11.4. Лотические экосистемы (реки Вудъяврйок, Юкспоррйок и Жемчужная).
По результатам проведенных исследований структуры сообществ зообентоса в нижнем течении рек Вудъяврйок, Юкспоррйок (23 км) и Жемчужной (район хлебозавода) нами были отмечены беспозвоночные шести таксономических групп: личинки хирономид (Chironomidae), малощетинковые черви (Oligochaeta), нимфы поденок (Ephemeroptera), личинки ручейников (Trichoptera), нимфы веснянок (Plecoptera) и личинки стрекоз (Odonata) (рис. 11.7). На всех исследованных участках рек были отмечены личинки хирономид, ручейников, малощетинковые черви и нимфы поденок. Кроме того, в сообществах р. Вудъяврйок были найдены нимфы веснянок, а в сообществах р. Жемчужной – единичные экземпляры личинок стрекоз.
В сообществах р. Вудъяврйок отмеченные группы беспозвоночных были представлены наиболее равномерно, относительно сообществ двух других исследованных водотоков (рис. 11.7). Значительно более выровненная таксономическая структура сообществ р. Вудъяврйок, наряду с очень низкой долей малощетинковых червей (3%) и присутствием в сообществах веснянок (9%), высоко чувствительных к различным типам загрязнения, свидетельствует о сохраняющихся здесь благоприятных условиях для многих донных беспозвоночных и крайне низком уровне загрязнения водной среды и грунта.
Среди двух других исследованных водотоков наиболее неблагоприятная ситуация складывается в нижнем течении р. Юкспоррйок, о чем свидетельствует отсутствие здесь веснянок, и наличие резко выраженного доминирования малощетинковых червей (около 80%) (рис. 11.7), которые, по результатам ряда исследований (Mance, 1987; Warren et al., 1998), характеризуются высокой степенью устойчивости к различным загрязняющим веществам, как органической, так и неорганической природы.
Рис. 11.7. Относительная численность (N) групп беспозвоночных в сообществах зообентоса исследованных водотоков: р. Вудъяврйок, р. Юкспоррйок и р. Жемчужная.
В нижнем течении р. Жемчужной (район хлебозавода), в сравнении с токсическим эффектом загрязняющих веществ, очевидно, более значимое влияние на донных беспозвоночных оказывает высокий уровень биогенных элементов в воде и грунте, о чем косвенно свидетельствует обильное развитие на этом участке реки полупогруженной и прибрежной водной растительности. При относительно низкой доле в сообществах малощетинковых червей (около 15%), здесь доминируют личинки хирономид (57%), а также относительно высока доля поденок и ручейников (11-14%). В сообществах преобладают детритофаги, приуроченные, преимущественно, к зарослям макрофитов, для которых характерно питание путем фильтрации воды или соскребания детрита с поверхности субстрата. Такая трофическая структура сообществ свидетельствует о низком уровне токсических веществ, благоприятном кислородном режиме и высоком уровне биогенных элементов в системе, поток которых в значительной степени направлен через детритные пищевые цепи.
