Научные основы биоэкологического мониторинга антропогенных воздействий при разных видах хозяйственной деятельности на примере территории южной промышленной зоны башкортостана 03. 02. 08 экология (биология)
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Рабочая программа дисциплина «Оценка воздействия на окружающую среду» Код дисциплины, 187.91kb.
- Рабочая программа по дисциплине (обязательной по стандарту) «Экология», 152.94kb.
- Отчет по работе объединения «Исследователь родного края», 22.75kb.
- Влияние детоксикантов растительного происхождения на аккумуляцию антропогенных загрязнителей, 264.35kb.
- Условия жизни современного человека кардинально отличаются от условий жизни наших предков, 24.79kb.
- Экономика, 344.27kb.
- Мата на территории России с учетом углеродного цикла в живой и неживой природе и антропогенных, 136.35kb.
- 1. Биология как наука, ее достижения, связи с другими науками. Методы изучения живых, 864.83kb.
- Земельный кадастр, 31.66kb.
- Тема: «Научные основы аутсорсинга в образовании», 25.8kb.
На правах рукописи
ЗЕЙФЕРТ Дмитрий Вячеславович
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ БИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
АНТРОПОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ РАЗНЫХ ВИДАХ
ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИИ ЮЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЗОНЫ БАШКОРТОСТАНА
03.02.08 – экология (биология)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Москва 2011
Работа выполнена на кафедре экологии и рационального природопользования ГОУ ВПО филиала Уфимского государственного нефтяного технического
университета в г. Стерлитамаке
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор А.В. Смуров
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор В. А. Абакумов (Институт глобального климата и экологии РАН);
доктор биологических наук Макеева В. М. (Музей землеведения Московского государственного университета);
доктор биологических наук, профессор Яковлев А.С. (Факультет почвоведения
Московского государственного университета).
Ведущая организация: УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН (ИПЭЭ РАН)
Защита состоится 4 марта 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.55 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: Москва, 119992, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, МГУ им. М.В. Ломоносова, Биологический факультет, ауд. 389. E-mail: dissovet_00155@mail.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Автореферат разослан « 11» января 2011 г.
Ученый секретарь
Диссертационного совета,
Кандидат биологических наук Н. В. Карташева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Масштабы антропогенной деятельности достигли такого уровня, когда существующая система экологического мониторинга должна дополняться экотоксикологическими исследованиями с использованием биоиндикаторов и биотестов, что позволит выделить основные факторы устойчивости экосистем в критических состояниях. Для выявления роли индикаторов различных видов антропогенных воздействий важна их количественная оценка в экосистемных процессах. Разным типам экосистем соответствуют различные объекты биоиндикации, включающие изменения специфических связей между содержанием в окружающей среде загрязняющих веществ и количественными параметрами растительных сообществ и массовых групп почвенной мезофауны, видового и количественного состава биоты.
Предмет исследований – организация биологических сообществ при различных видах и уровнях антропогенного воздействия: закономерности структуры и функционирования на территориях химических предприятий степной зоны Башкирского Предуралья и в среднем течении р. Белой.
Объекты исследования
- спонтанные растительные сообщества на территориях химических предприятий региона;
- сообщества водных макрофитов;
- сообщества крупных почвенных беспозвоночных (почвенная мезофауна);
- почвенные геохимические аномалии;
- биотестирование природных и сточных вод.
Цель работы – изучение особенностей и выявление общих закономерностей структуры и функционирования сообществ водных макрофитов, почвенной мезофауны в естественных и антропогенно измененных экосистемах региона.
Задачи исследования
1. Изучить характер геохимических аномалий на исследованной территории.
2. Изучить видовой состав, численность, биомассу, биотопическую приуроченность, трофическую структуру, распределение по почвенному профилю массовых групп мезофауны в экосистемах региона в градиенте: особо охраняемые природные территории – территории химических предприятий.
