Автореферат диссертации на соискание ученой степени

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание содержание работы глава 1. обзор литературы глава 2. Характеристика объекта исследования Материалы и методы 3.2. Характеристика абиотических компонентов Все пробы Песчанистые пробы Илистые пробы

Подобный материал:

• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 378.33kb.
• Автореферат диссертации на соискание учёной степени, 846.35kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 267.76kb.
• Акинфиев Сергей Николаевич автореферат диссертации, 1335.17kb.
• L. в экосистемах баренцева моря >03. 02. 04 зоология 03. 02. 08 экология Автореферат, 302.63kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 645.65kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 678.39kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 331.91kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 298.92kb.
• Автореферат диссертации на соискание ученой степени, 500.38kb.

содержание работы

глава 1. обзор литературы

Обзор литературы посвящен описанию особенностей функционирования водохранилищ, существующих методов оценки качества водных ресурсов, подходов к нормированию качества воды и донных отложений (ДО), характеристике основных этапов анализа экологического риска и области его применения.

глава 2. Характеристика объекта исследования

Материалы и методы

Объектом исследования было Куйбышевское водохранилище. В ходе экспедиционных выездов в 1994-2007 гг. отбирали пробы воды, донных отложений, биологических образцов (фитопланктон, зоопланктон, бентос, рыбы) для химического, гранулометрического и биологического анализов. Пробы отбирали в зонах полного смешения организованных источников поступления загрязняющих веществ в соответствующих вертикалях створов (правый берег, русло, левый берег).

Химический анализ. Определение металлов (Zn, Cu, Ni, Mn, Cr, Pb, Cd, Fe, Co, Hg) и As в бентосе, рыбе, воде и донных отложениях проводили методом атомной абсорбции на приборе ААС-3 (Методика… РД 52.18.191-89), ртути - методом холодного пара на беспламенном атомно-абсорбционном спектрометре. Определение нефтепродуктов в воде и донных отложениях проводили методами флуориметрии на приборе «Флуорат-2» (РД 52.18.191-89), УФ-спектроскопии на приборе спектрофотометр СФ-46 (ПНД Ф 14.1:2.62-96) и ИК - спектроскопии на приборе АН-2 (ПНД Ф 16.1:2.2.22-98). Определение пестицидов (хлорорганических, фосфорорганических и группы 2,4 – Д) проводили в соответствии с нормативным документом (МУ 3151-84) на хроматографе «Цвет-500» (донные отложения) и «Кристалл-2000» (биологические образцы). Определение общего органического углерода определяли в соответствии с ИСО 8245-87 на хроматографе ЛХМ-8МД.

Гранулометрический анализ донных отложений проводили в соответствии с ГОСТ 12536-79; OVAM/VITO, 1996 и Deckere et al., 2000.

Для анализа данных использовали интегральные показатели:

Индекс загрязнения воды, где n – число использованных показателей, С_i – фактическое содержание загрязняющего вещества, ПДК_i – предельно допустимая концентрация вещества;

Суммарный показатель загрязнения

где C_i – фактическая концентрация металла; N – число показателей, используемых для расчета индекса; С_фi –фоновая концентрация металла в донных отложениях соответствующего типа (в качестве фоновых значений использовали средние значения содержания металлов отдельно для песчанистых и илистых грунтов);

СПЗ_в – сумма отношений фактического содержания металла в воде к его ПДК.

Биологический анализ. Сбор и обработка гидробиологического материала проводили по А.В. Макрушину (1974) и в соответствии с Руководством по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем (1992).

Пробы фитопланктона отбирали при помощи батометра БМ-48 объемом 1,5 л воды с глубины 0,5 м от поверхности воды в фотическом слое воды. Определяли общее число видов, численность, биомассу, рассчитывали индекс сапробности по Пантле и Буку (S). В соответствии с РД 52.24.564-96 находили значения медианы и моды общей численности, относительную численность доминирующего вида, значение моды численности синезеленых водорослей, а также частоту α обнаружения аномально высоких или низких значений общей численности и кратность (β) ее превышения относительно значения моды.

