Статья: Экосистемый подход к оценке загрязнения реки амур токсичными элементами

Показано, что на повышение концентраций ТЭ помимо антропогенного фактора могли влиять биогеохимические процессы, происходящие в зимний период в контактной зоне «вода - дно». Так в пробах воды, отобранных в январе 2006 г. у левого берега в районе с. Малмыж, было зарегистрировано повышение содержания Cd и Cu в 3 и 4,5 раза соответственно, а As - в 47 раз, по сравнению с водами, отобранными выше по течению р. Амур (рис. 2). В этих пробах содержание марганца превышало ПДК в 110 раз.

Рис. 2. Содержание токсичных элементов в воде р. Амур в районе с. Малмыж (январь, 2006 г.): 1, 2 - выше; 5, 6 - ниже; 3, 4 - напротив с. Малмыж; 1, 3, 5 - левый берег; 2, 4 - правый берег; 6 - середина реки

Высокие содержания As и Hg были зарегистрированы в пробах воды у правого берега в районе с. Малмыж (4 ПДК и 15 ПДК соответственно). Содержание Pb значительно снизилось в воде, как у левого, так и у правого берега в районе с. Малмыж в 32 и 12 раз соответственно, по сравнению с водой, отобранной на вышерасположенных участках. В пробах воды, отобранных ниже с. Малмыж, зарегистрировано существенное снижение концентраций Cu, Cd, As и Hg. Это явление было связано с процессами седиментации элементов в составе коллоидных взвесей, которые были визуально выражены в пробах воды, отобранных у берега.

Таким образом, в подледной воде в районе с. Малмыж было зарегистрировано локальное повышение ТЭ. Это явление не было связано с последствиями техногенной аварии, а обусловлено биогеохимическими процессами, происходящими в контактной зоне «вода - дно» в период зимней межени.

В донных отложениях (ДО) р. Амур, отобранных во время ледостава 2005-2006 гг., происходила аккумуляция многих токсичных элементов. Максимальные концентрации Cu, Zn, Pb, Hg и Cd обнаружены в пробах ДО, отобранных в районе г. Комсомольск-на-Амуре. Их содержание было в 2; 4,7; 4,8; 9 и 5 раз выше, соответственно, чем в донных отложениях, отобранных в зоне влияния реки Сунгари.

Дальнейшее исследование содержания токсичных элементов в донных отложениях на Нижнем Амуре было проведено летом 2008 г. в зоне влияния крупных городов (Хабаровск, Амурск, Комсомольск-на-Амуре). Было отмечено увеличение содержаний Zn, Pb и As на участке от г. Хабаровск до г. Комсомольск-на-Амуре. Максимальные концентрации этих элементов были установлены в пробах донных отложений, отобранных у правого берега ниже г. Комсомольск-на-Амуре (33,35; 11,36; 7,74 мкг/г соответственно).

Таким образом, показано, что в донных отложениях р. Амур происходит накопление токсичных элементов в зонах аккумуляции, расположенных ниже г. Хабаровска вдоль правого берега. На характер такого распределения токсикантов могут влиять сток р. Сунгари и сточные воды г. Хабаровск.

Лед является важным компонентом геоэкологических исследований водных экосистем (Лебедев и др., 1981; Иванов, 1998; Кондратьева, 2010). Послойное исследование кернов льда позволяет оценить поступление ТЭ в экосистему во время его формирования, миграцию и аккумуляцию в период ледостава. Так содержание токсичных элементов во льдах р. Сунгари существенно изменялось на всем протяжении от г. Цзямусы до г. Тунцзян (2005-2006 гг.) (табл. 2).

Таблица 2. Послойное распределение тяжелых металлов во льдах р. Сунгари, мкг/л

Это свидетельствует о непостоянстве качества воды в период формирования льда. Самый загрязненный лед был выявлен в районе г. Харбин, особенно по содержанию Cd. Однако во время прохождения загрязненных водных масс у г. Харбин ледовое покрытие на реке отсутствовало, поэтому присутствие Cd во льдах р. Сунгари не связано с аварией. Превышение ПДК по Hg было отмечено во льдах в районах городов Цзямусы и Харбин в 5 и 4 раза соответственно. Анализ керна льда, отобранного в р. Амур в районе с. Нижнеспасское, показал, что в период прохождения загрязненных водных масс, поступивших со стоком р. Сунгари, происходила аккумуляция Cu, Pb и Cd. По сравнению с содержанием этих элементов в воде, их концентрации увеличивались соответственно в 3, 7 и 2 раза. Содержание Hg во льдах было сопоставимо с содержанием ее в воде, а концентрация мышьяка была ниже, чем в воде. Исследования показали, что в период ледостава происходила аккумуляция ТЭ, что повышает риск вторичного загрязнения воды во время весеннего ледохода на реках Сунгари и Амур. Миграция загрязняющих веществ в составе льда и взвешенных веществ служит фактором экологического риска не только в пространстве, но и во времени.

