CC BY
94Оценка современного экологического состояния озер Алтайского края по биогеохимическим критериям
Леонова Г.А. fleonova@uiggm.nsc.ru )
Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии Сибирского отделения
Российской академии наук
ВВЕДЕНИЕ
Геохимические параметры природного (фонового) состояния ландшафтов Западной Сибири исследованы недостаточно полно, что в существенной мере затрудняет проведение адекватной оценки интенсивности и своеобразия техногенного загрязнения данной территории [1]. В последние годы выясняется существенная роль атмосферных выпадений (пыль, аэрозольные компоненты) в формировании геохимического фона земной поверхности. Показано, что в процессе атмосферного переноса вещества происходит фракционирование химических элементов с неодинаковой дисперсностью и летучестью их соединений [2]. Поверхностные водотоки, являясь естественным дренажем прилегающих территорий, принимают на себя основную часть загрязнений. В бессточные озера химические вещества различной природы и происхождения поступают в основном через техногенные источники атмосферных выбросов в виде сухого и мокрого осаждения на зеркало водной поверхности. Следовательно, бессточные озера с преимущественно атмосферным питанием наилучшим образом отражают аэротехногенный поток загрязняющих веществ и должны исследоваться в первую очередь [3].
Изучение роли атмосферных выпадений в формировании геохимического фона компонентов ландшафтов и, в частности бессточных озер Западной Сибири, проводилось нами в 1998-2004 гг. [4-7]. Определены базовые, составляющие геохимический фон, концентрации микроэлементов в абиотических и биотических компонентах озер приполярного (Ямало-Ненецкий автономный округ) и южного (Алтайский край) регионов Западной Сибири. Поскольку свойство биосферы извлекать летучие элементы из атмосферных аэрозолей общепризнано, в наших исследованиях особое внимание уделялось группе летучих элементов (Cd, Н^, БЬ, РЬ, Вг, As) и их взаимодействию с живым веществом водоемов и, в частности, с планктонными сообществами, способствующими фиксации группы растворимых и летучих элементов.
Несмотря на то, что среди регионов Западной Сибири Алтайский край стоит на одном из последних мест по количеству выбросов вредных веществ в атмосферу от промышленных источников, проблема глобального загрязнения в настоящее время
становится актуальной и для Алтая [8]. В связи с вышесказанным очевидна необходимость проведения биогеохимического мониторинга состояния различных по степени и характеру хозяйственного освоения районов Алтайского края. Актуальность подобных исследований вызвана и наличием техногенных источников загрязнения уникальных артемиевых озер Алтайского края и, в частности оз. Большое Яровое отходами химкомбината «Алтайхимпром» [5]. В то же время, информация по микроэлементному составу абиотических компонентов озер Алтайского края (вода, донные отложения) в литературе немногочисленна. Наиболее детальными можно назвать исследования, проведенные в 1992 г. Институтом водных и экологических проблем СО РАН в рамках комплексной программы "Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края". Дана оценка загрязнения тяжелыми металлами поверхностных и подземных вод, донных отложений озер и снежного покрова [9-11]. С 1991 г. проводятся исследования по загрязнению донных отложений озер и почв Алтайского края сотрудниками Объединенного института геологии, геофизики и минералогии СО РАН [12, 13]. Информации по микроэлементному составу биологических объектов водоемов Алтайского края практически нет, что указывает на существующий дефицит работ по направлению геохимии биосферных процессов. Программа наших исследований включала изучение особенностей концентрирования химических элементов в биотических и абиотических компонентах незагрязненных (фоновых) и техногенно-трансформированных озер Алтайского края. Решались следующие задачи:
1. Оценка экологического состояния исследуемых водоемов методом биогеохимической индикации
2. Установление отличий в ассоциациях химических элементов, накапливаемых в исследуемых объектах в экологически благоприятных условиях и под воздействием промышленных выбросов.
3. Выявление геохимической специфики изучаемых объектов, показывающей сходство и отличие в их химических составах.
Кроме того, одной из задач данной работы явилось развитие подхода к определению математически достоверной корреляционной связи между загрязнением среды обитания и накоплением элементов в живых организмах методом кластерного анализа, что позволяет получить на основе ограниченных аналитических данных развернутую эколого-геохимическую характеристику объекта в целом [14].
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Большая часть территории Алтайского края расположена на равнине в юго-восточной части Западной Сибири. С северо-востока ее ограничивают западные отроги Салаирского кряжа, с юга и юго-востока - предгорья Алтайской горной области. По физико-географическому районированию водосборная площадь Алтайского края располагается в девяти провинциях, объединенных в зональные области - степную, лесостепную и две горные области (Алтайскую и Салаиро-Кузнецко-Алатаусскую). Большинство равнинных озер расположено в ложбинах древнего стока рек, в поймах Оби и ее правобережных притоков. Соляные озера находятся в юго-западной, наиболее засушливой, части края. Предгорные озера расположены на абсолютных высотах 400-500 м в северных отрогах Колыванского, Тигирецкого и Чергинского хребтов [15]. Обследованные озера объединены в три группы по ландшафтно-геохимическим зонам: предгорную - озеро Колыванское; лесостепную - озера Кривое, Чаячье, Ракиты; степную -озера Большое Яровое, Малое Яровое, Кулундинское, Горькое - 2 (рис. 1). Рис. 1. Схема расположения исследованных озер Алтайского края [16].
