CC BY
12
РЕЦЕНЗИЯ НА КНИГУ Г. А. ЛЕОНОВОЙ И В.А. БОБРОВА «ГЕОХИМИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПЛАНКТОНА КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДОЕМОВ СИБИРИ
В КОНЦЕНТРИРОВАНИИ И БИОСЕДИМЕНТАЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ» НОВОСИБИРСК: ГЕО, 2012. - 314 С.
Огромная геохимическая роль «живого вещества» (само это понятие было введено В.И. Вернадским) общеизвестна. Также многое известно о геохимической роли планктона, но, главным образом, морского, служащего базисом пищевых цепей для промысловой морской фауны. В частности, научной школой академика А.П. Лисицына из московского Института океанологии на огромном фактическом материале развита глобальная концепция «живого океана», согласно которой главным агентом осадкообразования («биофильтром») в океане является именно планктон. Об озерном планктоне известно гораздо меньше, а о планктоне континентальных водоемов Сибири (озер и водохранилищ) до последнего времени мы вообще знали очень немногое: добываемая гидробиологами эколого-биологическая информация не была в должной мере дополнена данными изучения вещественного состава планктона с помощью современных аналитических методов.
Поэтому, несмотря на затертость этого стандартного выражения, солидная монография Г.А. Леоновой и В.А. Боброва действительно «восполняет пробел» в познании геохимии озерного планктона Сибири, и публикация данной книги (в значительной мере основанной на защищенной в Институте геологии и минералогии СО РАН докторской диссертации Г.А. Леоновой) - явление весьма отрадное.
Книга состоит из Введения, шести глав и Заключения.
Во Введении авторы позиционируют себя как идейные последователи В.И. Вернадского, А.П. Виноградова и А.П. Лисицына, кратко реферируют основные результаты исследования (что было бы лучше сделать только в конце книги, а не в начале) и приводят необходимые стандартные сведения об использованных ими аналитических методах. Список таковых надо признать впечатляющим: ИСП - в модификациях МС и АЭС; ИНАА; РФА СИ; ААС в модификациях ЭТА и ПА, а также - «холодного пара» для определения ртути; традиционный атомно-эмис-сионный спектральный анализ; рентгенофлуоресцен-тная энергодисперсионная спектрометрия под сканирующим электронным микроскопом (РФ ЭДС). Здесь не упомянуты обычные методы химического анализа природных вод - обязательные процедуры при изучении водоемов. Если всё, касающееся опробования планктона. - область ответственности Г.А. Леоновой, то грамотное применение всех аналитических методов (а также разработка алгоритмов интерпретации полученных данных) - заслуга В.А. Боброва -многолетнего сотрудника выдающегося сибирского геохимика В.М. Гавшина.
Глава 1 названа несколько манерно: «Планктон -универсальный представитель живого вещества
Г.А. Леонова, В.А. Бобров
Геохимическая роль планктона континентальных водоемов Сибири
в концентрировании и биоседиментации микроэлементов
гидросферы», ибо непонятно, что значит - универсальный представитель? Например, каким образом планктон «представляет» живое вещество рыб или китов?
Глава имеет обзорный характер; авторы кратко вводят читателей в концепцию живого вещества по В.И. Вернадскому; напоминают о выделенных им биогеохимических функциях живого вещества; вслед за А.П. Лисицыным рассматривают планктон как глобальную фильтрующую систему водной среды, в особенности на геохимическом барьере река/море. Анализируются особенности фильтрационной роли планктона в различных водоемах - от океана до рек, водохранилищ и малых бессточных озер.
Несколько раз возвращаясь по ходу изложения к фундаментальной сводке А.П. Виноградова по химическому составу организмов моря [1935], авторы указывают, что аналогичной сводки для планктона континентальных пресных водоемов нет, хотя для многих озер выполнены детальные исследования по отдельным биогенным и техногенным элементам (так называемые сериальные определения).