3. Выяснить общие принципы структурной и функциональной перестройки сообществ почвенной мезофауны, проявления их устойчивости под влиянием природных и антропогенных факторов.
4. Изучить параметры водных и наземных растительных сообществ и их изменения в градиенте экологических и антропогенных факторов на территории промышленных предприятий региона и в среднем течении реки Белой и ее притоках.
5. Изучить влияние содержания поллютантов в окружающей среде на почвенных беспозвоночных. Опробовать аборигенные виды в биоиндикации и экотоксикологическом нормировании загрязнения.
6. Выявить основные факторы организации сообществ при различных видах и уровнях антропогенного воздействия.
7. Сопоставить полученные результаты по биоиндикации, биотестированию и химическому анализу объектов окружающей среды.
Научная новизна работы
• Впервые для территорий промышленных предприятий (на примере территории Башкирского степного Предуралья) установлен качественный и количественный видовой состав почвенной мезофауны, дана его экологическая оценка. Впервые определены биомасса, трофическая структура мезопедобионтов, роль в миграции поллютантов.
• Впервые выявлены беспозвоночные-биоиндикаторы антропогенных нарушений в регионе, определено фоновое содержание ряда макро- и микроэлементов. Показана связь химического состава почвы и ранней чувствительности биоиндикаторов.
• Впервые выявлена неспецифичность воздействия поллютантов на состав спонтанной растительности химических предприятий региона и водных макрофитов, что позволяет ранжировать источники сбросов по интенсивности воздействия.
• Впервые показано, что даже на территории с самым интенсивным антропогенным воздействием по значимости доминируют экологические факторы (стадия сукцессии, степень увлажнения и др.).
Положения, выносимые на защиту.
1. Действие основных экологических факторов (стадия сукцессии, режим увлажнения, микрорельеф и пр.), даже на территориях с максимальным уровнем загрязнения, перекрывает эффект загрязнения. Показана принципиальная необходимость использования не одного, а иерархически структурированного комплекса биоиндикационных показателей и данных физико-химического анализа.
2. Как в водных, так и в наземных экосистемах, выявлена низкая специфичность воздействия фактора загрязнения на растительность. При воздействии разных по химическому составу групп поллютантов выпадают одни и те же виды, что позволяет ранжировать выбросы и сбросы по их вредоносности.
3. Видовой состав почвенной мезофауны на территориях промышленных предприятий определяется типом растительного сообщества.
4. Для территорий с максимальной антропогенной нагрузкой показана неспецифичность воздействия выбросов на видовой состав массовых групп педобионтов (на примере пауков), в то же время вне пределов действия промышленных выбросов видовой состав мезофауны в аналогичных растительных сообществах резко отличен.
5. Показано, что характер воздействия территорий промышленных предприятий и типа растительности на численность массовых групп мезофауны меняется при воздействии различных погодных условий, т.е. изменение численности почвенной мезофауны по градиенту интенсивности промышленных выбросов не является универсальным показателем.
6. Наиболее стабильным индикатором воздействия антропогенной нагрузки являются структурные показатели - анализ зависимостей между численностью массовых групп почвенной мезофауны.
7. Показано соответствие результатов по биотестированию природных и сточных вод результатам биоиндикации.
Теоретическая и практическая ценность. Результаты работы существенно пополняют знания о критериях экологического нормирования воздействия на экосистемы при различных видах и интенсивности хозяйственной деятельности. Освещены закономерности перестройки структуры сообщества почвенной мезофауны при антропогенном воздействии. Внесен вклад в теорию организации биологических сообществ на территориях с интенсивным антропогенным воздействием. Для подстилочных видов выявлены зависимости между химическим составом почвы и численностью массовых групп.
Проанализированы закономерности изменения генетической структуры кустарниковой улитки под действием разногодичных погодных факторов в разных регионах и определены условия, определяющие интенсивность этих изменений, что является лекалом при осуществлении мониторинга воздействия антропогенных факторов на генетическую структуру представителей индикаторных групп животных.