Изученные озера весьма разнообразны по химическому составу и общей минерализации вод: от пресных (Чаячье, Колыванское) до солоновато-водных (Горькое -2, Горькое-5) и соляных (Большое Яровое, Малое Яровое, Кулундинское). Глубина озер степной зоны невелика и колеблется от 1 до 2,5 м, редко до 4-6 м. Большинство озер является бессточными. В качестве биогеохимических объектов опробования выбраны планктон и водные растения разных жизненных форм. В ряде случаев опробовались также ткани и органы рыб (оз. Кривое) и брюхоногих моллюсков (оз. Чаячье). В табл.1 приведены данные по отбору проб биообъектов с указанием видовой принадлежности организмов.
Таблица 1
Объекты биогеохимического мониторинга состояния озер Алтайского края (1998-2004 гг.)
Озеро Ландшафтная зона Индикаторные биообъекты
Кривое Лесостепная Зоопланктон: Daphnia galeata (удельное обилие 33%), Cyclops vicinus (31%), Asplanchnapriodonta (30%); укорененные погруженные макрофиты: Ceratophyllum demercum; укорененные воздушно-водные макрофиты: Phragmites australis; органы и ткани рыб: Carassius carassius auratus.
Чаячье Лесостепная Зоопланктон:Daphnia magna (удельное обилие 80%), Arctodiaptomus bacilifer (12 %); укорененные погруженные макрофиты: Potamogeton pectinatus, P. perfoliatus; укорененные воздушно-водные макрофиты: P. australis.
Ракиты Лесостепная Зоопланктон: Brachionus diversicornis (удельное обилие 77%, Bosmina crassicornis (13 %); укорененные погруженные макрофиты: C. demercum, P. pectinatus; Укорененные воздушно-водные макрофиты: P. australis, Typha latifolia.
Горькое - 2 Степная Укорененные погруженные макрофиты: P. pectinatus. Укорененные воздушно-водные макрофиты: P. australis.
Горькое-5 Степная Зоопланктон: Moina macropora (удельное обилие 58 %), Arctodiaptomus salinus (41%); перифитон: Cladophora fracta; укорененные погруженные макрофиты: P. pectinatus; укорененные воздушно-водные макрофиты: P. australis.
Большое Яровое Степная Зоопланктон: Artemia salina (удельное обилие 100%).
Малое Яровое Степная Зоопланктон: Artemia salina (удельное обилие 100%).
Кулундинское Степная Зоопланктон: Artemia salina (удельное обилие 100%).
Колыванское Предгорная Зоопланктон: Mesocyclops leuckarti (удельное обилие 58%), Daphnia cuculata (21%), Chydorus cphaericus (15%); укорененные погруженные макрофиты: C. demercum, P. perfoliatus; укорененные воздушно-водные макрофиты: Equisetum fluviatile, P. australis), Scirpus lacustris, Sparganium simplex; укорененные макрофиты с плавающими листьями: Trapa natans.
Примечание: Видовой состав и удельное обилие зоопланктона в пробах определены ст.н.с. Лимнологического института СО РАН Шевелевой Н.Г., высших водных растений - ст.н.с. Центрального Сибирского ботанического сада СО РАН Лащинским Н.Н.
Сбор планктона проводили стандартной сетью Джеди. Водные растения перед взятием осредненных проб отдельных органов (листья, стебли, корни) тщательно промывали водой от частичек грунта, измельчали на фрагменты 1-2 см, затем высушивали. Рыб препарировали на отдельные ткани и органы, затем составляли сборные пробы мышечной ткани, жабр, кожи, плавников от 10-15 экземпляров. Сырые пробы биообъектов взвешивали и высушивали в защищенном от солнечного света месте. Отбор проб донных отложений проводили цилиндрическим пробоотборником с лепестковым затвором с борта катамарана. Все колонки донных отложений делили на 3-сантиметровые пробы, в каждой из которых определялась естественная влажность.
Изучено распределение одиннадцати элементов: Н^, Cd, РЬ, As, С^ 2п, Сг, №, Со, Бс, Мп в биологических объектах и донных отложениях озер. Элементный анализ отобранных образцов проведен в Лаборатории аналитической геохимии Аналитического центра при ОИГГМ СО РАН атомно-абсорбционным методом (прибор Perkin-Elmer 3030 В). Ртуть определена атомно-абсорбционным методом холодного пара с использованием техники амальгамации. Аналитики - Андросова Н.В., Бадмаева Ж.О., Ильина В.Н., Иванова Л.Д. Видовой состав зоопланктона определен ст. н. с. Лимнологического института СО РАН Шевелевой Н.Г., высших водных растений - ст.н.с. Центрального Сибирского ботанического сада СО РАН Лащинским Н.Н..
Для исследования причин различия составов донных осадков и живых организмов опробованных озер недостаточно детальных геохимических исследований. Необходимо организовать полученные данные в наглядные структуры, позволяющие содержательно описать отличия химических составов наблюдаемых объектов, сравнив, например, озера различных ландшафтно-геохимических зон или водоемы с различной техногенной нагрузкой. С этой целью использован кластерный анализ - набор алгоритмов классификации, широко применяемый в тех случаях, когда еще нет каких-либо априорных гипотез относительно взаимосвязи объектов исследования [14]. Методика кластерного анализа строится на возможности объединить с помощью некоторых критериев в однородные кластеры гетерогенную совокупность объектов. Узловым моментом является выбор меры близости (или расстояния) между объектами, от которого зависит окончательное разбиение на классы. Наиболее часто в качестве меры близости используется евклидово расстояние. Метод кластерного анализа использовался нами для группирования образцов живых организмов и донных осадков по химическому составу.
