Гляциохимические и биогеохимические исследования природных льдов в Приамурье

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гляциохимические и биогеохимические исследования природных льдов в Приамурье

Л.М. Кондратьева

Приведены основные результаты многолетних междисциплинарных исследований сотрудников ИВЭП ДВО РАН в области гляциохимии и биогеохимии природных льдов в Приамурье. Более 30 лет исследования речного льда связаны с анализом механизмов криогенной метаморфизации, аккумуляции и трансформации органических веществ, ионов тяжелых металлов. За это время получены данные о развитии фототрофных организмов в контактной зоне вода--лед, послойном распределении криомикробоценозов при загрязнении льдов органическими веществами различного строения и генезиса. Показана биоиндикационная роль криомикробоценозов при трансграничном загрязнении льдов после техногенной аварии в Китае в 2005 г. и катастрофического наводнения на р. Амур в 2013 г. Установлены предпосылки метилирования ртути во льдах при аккумуляции растительного детрита. Выявлены особенности многолетних характеристик ледового режима, стратиграфии ледовой толщи р. Амур и определены приоритетные направления в изучении экологической роли речного льда в миграции токсичных веществ в прибрежные акватории дальневосточных морей.

Glaciochemical and biogeochemical studies of natural ice in the Amur Region. L.M. KONDRATYEVA (Institute of Water and Ecological Problems, FEB RAS, Khabarovsk).

The main results of long-term interdisciplinary researches of IWEP FEB RAS staff in the field of glaciochemistry and biogeochemistry of natural ice in the Amur Region are presented. More than 30 years of research of river ice are connected with the analysis of mechanisms of cryogenic methamorphization, accumulation and transformation of organic substances and ions of heavy metals. During this time, data on the development of phototrophic organisms in the water-ice contact zone, the layerwise distribution of cryomicrobocenoses during ice contamination with organic substances of various structures and genesis were obtained. The bioindicative role of cryomicrobocenosis in the transboundary contamination of ice after the technogenic accident in China (2005) and the catastrophic floods on the Amur River in 2013 is shown. The preconditions for mercury methylation in ice during the accumulation ofphytodetritus are established. The features of the long-term characteristics of the ice regime and the stratigraphy of the ice thickness in the Amur River are identified and priority directions in the study of the ecological role of river ice in the migration of toxic substances to the coastal waters of the Far Eastern seas are determined.

Глубокое познание функционирования биосферы предполагает детальное изучение роли живого вещества в разнообразных процессах, происходящих во всех ее составляющих: атмосфере, литосфере и гидросфере. В.И. Вернадский подчеркивал, что «жизнь - живое вещество - поистине является одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты, а вызываемая ею биогенная миграция атомов представляет форму организованности первостепенного значения в строении биосферы» [2, с. 240]. Безусловно доказанным является существование жизни во всех структурных компонентах биосферы. Однако довольно часто сложные биогеохимические процессы рассматриваются разными специалистами отдельно друг от друга, что служит препятствием для понимания единого целого по состоянию его составляющих.

Известно, что формирование качества воды в гидросфере осуществляется под влиянием многочисленных эндогенных и экзогенных факторов. В последнее время все больше внимания стало уделяться изучению биогеохимических процессов в контактных зонах гидросферы: вода-воздух, вода-взвеси, вода-дно, вода-лед [15]. Особое положение среди геосфер занимает криосфера и ее специфическое геохимическое образование - лед, являющийся биогеохимическим барьером между различными средами.

Принимая во внимание взаимодействие структурных компонентов биосферы, можно утверждать, что все эти геосферы непосредственно участвуют в формировании химического состава льдов. Так, эмиссия через атмосферу различных промышленных поллютантов и углеводородов пирогенного происхождения приводит к значительному загрязнению поверхностных слоев льда. Лед называют «архивом» химических соединений, мигрирующих в атмосфере в течение нескольких веков [34].

Послойное исследование кернов льда на севере Тихоокеанского региона позволяет через «химические сигналы» описать динамику эмиссии, транспорта и осаждения ионов железа, поступающих из Азии во время пыльных бурь. По льдам Аляски производят реконструкцию не только климата, но и специфики деградации почв [37]. Вынос льдов с речным стоком определяет температурный режим и биопродуктивность Охотского и Японского морей [35]. При доминировании северо-восточных ветров токсичные вещества, поступающие в период ледостава из р. Амур, при медленной трансформации мигрируют вдоль восточного побережья о-ва Сахалин по направлению к островам Японии [36].

Пространственно-временная целостность гидросферы, сезонность воздействия отдельных факторов определяют актуальность изучения гляциохимических и биохимических процессов, происходящих во льдах. Используя лед как объект исследования экологического состояния водных экосистем в различных регионах мира, можно ответить на ряд вопросов, связанных с оценкой глобального, регионального и локального влияния загрязнения на качество природных вод. Выявление закономерностей формирования качества воды при совместном воздействии природных и антропогенных факторов в период ледостава позволяет совершенствовать систему нормирования уровня загрязнения природных вод, оценить степень риска для функционирования различных звеньев трофических цепей и предотвратить ущерб для здоровья человека.