Выясняется, что поиск публикаций по микроэлементному составу планктона озер северных широт (Канада, Норвегия, Исландия), как во всемирной сети Интернет, так и при личной переписке с зарубежными специалистами, оказался малополезным, из чего следует заключение о слабой изученности химического состава континентального планктона - как в России, так и за рубежом.
В этой главе освещается крайне актуальная экологическая проблема - использование планктона в качестве биоиндикатора техногенного загрязнения водоемов. При этом - на основе как своего опыта, так и грамотного обобщения - сделаны три важных вывода.
Во-первых, химический состав планктона лучше индицирует кратковременное загрязнение водной среды тяжелыми металлами от локальных источников, в частности - от залповых сбросов сточных вод, нежели долговременные фоновые загрязнения.
Во-вторых, не имеет смысла использовать для биоиндикации тотальный планктон ввиду громадных дисперсий концентраций элементов-примесей, вызванных влиянием целого ряда факторов, которые невозможно правильно учесть и оценить. Среди них, в частности, и соотношения биомасс отдельных видов в пробе; и массовых долей фито- и зоопланктона; и сезона отбора планктонной пробы.
В-третьих, планктонная биоиндикация оказывается вполне возможной и достаточно эффективной, если она выполняется по однородным («монотонным») пробам планктона, выловленного в сезон массового развития одного (двух) доминирующих видов. Но для этого (как понятно) необходим достаточно высокий профессиональный уровень исследования: нужно хорошо знать стадии биологического развития планктонных организмов, правильно выбрать место и глубину отбора проб, подобрать планктонные сети с определенным размером ячеи фильтрующего конуса.
Глава 2 - методическая, она называется «Методы биогеохимического исследования водных экосистем». При биогеохимическом опробовании водных экосистем изучают химический состав основных сопряженных сред — воды, взвеси, донных отложений и биообъектов.
Вследствие низких (следовых) концентраций «микроэлементов» (я не считаю этот термин корректным и предпочитаю термин свободного пользования — элементы-примеси) в водах прямое их определение без предварительного концентрирования часто не обеспечивает необходимой точности (особенно в отношении As, Se, Sb, Cd, Щ). А планктон, реализующий «концентрационную функцию» по Вернадскому, накапливая элементы в содержаниях, как минимум, на 1—3 порядка выше фоновых, является идеальным природным концентратором. Поэтому по составу планктона (обычно — озоленного, что увеличивает исходную концентрацию элементов еще в десятки раз) можно более достоверно судить и о составе воды, в которой он обитает.
В ловчие сети попадает либо чистый планктон, либо так называемый сестон — смесь планктона и минеральной взвеси. Различать их необходимо, потому что это коренным образом меняет интерпретацию аналитических результатов. Поэтому этой проблеме уделено значительное внимание: с помощью современных микрометодов анализа — сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с энергодисперсионной спектроскопией (ЭДС) авторами контролировалось отсутствие терригенной примеси в анализируемых планктонных образцах (помимо обычно используемой величины зольности). Применение метода СЭМ позволило авторам корректно решить важный методический вопрос о причинах повышенной зольности некоторых образцов планктона, которая в большинстве проб была обусловлена конституционными химическими элементами скелетных и покровных тканей планктонных организмов. По данным энергодисперсионных спектров химических элементов
было сделано заключение, что планктонные образцы почти не содержат терригенной примеси — в пробах не установлено присутствия индикаторов терриген-ных компонентов — А1, Zr, Т и Si обломочных ми-
7 7 крист
нералов. Зольность планктонных образцов в целом обусловлена конституционными элементами, входящими в живое вещество и наружные скелетные панцири планктонных организмов.
В целях количественного сравнения концентрационной функции планктона по разным элементам-примесям широко используется вычисление коэффициентов биологического поглощения, которые авторы обозначают как Кб (я бы предпочел все-таки обозначение КБП), — отношение содержания элементов в планктоне к содержанию элемента в воде:
С1 (планктон) / С1 (вода^
где: С , . — содержание 1-го химического элемен-
I (планктон) А
та в планктоне (мг/кг сырой массы); С. (вода) — содержание 1-го химического элемента в воде (мг/л).
