Текст книги "Тяжелые металлы в компонентах ландшафта азовского моря"

1.4. Биологические особенности Азовского моря

Азовское море обладает благоприятными природными условиями для развития жизни. Небольшие глубины благоприятствуют проникновению и распределению по всей толще воды достаточного количества света, тепла, кислорода. Внутриконтинентальное положение водоёма, его относительная изолированность и обильный материковый сток обеспечивают поступление большого количества питательных веществ, их накопление и вовлечение в цепи питания. Этим и объясняются богатство и продуктивность экосистемы Азовского моря.

Фитопланктон водоёма представлен 135 видами, в числе которых – обитатели пресных (сине-зелёные водоросли), солоноватых (диатомовые и перидиниевые) и морских вод. Главная роль принадлежит диатомовым и перидиниевым. В начале XX в. биомасса фитопланктона Азовского моря достигала 585 г/м³. Однако изменение водного баланса, уменьшение притока биогенных элементов и повышение солёности (с 11 до 13 – 14 ‰ в 70-е гг.), обусловленные зарегулированием Дона (в 1952 г.) и Кубани (в 1973 г.), вызвали снижение этого показателя до 6 г/м³ (Студеникина и др., 1999). Тем не менее даже это значение существенно выше биомассы фитопланктона в окраинных морях Мирового океана, где она обычно изменяется в пределах 150 – 500 мг/м³. Наибольшие средние содержания микроводорослей фиксируются в водах авандельт Дона и Кубани (2 – 4,5 мг/м³). Сезонная динамика развития сообществ фитопланктона характеризуется двумя вспышками: весенней (март – апрель) и осенней (август – октябрь) (Студеникина и др., 1999; Федоров, Беляев, 2004). В эти «периоды цветения воды» поверхность Азовского моря принимает зелёный цвет.

Зоопланктон включает 98 видов, большинство из которых относится к солоноватоводным. Главную роль играют копеподы и немательминты (коловратки, нематоды и др.). Биомасса зоопланктона подвержена сильным сезонным колебаниям от 1 – 43 мг/м³ в феврале – апреле до 1,3 – 1,7 г/м³ в июле – сентябре и в среднем составляет 100 – 150 мг/м³ (Воловик и др., 1996). Стоит отметить, что в Мировом океане такие значения отмечаются лишь в высокопродуктивных приполярных водах и зонах апвеллингов.

Бентос Азовского моря представлен 136 видами, из которых доминируют такие двустворчатые моллюски, как церастодермы и мидии. До сооружения плотин на Дону и Кубани его средняя биомасса достигала 100 – 220 г/м², однако в последние годы она не превышает 27 г/м². В то же время на ракушечных банках биомасса моллюсков может составлять 400 – 850 г/м² (Фроленко, Семиглазова, 1996). Наибольшего развития бентосные организмы достигают в октябре, когда концентрация растворённого в воде кислорода максимальна.

Обилие корма для рыб объясняет богатство Азовского моря рыбными ресурсами. Этот водоём является одним из немногих в мире, где имеются популяции осетровых. Кроме того, здесь водятся такие ценные промысловые рыбы, как судак, лещ, тарань, сельдь, хамса, тюлька и др. В целом отмечена тенденция снижения популяций, в основном, за счет браконьерского вылова и низкого уровня воспроизводства (Реков, 2000; Чепурная и др., 2008). Так, например, популяция судака уменьшилась с 44,2 млн особей в 1999 г. (Белоусов, 2000) до 0,8 млн в 2012 г. (Сергеева и др., 2013).

1.5. Тяжелые металлы в экосистеме Азовского моря

Акватория Азовского моря испытывает мощное антропогенное воздействие. В экосистему моря загрязняющие вещества поступают как из природных, так и из антропогенных источников. Одним из основных является сток крупных и малых рек: Дон, Кубань, Миус, Ея, Бейсуг, Кагальник и т. д. (Демина и др., 1978; Биогеохимический цикл…, 1991; Хрусталев, 1999; Федоров и др.; 1998, Ивлиева и др., 2000; Клёнкин и др., 2007 и др.). Большая роль в загрязнении моря принадлежит городам, расположенным на побережье и в дельте реки Дон: Азов, Таганрог, Ейск, Приморско-Ахтарск, Темрюк – благодаря сбросу недостаточно очищенных сточных вод. Стоит также отметить вклад портов, судоходства, свалок и дампинга грунта (Аксенов, 1956; Бронфман и др.; 1976; Артюхин, 1986; Беспалова и др, 1998; Хрусталев и др., 2002; Латун, 2005 а, б). Загрязняющие вещества также могут поступать с атмосферными осадками (Федоров и др., 2002; Клёнкин и др., 2007; Zimovets, Fedorov and et al., 2015; Зимовец и др., 2015), а также в результате абразии берегов, с поступлением терригенного материала (Мамыкина, Хрусталев, Щербаков, 1974; Хрусталев и др, 1998; Ивлиева, 2007).