Отбор проб зоопланктона осуществляли малой сетью Джеди: облавливали столб воды от дна до поверхности. Определяли общее число видов, численность, биомассу, рассчитывали следующие индексы:

• видового разнообразия по численности и биомассе , где n_i – число (биомасса) особей i-го вида, n – число (биомасса) особей в пробе, n – число видов;
  
• индекс сапробности S = ∑s·h)/∑h, где s – индикаторная значимость каждого вида, определенная по специальным спискам сапробных организмов; h – величина, которая находится по шестиступенчатой шкале значений частоты и определяет относительное значение обилия видов;
  
• показатель трофности (Е/О) - соотношение числа видов-индикаторов эвтрофного и олиготрофного типов (Андроникова, 1996);
  
• коэффициент трофии , где К – число видов Rotatoria, A – Copepoda, V – Cladocera, x – число мезо-эвтрофных видов, y – олиго-мезотрофных видов (Андроникова, 1996);
  
• Вcr/Br - отношение биомассы ракообразных и коловраток (Андроникова, 1996).
  

Пробы зообентоса отбирали дночерпателем Петерсена. В пробах определяли общее число видов, численность, биомассу, рассчитывали индекс ИВР, индекс Гуднайта и Уитлей (ГИ) - соотношения численности олигохет ко всему зообентосу и сапробности Пантле и Бука (S).

При комплексной оценке донных отложений использовали метод триады (Guchte, (1992; Van der Velde, Leuven, 1999; Deckere et al, 2000; Флеров, 2005), в соответствии с которым последовательно определялся класс качества донных отложений по химическим, биологическим и токсикологическим показателям (табл. 1) с последующим преобразованием в сигналы наличия (+) и отсутствия (-) ответа и конвертирования в обобщенный класс (табл. 2).

Таблица 1. Ранжирование донных отложений по химическим, биологическим и токсикологическим показателям

Класс, характеристика качества	Химические показатели,	Биологические показатели				Токсикологический ответ (отклонение от контроля, %)
		Деформации ментума хирономид (%)	ИВР	БИ	ГУ (%)
1 (чистые)	1,1-2,5	8	>3	>6	0-30	0-20
2 (умеренно загрязненные)	2,5-6,0	16	2,1-3,0	4-6	31-55	20-50
3 (загрязненные)	6,1-16,0	32	1,1-2,0	2-4	56-80	51-75
4 (грязные)	16,1-100	>32	0-1,0	0-2	81-100	76-100

Таблица 2. Обобщенная оценка качества донных отложений (ДО) методом триады

Обобщенный класс качества ДО	Химический ответ	Токсикологический ответ	Биологический ответ
1	-	-	-
2	- - +	- + -	+ - -
3	+ - +	- + +	+ + -
4	+	+	+

При сборе ихтиологического материала и его камеральной обработке руководствовались рекомендациями И.Д. Правдина (1966), А.В. Лукина (1984), Н.И. Чугуновой (1959), Г.В. Никольского (1970) и И.И. Лапицкого (1967; 1970).

Для оценки патологоанатомического состояния рыб использовали методику (Аршаница, Лесников, 1987), позволяющую дать оценку состояния рыб по пятибалльной системе:

1. не выявлено визуальных патологоанатомических изменений;
   
2. выявлены легкие повреждения, не угрожающие рыбам гибелью;
   
3. выявлены повреждения средней тяжести, проявляющиеся внешне и при вскрытии;
   
4. выявлены опасные повреждения, имеющие, как правило, необратимый характер и угрожающие жизни рыб, особенно при действии стресс-факторов и в период зимовки;
   
5. выявлены признаки предсмертного состояния: глубокие и необратимые повреждения жизненно важных органов, коматозное состояние, нарушение координации движений и гидростатического равновесия, конвульсии, истощение, общая анемия и пр.
   

