CC BY
42
УДК 550.75
САМОХИНА Лариса Анатольевна, научный сотрудник лаборатории промысловой океанологии Северного отделения Полярного научно-исследова-телъского института морского рыбного хозяйства и океанографии имени Н.М. Книповича. Автор 17 научных публикаций
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ БЕНЗ(А)ПРИРЕНА
НА КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗООБЕНТОСА БЕЛОГО МОРЯ И ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ БАРЕНЦЕВА МОРЯ
Возрастающее техногенное воздействие на окружающую среду выявляет проблему, связанную с характером действия загрязняющих веществ на водные экосистемы. В данной статье представлен анализ взаимосвязей количественных характеристик зообентоса и содержания бенз(а)пирена в донных отложениях Белого и юго-восточной части Баренцева морей. Применен метод получения уравнений с высоким коэффициентом корреляции для экологических моделей при отсутствии статистически значимых связей.
Белое море, юго-восточная часть Баренцева моря, макрозообентос, загрязнение, донные отложения, бенз(а)пирен
Интенсивное освоение шельфовой зоны Северного Ледовитого океана в последние годы вызывает тревогу по поводу экологических последствий, связанных с разработкой его морских нефтегазовых месторождений. Для многих районов данного океана характерны сильно изменчивые, суровые природные условия, где вероятность аварийных и катастрофических исходов выше, чем на суше. В связи с этим одной из наиболее актуальных проблем является достоверная оценка негативного влияния хозяйственной деятельности по разведке, добыче, транспортировке и переработке углеводородного сырья на биологические ресурсы северных морей Российской Федерации. Получение подобной информации позволяет оптимизировать разработку и реализацию природоохранных мероприятий, а также эффективно
компенсировать возникающий рыбохозяйственный ущерб.
Несмотря на низкие потери нефти в процессе морских буровых работ, нефтяное загрязнение пока неизбежно сопровождает нефтегазовые промыслы на шельфе даже без учета аварийных разливов. В последние годы во многих программах по мониторингу загрязнения морской среды предпочтение отдается анализу загрязнения донных отложений, т.к. именно в них происходит накопление нефтяных углеводородов в концентрациях, значительно превышающих их уровни в водной толще. В состав нефтяных углеводородов входят и так называемые полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых встречаются высокотоксичные соединения. Необходимо отметить, что среди ПАУ особое внимание уде-
ляют бенз(а)пирену (БаП), обладающему канцерогенными свойствами и имеющему в основном техногенное происхождение. Влияние БаП на морских гидробионтов Белого и Печорского морей, включая зообентос, до настоящего времени остается малоисследованным.
Бентосные сообщества, обитающие в непосредственном контакте с загрязненными донными осадками, являются своего рода индикаторами такого загрязнения. Как правило, повышение уровней загрязнения морских биогеоценозов наблюдается в устьях и дельтах рек, бухтах и заливах, портах, районах интенсивного судоходства, добычи и транспортировки нефти [1]. Как показали исследования Северного филиала ПИНРО (СевПИНРО) содержание БаП в донных осадках Двинского, Онежского и Кандалакшского заливов варьирует в диапазоне от 0,06 до 41 мкг/кг сухого грунта [2]. Вероятность обнаружения максимальных концентраций БаП, как правило, снижается по мере удаления от морских портов и устьев рек.
В результате исследований содержания БаП в Белом и Печорском морях было выявлено наличие негативного влияния загрязнения донных отложений на количественные характеристики сообществ донных беспозвоночных. Наблюдается такая закономерность - с увеличением уровня загрязнения донных отложений БаП в определенном диапазоне концентраций отмечается снижение общей биомассы и плотности поселения зообентоса. Эта закономерность имеет сложный характер, т.к. на его численные характеристики действует множество факторов, среди которых доминирующую позицию занимает характер донного субстрата.