В экосистему Азовского моря из различных источников поступают нефтепродукты, полициклические ароматические углеводороды b хлорорганические пестициды (Hickey et al., 1999; Матишов и др., 1998; Матишов и др., 2000; Федоров и др., 2005; Клёнкин и др., 2007; Кузнецов и др., 2011; Kuznetsov et al., 2012; Кузнецов, Федоров, 2014 и др.). Большой вклад в загрязнение экосистемы Азовского моря вносят тяжелые металлы. Микроэлементы, поступающие в море, по степени токсичности можно разделить на три группы (Wood, 1974):

– нетоксичные – Al, Fe, K, Ca, Mn и др.;

– низкотоксичные – Ba, Ge, Sc и др.;

– среднетоксичные и высокотоксичные – Cd, Cu, As, Ni, Hg, Pb, Cr, Zn.

Одним из приоритетных загрязняющих веществ, перманентно присутствующим в экосистеме Азовского моря, является ртуть. Согласно классификации (Contaminants…, 1996) этот металл отличается высокой миграционной способностью и токсичностью, а также способен накапливаться в живых организмах при продолжительном влиянии источника загрязнения. На поверхность Земли в среднем поступает 5,2 г/га в год ртути (Eriksson, 2001). Существенный вклад в антропогенную эмиссию ртути вносит сжигание угля, до 58 % (William and et al.,1997). В работе (Lindqvist, Rodhe, 1985) отмечается, что большая часть этого металла поступает в виде Hg⁰ (до 75 %), а также Hg⁺ и аэрозолей, кроме того, авторами (Slemr, Seiler, 1981) высказано мнение, что этот металл поступает в атмосферу в виде метилртути. Предельно допустимая концентрация в воде для рыбохозяйственных водоемов составляет 0,01 мкг/л (10 нг/л). Район исследования характеризуется повышенными фоновыми значениями, что может быть связано с его приуроченностью к ртутно-рудному поясу Земли (Jonasson, Boyle, 1972; Федоров и др., 1998). Кроме того, на сельскохозяйственных угодьях некоторое время применялся ртутьсодержащий пестицид гранозан, который применялся в качестве фунгицида и бактерицида, в настоящее время он запрещен к использованию. Однако по данным авторов (Федоров, Беляев, 2002) несколько сотен тонн ртутьсодержащих препаратов содержится на складах, расположенных в периодически затопляемых зонах. Особое внимание уделяется донным отложениям, так как они могут как способствовать очищению водной толщи, благодаря своим депонирующим свойствам, так и служить источником вторичного загрязнения вследствие перехода во взвешенное вещество (Мур, Рамамурти, 1987; Федоров и др., 2003). Большой вклад в поступление ртути в акваторию моря вносит выпадение атмосферных осадков (Федоров и др., 2002; Клёнкин и др., 2007), а также сток реки Дон (Федоров, 1999; Федоров и др., 2002; Доценко, 2010). В работе (Хорошевская, 2010) отмечалось, что в устьевой области реки Дон содержание ртути с 1991 по 2003 гг. постоянно превышало ПДК в 5–40 раз, а в 2004–2005 гг. отмечается снижение концентраций ниже пределов обнаружений. Кроме того, автор отмечает, что металл сорбируется взвешенным веществом и осаждается в морской части дельты.

В работе (Федоров, 2004) отмечается увеличение содержания ртути в районе грязевого вулкана, как в донных отложениях, так и в воде (от 4 до 30 ПДК). В период с 1987 по 2003 гг. в Таганрогском заливе и Юго-Восточной части Азовского моря содержание этого металла в воде достигало 270 ПДК. С 1991 по 1997 гг. авторами (Федоров и др., 2001, 2003) обнаружен тренд увеличения содержания ртути в донных отложениях. По данным (Федоров и др., 2002) с 1991 по 2000 гг. отмечается три скачка концентраций в воде Таганрогского залива каждые три года, кроме того в 2000 г. установлена зависимость между соленостью и содержанием ртути. В этот период концентрации в донных отложениях Таганрогского залива и Азовского моря в некоторых случаях превышали фоновое содержание 0,13 мкг/г с.м. (Федоров и др., 2001, 2002).

