CC BY
18МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРВИЧНОЙ ПРОДУКЦИИ В КОНДОПОЖСКОЙ ГУБЕ ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА (РОССИЯ) ПОД ВЛИЯНИЕМ СТОЧНЫХ ВОД ЦЕЛЛЮЛОЗНО-
БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Теканова Е.В.
Федеральный исследовательский центр «Карельский научный центр Российской Академии наук» канд. биол. наук, старший научный сотрудник Института водных проблем Севера
Петрозаводск
LONG-TERM CHANGES IN PRIMARY PRODUCTION IN THE KONDOPOZHSKAYA BAY OF ONEGO LAKE (RUSSIA) UNDER THE INFLUENCE OF WASTEWATER OF PULP AND PAPER
MILL
Tekanova E. V.
Karelian Research Centre of the Russian Academy of Sciences PhD, Senior Researcher, North Water Problems Institute
Petrozavodsk
АННОТАЦИЯ
Оценена многолетняя динамика первичной продукции в Кондопожской губе Онежского озера (Россия) в условиях загрязнения сточными водами целлюлозно-бумажного производства. Показано изменение трофического статуса Кондопожской губы с олиготрофного на мезотрофный. Выявлено уменьшение толщины фотического слоя и изменение вертикального профиля фотосинтеза. Обсуждается возможность восстановления природного трофического состояния экосистемы Кондопожской губы при снижении антропогенной нагрузки.
ABSTRACT
The long-term dynamics of primary production in Kondopozhskaya Bay of Onego Lake (Russia) under conditions of pollution with wastewater of a pulp and paper mill was evaluated. The change in the trophic status of Kondopozhskaya Bay from oligotrophic to mesotrophic is shown. A decrease in the thickness of the photic layer and a change in the vertical profile of photosynthesis were revealed. The possibility of restoring the natural trophic state of the Kondopozhskaya Bay ecosystem during a decrease in anthropogenic load is discussed.
Ключевые слова: Онежское озеро, первичная продукция, фитопланктон, фосфор, антропогенное эв-трофирование.
Keywords: Lake Onegо, primary production, phytoplankton, phosphorus, anthropogenic eutrophication
Введение
Онежское озеро - второй по величине пресный водоем Европы после Ладожского. Озеро расположено в Республике Карелия (Северо-западный регион России). Его площадь составляет 9720 км2, объем воды - 295 км3, средняя глубина 30 м, максимальная глубина 120 м. Озеро содержит вековые запасы маломинерализованной воды высокого качества и сохраняет в целом свой природный оли-готрофный статус [7; 8; 20]. Как и большинство озер, водоем испытывает разнопланновую антропогенную нагрузку. Главным по масштабу воздействия на озерную экосистему антропогенным фактором являются объединенные сточные воды Кон-допожского целлюлозно-бумажного комбината, функционирующего с 1929 г., и г. Кондопоги с населением 35 тыс. человек. Эти стоки напрямую попадают в крупный северо-западный залив Онежского озера Кондопожскую губу. Этот залив в настоящее время является наиболее загрязняемым и эвтрофируемым участком водоема [19; 23].
Проблема загрязнения и эвтрофирования Кон-допожской губы Онежского озера требует постоянного мониторинга состояния ее экосистемы и прилежащих районов открытого плеса озера. Первичная продукция является биологическим параметром водоема, наиболее быстро реагирую-
щим на увеличение концентрации биогенных элементов в воде, что позволяет зафиксировать ранние проявления эвтрофирования экосистемы, изменение ее биопродуктивности уже на начальных этапах.
Целью работы была оценка состояния экосистемы Кондопожской губы Онежского озера по показателям первичной продукции (продукции фитопланктона).
Материал и методы
В работу вошли данные по фотосинтезу фитопланктона в Кондопожской губе Онежского озера и прилегающих районах открытого плеса за период с 1989 по 2006 годы. Измерения фотосинтеза выполнялись скляночным методом в радиоуглеродной модификации [4]. Для расчета P/B-кофффициентов привлекались данные по биомассе фитопланктона [13].