Таким образом, на фоне техногенной аварии в Китае загрязнение экосистем рек Сунгари и Амур было связано главным образом с аккумуляцией токсичных элементов во льдах и донных отложениях, которые затем вовлекались в природные биогеохимические процессы. В дальнейшем, в весенний период складывались предпосылки для вторичного загрязнения водной среды токсичными элементами.

Глава 4. Особенности биоаккумуляции тяжелых металлов и токсичных элементов в гидробионтах реки Амур.

Во многих работах было показано, что рыбы могут выступать индикаторами загрязнения водных экосистем токсичными элементами (Моисеенко, 1998; Коновалова, 2001). Анализ сезонного содержания ТЭ в рыбах различного видового состава и типа питания в разные годы показал значительные различия в уровне их накопления (табл. 3).

Таблица 3. Распределение токсичных элементов в рыбах р. Амур

Амурские рыбы в большей мере концентрируют медь и цинк, независимо от мест обитания, видовой принадлежности и сезона вылова. Это отражает общую тенденцию аккумуляции данных элементов, отмеченную другими авторами (Руднева, 2011; Barata et al., 2005; Ковековдова, 2011).

Соотношение по уровню накопления Hg, Pb, Cd и As существенно отличались в разные годы и сезоны.

Повышенное содержание большинства токсичных элементов было зафиксировано в мышечных тканях рыб, ведущих придонный образ жизни, вне зависимости от сезона и места вылова. Основными концентраторами токсикантов выступали косатка-плеть (Pseudobagrus ussuriensis), конь пестрый (Hemibarbus maculatus), белый амур (Ctenopharyngodon idella), карась серебряный (Carassius gibelio) и белый толстолобик (Hypophthalmichthys molitrix). Рыба, выловленная в 2006 г., содержала самые высокие концентрации меди (15,11 мг/кг) и цинка (115,03 мг/кг). Содержание Hg было сопоставимо в летние периоды 2002, 2006, 2007 гг. Но в последующие годы (2008-2010) концентрация этого элемента в рыбах постепенно снижалась в 2, 6 и 40 раз, по сравнению с 2007 годом. В ходе анализа содержания As в период с 2002 по 2010 гг. установлено, что его максимальные концентрации были зарегистрированы в пробах белого толстолобика (H. molitrix) в период открытого русла 2009 г. (1,84 мг/кг). Содержание Pb в пробах мышечных тканей рыб значительно колебалось в разные сезоны. Наиболее высокое содержание свинца было обнаружено в рыбе, отловленной летом 2006 г. в районе с. Нижнеспасское и летом 2009 г. в районе с. Синда (Нижний Амур). Концентрации свинца составили 3,80 мг/кг в мышцах белого амура (C. idella) и 8,34 мг/кг в косатке-плеть (P. ussuriensis) соответственно. Максимальные концентрации Сd (до 0,50 мг/кг), были обнаружены в мышцах сазана (C. rubrofuscus), выловленного в летом 2006 г. в р. Амур в районе с. Нижнеленинское.

Содержания ТЭ в рыбах по показателям ПДК соответствовали требованиям, предъявляемым к рыбной продукции. Однако для самих представителей этой группы гидробионтов такие концентрации элементов могут привести к нарушению ряда физиологических функций и негативно повлиять на популяционные показатели и видовое разнообразие рыб.

Сравнение различных по филогении видов рыб, обитающих в сходных экологических условиях, позволяет выявить причины, вызывающие вариабельность биохимических показателей. Использование такого подхода способствует выявлению специфических биохимических адаптаций к изменяющимся условиям среды, биохимической чувствительности и устойчивости организма к факторам внешней среды (Немова, Высоцкая, 2004; Ирейкина, 2011).