Результаты по биоиндикаторам и биотестированию могут быть использованы в импактном мониторинге и определении допустимого воздействия на растительность и почву.
Материалы используются в курсах лекций по общей экологии, экологическому мониторингу и основам токсикологии в высших учебных заведениях, а также в научно-исследовательской работе студентов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на: IX международном коллоквиуме по почвенной зоологии (Москва, 1985); II-ом всесоюзном координационном совещании «Эколого-генетические последствия воздействия на окружающую среду (Сыктывкар, 1989); Первой всесоюзной научной конференции «Растения и промышленная среда, Днепропетровск, 1990); Республиканской научной конференции «Промышленная ботаника: состояние и перспективы развития» (Донецк, 1990);
Международном симпозиуме «Экологические модификации и критерии экологического нормирования» (Нальчик, 1990); Всесоюзной конференции «Эколого-генетический мониторинг состояния окружающей среды» (Караганда, 1990); Межреспубликанской научно-практической конференции «актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем малых рек» (Краснодар, 1992); IV Совещании энтомологов Урала «Насекомые в естественных и антропогенных биогеоценозах Урала» (Пермь, 1992); XI Международном малакологическом конгрессе (Siena, 1992); Конференции «Проблемы экологии в сельском хозяйстве» (Пенза, 1993); Научно-практической конференции «Бассейновый принцип в оптимизации водопользования и водоохранных мероприятий (Уфа, 1994); Межреспубликанской научно-практической конференции (Актуальные вопросы экологии и охраны природы водных экосистем и сопредельных территорий» (Краснодар, 1995); Первой международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие: загрязнение окружающей среды и экологическая безопасность» (Днiпропетровськ, 1995); Международной научно-практической конференции «Геоэкология в Урало-Каспийском регионе (Уфа, 1996); Межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и охраны природы экосистем южных и центральных регионов России» (Краснодар, 1996); Второй международной конференции «Рациональное природопользование: системный анализ в экологии» (Севастополь, 1996); Х межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 1997); Международном симпозиуме «Степи Евразии» (Оренбург, 1997); Международном симпозиуме «Окружающая среда и здоровье» (Магнитогорск, 1998); II (XII) Всероссийском совещании по почвенной зоологии (Москва, 1999); XII межреспубликанской Х межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 1999); III (XIII) Всероссийском совещании по почвенной зоологии (Йошкар-Ола, 2002); Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга: теория, методика, практика» (Киров, 2003); IV Российском философском конгресса «Философия и будущее цивилизации» (Москва, 2005); Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы – 2005» (Уфа, 2005); XII Международном малакологическом конгрессе (Vigo, 1995); XIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2007); Второй Всероссийской конференции «Биогеография почв» (Москва, 2009); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экология, эволюция и систематика животных» «Рязань, 2009); Первых Международных Беккеровских чтениях (Волгоград, 2010); V Международной научно-практической конференции «Актуальные экологические проблемы» (Уфа, 2010); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации» «Киров, 2010) и ряде региональных научных конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 83 работы, в т.ч. две монографии, 11 статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 613 источников, из них 154 на иностранных языках. Работа изложена на 373 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка и 99 таблиц.
Благодарности. Искренне признателен специалистам-систематикам за идентификацию беспозвоночных, коллегам за помощь в проведении геоботанических описаний, почвенно-зоологических раскопок, полевых и лабораторных экспериментов. Особо хотелось бы выразить благодарность чл.-корр. РАН Б. Р. Стригановой и к.б.н. Рудакову К.М. за многолетнее научное сотрудничество и полезные советы при выполнении этой работы.