Необходимо было выяснить следующие вопросы:
1. Установить, существует ли взаимосвязь закономерно выделяемых совокупностей химических составов с ландшафтно-климатическими условиями и техногенной нагрузкой.
2. Попытаться объяснить отличия в ассоциациях элементов, накапливаемых в донных отложениях и живых организмах.
3. Исследовать корреляционные связи (Я-анализ) между отдельными химическими элементами, что бы определить, как изменяются естественные ассоциации элементов под воздействием техногенной нагрузки.
Для расчета использовалась матрица т х п (п - количество химических анализов, равное 30; m - количество факторов или переменных (Н§, Cd, РЬ, Cu, 2п, №, Со, Сг, Мп, Бс), равное 10. Число переменных в решениях изменялось с целью обнаружения устойчивых связей между переменными и получения устойчивых групп осадков. Расчет производится отдельно для Я и 0 факторов. 0-анализ кластирует образцы (наблюдения, объекты). Я-анализ кластирует факторы (переменные - в нашем случае - химические элементы). Программа производит вначале Я-анализ, затем для того же массива выдает график 0-анализа. В Я-анализе метрикой является коэффициент корреляции. В 0-анализе метрикой является евклидово расстояние в М-мерном пространстве. Решения представлены в виде дендрограмм, представляющих графическое отображение иерархических связей выделенных классов и дендрограмм корреляционных связей химических элементов в заданной совокупности объектов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Озера с фоновым содержанием микроэлементов в биообъектах и донных отложениях. Присутствие в юго-восточной части Алтайского края нескольких рудно-металлических зон и узлов оказывает влияние на уровень накопления микроэлементов в биообъектах. Все это затрудняет определение фоновых концентраций в виде универсальных констант. Поэтому последние могут быть выражены лишь в виде определенного диапазона значений. В связи с вышесказанным, при определении фоновых концентраций микроэлементов использовались несколько критериев: во-первых, учитывался фактор расположения озера вдали от промышленных источников; во-вторых, полученные интервалы значений сравнивались с кларками микроэлементов в водных организмах [17,18] и, в-третьих, проводилось сравнение со средним содержанием элементов в биообъектах незагрязненных водоемов [19,20].
Озера лесостепной зональной области. Сравнение средних содержаний микроэлементов в компонентах биоты пресноводных озер лесостепной зоны с кларками
элементов в водных организмах показало, что они находятся на уровне кларковых величин и лежат в интервале значений, принятых для незагрязненных водоемов, на основании чего их можно принять за фоновые для водной биоты лесостепной зоны Алтайского края (табл.2).
Таблица 2
Фоновые содержания микроэлементов (мкг/г сухой массы) в биообъектах и донных отложениях [13] пресноводных озер лесостепной зоны Алтайского края (*Кривое, **Чаячье, ***Ракиты)
НЕ Cd РЬ Си гп Сг № Со As Бе Мп
Планктон (Daphnia galeata, D. magna, Cyclops vicinus, Asplanchna priodonta, Brachionus diverswomis)
*0.022 0.3 2.7 50 137 <1 0.6 0.8 <1 289 22
**0.037 0.013 3.2 12 70 2 4 1.8 2.8 3710 94
***0.047 0.054 8.1 14 93 6.6 10 3.3 <1 6440 322
Укорененные погруженные макрофиты (Potamogeton pectinatus, P. perfoliatus, Ceratophyllum demercum)
*0.005 0.09 1.6 2.1 4.8 1.7 1.1 0.8 2.6 283 34
**0.009 0.06 3.6 5.3 20 7.5 4.1 1.9 2.1 2925 743
***0.005 0.09 2.2 2.5 23 3.3 2.2 1.6 1.9 867 980
Укорененные воздушно-водные макрофиты (Phragmites australis, Typha latifolia)
*0.007 0.6 0.7 2.8 5.1 3.9 2.3 1.1 <1 1091 115
**0.008 0.02 2.4 4.9 14 7.1 3.6 1.5 2.2 2073 678
***0.008 0.05 0.7 2.8 15 4.7 2.8 0.8 2.4 1642 253
Брюхоногие моллюски (мягкие ткани)
**0.016 0.2 2 15 60 8.1 3.3 1.8 <1 1640 186
Рыбы (Carassius carassius auratus, мышцы)
*0.054 0.006 0.9 2.2 178 <1 <0.3 <0.3 - 46 2
Интервалы концентраций металлов в биообъектах озер лесостепной зоны
0.005 -0.054 0.006 -0.3 0.7 -8.1 2.1 -50 4.8 -178 <1 - 8.1 <0.3 -10 0.8 - 3.3 <1 -2.8 46 -6440 22 -980
Интервалы концентраций металлов в биообъектах незагрязненных водоемов [19, 20]
0.04-0.3 0.1-0.5 0.3-20 2.5-60 80-230 2.3-5.4 1.5-24 0.04 -2.9 0.030.8 6003500 10-120
Кларк в водных организмах [17, 18]
0.012 0.005 2.5 10 50 1.8 2 1 - - 240
Донные отложения [13]
*0.089 0.19 18 29 65 71 36 12 - - 468
**0.064 0.18 28 35 91 103 40 12 - - 587
***0.22 0.17 25 27 49 44 26 10 - - 597
Средние содержания металлов в почвах степной зоны Алтайского края [13]
0.044 0.2 28 28 65 93 33 12 - - 750
Примечание. Содержания Cd, РЬ, Си, гп, Сг, № Со, As, Бе, Мп определены методом атомно-абсорбционного анализа (аналитики Н.В. Андросова, Л. Д. Иванова, В.Н. Ильина), Н^ - атомно-абсорбционным методом «холодного пара» (Ж.О. Бадмаева). Пробы биообъектов сборные, включающие некоторое число особей. Прочерк означает отсутствие данных. То же и для остальных таблиц.