Свинец – высокотоксичный тяжелый металл с низкой растворимостью. Его распределение во многом зависит от твердого стока рек и процессов седиментации осадочного материала, также стоит отметить роль органического вещества. По оценкам (Eriksson, 2001) на земную поверхность поступает 12 г/га в год свинца. ПДК_р.х. в воде – 6 мкг/л. Согласно данным, приведенным в работе (Хрусталев, 1999), вынос взвешенного свинца рекой Дон составляет 67 т, а в период 1996–2005 гг. – 20 т/год (Клёнкин и др., 2007), кроме того, одним из источников металла являются атмосферные осадки.

Концентрации свинца в воде рек Восточного Приазовья достигали 1,5 ПДК (Ивлиева и др., 2000). В работе (Федоров и др., 2003) было проанализировано поведение этого тяжелого металла в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Показано, что содержание Pb варьировало от 2 до 68 мкг/г с.м. Ведущую роль в загрязнении Азовского моря свинцом играют сточные воды городов, расположенных на побережье, например, участки с максимальными концентрациями были отмечены в районе города Мариуполь.

По данным (Проведение …, 2004) в 2004 г. в воде содержание свинца не превышало ПДК. В работе (Довлатян, Королев, 2002) приводятся концентрации свинца в Таганрогском заливе, они в среднем составили 1 ПДК. Обращает на себя внимание тот факт, что данные по содержанию ртути и свинца в донных отложениях, приведенные в работе (Федоров и др., 2003), несколько выше, чем у других авторов, что может быть связано с рядом причин: методика отбора проб и определения, физико-химические, гидрологические, биогеохимические и другие условия в период исследований.

Медь – умеренно опасный тяжелый металл, который в аквальных ландшафтах при избыточных концентрациях оказывает ингибирующее воздействие на гидробионты различных экологических групп. Согласно данным (Contaminants …, 1996), медь относится к группе металлов, которые участвуют в росте и развитии водных организмов, однако способных оказывать токсическое воздействие при избыточных концентрациях. Антропогенными источниками Cu в Азовском море являются сточные воды предприятий химической, металлургической промышленности, химические реагенты, используемые для уничтожения водорослей. Природные источники – выпадение в составе атмосферных осадков на зеркало моря, вынос реками в составе взвеси, причем в воде Дона Cu преимущественно находится в растворенной форме, а в Кубани – во взвешенной. Анализ разрозненных данных показал, что часто содержание меди в воде Азовского моря превышает предельно допустимые концентрации для рыбохозяйственных водоемов (1 мкг/л). Содержание меди в малых реках изменялось от 8 до 11 ПДК (Ивлиева и др., 2000). Авторами (Хрусталев и др., 1981) отмечена приуроченность повышенных концентраций Cu в областях развития глинистых илов, а максимальные содержания в воде составляли 6 ПДК в 1969 г. и 8 ПДК в 1977 г. Также отмечается высокое содержание этого металла во взвешенном веществе, особенно в центральной глубоководной части моря (Хрусталев, 1999).

Анализ работ (Вишневецкий и др., 2010, 2012б, 2014) показал, что с 2002 по 2009 гг. наблюдался тренд снижения содержания меди в воде и донных отложениях Таганрогского залива, в районе города Таганрога. Исследование содержания ТМ в этом районе также проводилось авторами (Довлатян, Королев, 2002), согласно их данным повышенные концентрации Cu наблюдались в районе косы Беглицкой и изменялись от 4,5 до 14 ПДК.

Цинк – биофильный элемент, поступление в акваторию моря происходит за счет смыва с сельскохозяйственных угодий, со стоками промышленных вод, а также с атмосферными осадками и стоком рек. Поступление с атмосферными осадками на земную поверхность оценивается 4 г/га в год (Eriksson, 2001). В водоемах его дальнейшее распределение во многом зависит от содержания органического вещества в донных отложениях и взвешенном веществе. Для биологических организмов этот элемент жизненно необходим. ПДК рыбохозяйственных водоемов составляет 10 мкг/л. В работе (Клёнкин и др., 2007) показано, что содержание Zn может достигать 3 ПДК. В 2004 г. среднее содержание цинка в воде Азовского моря не превышало предельно допустимые концентрации, однако было отмечено его высокое содержание в донных отложениях (Проведение…, 2004).