В дальнейшем нами был проведен сравнительный анализ накопления ТЭ в разных группах гидробионтов из одного местообитания (с. Нижнеспасское). Были установлены следующие ряды убывания концентраций токсичных элементов в гидробионтах и донных отложениях:

Zn>Cu>As>Pb>Cd>Hg - моллюски

Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg - рыбы, ведущие придонный образ жизни

Zn>Pb>As>Cu>Cd>Hg - донные отложения

Как видно из рядов сравнения распределение Cd и Hg одинаково для донных отложений и гидробионтов, это может быть связано со сходными механизмами поступления этих элементов в организм моллюсков и рыб. Однако по сравнению с донными отложениями, максимальные концентрации кадмия и ртути отмечены в нодулярии (N. amurensis) - 0,15 мг/кг и коне пестром (H. maculatus) - 0,24 мг/кг, что было в 2 раза выше, чем в донных отложениях. Аккумуляция цинка моллюсками оказалась в 3 раза выше (77,11 мг/кг), чем в донных отложениях. Содержание меди в косатке-плеть

(P. ussuriensis) было в 10 раз больше (15,11 мг/кг), чем в донных отложениях.

Интенсивность процесса биоаккумуляции тяжелых металлов у моллюсков в изменяющихся средовых градиентах сравнивали по показателям КБН (константа бионакопления), КО (коэффициент обогащения) УИН (удельная интенсивность накопления). Наиболее высокая интенсивность накопления ТЭ у моллюсков была отмечена при условии их низкого содержания в среде обитания. Показатели аккумуляции уменьшались по мере накопления токсичных металлов в тканях моллюсков. Отношение КО/УИН можно использовать в качестве информативного показателя экотоксикологического неблагополучия (ПЭН) для отдельных особей и возрастных групп популяций моллюсков в однородных условиях среды. Установлено, что по значениям ПЭН слабо загрязненными оказались участки р. Амур в зоне влияния стока рек Зея и Бурея. Опасный и угрожающий уровень накопления токсичных элементов у моллюсков был отмечен в зоне влияния стока р. Сунгари.

Анализ рядов накопления ТЭ показал, что моллюски и рыбы р. Амур, ведущие придонный образ жизни в разной степени концентрируют As и Pb. Несмотря на видовую принадлежность, моллюски приоритетно аккумулировали мышьяк, а рыбы - свинец. Это соответствует положению о том, что разница в накоплении этих элементов у разных групп гидробионтов связана с различными механизмами поступления и интенсивностью процессов их выведения и детоксикации (Руднева, 2011).

Хотя разные виды организмов могут регулировать поступление токсичных элементов, и у них существует для этого специализированные механизмы, однако, на уровень накопления существенно влияет содержание ТЭ в окружающей среде и характер питания гидробионтов.

Глава 5. Особенности миграции железа и марганца на биогеохимическом барьере вода - дно. Как показывает обзор публикаций, существуют геологические и экологические предпосылки высокого содержания железа и марганца в р. Амур. Территория Приамурья входит в провинцию железосодержащих, марганецсодержащих и кремнийсодержащих пресных подземных вод с низкими концентрациями фтора (Архипов, 1979; Кулаков, 1990, 2008; Труфанов, 1982). Подземные воды разгружаются в русло реки через донные отложения, которые являются биогеохимическим барьером между подземной и поверхностной составляющей гидросферы. В результате изменения восстановительной среды на окислительную, в донных осадках и придонных слоях воды увеличивается содержание железа и марганца за счет перехода этих элементов в нерастворимую форму.

Многолетние наблюдения в течение 1995-2000 гг. за концентрациями железа в поверхностных водах Приамурья показали, что его содержание изменялось в основном русле р. Амур в довольно широких пределах от 0,20 до 2,35 мг/л (Шамов, 2008).

Высокие концентрации марганца были зафиксированы в период ледостава 2005-2006 гг. в пробах воды у левого берега на Среднем Амуре (рис. 3).

Рис. 3. Содержание марганца (мг/л) в поверхностных и придонных слоях воды р. Амур у левого берега с. Нижнеленинское (1), с. Петровское (2), с. Нижнеспасское (3) до (30.11.2005 г.) и во время (15.12.2005 г.) прохождения нитробензольного загрязнения

Вне зоны влияния р. Сунгари у левого берега в районе с. Нижнеленинское в конце ноября 2005 г. были отмечены высокие концентрации марганца, особенно в придонных слоях воды. Общее содержание этого элемента в придонных слоях воды было почти в два раза выше его содержания в поверхностных слоях (0,408 и 0,246 мг/л, соответственно). Как отмечалось выше, содержание марганца в пробах воды, отобранных в январе 2006 в районе с. Малмыж у левого берега, составляла 11,02 мг/л и превышала ПДК более чем в 110 раз. В осенне-зимний период, при лимите кислорода в воде, микробиологическое окисление органических веществ может осуществляться за счет использования в качестве акцепторов электронов нитратов, сульфатов, нерастворимых соединений железа и марганца, что приводит к изменению их растворимости. Кроме того, в результате биогеохимических процессов может происходить образование нитритов, сероводорода, метана и увеличение общей токсичности природных вод.