Мне кажется, что такое вычисление методически сомнительно, ибо содержание в сыром планктоне (непредсказуемым образом зависящее от влажности пробы!) — величина слишком изменчивая. Поэтому корректное вычисление КБП, как мне представляется, должно производиться только по сухой пробе планктона.
Кроме того, авторы широко применяют известный в геохимии методический прием — нормирование содержаний химических элементов по так называемому элементу-свидетелю. В качестве элемента-свидетеля терригенной примеси выбран скандий — полагают, что этот элемент-гидролизат, близкий аналог редкоземельных элементов (РЗЭ), на все 100% является терригенным. Нормирование позволяет оценить долевые вклады разных генетических фракций элементов-примесей в озерных осадках: биогенной (план-ктоногенной), терригенной и остаточной (пеллетной + гидрогенной). Например, при зольности исходного планктона 10% и зольности сапропеля 47% расчет дает следующий баланс генетических фракций Са в сапропеле):
терригенный кальций 14%
планктоногенный кальций 58%
пеллетный + гидрогенный кальций 28%
К сожалению, при расчетах терригенного вклада авторы пошли по легкому пути: вместо оценки реального геохимического фона водосборов, питающих озерные бассейны Сибири терригенным материалом, они взяли глобальные кларки для «сланцев», вычисленные американским геохимиком Ж.-Х. Ли (Т-Х. Li) в его знаменитом «Компендиуме» [2000] и в более ранней статье [1991]. Например, кларк Са для «сланцев» в этой статье равен 1,6% (16000 г/т) — эту цифру авторы используют в своих балансовых расчетах (равно как и все другие цифры Ли для «микроэлементов»). Но ведь Сибирь — это далеко не весь мир; не окажется ли оценка местного геохимического фона взвешенного Са, вносимого здесь реками в озера и водохранилища, существенно иной, чем в среднем «сланце» Ли?
Поскольку среди изученных авторами объектов были и соленые озера, читатель-профессионал обра-
тит внимание на важную «компьютерную» новацию, позволившую авторам снять ряд ограничений, существующих при расчете форм химических элементов в высокоминерализованных растворах. Известно, что программа WATERQ4F не предназначена для расчета форм элементов в подобных растворах и не располагает базой термодинамических данных для расчета форм ртути. С другой стороны, адаптированный программный комплекс «Селектор-С» позволяет рассчитывать равновесие в минерализованных растворах, однако встроенные термодинамические базы имеют ограничения по списку форм элементов-примесей. Совместное применение двух компьютерных программ не только дало вполне удовлетворительный по степени сходимости с химико-аналитическими данными результат, но и позволило рассчитать формы существования большинства химических элементов в водном растворе разной солености.
Глава 3 называется «Элементный состав океанического, морского и континентального планктона» (кстати, кто-нибудь знает, почему в одних случаях говорят «океанический», а в других — «океанский»?).
Данные по океанскому и морскому планктону в основном взяты из литературы (это обзорный раздел 3.1), а по континентальному — получены авторами. Важным достоинством обзора является детальный анализ фундаментальной сводки А.П. Виноградова [1935] «Химический элементарный состав организмов моря», которая еще в военные годы была переведена в США на английский язык.
Тем не менее, в упрек авторам можно поставить неполноту обзора. Указав на обобщающие работы В.С. Савенко [1988] и того же Ж.-Х. Ли [1991], отметив еще несколько важных работ, в том числе Г.Н. Батурина и др. [1993], авторы не сочли нужным упомянуть наше обобщение [статья 1990 г. и книга 1994 г.1, с. 11], где нами независимо (по своей базе данных) вычислены оценки медианного содержания 36 элементов-примесей в сухом тотальном океанском планктоне — и соответствующие значения КБП. А ведь именно на этих цифрах построены оценки биогенных вкладов (фракция Мебио) в черных сланцах. Таким образом, плодотворно применяя наш методический подход к определению баланса генетических форм элементов-примесей в осадках (главы 2 и 5), авторы отчего-то не используют наши результаты, которые вполне могли бы им пригодиться, поскольку сапропелевые отложения имеют сходство с рядом черных сланцев.