Так, прибрежное мелководье Печорского моря (0-2 м, песчаный грунт) лишено макрофауны, поскольку сильные волновые воздействия препятствуют развитию неподвижных донных животных. В скоплениях водорослей отмечены бокоплавы Gammarus setosa, G. locusta и морские козочки Caprella ssp. На глубинах 5-7 м преобладают полихеты и ракообразные. Наиболее массовым видом является молодь двустворчатого моллюска Масота baltica. Биомасса бентоса на таких участках составляет 3 г/м2.
Диапазон глубин 10-18 м характеризуется доминированием молоди моллюска Serripes groenlandicus и офиуры Stegophiura nodosa. Средняя биомасса бентоса составляет 20 г/м2. Биомасса промысловых видов моллюсков варьирует в интервале от 6 до 32 г/м2 для Serripes groenlandicus и от 0 до 16 г/м2 для Ciliatocardium ciliatum. На глубинах 18 м на илисто-песчаном грунте наблюдается резкое повышение количественных (61 вид) и качественных характеристик (218 г/м2) бентосных сообществ с доминированием Serripes groenlandicus (60,5-168,7 г/м2), Tridonta borealis и Ciliatocardium ciliatum (1,2-87,9 г/м2) [3].
В распределении макрозообентоса прибрежной части Белого моря определяющим фактором также является характер донных осадков. На скалистых, валунных и каменистых грунтах в прибойных участках располагается сообщество Balanus balanoides и Littorina saxatilis, биомасса которого значительно варьирует: от 70 до 300 г/м2. В эстуарных участках на илисто-песчаных грунтах, часто с гниющими остатками водорослей, доминируют олигохеты и личинки насекомых. Биомасса этих донных сообществ составляет 100-180 г/м2. В прибрежной части моря с подобным типом донных отложений развиваются сообщества Масота baltica, Муа arenaria, Arenicola marina (40-200 г/м2). Вдоль всех берегов Белого моря отдельными пятнами на глубинах 1-15 м, обычно на мягких грунтах, расположены сообщества моллюска Mytilus edulis. На участках, отличающихся большими скоростями приливо-отливных течений, они развиваются на глубинах до 40 м. Как правило, в таких районах донные отложения представлены илистым песком с ракушей, часто с галькой. Здесь биомассы особенно велики и могут достигать 15-32 г/м2 [4].
Официально узаконенных нормативов оценки негативного загрязнения морских донных отложений БаП на территории России в настоящее время не существует. Это вызывает затруднения при достоверном расчете рыбохозяйственного ущерба в случае аварийных разливов нефти, на стадиях предпроектных и проектных работ, а также при оценке последствий
реальных аварийных ситуаций, которые несут максимальную угрозу морским биоресурсам, включая промысловые объекты. Следует отметить, что в монографии Патина С.А. [1] имеется ссылка на норматив для содержания БаП в донных отложениях (20 мкг/кг) без указания на использованный литературный источник. Как уже отмечалось выше, в Белом и Печорском морях концентрации БаП могут превышать указанную величину.
Экспериментальные работы по оценке влияния концентраций БаП, содержащихся в донных отложениях, на тестовые организмы не могут охватить весь спектр особенностей природной зональности экологических условий и изменчивости содержания нормируемых компонентов, а также сложные процессы, происходящие на реальном, весьма динамичном морском участке на границе трех сред: воды, донных отложений и живых гидробионтов. В данной статье нами сделана попытка по натурным наблюдениям на основании визуального анализа связей содержания БаП в донных осадках и численными характеристиками макрозообентоса оценить необходимую лимитирующую величину загрязнения донных отложений. Однако отсутствие математического (расчетного) обоснования подобного норматива делает его весьма уязвимым для критики. Для решения данной проблемы был проведен специализированный статистический анализ мониторинговых наблюдений СевПИНРО в Белом и юго-восточной части Баренцева морей, полученных в 20032007 годах. В качестве индикатора техногенного воздействия была выбрана биомасса зообентоса, для которой существует отработанный алгоритм определения рыбохозяйственного ущерба через потери кормовой базы рыбы. Через этот показатель также можно оценить прямой ущерб, возникающий при гибели промысловых видов донных беспозвоночных [5].