Результаты и обсуждение
Первичная продукция
Сточные воды Кондопожского ЦБК в течение длительного времени подвергались лишь механической очистке. Они были обогащены органическим веществом, в том числе трудноминерализуе-мым, содержали мало биогенных элементов. Вплоть до 1980 г. происходило загрязнение Кондо-пожской губы органическим веществом, в том числе, лигнином и остатками целлюлозы. Водная
экосистема функционировала по гетеротрофному пути, о чем свидетельствовало значительное повышение уровня развития гетеротрофной компоненты экосистемы над автотрофной [14]. Концентрация фосфора в заливе в 1970-80 гг. не превышала 13-22 мкг/л [10; 11] и не вызывала повышения активности автотрофного звена. Первичная продукция в 196070-е гг. составляла около 90 мг ^м^сут весной и 14-46 мг ^м^сут - летом [12; 17], что характеризовало Кондопожскую губу Онежского озера как оли-готрофную экосистему.
С 1980 г. сточные воды ЦБК стали подвергаться биологической очистке, при этом обогащаясь солями фосфора и азота. Поступление в залив фосфора увеличилось в 3-6 раз, азота - в 15-30 раз, превысив нагрузку стока реки Суна [11]. В настоящее время средние концентрации общего фосфора в воде достигают 18-40 мкг/л [11; 22]. Таким образом, природоохранные мероприятия привели к развитию антропогенного эвтрофирования Кондопож-ской губы Онежского озера.
Первичная продукция быстро достигла величин, свойственных мезотрофным водам и сохраняется на этом уровне до настоящего времени. Продукция фитопланктона закономерно снижается по направлению от вершинной части, где расположен выпуск сточных вод, к выходу из залива в соответствии с сокращением концентрации фосфора (рис. 1). В летний период пределы изменчивости максимального в фотическом слое фотосинтеза (Phmax) в вершинной, наиболее загрязненной сточными водами части залива достигают 83.4-925.4 мг С/м3сут, интегральной в фотическом слое первичной продукции (PP) - от 133.4 до 1232.8 мг С/м2сут (табл.). В центральной части Кондопожской губы Phmax находится в пределах от 42.8 до 466.9 мг С/м3 сут, PP - от 111.8 до 667.0 мг С/м2сут. Наименьшая первичная продукция наблюдается на участке взаимодействия вод губы с открытым озером, Phmax варьирует здесь в пределах от 35.8 до165.0 мг С/м3 сут, PP - от 72.0 до 437.0 мг С/м2-сут.
Рисунок 1. Средние в летний период величины первичной продукции под м2 фотического слоя воды в Кондопожской губе Онежского озера.
Таблица
Первичная продукция и удельный фотосинтез в Кондопожской губе и открытом плесе Онежского
Показатель Кондопожская губа Открытый плес
Вершина Середина Внешняя часть
Первичная продукция Верхний слой воды, мг С/м3-сут 286.7±36.3 140.3±15.2 85.2±11.2 30.7±2,9
Фотический слой воды, мг С/м-сут 451.3±90.1 261.3±23.1 215.1±24.4 91.9±6.6
Годовая первичная продукция, г С/м2 69.9±10.3 36.2±3.4 28.9±2.0 15.5±0.7
Р/В-коэфф. Поверхностный слой воды, сут-1 1.3±0.5 1.3±0.4 1.1±0.7 0.7±0.1
Фотический слой, вегет. период-1 99.9±22.5 70.7±31.6 — 22.2±2.4
Кроме того, вершинная часть залива характеризуется максимальной межгодовой изменчивостью летних значений РР, достигающей 6-11 раз, тогда как во внешней части залива вариабельность ее величин лишь 5-6 раз. Большую устойчивость проявляют годовые величины РР. В вершинной части губы в течение вегетационного периода под м2 синтезируется от 50.0 до 109,0, в ее центральной части - от 26,0 до 45,0, во внешнем участке - от 27.0
до 33.0 г углерода. Таким образом, в наиболее эв-трофированной вершинной части Кондопожской губы вариабельносить годовой РР достигает более 2 раз, тогда как на остальной акватории залива -лишь около 50 %, что указывает на относительно стабильное состояние экосистемы.