Заключение
Более чем полувековая разработка разнообразных месторождений Кольского полуострова предоставила уникальную экспериментальную модель для изучения закономерностей формирования химического состава снежного и ледового покрова, воды и донных отложений озер в условиях как непосредственного сброса сточных вод металлургических и горно-перерабатывающих производств, так и атмосферного загрязнения их водосборов. Исследования изменений геохимических циклов элементов в поверхностных водах в результате деятельности горнодобывающей, металлургической и энергетической индустрии представляют собой актуальную проблему геохимии, геоэкологии и охраны окружающей среды. Пылевые и кислотные выбросы горно-перерабатывающих комбинатов и тепловых электростанций в атмосферу, стоки плавильных цехов, шламоотвалы, хвостохранилища рудников изменяют тысячелетиями сложившийся геохимический круговорот элементов в окружающей среде. В результате деятельности человека нарушаются естественные геохимические циклы элементов, изменяется химический состав водной толщи и донных отложений озер, т.е. меняется среда обитания растительного и животного мира, населяющего поверхностные воды арктической и субарктической зон Европы, наиболее уязвимых и медленно восстанавливающих свои природные ресурсы. Руды и вмещающие их породы, помимо основных компонентов, содержат в малых количествах целый ряд элементов, в том числе и высокотоксичных, которые после переработки оказываются в составе отходов, поступающих в окружающую среду. Дезинтеграция горных пород, пиро- и гидрометаллургические и другие технологические процессы увеличивает подвижность этих элементов, повышают их концентрацию в единице отходов. Нарушение природных геохимических циклов редких и щелочноземельных элементов вызывает серьезные изменения в биологических системах различного уровня их организации: от субклеточного до экосистемного. В том числе, оно оказывает негативное влияние на здоровье населения. Указанные элементы способны накапливаться в различных экосистемах, включатся в пищевые цепи, оказывая пролонгированное сублетальное воздействие на живые организмы. Тем не менее, в природоохранной практике загрязняющим веществам, не являющимся приоритетными по сбрасываемым объемам, практически не уделяется внимания. Многие из этих элементов не входят в списки контролируемых элементов, не изучено их поведение в природных средах. Как правило, внимание исследователей и природоохранных организаций ограничено небольшим количеством, по их мнению, являющихся приоритетными и доступными для лабораторного определения. Вместе с тем большое количество не контролируемых веществ могут представлять серьезную угрозу здоровью окружающей среды и населения. Эта проблема, в силу специфики минерального сырья, особенно актуальна для Мурманской области.
Горные породы Хибинского горного массива содержат более 60 химических элемента. Разработка апатитонефелиновых месторождений обусловливает интенсивный вынос этих элементов с площадок горных работ и формирование техногенных потоков их рассеяния в окружающей среде. При этом наибольшую опасность представляет загрязнение элементами данной группы поверхностных вод. С одной стороны водоемы являются коллекторами сточных вод и загрязнений, поступающих на территорию их водосборов, с другой – практически все наиболее загрязняемые водоемы являются источниками питьевого водоснабжения. Учитывая кумулятивный эффект данного типа загрязнений, актуальность данной проблемы будет постоянно возрастать. Ранние существовали лишь разрозненные отрывочные данные по содержанию редких и щелочноземельных элементов в сточных водах и природных средах, на основании которых трудно сделать научно-обоснованные выводы о потенциальной опасности загрязнения окружающей среды этими элементами, но даже эти данные подтверждают актуальность данной проблемы. Проблема контроля содержания указанных элементов в природных средах осложняется относительно низкими их концентрациями и сложным составом природных сред. Этим во многом объясняется отсутствие контроля за этими элементами в настоящее время.
Наши исследования показали:
В результате более чем полувекового освоения апатито-нефелиновых месторождений Хибинского горного массива нарушенных природные геохимические циклы химических элементов, входящих в состав горных пород. Происходит интенсивное загрязнение окружающей среды химическими элементами, представляющие потенциальную опасность биологическим системам.
Кроме основных компонентов (Ca, Si, P, Mg, Fe, Al), апатитонефелиновые руды содержат ряд (около 60) редких и рассеянных элементов, концентрации которых составляют менее n∙10-2%. Однако огромные объемы добычи и переработки минерального сырья обусловили значительные суммарные потоки этих веществ в окружающую среду.
Основной средой миграции при этом становится водная среда, и пресноводные экосистемы являются наиболее подверженными негативному влиянию горно-добывающих предприятий. Практически все элементы, входящие в состав этих горных пород легко выщелачиваются и переходят в водную фазу, в которой мигрируют, рассеиваясь в окружающей среде. Уровни загрязнения окружающей среды большинства этих элементов до настоящего времени не контролировался.
Скорость выщелачивания увеличивается в процессе дезинтеграции горных пород при добычи и переработке минерального сырья, а также кислотных компонентов атмосферных осадков. Источники загрязнения окружающей среды рассеянными элементами приурочены к промышленным площадкам горно-добывающих и горно-перерабатывающих комплексов, а также к местам складирования отходов.
Уровень загрязненности природных вод имеет выраженную сезонную динамику и соответствует интенсивности "промывки" нарушенных промышленных территорий атмосферными осадками (дожди, талые воды).
Вблизи источников загрязнения большая часть элементов-загрязнителей находиться в водной среде малорастворимой форме и представлена в виде тонкодисперсных взвесей. Однако по мере миграции значительная их часть переходит в растворимые высокотоксичные формы. Этот процесс обусловлен химико-физическими особенностями соединений элементов и внешними условиями.