Накопление токсикантов в гидробионтах оценивали с использованием коэффициента биологического поглощения КБП = С_Г/С_В, где С_Г – содержание токсиканта в организме гидробионта (рыба, зообентос), С_В – содержание токсиканта в среде обитания (воде, донных отложениях).

Токсикологический анализ. Определение острой токсичности водных экстрактов (4:1) донных отложений проводили с использованием тест-объектов: простейших Tetrаchymеnа thermophila (Protoxkit F^TM), Paramecium caudatum (Методические…, 1995), ракообразных Thamnocephalus platyurus (Thamnotoxkit F^TM), водорослей Selenastrum capricornutum (Algatoxkit F^TM) и коловраток Brachionus calyciflorus (Rotoxkit F^TM). Хроническую токсичность определяли на ракообразных Daphnia magna в полустатическом опыте «вода – донные отложения» (ASTM, 1993), тератогенный эффект выявляли на личинках Chironomus riparius (Warwick, 1989; Deckere et al, 2000; Назарова, 2000).

Анализ заболеваемости населения Республики Татарстан проводили по данным Государственных докладов «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Республике Татарстан» за 1997-2005 гг.

Статистическую обработку результатов количественного химического, биологического и токсикологического анализов проводили с использованием методов кластерного, факторного и регрессионного анализа с помощью программного продукта STATISTICA 6,0 (Боровиков и др., 1997). Анализ проводили после проверки нормальности распределения, данные с большими разбросами относительно среднего нормализовали по формуле , где X- нормируемая величина,  - среднее арифметическое распределения,  - стандартное отклонение распределения. Достоверность полученных результатов оценивали с использованием коэффициента Стьюдента (р<0,05) (Боровиков и др., 1997; Statistical Testbook, 1998; Юнкеров и Григорьев, 2002).


Глава 3. Характеристика объектов и факторов

риск-анализа

3.1. Методология и алгоритм оценки экологического риска

Для оценки последствий загрязнения водных экосистем, при использовании концепции экологического риска на начальном этапе целесообразно определить перечень рецепторов (принимающих на себя негативное воздействие или переносящих токсичные вещества) экологического риска. Такими рецепторами могут быть абиотические (вода, взвешенные вещества, донные отложения) и биотические (гидробионты основных трофических уровней, население прибрежных территорий) составляющие экосистем (табл. 3). В процедуре риск-анализа перечисленные рецепторы выступают объектами исследования и индикаторами уровня опасности для стабильности функционирования водной экосистемы, а их состояние - факторами риска. Реализация опасностей возможна при загрязнении воды, аккумуляции токсичных соединений в донных отложениях, что может вызвать деградацию планктонных, бентосных и нектонных сообществ, ухудшение показателей здоровья населения, проживающего в рассматриваемом эколого-экономическом регионе (Кондратьева, 2007).

Следующая трудность при реализации процедуры риск-анализа - выбор критериев оценки риска, т.е. тех показателей, с помощью которых можно надежно оценить угрозу для нормального функционирования экосистемы, включая ее социальную составляющую (табл. 3).

Традиционный подход в концепции риск-анализа состоит в количественном выражении вероятности реализации неблагоприятного события. Подобная оценка возможна только для событий, для которых имеется достаточное количество статистических данных (техногенные, природные риски, популяционные риски в отношении канцерогенных веществ). Применительно к сложной экосистеме, испытывающей воздействие одновременно нескольких факторов различной природы, количественная оценка риска не представляется возможной вследствие многофакторности воздействия и индивидуальности ответных реакций конкретных биоценозов. Для подобных рисков вводится понятие «экосистемного риска» и предлагается методология его оценки на базе изучения характеристики «воздействие - биотический отклик», выявления доминирующих стрессовых факторов, формализации и ранжирования показателей биотического отклика на базе существующих и предложенных в данной работе экспертных оценок состояния экосистемы и соответствующих им характеристикам риска.