Из анализа графика связи первичных данных по количественным характеристикам и БаП вытекает, что конфигурация поля корреляционных точек не позволяет для нахождения какой-либо зависимости воспользоваться стандартным методом наименьших квадратов
(МНК). К сожалению, особенности используемого массива данных также не дают возможности применять методы многомерной регрессии. В данной ситуации, учитывая необходимость учета только негативных эффектов для макрозообентоса, можно воспользоваться исследованием характера изменений только верхней границы корреляционного поля. Данный подход, в частности, применялся при оценке негативного влияния на зообентос нефтепродуктов [6]. В этом случае влияние содержания БаП в донных отложениях на биомассу и численность донных животных имеет доминирующий характер по отношению к другим факторам.
Для реализации такого подхода шкала изменений концентраций БаП была разделена на интервалы, равные 0,025 мкг/кг для концентраций БаП, не превышающих 1 мкг/кг, и 0,5 мкг/кг для концентраций загрязняющего вещества выше 1 мкг/кг. Здесь и далее размерность мкг/кг учитывает содержание БаП в абсолютно сухом грунте, при использовании методики ПФНД [7]. Связь между исследуемыми параметрами была предварительно подвергнута процедуре линеаризации через логарифмирование одного параметра или обоих. Визуально наилучший эффект в этом отношении наблюдался при использовании десятичного и натурального логарифмов для биомассы и численности макрозообентоса. Далее были сформированы выборки величин БаП, попадающие в данные интервалы, в следующем порядке. На первом шаге бралось только максимальное значение, попадающее в каждый интервал, затем 2 наибольших значения и т.д. Выбор был ограничен 5 значениями, т.к. при дальнейшем их увеличении начинали нарушаться требования, выдвигаемые к использованию стандартного МНК. Следует отметить, что расширение диапазона анализируемых корреляционных точек усиливает влияние других факторов, которые «демаскируют» связь между концентрацией БаП и количественными показателями бентоса.
Далее были определены коэффициенты корреляции. При этом применялись значения концентраций БаП, соответствующие серединам используемых интервалов. Наибольшая корреляция отмечалась при применении для биомас-
сы макрозообентоса, выраженной через десятичные логарифмы, что дало основание для выбора данной формы устранения нелинейности исследуемой связи. Затем были определены регрессионные уравнения для расчета биомассы бентоса по концентрациям БаП с выделением границ доверительного интервала 95% обеспеченности по уравнению
= аС + в ± е0>95, (1)
где#- биомасса зообентоса, г/м2;
С - концентрация бенз(а)пирена в донных отложениях, мкг/кг;
в - эмпирические параметры;
£ 0 95 - среднеквадратическая ошибка расчетов 95 % обеспеченности, определяемая по формуле
ео,95 = ав{*(1-к2)0,5’ (2)
где ав - среднеквадратическое отклонение для логарифмов значений биомассы;
- значение критерия Стьюдента;
Я - коэффициент линейной корреляции.
Результаты расчетов приведены в табл. 1, где параметр п показывает количество использованных пар значений коррелируемых парамет-
ров. Аналогично были произведены расчеты для плотности распределения донных животных {табл. 1).
В качестве критерия допустимого воздействия целесообразно взять точку пересечения регрессионной линии с осью изменений параметра С. Тогда имеем, что ^В = 0, а В = 1 г/ м2 и Ы= 1 экз./м2. Значение биомассы 1 г/м2 и 1 экз./м2, на наш взгляд, вполне обосновано, поскольку даже при неблагоприятных условиях развития бентосных сообществ прибрежной зоны исследуемых морей количественные характеристики, как правило, превышают выбранные нами показатели. Таким образом, эти значения биомассы и численности макрозообентоса целесообразно использовать в качестве экологически толерантного порога (ЭТП) [8].