Отмечено, что планктон пресноводных озер лесостепной зоны Алтая наиболее активно аккумулирует 2п, Си, РЬ, а укорененные воздушно-водные макрофиты Бе и Мп.
Озера предгорной зональной области. Озеро Колыванское располагается в пределах Чарышско-Каргонской рудной подзоны. Площадь водосбора озера составляет 59,4 кв. км, из которых на долю самого озера приходится 4,6 кв. км. Глубина озера 2 м. В планктоне оз. Колыванское концентрации Cd, Си, 2п на порядок выше, чем в макрофитах. В целом же, средние содержания микроэлементов в биообъектах лежат в интервале значений, принятых для незагрязненных водоемов и могут рассматриваться в качестве фоновых для водных организмов предгорной зоны Алтайского края (табл. 3).
Таблица 3
Фоновые содержания микроэлементов (мкг/г сухой массы) в биообъектах и донных отложениях [13] пресноводных озер предгорной зоны Алтайского края (оз. Колыванское)
Hg Cd Pb Cu Zn Cr Ni Co Fe Mn
Планктон (Mesocyclops leuckarti, Daphnia cuculata, Chydonis sphaericus)
0.035 0.43 5.3 84 109 4.6 5.2 1.7 4800 226
Укорененные погруженные макрос )иты (Ceratophyllum. Demersum, Potamogeton perfoliatus)
0.11 0.08 6.1 6 34 5.6 6.5 2.9 6543 551
Укорененные макрофиты с плавающими листьями (Trapa natans)
0.038 0.06 2.2 3.1 18 1.8 2.6 1.2 3927 520
Укорененные воздушно-водные макрофиты (Equisetum fluviatile , Sparganium simplex, Scirpus lacustris,Phragmites australis, *надземные органы, **корни и корневища)
*0.023 **0.038 0.008 0.04 1.6 3.8 2.2 4.4 16 25 0.7 3.4 1.7 3.9 0.5 2.3 440 8800 374 815
Интервалы концентраций металлов в биообъектах оз. Колыванское
0.023 -0.11 0.008 -0.43 1.6 - 6.1 2.2 - 84 16 - 109 0.7 - 5.6 1.7 - 6.5 0.5 - 2.9 440 -8800 226 -815
Интервалы концентраций металлов в биообъектах незагрязненных водоемов [19, 20]
0.04 -0.3 0.1-0.5 0.3-20 2.5-60 80-230 2.3-5.4 1.5-24 0.04 -2.9 6003500 10-120
Кларк в водных организмах [17, 18]
0.012 0.005 2.5 10 50 1.8 2 1 - - 240
Донные отложения [13]
0.061 0.13 25 30 98 81 34 15 - 436
Почвы предгорной зоны Алтайского края [13
0.046 0.3 31 36 102 90 35 14 - 833
Озера степной зональной области. Исследованы солоновато-водные (Горькое-2, Горькое-5) и соляные (Малое Яровое, Кулундинское) озера бессточной области Обь-Иртышского междуречья. В озерах Горькое-2 и Горькое-5 средние содержания
микроэлементов в биообъектах находятся на уровне или ниже кларковых значений и могут рассматриваться в качестве фоновых для степной зоны Алтайского края (табл. 4).