Таблица 3. Приоритетные факторы экологического риска для устойчивого функционирования Куйбышевского водохранилища

Объекты риск-анализа	Абиотические: вода, взвеси, донные отложения Биотические: сообщества гидробионтов различного уровня организации (основные трофические уровни) Здоровье населения
Факторы риска	Стойкие органические и неорганические вещества природного и антропогенного происхождения: полиароматические углеводороды, нефтепродукты, пестициды, токсичные ионы тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Hg, Cd, Pb)
Основные угрозы	Риск загрязнения водной среды Риск загрязнения донных отложений - аккумуляция токсичных веществ Риск деградации планктонных сообществ Риск деградации бентосных сообществ Риск снижения общего биологического разнообразия Риск аккумуляции металлов в макрозообентосе и рыбах Риск здоровью населения при использовании воды и загрязненной рыбы
Критерии оценки риска	Индексы, характеризующие экологическое состояние экосистемы Индекс риска здоровью населения для неканцерогенных соединений и величина индивидуального риска для канцерогенных соединений

В основу методологии оценки экологического риска для устойчивого функционирования экосистемы Куйбышевского водохранилища был положен следующий алгоритм действий: формулирование проблемы - анализ ситуации – характеристика риска – совершенствование управления водохозяйственной деятельностью (рис. 1).

На протяжении последних десятилетий исследователями Куйбышевского водохранилища отмечается ухудшение его экологического состояния по различным показателям: изменение видового состава ихтиофауны (Кузнецов, 1997; Говоркова, 2004; Шакирова и др., 2005; Кузнецов и Файзуллин, 2007), изменение показателей планктонных сообществ, проблема вселенцев (Калайда, 2003; Шакирова и др., 2005; Кондратьева и др., 2007), ухудшение показателей здоровья населения Волжского региона (Стародубов и др., 1997). В этой связи актуальным становится выделение факторов экологического риска, поиск зависимостей между абиотическими компонентами и наблюдаемым биотическим ответом. Это формирует второй этап процедуры оценки экологического риска.

Третий этап связан с интерпретацией результатов проведенного исследования, выражающейся в количественной и качественной оценке риска в виде индекса риска и определении экологического состояния (потенциала самовосстановления) водоема соответственно. Последний этап заключается в совершенствовании бассейнового управления, в ограничении антропогенного воздействия.




Рис. 1. Алгоритм оценки экологического риска для устойчивого функционирования Куйбышевского водохранилища

3.2. Характеристика абиотических компонентов

Вода. Из всех исследованных показателей, характеризующих гидрохимический состав воды на всех станциях наблюдения по плесам, можно выделить загрязняющие вещества, содержание которых превышает ПДК - медь, никель, фенолы, БПК₅ и нефтепродукты. Соединения органического происхождения, определяемые по показателю БПК₅, и нефтепродукты в больших количествах содержатся в воде Волжского и Камского плесов, что связано с наличием в них организованных источников поступления сточных вод. Такие загрязняющие вещества, как фенолы, медь и никель, превышают ПДК на всех станциях наблюдения, что определяется скорее гидрохимическими особенностями водоема, а не антропогенным воздействием (табл. 4).

Таблица 4. Химический состав воды Куйбышевского водохранилища за период с 1994 по 2007 гг.


Анализ изменения ингредиентного состава воды позволил выявить в последнем десятилетии следующие тенденции: уменьшение содержания легкоокисляемых органических веществ, определенных по БПК₅, и рост содержания нитратов с тенденцией к снижению в последние годы (рис. 2). Последнее, возможно, связано с устойчивым трендом увеличения выбросов оксидов азота в атмосферный воздух и увеличением азотосодержащих соединений в атмосферных осадках (Захаров, 2006), а снижение – с ужесточением экологических стандартов в отношении автомобильных двигателей. Изменение содержания меди подчиняется полиномиальной зависимости (рис. 2), что отражает влияние как естественных геохимических факторов, так и антропогенно обусловленных (спад промышленного производства в конце 90-х годов). Еще более сложной полиномиальной зависимости третьего порядка подчиняется изменение содержания цинка и величины интегрального показателя ИЗВ во времени (рис. 2). Как известно, показатель ИЗВ отражает сверхнормативное содержание загрязняющих веществ, в том числе упоминавшихся выше, поступление которых связано с природообусловленными и техногенными процессами.