Кадмий – высокотоксичный тяжелый металл, широко применяется при производстве пестицидов, лакокрасочных изделий, пластмасс и т. д. По некоторым оценкам ежегодное поступление этого металла на земную поверхность с атмосферными осадками составляет 0,15 г/га (Eriksson, 2001). Анализ данных, приведенных авторами в работах (Клёнкин и др., 2007; Проведение…, 2004) показал, что в воде Азовского моря содержание этого элемента не превышало ПДК_р.х. (0,5 мкг/л), однако для донных отложений были характерны высокие концентрации.

Важную роль в поведении и распределении микроэлементов играет смешение пресных и соленых вод рек и Азовского моря, где, благодаря возникновению геохимического барьера, акватория превращается в своеобразный фильтр взвешенного и растворенного вещества, поступающего с суши в океан, названный А. П. Лисицыным маргинальным фильтром, имеющим глобальное значение для океанской седиментации (Лисицын 1982, 1994, 1998). Особые условия в зоне смешения вызывают здесь трансформацию химических свойств, форм нахождения и миграции (Демина и др., 1978; Гордеев, 2012; Bewers, Jeats, 1978; Riedel et al., 1997). По причине замедления течения речных вод теряется их несущая сила и происходит осаждение крупных фракций взвешенного материала, также осуществляется коагуляция тонких глинистых частиц, разбавление речной воды, насыщение ее солями морской воды, физико-химическое взаимодействие веществ, не сводящееся к простому разбавлению (флоккуляция органических веществ и металлов, сорбция-десорбция), «вспышки жизни» (Биогеохимия океана, 1983; Лисицын, 1982б; Федоров, Беляев, 2004; Хрусталев, 1982). Вследствие этого, на барьере «река–море» осаждается подавляющая часть речных взвесей (70–95 %), здесь образуются огромные осадочные тела, захватывающие подавляющую часть взвешенных в речных водах загрязняющих веществ, принесенных рекой, в числе которых тяжелые металлы (ТМ). В результате этого речные взвеси в море практически не попадают и накапливаются в этой барьерной (солоноватоводной зоне). Существенно, что конфигурация и линейная протяженность барьерных зон во многом зависят от активности приливо-отливных процессов, а также сгонно-нагонных явлений.

Характерно, что кроме барьерной зоны «река–море» накладываются, усиливая друг на друга, и другие геохимические барьеры. Здесь в значительной степени изменяется валовый сток микроэлементов и соотношение форм их соединений. Однако именно на геохимическом барьере река–море происходит кардинальный перелом в составе осадочного материала – от господства взвешенных форм микроэлементов к подавляющему господству растворенных форм (Демина и др., 1978; Лисицын, 1978). Трансформация форм нахождения и миграции элементов в этой зоне определяет геохимические процессы, которые происходят дальше в открытом море. В частности, это перевод растворенных форм элементов в аутогенные взвеси и их осаждение на дно при осуществлении процессов сорбции, соосаждения и других процессов, связанных с деятельностью живых организмов.

Роль гидробионтов в осаждении микроэлементов неоспоримо важна и разнообразна, связана как с непосредственной переработкой взвешенных и растворенных форм элементов при осуществлении многочисленных физиологических процессов, так и при высвобождении из состава разлагающихся тканей отмерших организмов (Свистунова, 1999; Доценко, 2006; Доценко, Федоров, Михайленко, 2012). Подобные процессы в Азовском море характеризуются значительными качественными и количественными показателями, поскольку здесь условия среды обитания весьма благоприятны для развития гидробионтов, и они формируют большие скопления.

Живые организмы в устьевых областях настолько многочисленны, что здесь проявляется так называемый биологический контур или «фильтр», который и вносит коррективы в функционирование барьерной экосистемы. По этой причине барьер следует обозначать как биогеохимический. Важное влияние растворенного органического вещества на формы миграции элементов в исследуемых зонах отмечали многие ученые (Глаголева, 1959; Варшал и др., 1999; Доценко, 2010; Доценко, Федоров, 2007). Было установлено, что металлы могут переноситься с речным стоком в составе комплексов с органическими и неорганическими лигандами. Большая часть лигандов в природных водах – неорганическая. Однако растворенное органическое вещество также образует комплексы с микроэлементами, и именно они играют важную роль в биологическом потреблении некоторых металлов из морской воды. Вместе с тем нельзя недооценивать вклад взвешенного органического вещества в транспорт и осаждение микроэлементов. Исследование миграции взвешенного органического вещества и микроэлементов в зоне смешения донских речных и морских азовских вод (Артемьев и др., 1981) выявили сходство их распределения, что служит в определенной степени доказательством их взаимосвязи. При взаимодействии растворенного и взвешенного материала во время активного перемешивания вод в системе река–море осуществляются также сложные процессы, приводящие к взаимному переходу форм миграции элементов.