Таблица 4
Фоновые содержания микроэлементов (мкг/г сухой массы) в биообъектах и донных отложениях [13] солоновато-водных озер степной зоны Алтайского края (*Горькое-2, **Горькое-5 )
Hg Cd Pb Cu Zn Cr Ni Co As Fe Mn
Планктон (Moina macropora, Arctodiaptomus salinus)
**0.098 0.32 2.1 5.1 54 1.3 2.6 0.8 - 1400 22
Укорененные погруженные макрофиты (Potamogeton pectinatus)
*0.007 0.006 1.9 1.4 9.6 2.9 1.7 0.7 1.8 833 75
**0.029 0.07 1.3 1.8 8 0.2 1.2 0.3 - 150 22
Укорененные воздушно-водные макрофиты (Phragmites australis
*0.022 0.008 1.3 2.5 7 3.8 2.4 1 1.5 1319 155
**0.03 0.007 0.7 11 6.5 0.4 2 <0.3 - 335 51
Нитчатая зеленая водоросль (Cladophora fracta)
**0.033 0.24 3 4.4 34 1.8 3.5 1.7 - 2900 72
Интервалы концентраций металлов в биообъектах озер сухостепной зоны
0.007 - 0.006 - 0.7 - 3 1.4 - 11 6.5 - 54 0.2 - 1.2 - <0.3 - 1.5 - 150 - 22 -
0.098 0.32 3.8 3.5 1.7 1.8 2900 155
Интервалы концентраций металлов в биообъектах незагрязненных водоемов [19, 20 ]
0.04-0.3 0.1-0.5 0.3-20 2.5-60 80-230 2.3-5.4 1.5-24 0.04 - 0.03- 600- 10-120
2.9 0.8 3500
Кларк в водных организмах [17, 18]
0.012 0.005 2.5 10 50 1.8 2 1 - - 240
Донные отложения [13]
*0.026 0.06 16 10 50 21 11 3.1 - - 504
**0.058 0.13 11 16 14 60 25 7 - - 351
Средние содержания металлов в почвах сухостепной зоны Алтайского края [13]
0.044 0.2 28 28 65 93 33 12 - - 750
В исследованных ультрагалинных озерах Алтайского края с соленостью воды 160 -200 0/00 (Кулундинское, Большое Яровое, Малое Яровое) доминирующим видом является жаброногий рачок Artemia salina L. с ограниченным географическим и биотопическим распространением. В самом крупном в России артемиевом озере Кулундинском биомасса рачка колеблется в пределах 2.3-9.0 г/м3, в самом глубоководном артемиевом озере Большое Яровое - 5.3 - 38.2 г/м3 . Жаброногий рачок используется в качестве белкового стартового корма и белковых добавок в комбинированные корма. За рубежом артемию справедливо называют живым кормом номер один для подращивания личинок рыб и ракообразных. За период более 20 лет освоения ресурса артемии объемы заготовки рачка
возросли с 13.6 до 483 т [15]. Результаты биогеохимических исследований микроэлементного состава биообъектов соляных озер представлены в табл. 5.
. Таблица 5
Фоновые содержания микроэлементов (мкг/г сухой массы) в биообъектах и донных отложениях соляных
озер Алтайского края
Hg Cd Pb Zn Cu Co Ni Cr Fe Mn
Озеро Кулундинское (зоопланктон - * Artemia salina, **макрофиты)
*0.29 0,54 3,8 64 9,0 2,0 7,4 12,3 3390 106
**0.075 0.037 0.7 13 2.6 <0.5 1.1 6.3 392 351
Озеро Кулундинское (донные отложения)
0.01 0,08 11 80 20 3.7 40 52 11000 2200
Озеро Малое Яровое (зоопланктон - *Artemia salina, ** макрофиты)
*0.12 0,13 4,3 27 5,1 2,3 7,2 11,4 3915 141
**0.043 0.1 2.8 3.8 2.4 <0.5 2.4 <4 588 29
Озеро Малое Яровое (донные отложения)
0.01 0.07 11 110 20 16 42 50 17500 230
Примечание: аналитики - В.Н. Ильина, Ж.О. Бадмаева
Атропогенно-трансформированные водоемы Алтайского края. По результатам многолетних биогеохимических исследований (1998-2004 гг.) оз. Большое Яровое отнесено к разряду техногенно-трансформированных водоемов [21, 22]. В озере выявлено локальное пятно ртутного загрязнения в зоне воздействия отходов химического комбината АО «Алтайхимпром» (г. Яровое). Комбинат АО «Алтайхимпром» является крупнейшим в России производителем химических реактивов, в том числе оксида ртути, сырьем для производства которого служит металлическая ртуть. Биогеохимическое опробование проведено на 5 станциях акватории озера, как в зоне ближнего влияния химического комбината, так и на разном удалении от источника загрязнения (рис.2). Кроме того, опробованы карты-накопители твердых отходов комбината и пруды отстойники сточных вод в санитарно-защитной зоне комбината, как предполагаемые точечные источники поступления Hg в озеро. Согласно литературным данным, основной диффузный источник поступления ртути в водную экосистему оз. Большое Яровое -береговые отвалы химкомбината АО «Алтайхимпром», особенно в период интенсивного снеготаяния [8]. В качестве индикаторных объектов выбраны зоопланктон, представленный единственным видом Artemia salina L. (100 % биомассы), и нитчатая зеленая водоросль Cladophora fracta. Установлено локальное пятно ртутного загрязнения зоопланктона и донных отложений оз. Большое Яровоев в зоне воздействия отходов комбината АО «Алтайхимпром». В зоопланктоне средние содержания ртути достигают значений 1.5 мкг/г сухой массы (станция № 2), при фоновых значениях (станция № 1) 0.6 мкг/г и при региональном фоне - 0.1 мкг/г. В верхнем (5 см) слое донных отложений в
зоне влияния комбината (станция № 2) среднее содержание ртути равно 0.77 мкг/г сухой массы, при фоне - 0.05 мкг/г (станция № 1).
Рис. 2. Схема отбора проб на озере Большое Яровое.
о?. Большое Яровое
1 •
В табл. 6. представлены данные по содержанию ртути в компонентах экосистемы оз. Большое Яровое. В зоне влияния комбината концентрации Н^ в зоопланктоне и донных отложениях на порядок превышают таковые на фоновом участке.