	Рис. 2. Изменение величины БПК5, концентрации нитрат-ионов, меди, цинка, ИЗВ в течение 1994-2007 гг.

Г
В
ранулометрический и химический состав донных отложений. По состоянию депонирующих сред можно судить об уровне загрязнения наиболее динамичных природных сред – воздуха, воды, одновременно являющихся главными жизнеобеспечивающими средами (Сает и др., 1990).

В соответствии с классификацией В.В. Законнова (2007) донные отложения Куйбышевского водохранилища можно отнести к вторичным минеральным грунтам по содержанию органического вещества (от 0,04% в песчаных пробах до 19,10% в илах) и высокодисперсных глинистых частиц (в среднем - 12,10 % от общего фракционного состава, в максимуме - более 25 %). Концентрация биогенных элементов составила 0,02-0,32% для N_общ, 0,01-0,9% для Р_общ от сухой массы пробы. Содержание органического вещества, высокодисперсных частиц, азота и фосфора в грунтах определяется типом отложений и закономерно возрастает в ряду «пески – илы», что территориально совпадает с тенденцией накопления илистого осадка от верховьев к нижним плесам Куйбышевского водохранилища. Содержание карбонатов в интервале 1,4-39% от сухой массы пробы отмечено только в илистых пробах, отобранных в правобережной зоне, берега которой сложены известняками.

Графическое распределение проб по признаку «содержание 50 мкм фракции» (рис. 3) показывает, что основная часть проб делится на две большие группы: илистые (содержание от 60 до 100% фракции менее 50 мкм) и песчанистые грунты (содержание от 0 до 50% фракции менее 50 мкм), т.е. группы с высокими и низкими сорбционными характеристиками. Вклад проб, относящихся к промежуточным по отношению к двум доминирующим группам, не является решающим, и при дальнейшем статистическом анализе массива данных ими пренебрегли. По признаку «содержание 50 мкм фракции» все пробы были разделены на группу, содержащую более 60 % данной фракции – эта группа условно была названа «илы», - и пробы, содержащие 50 мкм фракции менее 50 % - «пески».




Рис. 3. Распределение проб по признаку «содержание 50 мкм фракции».


Приоритетными загрязняющими веществами донных отложений Куйбышевского водохранилища являются тяжелые металлы (табл. 5).

Таблица 5. Средние (1) и предельные значения содержания (минимальные – 2, максимальные - 3) элементов (мг/кг сухой массы) в донных отложениях Куйбышевского водохранилища (содержание железа - в г/кг, ртути в мкг/кг, прочерк – нет данных)

Элемент	Cu	Fe	Cr	Cd	Pb	Ni	Co	Zn	Mn	Hg	As
Все пробы
1	19,1± 2,3	9,39±0,14	16,1± 2,1	1,67± 0,85	9,77±0,70	33,3±2,3	7,55±0,47	43,2±3,3	446± 27	29,9± 0,3	1,94± 0,29
2	0,1	0,50	0,5	0	0,10	0,46	0,13	2,30	28,0	1,00	1,13
3	126,0	28,7	114	102	30,0	130	33,0	170	1750	180	4,55
Песчанистые пробы
1	4,06± 0,67	4,90±4,84	6,88± 1,02	0,28± 0,04	4,88±2,50	18,7±3,1	4,64±0,46	19,7±2,6	261± 29	9,00± 2,0	-
2	0,1	1,05	0,50	0,0	0,10	2,8	0,13	2,8	45,0	2,00	-
3	21,0	10,5	28,0	1, 30	10,3	102,0	12,5	69,0	371	60,0	-
Илистые пробы
1	38,5± 3,9	11,4±1,4	21,7± 3,1	1,10± 0,15	14,7±0,8	50,7± 3,5	9,84±0,85	65,2±5,2	533± 35	39,0± 5,0	-
2	2,1	0,50	2,00	0,08	1,2	5,0	1,4	7,50	68	10,0	-
3	116,0	26,3	114,0	8,60	30,0	130	33,0	170	1750	75	-

