // Круговорот вещества и энергии в водоемах. Вып. 1. - Иркутск: 1981. - С. 88-89.
22. Левшина С.И. Содержание и динамика органического вещества в водах Амура и Сунгари // География и природные ресурсы.
- 2007. - № 2. - С.44-51.
23. Менжинская Н.А. Динамика концентрации хлорофилла «а» и видового состава фитоценоза антарктического морского льда на ранних стадиях развития // Океанология. -1998. - Т. 38. - № 6. - С. 873-880.
24. Немировская И.А., Новигатский А.Н. Углеводороды в снежно-ледяном покрове и водах Северного Ледовитого океана // Геохимия. - 2003. - № 3. - С. 651-660.
25. Немировская И.А. Углеводороды в океане (снег-лед-вода-донные осадки). - М.: Научный мир, 2004. - 328 с.
26. Немировская И.А. Углеводороды во внешних сферах Мирового океана // Новые идеи в океанологии. Т.1. - М.: Наука. 2004. -С. 190-236.
27. Трофимов В.Т. Новый теоретический подход к определению содержания и развития
геоэкологии // Геоэкология. - 2006. - № 2. -С. 176-185.
28. Хартцелл П., Пелто М. Экология ледников: крупные беспозвоночные и их среда обитания. Ледники Северных Кордильер, штат Вашингтон, США // Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения. Материалы международной конференции (23-28 мая 2003 г.). - Пущино: 2003. - С. 148-149.
29. Юрьев Д.Н. Речной лед как субстрат для развития планктонных водорослей // Эколого-биогеохимические исследования на Дальнем Востоке. Вып. 1.- Владивосток: Даль-наука, 1996.- С. 79-96.
30. Юрьев Д.Н., Гаретова Л.А., Шестеркин В.П., Сиротский С.Е. О массовом развитии водного гриба в р. Амур в период ледостава // Геохимические и биогеохимические процессы в экосистемах Дальнего Востока. Вып. 9. -Владивосток: Дальнаука, 1999. - С. 156-164.
31. Kondratjeva L. Combined methods for Amur river pollution assessment. Ecosystem approach // Report on Amur-Okhotsk project.
- Kyoto: Research Institute for Humanity and Nature, 2004. - №. 2. - P. 47-65.
32. Ohshima K.I. and Simizu D. Particle tracking experiment on model of the Okhotsk sea: spreading of the Amur origin water // Report on Amur-Okhotsk Project: Research Institute for Humanity and Nature / Ed. by T. Shiraiwa. - 2007. - No 4. - P. 7-13.
33. Shiraiwa T., Kanamori S., Benson C. et al. Shallow ice-core drilling at Mount Wrangell, Alaska // Bull. Glaciol. Res. - 2004. - V. 21. - P. 71-77.
34. Matoba S., Sasaki H. and Shiraiwa T. Iron flux over the subarctic pacific estimated by an ice-core record from Mount Wrangell, Alaska // Report on Amur-Okhotsk Project: Research Institute for Humanity and Nature / Ed. by T. Shiraiwa. - 2008. - No 5. - P. 183-187.
35. Mitsudera H., Matsuda J., Nakamura T. et al. Wind- and buoyancy-driven intermediate layer circulation in the Sea of Okhotsk / / Report on Amur-Okhotsk Project: Research Institute for Humanity and Nature / Ed. by T. Shiraiwa. September 2008. - No 5. - P. 189-198.