Основную ценность в этой главе представляют оригинальные аналитические данные (около 55 химических элементов) о составе планктона заливов Белого моря, озер и водохранилищ Сибири, полученные с помощью современных прецизионных методов, и в этом качестве не имеющие мирового аналога.
Установлено, что концентрации химических элементов в планктоне исследованных водоемов изменяются в пределах шести порядков (от 0,01 до 10000 г/т сухого вещества). Установлено главное отличие пресноводного планктона от морского: в морском примерно на порядок больше концентрации типичных талассофильных элементов Li, Вг и I.
1 Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Элементы-примеси в черных сланцах. —
Екатеринбург : УИФ «Наука», 1994. — 304 с.
Впервые исследован химический состав планктона крупнейших водохранилищ Сибири — Иркутского и Братского на 17 химических элементов, Новосибирского — на 53, малых бессточных озер с органогенным типом осадконакопления — оз. Кирек (Западная Сибирь), оз. Очки и оз. Духовое (Восточная Сибирь) — на 48 химических элементов.
Самостоятельное научное значение представляют результаты исследования вещественного состава проб пресноводного, морского и галофильного планктона на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) с энергодисперсионной спектроскопией. Кроме того, как уже отмечалось авторами в главе 2, и сам метод сканирования планктонных образцов может быть рекомендован как наиболее надежный для подтверждения отсутствия в анализируемых пробах терригенного материала.
Глава 4 называется «Специфика концентрирования химических элементов континентальным и морским планктоном». Очевидно, что по сравнению с предыдущей главой, здесь авторы занимаются более детальным анализом эмпирических закономерностей концентрирования элементов-примесей планктоном — в зависимости от тех или иных геологических, гидрологических и биологических факторов.
Вначале авторы устанавливают парадоксальную эмпирическую закономерность: чем выше «геохимическая подвижность» данного химического элемента (то есть отношение концентраций «в растворе/ во взвеси»), тем слабее он накапливается планктоном. Поэтому максимальные КБП проявляют самые инертные элементы, с ничтожными содержаниями в растворе морской или озерной воды (например, РЗЭ, Zr, Nb, Ж, Та и ТК), тогда как минимальные КБП показывают самые подвижные макроэлементы (№, К, Мё, Са).
Этот парадоксальный вывод, бесспорно, и важен, и интересен — но в приоритетности его авторам придется отказать: нами это было установлено еще в прошлом миллениуме: в приведенной в нашей книге 1994 г. таблице (с. 11) между величинами кларков воды океана и ранжированными величинами КБП видна совершенно отчетливая обратная корреляция:
— кларкам порядка 10-7—10-6 г/т отвечают КБП порядка 106-105;
— кларкам порядка 10-5-10-4 г/т отвечают КБП порядка 105-104;
— кларкам порядка 10-4-10-3 г/т отвечают КБП порядка 103-102;
— кларкам порядка 10-2-10-1 г/т отвечают КБП порядка 101-100
Например, для РЬ с кларком в океане 3* 105 г/т нами получен КБП = 3 * 105 , а для Sr с его высоким кларком 8 г/т — очень низкий КБП = 10.
Авторы проводят сопоставления состава планктона и донных осадков. Для этого стоятся графики, где по абсциссе располагаются химические элементы в определенном порядке (от фосфора до урана), а по ординате — «коэффициенты обогащения» (ЕБ) в логарифмическом масштабе, вычисленные путем нормирования концентраций по скандию и кларкам глинистых сланцев Ли — отдельно для планктона и для осадков, что позволяет сравнить полученные кривые.
Например, в сравнении с донными отложениями, планктон Новосибирского водохранилища сильнее всего обогащен фосфором (EF > 100), слабее (10 < ББ < 100) обогащен Zn, Са, Си, Вг, Sb, Cd и еще слабее - Sг, Ва, Mg, Сг, Ni, Мо, Мп, РЬ, Sn, As. В итоге авторы заключают, что планктон Новосибирского водохранилища имеет свои специфические особенности элементного состава в сравнении с донными отложениями, что выражается в его обогащении щелочными, щелочноземельными и халькофиль-ными элементами.