Статистический анализ показал, что уровень развития первично-продукционного процесса в
Кондопожской губе достоверно выше, чем в открытом плесе Онежского озера. В вершинной части залива эта разница достигает 5 раз (t=3.74, p>0.05), в центральной - 2.7 раз (t=3.21, p>0.05), в районе взаимодействия вод губы с открытым плесом - 2 раз (t=2.64, p>0.05).
Р/В-коэффициенты
Высокий уровень продукции фитопланктона обеспечивается в Кондопожской губе активным ве-гетированием мелкоразмерных зеленых, синезеле-ных и хлорококковых водорослей на фоне доминантного диатомового комплекса [1; 2]. Как известно, мелкие формы продуцируют быстрее за счет способности более активно утилизировать биогены [18; 3; 5; 6 и др.]. Р/В-коэффициент (фотосинтетическая активность единицы биомассы фитопланктона) в летний период достигает в поверхностном слое воды 0.09-3.38 сут-1, слегка снижается к выходу из залива и в 1.5-2.0 раза превышает показатели открытого плеса (табл.). В целом, в Онежском озере этот показатель не превышает 1.87 сутки-1 и лишь в эвтрофируемых участках (Кондо-пожская, Петрозаводская губы) Р/В-коэффициент достигает более 2 сут-1 . Это, как считает Т.М. Ми-хеева [5], уже само по себе может указывать на антропогенный источник биогенов. В частности, в Кондопожской губе суточные скорости удельного фотосинтеза больше 2 обнаружены в 18-28 % от всех величин. Удельный фотосинтез в фотическом слое воды за вегетационный период достигает пределов 32.2-133.0, что уже в 3-4 раза превышает показатели открытого плеса. Зависимость Р/В-коэф-фициентов от трофических условий подтверждается тесной связью их среднесезонных величин и содержания в воде общего фосфора (r=0.96, p>0.05).
Как видно из таблицы, при сравнении первично-продукционных показателей в разных частях Кондопожской губы видно, что в вершинной части они в среднем в 1.7-2.0 раза вше, чем в центральной части, и в 2.1-3.4 раза выше, чем во внешней части (табл.). Продукционные характеристики фитопланктона центральной и внешней частей губы различаются не столь существенно.
Фотический слой
Кроме увеличения абсолютных величин фотосинтеза, антропогенное эвтрофирование в Кондопожской губе Онежского озера проявляется в уменьшении толщины фотоактивного слоя вследствие снижения прозрачности воды. В Кондопожской губе на снижение величины прозрачности влияет взвесь, привносимая с производственными водами ЦБК. На основной части губы величины прозрачности воды в весеннее-летний период не превышают пределов 2.0-4.2 (в среднем 2.8±0.3) м, в наиболее загрязняемой вершинной части - сокращаются до 0.9-2.0 (в среднем 1.5±0.3) м, тогда как в открытом плесе озера - достигают 3.2-7.0 (среднее 4.4±0.6) м. Фотический слой в Онежском озере достигает глубины 2-х прозрачностей воды [15]. Таким образом, толщина трофогенного слоя в открытом плесе озера составляет 10-12 м, слоя максимального фотосинтеза - 1.5-2.5 м, а в Кондопожской губе эти показатели сокращаются до 3-5 и 0.50.7 м соответственно.
Вертикальный профиль фотосинтеза
С ухудшением световых условий в толще воды меняется и вертикальный профиль фотосинтеза, характеристикой которого служит соотношение Phmax и PP. Одновременно со снижением прозрачности воды по направлению к наиболее эвтрофирован-ному вершинному участку Кондопожской губы все большая часть интегральной первичной продукции образуется в поверхностном слое воды (рис. 2). В вершинном участке губы, находящемся под непосредственным влиянием сточных вод, в слое максимального фотосинтеза (поверхностный слой 1 м) в среднем образуется около 70 % первичной продукции. На удалении от источника загрязнения на расстояние 5-10 км этот показатель сокращается до 50 %, а во внешней части Кондопожской губы он составляет лишь около 40 %, все более приближаясь к показателям открытого плеса озера, где это соотношение составляет в среднем 29 %. Схожие величины в зависимости от уровня трофии водных экосистем были получены и для других озер [21; 16 и др.].