В табл. 2 приведен диапазон расчетных величин ЭТП с учетом погрешности вычислений по регрессионным уравнениям. Наблюдается тенденция к уменьшению ЭТП с увеличением числа анализируемых данных. При выборе необходимого значения следует учесть, что
Таблица 1
Результаты статистических исследований связей между количественными характеристиками зообентоса
и содержанием бенз(а)пирена в донных отложениях
№ Уравнение регрессии Статистические параметры
Я Ов ± £0,95 п
1 = -0,0761 С + 2,6327 0,8729 0,7653 2,18 0,814 13
2 1ёВ =-0,0749С + 2,5117 0,7967 0,6417 2,06 0,799 25
3 = -0,0728 С + 2,4293 0,7227 0,5941 2,04 0,838 36
4 = -0,0706С + 2,3548 0,6585 0,5727 2,02 0,871 46
5 %В = -0,0679С + 2,2648 0,5648 0,5933 2,02 0,989 56
6 1ёЫ = -0,0428С + 3,7973 0,8018 0,4690 2,18 0,611 13
7 1ёЫ = -0,0419С + 3,6907 0,7136 0,4005 2,06 0,578 25
8 1ёЫ = -0,0419С + 3,5995 0,6206 0,3982 2,04 0,637 36
9 = -0,0405С + 3,5318 0,5555 0,3893 2,02 0,654 46
10 = -0,0393 С + 3,4635 0,4941 0,3923 2,02 0,689 56
Таблица 2
Изменчивость расчетных концентраций бенз(а)пирена в донных отложениях с учетом доверительным интервалов
№ Уравнение регрессии Значения С (мкг/кг) при lgB=0, lgN=0
с у-'макс с ^CV с ^мин
1 IgB = -0,0761 С + 2,6327 ± 0,814 45,29 34,59 23,90
2 IgB = -0,0749С + 2,5117 ±0,799 44,20 33,53 22,87
3 IgB = -0,0728С + 2,4293 ± 0,838 44,88 33,37 21,86
4 IgB = -0,0706С + 2,3548 ± 0,871 45,69 33,35 21,02
5 IgB = -0,0679С + 2,2648 ± 0,989 47,92 33,35 18,79
6 IgN = -0,0728С + 3,7973 ± 0,611 103,00 88,72 74,45
7 IgN = -0,0728С + 3,7973 ± 0,611 101,88 88,08 74,29
8 IgN = -0,0883С + 3,5995± 0,637 101,11 85,91 70,78
9 IgN = -0,0405С + 3,5318 ± 0,654 103,35 87,20 71,06
10 IgN = -0,0393С + 3,4635 ± 0,689 105,66 88,13 71,49
в морских гидрологических прогнозах ведение практических расчетов по регрессионным уравнениям допускается при Я>0,6. Тогда выбор ссужается до первой пары уравнений в табл. 2. Ориентируясь на общепринятый в экологии учет наиболее жестких норм, получаем, что при решении практических задач следует выбрать нижний доверительный интервал, рассчитываемый по первому уравнению в табл. 2. Это уравнение показано на рисунке. Оно, кстати, имеет и наиболее высокий коэффициент корреляции. Таким образом, результаты статистических исследований связей содержания бенз(а)-пирена в донных отложениях и биомасс зообентоса северных морей позволяют предложить в качестве нормативной концентрации (ЭТП) величину, равную 21 мкг/кг. Статистические исследования связей общей численности донных животных и содержания бенз(а)пирена в морском грунте в данном случае выявили величину значительно большую (70,8 мг/кг). Это объясняется высокой степенью устойчивости к нефтяному загрязнению некоторых видов моллюсков и особенно полихет, отдельные виды которых могут служить индикатором критических уровней нефтяного загрязнения [1]. Как показа-
ли исследования СевПИНРО, в районах с высокой антропогенной нагрузкой представители родов Nereis и Nephithys доминируют не только по плотности распределения, но и по биомассе. Эти данные также подтверждаются лабораторными исследованиями, проведенными с Nereis diversicolor, обитающим в Черном море, в результате которых была выявлена способность данного вида к преобразованию нефтяных углеводородов, содержащихся в морском грунте [9].