Таблица 6
Содержание Н§ в абиотических и биотических компонентах техногенно-трансформированного оз. Большое
Яровое
Номер станции Вода, мкг/л Взвесь, мкг/г Донные осадки, мкг/г Зоопланктон, мкг/г
1 (фоновая) 0.03 <0.01 0.01 0.46
2 (зона влияния комбината) <0.02 <0.01 0.77 2.3
3 0.05 0.017 0.043 1.1
4 <0.02 <0.01 0.015 0.84
Примечание: аналитик - Ж.О. Бадмаева.
Результаты многолетних исследований (1998-2004 гг.) свидетельствуют, что « ртутная» ситуация в оз. Большое Яровое практически не меняется во временном аспекте (табл. 7). В связи с этим, становится очевидным необходимость продолжения мониторинговых наблюдений за состоянием экосистемы озера. В качестве надежного индикатора ртутного загрязнения оз. Большое Яровое можно рекомендовать зоопланктон и, в частности, жаброного рачка A. salina, который, являясь активным фильтратором, накапливает Hg в концентрациях, в сотни и тысячи раз превышающих ее содержание в воде.
Таблица 7
Среднее содержание Hg в зоопланктоне (мкг/г сухой массы) оз. Большое Яровое
Станции 1998 г. 2003 г.
1 (фоновая) 0.64 0.46
2 (зона влияния комбината 1.5 2.3
При исследовании микроэлементного состава сопряженных компонентов экосистем соляных озер Алтайского края был использован комплекс высокочувствительных аналитических методов - традиционный атомно-абсорбцтионнный на ограниченный круг элементов (порядка 10), а также РФА-СИ (рентгеновская флуоресценция с синхротронным излучением, аналитик - Бобров В.А.) и ИНАА (нейтронно-активационный метод, аналитик - Бобров В.А.), что позволило получить оригинальные данные по содержанию в зоопланктоне и донных осадках соляных озер Алтайского края до 40-ка элементов, включая группу тяжелых металлов, ряд породообразующих, редких и редкоземельных [5].
В соответствие с принятым в биогеохимии приемом [23] подсчитаны коэффициенты обогащения элементов (EF - Enrichment Factor) в планктоне относительно кларковых концентраций элементов в континентальной глине (shale) с предварительным нормированием по Sc согласно выражению: EF = (xi /8с)объект/ (xi/Sc ) shale. Аналогичное нормирование для выяснения фракционирования химических элементов в атмосферных выпадениях проведено в работе Гавшина В.М. [2]. Особая роль Sc при этом состоит в том, что он является химически инертным при выветривании и транспортировке обломочного материала на пути к донным осадкам и не испытывает фракционирования так же как редкоземельные элементы и Th.
На рис. 3 и 4 приведены ранжированные по значениям графики EF обогащения для зоопланктона фонового оз. Малое Яровое и техногенно-трансформированного оз. Большое Яровое по [5].
EF 1000.0
100.0
10.0
1.0
0.1
оз. Малое Яровое
& т гаи = ОО re-Q^-in-Q ow гага «и с 3.o.Q3¡tra.Q.л
mz!)oxowin о< -j o z <55 ш i-> -j ^i-cli-
I- II
Рис.3. Ранжирование химических элементов по значениям коэффициентов обогащения EF в зоопланктоне (A. salina) фонового оз. Малое Яровое
EF 10000.0
1000.0
100.0 10.0 1.0 0.1
Рис. 4. Ранжирование химических элементов по значениям коэффициентов обогащения EF в зоопланктоне (Artemia salina) техногенно-трансформированного оз. Большое Яровое
оз. Большое Яровое
Ранжированные значения ББ указывают на 10 - 100 кратное обогащение элементами зоопланктона фоновых озер (Малое Яровое элементами, формирующими солевой состав воды (Ca, Вг) и группы биодоступных элементов (Н§, Cd, БЬ) и на 1000 кратное обогащение Н§ зоопланктона оз. Большое Яровое.
РЕЗУЛЬТАТЫ КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА
Установленные качественные закономерности накопления элементов в объектах исследования получают обоснование при интерпретации диаграмм кластерного анализа. Выборка проб, представленная составами донных отложений и живых организмов, образовала строгую иерархическую структуру (рис. 4). Донные отложения - почвы; водные растения - водоросли - моллюски; макрофиты; органы и ткани рыб; планктон образовали строгие индивидуальные группы. Вероятно, объекты накапливают различные ассоциации элементов. В изучаемой совокупности наиболее сходными составами обладают группы донные отложения и водные растения - моллюски, а группа планктона -уникальна. Причины подобной классификации становятся понятны, если рассмотреть корреляцию переменных (факторов), на основе которых построена дендрограмма классов (рис. 4).
Рис. 4. Степень корреляционной связи (анализ Я - типа) между переменными (микроэлементами). Обобщенная матрица.
Верхняя линия - шкала коэффициентов корреляции между переменными.
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 СС1 -
Pb Си Сг
Со
Еп .