Рисунок 2. Связь между прозрачностью воды и соотношением РНтах и РР в Онежском озере. Обозначения: 1 - вершинный участок Кондопожской губы, 2 - участок Кондопожской губы на удалении 10-15 км от вершины, 3 - внешняя часть Кондопожской губы, 4 - открытый плес Онежского озера.
Процессы восстановления Произошедшее в 1990-х гг. значительное сокращение объема сточных вод Кондопожского ЦБК в связи с общим экономическим спадом привело к 3-х кратному снижению поступления фосфора в залив. Следствием уменьшения биогенной нагрузки стало снижение скорости первичного продуцирования в 4 раза, что превышает значения межгодовой изменчивости этого показателя (рис. 3). Снижение
первичной продукции произошло через 2 года после уменьшения антропогенной нагрузки, что соответствует периоду водообмена в Кондопожской губе - 1.93 года. С конца 1990-х гг. объем сточных вод и вынос в залив в их составе фосфора вновь начали расти, уровень первичной продукции вновь постепенно приближается к показателям 1989-1993 годов.
РР,
мг С/м2 сут
700 т
|=| вершина середина
Р общ, тонн/год
|^ккг-ооюоос»(ооосо(01ю£оа)ст)0)01сг>а)ст1сг)ст1сг>оооооо (лфгоспспспгогоотспсотюотгогоотттгогоспгоспоооооо
Рисунок 3. Многолетняя динамика первичной продукции (РР) в летний период и годового поступления фосфора со сточными водами ЦБК в Кондопожскую губу Онежского озера.
Заключение
В Кондопожской губе Онежского озера с 1980-х гг. развивается процесс антропогенного эвтофи-рования, вызванный поступлением в залив фосфора в составе сточных вод Кондопожского ЦБК, прошедших биологическую очистку. С развитием эв-трофирования продукция фитопланктона возросла в 4-8 раз, достигнув уровня мезотрофных экосистем. Уровень первичной продукции закономерно снижается по направлению от источника загрязнения в вершинной части Кондопожской губы к ее внешней части. Р/В-коэффициенты фитопланктона достигают значений более 2 сут-1, что возможно лишь при наличии антропогенного источника фосфора. Произошло изменение вертикального профиля фотосинтеза, что проявляется в увеличении доли интегральной первичной продукции, образующейся в поверхностном слое воды. Это связано с ухудшением световых условий в воде и уменьшением ее прозрачности. Быстрое снижение первичной продукции в период сокращения антропогенной нагрузки продемонстрировало потенциальную возможность протекания в водоеме процессов, обратных эвтрофированию. Таким образом, в Кондо-пожской губе, где отсутствуют предпосылки для масштабного вторичного эвтрофирования (нет анаэробных условий), есть возможность остановить развитие этого процесса при сокращении фосфорной нагрузки, как и в других глубоких холодных озерах (Петрова и др., 1992).
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Республики Карелия в рамках научного проекта № 18-44-100007 р_а.
Литература
1. Вислянская И. Г. Фитопланктон // Современное состояние водных объектов Республики Карелия. - Петрозаводск: Карельский научный центр,
1998. - С. 57-60.
2. Вислянская И. Г. Структура и динамика биомассы фитопланктона // Онежское озеро. Экологические проблемы. - Петрозаводск: Карельский научный центр, 1999. С. - 146-158.
3. Гутельмахер Б. Л. Относительное значение отдельных видов водорослей в первичной продукции планктона // Гидробиол. журн. - 1974. - Т. 10, № 1. - С. 5-10.
4. Кузнецов С. И., Дубинина Г. А. Методы изучения водных организмов. - М.: Наука, 1989. -288 с.
5. Михеева Т. М. О показателях удельной активности фитопланктона и некоторых причинах, их определяющих // Гидробиол. журн. - 1977. - Т. 13, № 3. - С. 11-16.