Полученную величину ЭТП рекомендуется применять для оценки рыбохозяйственного ущерба на стадиях предпроектных и проектных работ при математическом моделировании распространения аварийной нефти на морских акваториях и ее оседании на морское дно. Зная площадь морского дна, ограниченного изолинией величины ЭТП, несложно рассчитать ущерб по кормовой базе рыб и по промысловым видам донных беспозвоночных.
Рекомендуемый норматив также может использоваться для оперативной оценки последствий загрязнения морской среды, включая аварийные ситуации, и при проведении экологического мониторинга. Это обусловлено
График связи между количественными характеристиками макрозообентоса и содержанием бенз(а)пирена в донных отложениях для определения ЭТП
тем, что получить информацию по загрязнению донных отложений бенз(а)пиреном можно без привлечения высококвалифицированных специалистов гидробиологов и в несколько раз быстрее, чем данные по численным характеристикам зообентоса. Данная информация по-
зволит в значительной мере рационализировать дальнейшие экологические исследования, учитывая высокую стоимость подобных работ в условиях Арктики, а также оптимизировать управленческие решения в области охраны морских экосистем.
Список литературы
1. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. М., 1997.
2. Оберюхтина И.А. Оценка загрязнения экосистемы Белого моря нефтяными углеводородами и бенз(а)пире-ном в 2004 году II Материалы отчетной сессии Северного филиала ПИНРО по итогам научно-исследовательских работ 2003-2004 гг. Архангельск, 2007.
3. Печорское море. Системные исследования (гидрофизика, гидрология, оптика, биология, химия, геология, экология, социоэкономические проблемы). М., 2003.
4. Бабков А.И., Голиков А.Н. Гидробиокомплексы Белого моря. Л., 1984.
5. Мискевич И.В. Использование одномерных регрессионных моделей в приложении к водохозяйственным исследованиям. Архангельск, 2005.
6. Мискевич ИВ., Телицина Л.А. Оценка воздействия загрязнения донных отложений нефтяными углеводородами на состояние макрозообентоса Белого и Печорского морей II Материалы рыбохозяйственных исследований водоемов Европейского Севера: сб. науч. тр. СевПИНРО. Архангельск, 2002. С. 5-11.
7. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в пробах природной, питьевой и сточной воды флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02»: ПНД Ф 14.1:2:4.128-98. М., 1998.
8. Патин С.А. Нефть и экология континентального шельфа. М., 2001.
9. Георга-Копулос Л.А., Алемов С.В. Участие нереисов в преобразовании нефтяных смол в морских осадках II Гидробиол. журн. 1990. Т. 26, № 2. С. 60-64.
Samokhina Larissa
ASSESSMENT OF BENZ(A)PYRENE INFLUENCE ON QUANTITATIVE CHARACTERISTICS OF ZOOBENTHOS IN THE WHITE SEA AND THE SOUTHEASTERN BARENTS SEA
Growing technogenic environment impact leads to concern over the impact pollutants have on aquatic ecosystems. This article gives the analysis of relations between quantitative zoobenthos characteristics and benz(a)pyrene concentration in the sediments of the White Sea and the southeastern Barents Sea. The method of deriving a regression equation with high correlation coefficient was employed for ecological models in the absence of statistically significant relations.
Контактная информация: e-mail: [email protected]
Реценз ент - Коробов В.Б., доктор географических наук, начальник ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями»