Мп-- г
Нд-1
Я-анализ показал, что переменные - по степени корреляции - распадаются на три группы: 1) Сг, №, Со; 2) Н§, Мп, 2п; 3) С^ РЬ. Первая группа - это ассоциация элементов, появление которых в донных отложениях связано с составом терригенной примеси, поступающей из почвенного профиля. Об этом свидетельствует объединение в одну
группу проб почв и донных отложений и раздельное кластирование проб биообъектов. Триада Сг, №, Со существует только, когда в группируемой выборке присутствуют донные отложения, почвы и высшие растения с моллюсками. Вторая группа элементов своим существованием обязана особенностям химического состава живых организмов. 2п, Мп, Н§ активно аккумулируются живым веществом, главным образом, планктоном и поступают в осадок с остатками отмерших организмов. Сопоставления корреляционных зависимостей с данными, представленными в таблицах 2-5 указывают на то, что источником этих элементов являются отходы промышленных производств.
Я-анализ в совокупности с успешным Q-анализом (т.е. если удалось выделить искомые классы) позволил установить те ассоциации элементов, которые отличают одни объекты от других. В данном случае выделенная ассоциация элементов 2п, Мп, Н§, указывает на существование определенных условий (бессточность озер и промышленные выбросы), в силу которых эти элементы накапливаются в живом веществе. Причём, если состав донных отложений имеет ряд общих черт с составами водных растений и моллюсков, поскольку осадок является средой их обитания, то планктон и рыбы имеют ряд характерных отличий. Об этом свидетельствует существование третьей группы ассоциации РЬ-С^ которые концентрируются в планктоне.
Результаты кластер-анализа показали, что без исследования состава живого вещества точно идентифицировать природу загрязнения затруднительно. Так, на примере оз. Большое Яровое показано, что высокие содержания Н§, Мп, 2п в планктоне, на отдельных станциях, не связаны с поступлением терригенного материала в озеро, т.е. ртуть не коррелирует с ассоциацией элементов естественного происхождения (рис. 5).
1.0 0.4 0 -0.4 -1.0
сс
РЬ Си Со
Сг Еп Мп Нд
Рис. 5. Степень корреляционной связи (анализ Я - типа) между переменными
(микроэлементами). Оз. Большое Яровое (биота)
Верхняя линия - шкала - коэффициентов корреляции между переменными.
Ртуть, в данном случае, антропогенно привносимый элемент, который четко фиксируется и удерживается планктоном. Живые организмы и, в частности планктон, активно абсорбируя из водного раствора 2п, С^ РЬ, Мп, Н§, "записывает" информацию о начальных этапах поступления загрязняющих веществ в водоем в текущий момент времени, в то время, как донные осадки несут информацию об интегрирующей сумме как природной, так и техногенной составляющей загрязнения за длительный период времени. Особое значение имеет то, что живым веществом фиксируются те элементы, которых по составу вод или осадков идентифицировать не удается. В слабо загрязненных районах корреляция микроэлементов в живом веществе качественно не отличается от картины, полученной для озер, подверженных техногенному воздействию поскольку в целом экологическая обстановка достаточно благоприятна. Исключение составляет цинк, корреляционная взаимосвязь которого с элементами загрязнителями ослабляется. С возрастанием концентрации он более равномерно распределяется между водой, донными отложениями и живыми организмами. Установленные закономерности могут помочь в идентификации процессов загрязнения. Так, изменение ассоциаций элементов (Я-анализ), установленных для озер с экологически благоприятной обстановкой, и размывание выделенных классов ^-анализ), например объединение донных отложений и живых организмов, свидетельствует о нарушении биогеохимического баланса в озере.
Следует отметить еще одну важную особенность полученных результатов - все элементы имеют либо положительные, либо нейтральные коэффициенты корреляции. Мы полагаем, что это следствие водного режима исследованных озер. В бессточных системах происходит аддитивное накопление микроэлементов в донных отложениях, независимо от того, поступают ли они с терригенным веществом или с промышленными выбросами, накапливаясь первоначально в живом веществе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получены базовые, составляющие биогеохимический фон, содержания микроэлементов в биологических объектах пресноводных озер лесостепной ландшафтной зоны (Кривое, Чаячье, Ракиты); солоновато-водных (Горькое-2, Горькое-5) и соляных (Малое Яровое, Кулундинское) озер степной ландшафтной зоны; пресноводных озер предгорной ландшафтной зоны (Колыванское). Обоснован выбор организмов-маркеров, выявляющих региональную специфику техногенного загрязнения взаимосвязанных компонентов водной экосистемы тяжелыми металлами. Индикаторные возможности планктона особенно эффективно использовать на начальных этапах поступления загрязняющих веществ в водоемы для идентификации точечного источника загрязнения,
поскольку элементный состав планктона несет информацию о загрязнении среды обитания в короткий отрезок времени, равный жизненному циклу планктонных организмов. Так, в качестве надежного индикатора загрязнения соляных озер Алтайского края можно рекомендовать зоопланктон и, в частности, рачка Artemia salina L
По результатам биогеохимической индикации озеро Большое Яровое отнесено к разряду техногенно-трансформированных водоемов. Загрязнение озера ртутью носит локальный характер (зона ближнего влияния комбината "Алтайхимпром") и не меняется во временном аспекте.
Применение метода кластерного анализ позволяет получить на основе ограниченных аналитических данных развернутую эколого-геохимическую характеристику исследуемых водных объектов в целом. Результаты исследования указывают на изменение естественных ассоциаций элементов в природных объектах под воздействием техногенной нагрузки и подтверждают тот важнейший факт, что именно живое вещество реагирует на изменение состава окружающей среды задолго до того, как эти изменения будут обнаружены в составе донных отложений и вод.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мельник М.С.. Шестаков В.И. Экологическая обстановка на территории Тюменской области: состояние, проблемы, пути их решения // Безопасность и жизнедеятельность в Сибири и на Крайнем Севере. Тюмень, 1995. С. 3-8.