Одна из важнейших задач геохимических исследований окружающей среды – установление пространственной структуры ее загрязнения, дифференцирующей территорию по степени экологической опасности (Бондаренко и др., 2007). Анализ данных с использованием суммарного показателя загрязнения (СПЗ_ДО) донных отложений показывает повышение их уровня загрязнения от станций, расположенных в верховье водохранилища, к нижерасположенным станциям. Низкий уровень загрязнения характерен для участков вплоть до станции (ст.) Камское Устье (правый берег); уже на станции Камское Устье (левый берег, русло) и далее до г. Тетюши происходит повышение степени загрязнения (СПЗ>2); далее по течению ухудшение качества донных отложений наблюдается только в приплотинной части Куйбышевского водохранилища и в устьевых участках некоторых притоков – рек Майны и Черемшана. Подобная тенденция к повышению уровня загрязнения донных отложений металлами от верховьев к низовьям сохраняется и для Камской части Куйбышевского водохранилища: от ст. в районе г. Нижнекамск до ст. Лаишево и в устье р. Меши.

При совместном анализе качества воды и степени загрязнения донных отложений по соответствующим интегральным показателям СПЗ_i, рассчитанным отдельно для воды и для донных отложений (СПЗ_до), было показано, что величина СПЗ_ДО как бы «запаздывает» от интегрального параметра загрязнения воды СПЗ_В на «шаг», т.е. осаждение металлов в донных отложениях происходит в плесе, расположенном ниже по течению (рис. 4).




Рис. 4. Изменение интегральных характеристик СПЗ_В и СПЗ_ДО по плесам: 1-Волжский; 2-Волжско-Камский; 3-Камский; 4-Тетюшский; 5-Ундорский; 6-Ульяновский; 7-Приплотинный.


Особую роль в характеристике уровня загрязнения донных отложений Куйбышевского водохранилища отводят загрязняющим веществам органического происхождения. В связи с большим вкладом нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства в экономику региона к числу приоритетных загрязняющих веществ акватории Куйбышевского водохранилища традиционно относят нефтепродукты, а также хлорорганические пестициды (табл. 6).

Таблица 6. Содержание нефтепродуктов и пестицидов в донных отложениях

Ингредиент	n1)	Содержание (мг/кг сухой массы)
		Среднее	Миним.	Максим.	Медиана
Алифатические углеводороды	91	127,0	1,0	2883,0	31,0
Ароматические углеводороды	91	200,2	2,0	1695,0	35,0
Полициклические углеводороды	127	314,4	2,0	11750,0	51
Гексахлорбензол	36	0,008	0,0002	0,102	0,001
4,4-ДДЭ	11	0,001	0,0002	0,005	0,0004
4,4-ДДД	10	0,004	0,0003	0,028	0,0009
4,4-ДДТ	8	0,004	0,002	0,008	0,004
Алдрин	2	0,025	0,005	0,046
ГХЦГ	65	0,079	0,003	0,320	0,050

Примечание. ¹⁾n – число проб донных отложений, в которых обнаружены органические токсиканты.

Для нефтепродуктов сохраняется общая тенденция к росту уровня загрязнения при увеличении содержания органического вещества в донных отложениях, т.е. при переходе от песков к илам. Анализ полученных результатов показывает, что более 40 % проб ДО характеризуются содержанием γ – ГХЦГ в пределах 0,003–0,320 мг/кг, ДДТ и его метаболитами до 28,42 мкг/кг, гексахлорбензолом до 102 мкг/кг. В двух случаях было зафиксировано наличие алдрина в концентрации 4,8 и 46,5 мкг/кг. Ни в одной пробе ДО не было обнаружено фосфорорганических пестицидов (метафос) и 2,4 Д.