6. Никулина В. Н. Структурно-функциональные характеристики фитопланктона разнотипных озер // Структурно-функциональная организация пресноводных экосистем разного типа. - СПб: ЗИН РАН, 1999. - С. 135-153.
7. Онежское озеро. Атлас / Отв. ред. Н. Н. Филатов. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2010. - 151 с.
8. Онежское озеро. Экологические проблемы. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН,
1999. - 293 с.
9. Петрова Н. А., Антонов С. Е., Протопопова Е. В. Структурные и функциональные характеристики фитопланктона // Ладожское озеро - критерии состояния экосистемы. - СПб: Наука, 1992. - С. 119-145.
10. Пирожкова Г.П. Источники формирования химического состава воды Кондопожской губы Онежского озера // Лимнология Кондопожской губы Онежского озера. Петрозаводск: Карельский Филиал АН СССР, 1985. С. 47-63.
11. Сабылина А. В. Современный гидрохимический режим озера // Онежское озеро. Экологические проблемы. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1999. - С. 58-109.
12. Сорокин Ю. И., Федоров К. В. Первичная продукция и деструкция в Онежском озере // Предварительные результаты работ комплексной экспедиции по исследованию Онежского озера. - Петрозаводск: Изд-во «Карелия», 1969. - Вып. 3. - С. 2933.
13. Сярки М. Т., Теканова Е. В., Чекрыжева Т. А. Планктон пелагиали Онежского озера. База данных. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2015620274. Дата регистрации в Реестре баз данных 13 февраля 2015 г.
14. Тимакова Т. М. Некоторые особенности разрушения клетчатки в водоеме, принимающем производственные воды целлюлозно-бумажного комбината // Лимнология Кондопожской губы Онежского озера. - Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР, 1986. - С. 85-98.
15. Тимакова Т. М., Теканова Е. В. Характеристика процессов первичного продуцирования органического вещества // Онежское озеро. Экологические проблемы. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1999. - С. 158- 174.
16. Трифонова И. С. Состав и продуктивность фитопланктона разнотипных озер Карельского перешейка. - Л.: Наука, 1979. - 168 с.
17. Трифонова И. С., Ульянова Д. С., Чеботарев Г. Н. Первичная продукция, содержание хлорофилла и органическое вещество сестона в Онежском озере летом 1977 года // Гидробиол. журн., 1982. - Т. 18, № 5. - С. 106-109.
18. Desortova B. Productivity of individual algal species in natural phytoplankton assamblage determined by means of autoradiography // Arch. Hydro-biol., 1976. -Bd. 46, H. 4. -S. 415-449.
19. Kalinkina N. M., Kulikova T. P., Litvinova I. A., Polyakova T. N., Syarki M. T., Tekanova E. V., Timakova T. M., Chekryzheva T. A. Bioindication of water and bottom sediment pollution in the Kon-dopozhskaya Bay of Lake Onega // Water Resources, 2012. - Т. 39. № 7. - С. 776-783. DOI: 10.1134/S0097807812070044
20. Ladoga and Onego - great European Lakes. Observations and Modeling / L. Rukhovets, N. Filatov (edd.). - Chichester, UK: Springer, 2010. - 302 p.
21. Rodhe W. Primarproduction und See Typen // Verh. Intern. Vereining theor. angew. Limnol., 1958. -Vol. 13. - P. 121-141.
22. Sabylina A. V., Lozovik P. A., Zobkov M. B. Water chemistry in Onega Lake andits tributaries // Water Resources, 2010. - Т. 37. № 6. - С. 842-853 DOI: 10.1134/S0097807810060102
23. Timakova T. M., Kulikova T. P., Litvinova I. A., Polyakova T. N., Syarki M. T., Tekanova E. V., Chekryzheva T. A. Changes in biocenoses of Kon-dopoga Bay, Lake Onego, under the effect of effluents from a pulp and paper mill // Water Resources, 2014. -Vol. 41. № 1. - С. 78-86. DOI: 10.1134/S0097807814010126