2. Гавшин В.М., Сухоруков Ф.В., Будашкина В.Д. и др. Свидетельства фракционирования химических элементов в атмосфере Западной Сибири по данным исследования верхового торфяника // Геохимия. 2003. № 12. С. 1337-1344.
3. Моисеенко Т.И., Даувальтер В.А., Родюшкин И.В. Механизмы круговорота природных и антропогенно привнесенных металлов в поверхностных водах Арктического бассейна // Водные ресурсы, 1998. Т.25, № 2. С. 231-243.
4. Леонова Г.А., Аношин Г.Н., Бычинский В.А. и др. Ландшафтно-геохимические особенности распределения тяжелых металлов в биоте и донных отложениях водных экосистем озер Алтайского края // Геология и геофизика, 2002. Т.43. № 12. С. 1080-1092
5. Леонова Г.А., Бобров В.А., Маликов Ю.И., Аношин Г.Н. Биогеохимическая характеристика экосистем соляных артемиевых озер Алтайского края // Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде. Доклады III Международной научно-практической конференции. Семипалатинский
государственный педагогический институт, 7-9 октября 2004 г. Том 1. -Семипалатинск, 2004. С. 375 - 383.
6. Леонова Г.А., Аношин Г.Н., Особенности распределения тяжелых металлов и радионуклидов в биологических объектах озер Ямало-Ненецкого автономного округа // Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды. Материалы научной конференции 22-26 сентября 2003 г. Минск-Нарочь. Минск: Изд-во БГУ, 2003. С. 40-43.
7. Леонова Г.А., Щербов Б.Л., Страховенко В.Д., Аношин Г.Н. Экологическая экспертиза состояния озер Ямало-Ненецкого автономного округа методом биогеохимической индикации // Environment of Siberia, the Far East and the Arctic. Selected Paper presented at the International Conference ESFEA 2001, Tomsk, Russia. September 5-8, 2001. P.241-246.
8. Темерев С.В., Галахов В.П., Эйрих А.Н., Серых Т.Г. Особенности формирования химического состава снегового стока в бессточной области Обь-Иртышского междуречья // Химия в интересах устойчивого развития, 2002. № 10. С. 485-496.
9. Михайлов Н.Н. Загрязнение донных осадков некоторых озер Алтайского края // Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. T.II, кн.2. Барнаул: Изд-во Алтайского гос. универ., 1993, с. 28-44..
10. Папина Т.С., Сухенко С.А., Темерев С.В., Артеньева С.С. Тяжелые металлы в водных объектах среднего течения р. Алей // Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. Т.11, кн.2. Барнаул, Изд-во Алтайского гос. универ., 1993, с. 54-62.
11. Кириллов В.В., Лопатин В.Н., Щур Л. А. и др. Биоиндикация качества поверхностных вод бассейна реки Алей // Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. Т.11, кн.2. Барнаул: Изд-во Алтайского гос. универ.,1993, с. 104-117.
12. Щербов Б.Л., Андросова Н.В., Иванова Л.Д. и др. Тяжелые металлы и техногенный радионуклид Cs-137 в донных отложениях Телецкого озера // Геология и геофизика, 1997, № 9, с.1497-1508.
13. Щербов Б.Л., Страховенко В.Д., Маликова И.Н. Природный и антропогенный источники формирования элементного состава донных отложений в водоемах Алтайского края // Геология и геофизика. 2003, Т. 44. № 10. С. 1024-1035.
14. Гусев В.А., Карпов И.К., Киселев А.И Алгоритм построения иерархической дендрограммы кластер-анализом в геолого-геохимических приложениях // Изв. АН СССР, Сер. геол., 1974, № 8, с. 61-67.
15. Водоемы Алтайского края. Биологическая продуктивность и перспективы использования. Под редакцией В.П. Соловова. Новосибирск: Наука, 1999. 279 с.
16. Шойхет Н.Я., Герасименко Н.Ф., Киселев В.И. и др. Медико-экологическая ситуация в Алтайском крае // Вестник научной программы "Семипалатинский полигон - Алтай". Новосибирск: Изд-во Офсет, 1994, № 2, с. 5-20.
17. Виноградов А.П. Химический элементарный состав организмов моря. Избранные труды. М.: Наука, 2001. 358 с.
18. Добровольский В.В. География микроэлементов: глобальное рассеяние. М.: Мысль, 1983, с. 50-62.
19. Никаноров А.М., Жулидов А.В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 312 с.
20. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. Новосибирск: Издательство СО РАН НИЦ ОИГГМ, 1997, 234 с.
21. Леонова Г. А. Биогеохимическая индикация загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами // Водные ресурсы, 2004. Т.31. № 2. С. 215-222.
22. Леонова Г.А. Биогеохимическая индикация природных и техногенных концентраций химических элементов в компонентах водных экосистем (на примере водоемов Сибири) // Электронный журнал «Исследовано в России», 197, 2096-2110, 2004 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/197.pdf
23. Li Yuan-hui. Distribution patterns of the elements in the ocean: A synthesis // Geochim. et Cosmochem. Acta. 1991.55. P. 3223-3240.