Подземные воды не лишены влияния вышеописанных процессов. Процессы выщелачивания горных пород обуславливают их повышенную минерализацию и повышенные концентрации ряда токсичных элементов. Это ставит под сомнение целесообразность использования подземных вод Хибин в питьевых целях.
Озера являются аккумулирующими элементами озерно-речных систем и в них накоплено значительное количество потенциально опасных загрязняющих веществ. Поступление значительных объемов щелочных шахтных вод обусловило изменение физико-химических условий в оз Б.Вудъявр. Снижение объемов прямого загрязнения может привести восстановлению природных условий (снижение рН, изменение окислительно-восстановительных условий), что приведет к интенсивному вторичному загрязнению соединениями, накопленных в донных отложениях.
Донные отложения изученных озер интенсивно накапливают элементы-загрязнители. Их вертикальное распределение имеет сложный и неоднозначный характер, что отражает химические особенности изученных элементов, меняющиеся внешние условия, интенсивность и состав загрязнения.
Полученные результаты подтверждают актуальность данных исследований и необходимость их продолжения, учитывая расширение возможностей аналитической базы.
Видовой состав, структура и уровень биомассы водорослевых сообществ водоемов Хибинского горного массива определяется как естественно-природными особенностями (типом ландшафта, характером питания водоема, батиметрией) так и антропогенными факторами (интенсивностью поступления загрязнителей, биогенных и токсичных элементов). Во всех водоемах доминирующими по числу видов, общему обилию и уровню биомассы являются диатомовые водоросли. Наибольшее число видов характерно для водоемов зоны северной тайги (как фоновых, так и загрязняемых) – оз. Пай-Кунъявр и оз. Бол. Вудъявр. На втором месте по числу видов – водоемы лесотундровой зоны (оз. Мал. Вудъявр); наименьшее число видов характерно для высокогорных маленьких озер. По уровню биомассы резко выделяются загрязняемые водные объекты (оз. Бол. Вудъявр и р. Белая), значения которой в десятки раз превосходят фоновые. Наименьшие значения биомассы характерны для высокогорных озер (Длинное и Сердцевидное). Особые условия для развития фитопланктона существуют в губе Белая оз. Имандра, где общее обилие и видовое разнообразие может достигать значительных величин вследствии воздейтсвия комплексов факторов со стороны как оз. Имандра, так и интенсивно загрязняемых вод р. Белая.
Сезонные изменения видового состава связаны с продолжительностью безледного периода и температурным режимом озер. Показано, что к концу лета наряду с диатомовыми, увеличивается доля в общем обилии зеленых водорослей, для которых большое значение имеет достаточно высокая температура воды и определенный фотопериод. Для условно фоновых озер видовой состав преимущественно был представлен таксонами, характерными для олиготрофных вод с холодноводным температурным режимом. В загрязняемых водоемах основу обилия водорослей составляли индифферентные к различным факторам космополитные виды, обладающие высокой устойчивостью к органическому загрязнению, кроме того, развивались водоросли, характерные для эфтрофых вод умеренной зоны.
Среднее содержание хлорофиллов в незагрязняемых озерах (оз. Мал. Вудъявр) находится в пределах фоновых значений, для интенсивно загрязняемых биогенными элементами водоемов (оз. Бол. Вудъявр, р. Белая) характерны экстремально высокие значения содержания хлорофиллов «a» и «b», связанные с массовым развитием водорослей. На основе соотношения содержания хлорофиллов «с» и «а» была произведена оценка выраженности процессов эфтрофирования изучаемых водоемов. Установлено, что в наибольшей степени эфтрофированию подвержена р. Белая, на втором месте – оз. Бол. Вудъявр, в оз. Мал. Вудъявр последствия органического загрязнения практически не выражены. Сезонные изменения содержания хлорофилла «a» характеризуются одним ярко выраженным максимумом, приходящимся на конец июня-июль. Время настопления максимума определяется географическим положением водоема. На примере оз. Бол. Вудъявр показано, что период максимальных значений хлорофилла «a» может различатся год от года, что определяется метеорологическим факторами (температура воды, осадки, облачность). Было установлено, что снижение концентрации хлорофилла «a» может происходить вследствие ливневых дождей, которые вызывают интенсивное снеготаяние в горах и поступление в водоем охлажденных вод.