Глава 5 полностью посвящена органогенным озерным осадкам - сапропелям и называется «Геохимическая роль живого вещества в образовании органогенных отложений (сапропелей)». Этот довольно замысловатый заголовок в действительности означает, что авторы будут выяснять долевой вклад концентрационной функции озерных гидробионтов (макро-фитов, фито- и зоопланктона) в валовый химический состав сапропелей - то есть долю первично-биогенной генетической фракции Мебио.
В озера юга Западной Сибири в условиях относительно теплого климата поступает много нутриен-тов, что способствует развитию гидробионтов и как следствие - образованию сапропеля. Авторы дают оценки скоростей формирования сапропелей и молодых осадков водохранилищ сибирского региона. Впервые показаны значительно опережающие (в 200 раз) скорости накопления терригенных компонентов в донных осадках нижних частей водохранилищ по сравнению с органогенными. Однако в малых бессточных озерах скорости накопления органического вещества сопоставимы со скоростью поставки тер-ригенного материала, что приводит к накоплению в озерах метровых толщ сапропелевых илов преимущественно автохтонного происхождения, обогащенных, в первую очередь, биогенными элементами. Предложенный авторами метод расчета доли первично-биогенной фракции Мебио использует в качестве элементов-индикаторов такие общепризнанные би-офильные элементы, как Р, Вг и Zn.
По аналогии с выделением в геохимии углей так называемых «углефильных элементов» авторы выделили элементы «сапропелефильные» - по величине зольных кларков концентрации (КК = отношение содержания конкретного химического элемента в золе сапропеля к кларку этого элемента в глинистом сланце). В итоге ими были выделены группы элементов-примесей в сапропелях, в двух классах озерных вод.
А. Для озер с гидрокарбонатным кальциевым классом вод (на примере сапропеля оз. Кирек):
- высоко «сапропелефильные»: Р (КК = 28), Мп (КК = 17), Вг (КК = 15), As (КК = 15);
- «сапропелефильные» (3 < КК < 7): Ре, Мо, Са, Сd, Си, РЬ;
- слабо «сапропелефильные» (1 < КК <2): Zn;
- «несапропелефильные» (КК < 1): щелочные и щелочноземельные элементы.
Б. Для термокарстовых озер с сульфатным кальциевым классом вод (на примере сапропеля оз. Очки):
- высоко «сапропелефильные»: ^ (КК=20), РЬ (КК=11), Р (КК=8);
- «сапропелефильные» (3 < КК < 7): Сd, Ag, Sb, Вг, Zn;
- слабо «сапропелефильные» (1 < КК <2): Си, Se, Мо, и;
-«несапропелефильные» (КК<1): щелочные и щелочно-земельные элементы.
Интересен и общий вывод: верхние слои озерных сапропелей (0-5 см) обогащаются халькофильными элементами, источником которых является атмосферный аэрозоль; этот вывод не противоречит литературным данным.
Используя полученные геохимические данные, авторы предложили оригинальную генетическую типизацию сапропелей сибирского региона, разделив их на (а) высокальциевые макрофитогенные (оз. Белое, периферия оз. Кирек), (б) высокожелезистые планктоногенные (глубоководная часть оз. Кирек) и (в) низкожелезистые планктоногенные (оз. Очки, Духовое).
По условиям формирования и химическому составу сапропелей, формирующихся в озерах Западной и Восточной Сибири, авторы предварительно заключили, что органическое вещество сапропелей озер Западной Сибири формируется в основном за счет водных растений (макрофитов), в озерах же Восточной Сибири (Прибайкалье и Забайкалье) - за счет планктона. Поэтому сапропели озер Западной Сибири преимущественно органоминеральные средне-или высокозольные, озер Восточной Сибири - органические малозольные.