Глава 2. Объект и методы исследования

Согласно «Географической энциклопедии» (http://enc-dic.com/enc_geo/) основной категорией территориального деления географической оболочки, одним из фундаментальных понятий географии и объектов её изучения являются ландшафты или природно-территориальные комплексы. Некоторые исследователи считают термин «ландшафт» синонимом понятия «экосистема». Различают аквальные и наземные ландшафты. В нашем понимании аквального ландшафта, которое созвучно с представлением о нем как о «сложной динамической системе водного объекта, состоящей из биоты (гидробионтов и бентосных организмов), донного основания – илов, песков, гальки и т. д. (подводной почвы), рельефа дна, связанных между собой потоками вещества и энергии», Азовское море рассматривается как аквальный ландшафт, который на протяжении нескольких десятилетий подвергается воздействию человека, начиная с гидротехнического строительства на реках Дон и Кубань, экстенсивного рыболовства, добычи из русел и дна донных осадков, дампинга и заканчивая загрязнением. Характерной чертой моря является его проточность, обусловленная водообменом с Черным морем, реками Дон и Кубань, малыми реками и развитием сгонно-нагонных явлений. Поэтому в соответствии с представлениями М. А. Глазовской (1956, 2002) этот водоем можно отнести к трансаквальным ландшафтам, где происходит перманентный привнос и вынос материала в составе жидкого и твердого стока. В течение нескольких часов в Азовском море в результате ветрового воздействия может резко измениться динамика водных масс и верхнего слоя донных отложений, что влечет за собой трансформацию физико-химических факторов и процессов. В свою очередь это приводит к изменению характера распределения и поведения веществ, включая ТМ, на границах раздела сред «вода – атмосфера», «вода – взвешенное вещество» и «вода – донные отложения» (Федоров, 1999; Федоров и др., 2003). В связи с этим изучение ТМ в воде, взвешенном веществе и донных отложениях, как пронизанных органической жизнью компонентах ландшафта Азовского моря, представляется важным с географической и геохимической точек зрения. Это не противоречит представлениям К. М. Петрова (1989), В. А. Николаева (1996), А. Д. Хованского (1993), Л. А. Беспаловой (2006) и других исследователей аквальных ландшафтов, рассматривавших донные отложения в качестве консервативной субстанции, а, наоборот, позволяет более глубоко понять геохимию ТМ в обстановке, когда на неё оказывается постоянное и изменяющееся во времени и пространстве активное гидродинамическое воздействие. В этом отношении нам ближе представление об Азовском море как об аквальном ландшафте, который является одновременно транзитным и аккумулятивным (по терминологии Б. Б. Полынова, 1953).

Стрелками показаны взаимосвязи между различными объектами

Рис. 2.1. Схема исследования тяжелых металлов в объектах окружающей среды

Одним из направлений исследований «Ведущей научной школы» профессора Ю. А. Федорова является изучение распределения концентраций тяжелых металлов в окружающей среде, включая биоту поверхностных вод и человека. Объектами данного исследования были морские воды, взвешенное вещество, донные отложения и почвы, которые рассматриваются как компоненты ландшафтов Азовского моря и его бассейна. Как показано на схеме, представленной на рисунке 2.1, содержащиеся в них тяжелые металлы включаются в глобальный геохимический круговорот вещества и энергии и могут оказывать прямое или косвенное влияние на человека, как бы возвращая ему обратно то, что он извлек из недр Земли или синтезировал. Это хорошо согласуется с представлениями В. И. Вернадского: «Лик планеты – биосфера – химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды» (Вернадский, 1967). Подходы и актуальность изучения ландшафтов описаны во многих работах (Полынов, 1953, 1956; Перельман, 1961; Мильков, 1970, 1986; Хованский, 1993; Перельман, Касимов, 1999; Дьяконов, 2007; Касимов, 2013; Федоров, Зимовец, 2013; Федоров и др., 2015; Зимовец и др., 2015 и др.).

Настоящая работа представляет собой результаты обобщения и анализа данных, которые были получены в ходе комплексных экспедиционных исследований, проведенных авторами и сотрудниками кафедры физической географии, экологии и охраны природы в дельте реки Дон, Таганрогском заливе и открытой части Азовского моря, в период с 1995 по 2014 гг.