Выявлены основные факторы, определяющие развитие фитопланктонных сообществ в водоемах Хибинского горного массива. Определяющее значение имеет комплекс метеорологических факторов, кратковременное изменение которых может повлечь за собой изменения видового состава, концентрации хлорофиллов, уровня биомассы, а также изменить время наступления массового развития водорослей. Большое значение имеет также комплекс гидрохимических условий водной среды. На примере оз. Бол. Вудъявр путем факторного анализа выделены руководящие факторы, включающие комплекс гидрохимических парметров, определяющие динамику развития сообществ водорослей в водоеме. Один из факторов – градиент pH, связанный с концентрацией Si – необходимого элемента для развития доминирующих диатомовых водорослей. Второй фактор определяет динамику и преобразование органического вещества в экосистеме водоема и тесно связан с количеством доступных для водорослей биогенных элементов, в частности, фосфатов. Биогенные элементы поступают в водоем постоянно и не являются лимитирующими факторами, поэтому динамика водорослевых сообществ определяется не количеством, а формой и циклами преобразования органического вещества, включая и элементы питания водорослей.
Трофический статус водоемов определяется уровнем загрязнения биогенными элементами. На основе видового состава водорослевых сообществ, уровня биомассы и содержанию хлорофилла «a» оз. Бол. Вудъявр можно определить как мезотрофный водоем с признаками эфтрофного, р. Белая – эфтрофный, оз. Мал. Вудъявр – олиготрофный.
Таксономическая структура зоопланктонного сообщества является хорошим индикатором степени загрязнения водоема в целом или его отдельных участков. Структурные перестройки сообщества в исследованных водоемах проявляются в снижении видового разнообразия за счет сокращения или полного исчезновения наиболее чувствительных к ухудшению экологических условий реликтов и типичных представителей фауны олиготрофных озер (L. kindtii, B. cederstromii, H. appendiculata). Их замещают и постепенно формируют состав руководящего комплекса эврибионтные виды - типичные индикаторы загрязнения: коловратки (Keratella sp., Nоtholca sp., A. priodonta, K. longispina) совместно с мелкими ветвистоусыми (B. obtusirostris). Снижение индекса видового разнообразия Шеннона происходит не только в результате сокращения числа видов в сообществе, но и за счет доминирования отдельных видов, устойчивых к воздействию токсикантов: K. longispina, Synhaeta sp., B. hudsoni, В. obtusirostris, D. longispna, M. leuckarti.
Количественные показатели зоопланктонного сообщества также проявляют определенную специфику в зависимости от степени техногенного загрязнения, термического режима водоема и периода отбора проб. По «шкале» трофности данные озера, в том числе и оз.Б.Вудъявр, принадлежат к очень низкому классу трофности (биомасса <0.5 г/м3) и характеризуются как малокормные, что противоречит уровню содержания биогенных элементов и показателям развития фитопланктона и бентоса. Снижение продукции зоопланктона может быть связано с токсичностью среды для животных организмов.
Выявлены 7 наиболее информативных показателей зоопланктонного сообщества, прореагировавших на воздействие атмосферных выбросов и сточных вод предприятий Хибинского горно-промышленного комплекса и хозбытовых стоков, (процентное соотношение основных таксономических групп Rotatоria, Cladocera и Copepoda в общей численности (% Nобщ) и биомассы (% Вобщ); индекс видового разнообразия Шеннона по численности H(N); общая численность (N) и общая биомасса (В) зоопланктона; отношение численности Cladocera к численности Copepoda (NСlad/NСop); отношение биомассы Cyclopoida к биомассе Calanoida (BСycl/BCal); отношение биомассы хищных форм зоопланктона к биомассе фильтраторов (В3/В2); средняя индивидуальная масса зоопланктера для сообщества в целом w=B/N за вегетационный период) и показана возможность использования зоопланктона как инструмента мониторинга в озерных экосистемах.
Полученные результаты работы могут использоваться научными, природоохранными и производственными организациями для оценки экологического состояния поверхностных вод Севера России, в том числе и для их охраны, использования водных объектов для целей питьевого водоснабжения, рыборазведения и рекреации, а также для проведения ТЭО и ОВОС проектов разработки новых месторождений и последующего контроля соблюдения природоохранного законодательства.