Глубоко признателен Л. К. Садовниковой, Н. З., Першиной, С. И. Решетникову (кафедра химии почв МГУ) и Н. В. Катаргину (ГЕОХИ РАН) за выполнение химических анализов почвы и биоты.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В главе освещаются проблемы, связанные с предметом исследования, становление системы биоэкологического мониторинга в РФ, комплексное картирование биотопов населенных территорий, развитие методов биоиндикации и биотестирования, требования к методам биотестирования, методологию биотестирования, нормирование воздействия на окружающую среду, систему мониторинга и оценки окружающей среды в США, экотоксикологический подход к биомониторингу, цели и задачи экотоксикологии.
Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материал для настоящей работы был собран автором в 1977-2010 гг. в Талицком районе Свердловской области и степной зоне Башкирского Предуралья (на промплощадках химических и нефтехимических предприятий региона, в парковой, селитебно-транспортной и рекреационной зонах урбоэкосистем; в природном заповеднике Шульган-Таш, в природном парке «Зилим», в среднем течении р. Белой). Для территорий урбоэкосистем предприятий приведены данные по физико-географическому районированию, условиям почвообразования, почвам, естественной растительности, синантропной растительности и составу выбросов.
Геоботанические описания наземной и водной растительности выполнены к.б.н. К.М. Рудаковым. Для обработки материала использовали методы Браун-Бланке к синантропной и синантропизированной растительности, в частности дедуктивный метод К. Копецки и С. Гейни (Kopecky, Hejny, 1974). Мезопедобионтов отбирали в соответствии с почвенно-зоологическими требованиями (Методы…, 1975); отобрано около 600 почвенно-зоологических проб. Видовая идентификация беспозвоночных проведена самостоятельно и специалистами систематиками: Т. И. Гридиной и В. Е. Ефимиком (Пермский госуниверситет), Б. Р. Стригановой и С. И. Головачом (ИЭМЭЖ им. А. Н. Северцова), А. Р. Грабеклисом (кафедра энтомологии Московского госуниверситета). Фитотестирование природных и сточных вод проводили в соответствии с международными методиками (Method Guidance…, 2000). Элементный состав (биогены и тяжелые металлы) изучали общепринятыми методами с привлечением современных физико-химических анализов (AAS-спектроскопия, нейтронно-активационный анализ).
Определение популяционной плотности кустарниковой улитки проводилось в местообитаниях "Поляна" и "Прибрежный" методом мечения и повторного отлова и методом Джолли-Зебера (Зейферт, Хохуткин, 2010). В лабораторных условиях на модельных видах наземных моллюсков определялась структура слизи и на основе полевых экспериментов рассчитывались энергозатраты на перемещение (Варшавская, Класс, Зейферт и др., 1983; Зейферт, 1985б).
Для учета воздействия климатических факторов использованы материалы гидрометеорологических станций пос. Бутка, г. Сарапула и г. Стерлитамака. Величиной активности служило расстояние, на которое улитка переместилась за 30-минутный интервал (см). Эти расстояния откладывались на графике в виде гистограммы. Также измерялся общий путь, пройденный животным, и расстояние, на которое оно переместилось за сутки (Зейферт, 1988). В остальное время характер суточной активности исследовался в природных популяциях в разное время суток.
Изучение состава пищи кустарниковой улитки проводилось методом прямого наблюдения за питанием и анализом состава экскрементов в течение всего периода активности животных. Исходя из характера суточной активности животных, определялась периодичность дефекации. Особи с диаметром раковины 4,3-14,0 мм метились индивидуальным номером перед уходом в спячку или после выхода из спячки. Затем эти улитки повторно измерялись в конце периода активного существования, когда рост прекращается. Рассчитывалась зависимость между диаметром раковины в год отлова (Т) и через год (Т+1). Ряд кормов и экскременты улиток сжигали в калориметрической бомбе для определения их калорийности в 2-3 повторностях из каждого варианта опыта. Использовались образцы, высушенные до воздушно-сухого веса при температуре 65°С.
Статистическую обработку данных проводили с использованием стандартных методов по программе «Statistica-5.0 for Windows» . Оценку значимости различий среднеарифметических значений проводили с использованием t – критерия Стьюдента при надежности измерений (p<0,05).