Глава 6 имеет прикладную направленность и называется «Биогеохимическая индикация водных экосистем Западной и Восточной Сибири». Здесь впервые в систему экологического мониторинга водоемов региона Сибири введен планктон в качестве информативного биогеохимического индикатора загрязнения водной среды тяжелыми металлами.
В частности, по результатам многолетних биогеохимических исследований (1992-1996 гг.) Братское водохранилище отнесено к техногенно-трансформи-рованным водоемам. В верхней части водохранилища выявлено ртутное загрязнение всех компонентов экосистемы (вода, донные осадки, биота), связанное со сбросами ртутьсодержащих отходов комбината по производству хлора и каустической соды «Усо-льехимпром» (г. Усолье-Сибирское). Установлена общая закономерность пространственного распределения ртути в гидробионтах Братского водохранилища: концентрации металла в зоопланктоне, водных растениях, мышечной ткани рыб достигают максимума на верхнем участке водохранилища и убывают в направлении к нижней приплотинной части. Показано, что зоопланктон (Daphnia galeata, Mesocyclops leuckartii) является чутким биоиндикатором загрязнения водной среды ртутью. Повышенные относительно фона в 3-5 раз концентрации ^ в биообъектах верхнего участка водоема, подтвержденные независимой экспертизой в Свободном Брюссельском университете, послужили основанием для остановки в 1998 г. цеха ртутного электроли-
за на комбинате «Усольехимпром». В нижней части Братское водохранилище подвергается воздействию отходов Братского лесопромышленного комплекса. Здесь в планктоне выявлены повышенные относительно фона концентрации Cu, что обусловлено технологией переработки древесины на деревообрабатывающих предприятиях.
Многолетний мониторинг состояния водной экосистемы Новосибирского водохранилища показал, что в нижней части водоема в районе интенсивного судоходного фарватера эпизодически появляются локальные участки загрязнения, регистрируемые по повышенным концентрациям Pb, Cu и Zn в планктоне относительно фона. Эти участки неустойчивы по своей локализации в пространстве и во времени и отражают «текущее загрязнение». В районе локального воздействия сточных вод г. Бердска планктоном фиксируются повышенные относительно фона концентрации Cr, Co, Ni, Mo, Cu и Br, а вблизи котельной пос. Речкуновки планктон отражает повышенные концентрации Cd и Pb.
Соленое оз. Большое Яровое по результатам многолетних мониторинговых наблюдений (1998-2004 гг.) отнесено к разряду техногенно-трансформирован-ных водоемов. В осадках здесь содержания ртути в 7 раз больше фона, а в галофильном зоопланктоне (Artemia salina) в районе береговых отвалов ртуть-содержащих отходов комбината «Алтайхимпром» -в 5 раз больше по сравнению с фоном.
В Заключении авторами особо подчеркнуты те методические новации, которые характеризуют выполненную ими работу, а также повторены все те выводы, которые уже содержались в предшествующих главах. Такое повторение отнюдь не является излишеством, ибо существует категория читателей, которым некогда изучать всю книгу, но которые внимательно прочитают именно Заключение. В частности, указано, что впервые выполненная количественная оценка содержания широкого круга химических элементов в планктоне континентальных водоемов Сибири (около 55), глубоководных заливов Белого моря (40) и эстуарном планктоне в зоне действия маргинального фильтра р. Онеги (42) показала принципиальное геохимическое различие континентального, морского и океанского планктона, подтвердившее данные А.П. Виноградова о том, что в морских организмах в значительной степени концентрируются талассофиль-ные элементы с нечетными порядковыми номерами Li (3), Ыа (11), Р (15), Вг (35), I (53).
Полученные данные по микроэлементному составу континентального планктона являются пионерными для сибирского региона и, как полагают авторы, ре-перными для будущих экологических исследований. С этим мнением можно полностью согласиться.
Таким образом, Г.А. Леонова и В.А. Бобров написали ценную книгу, насыщенную важной биогеохимической и экологической информацией.
Я.Э. Юдович,
заслуженный деятель науки РФ, академик РАЕН
г. Сыктывкар