Гляциохимические исследования в Приамурье

гляциохимический биогеохимическй лед приамурье

Большой вклад в развитие теории криогенных и гляциогенных гидрохимических процессов на Дальнем Востоке внес д.г.н. А.В. Иванов. Первые положения о криогенной метаморфизации химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод были представлены в 1976 г. в докладах Института географии Сибири и Дальнего Востока СО АН СССР [5]. Работы, посвященные химическому взаимодействию в системе вода-лед-порода, гляциохимической индикации природных процессов, формированию химического состава конжеляционных льдов и талых вод, были обобщены в монографии «Теория криогенных и гляциогенных гидрохимических процессов» [8], а затем представлены в виде докторской диссертации «Химия природных льдов» (1991 г.). Позднее вышли работа о гляциогенном круговороте веществ [4] и фундаментальная монография [6], в которой Андрей Викторович предложил довольно емкое определение криогенной метамор- физации: это «направленное изменение концентрации, состава и структуры растворенных газов, минеральных и органических веществ, состояния окислительно-восстановительных, кислотно-основных и водно-солевых систем под влиянием физических, химических и биологических факторов при охлаждении воды до нулевых температур, при кристаллизации и плавлении льда». Фактически в это понятие были заложены достижения различных наук, расширяющих наши представления о функционировании криосферы Земли. Научная значимость данной теоретической разработки не утратила своей силы на современном этапе исследования процессов формирования структуры и химического состава льда с использованием междисциплинарного подхода.

Криогенная метаморфизация химического состава природных льдов играет важную роль в круговороте веществ и энергии в криосфере при исследовании разнообразных процессов (гидрохимических, геохимических, гляциогидрологических, биогеохимических и экологических), происходящих в водных экосистемах в период ледостава. При образовании и таянии льдов осуществляется крупномасштабный газообмен в системе атмосфера- гидросфера-криосфера [4]. Лед, являясь важным компонентом биосферы, выступает фактором формирования экологической ситуации в водных экосистемах и промежуточным звеном в гляциогенной миграции веществ. Загрязнение льдов осуществляется на ядрах конденсации искусственного происхождения при сухом и мокром соосаждении антропогенных аэрозолей - аэрогенное загрязнение. При включении в лед токсикантов из загрязненных природных вод происходит его внутриводоемное загрязнение [6]. Важнейшие функции ледовых образований - обеспечение гляциогенной миграции веществ и создание геохимических барьеров на границе фаз, которые обеспечивают экологически значимые геохимические изменения в природных водах и льдах. Речные льды включаются в круговорот веществ через обмен с атмосферой, водами суши, литосферой при глубоком промерзании водоемов и взаимодействии с берегами. Значительная доля льдов выносится в море и взаимодействует с водами континентального шельфа [8].

На реках гляциохимические и геоэкологические исследования проводят эпизодически, хотя период ледостава на водных объектах Сибири и Дальнего Востока длится до 4-6 мес. В это время складываются специфические условия для трансформации биогенных элементов, взвешенных и растворенных органических веществ (ОВ), которые влияют на жизнедеятельность гидробионтов, длительность токсикологических эффектов. Вну- триводоемные процессы, происходящие зимой, во многом определяются функционированием биологических комплексов в контактной зоне вода-лед [14, 16, 21].

Лед как физико-химическая и биогляциальная система исключительно неоднороден. Это свойство обусловлено его природой как физического тела, структурой и текстурой, особенностями химического состава, множественностью форм химических соединений и их специфическим распределением, особенностями развивающихся организмов [7, 10, 21, 26]. Для полного и адекватного описания механизмов преобразования ОВ в толще льда и на границе вода-лед разрабатываются физико-химические и биоиндикационные методы. Однако до настоящего времени изучению влияния экологических факторов на формирование химического состава воды и льда в зимний период, особенно в условиях антропогенного воздействия на водные экосистемы, не уделяется должного внимания. Это связано прежде всего с определенными трудностями проведения зимних экспедиционных работ. Один из возможных выходов в преодолении таких трудностей - сочетание натурных и экспериментальных исследований льдов с использованием современных спектральных, хроматографических методов и биоиндикации.

Криоперифитон и криомикробоценозы - индикаторы загрязнения речного льда

Впервые на экологические процессы, происходящие во льдах в водотоках и водоемах Сибири и Дальнего Востока, обратили внимание в 1970-е годы. В малоснежных и бесснежных районах Восточной Сибири, Монголии, Китая была замечена подледная вегетация водорослей. За счет процессов фотосинтеза, осуществляемых диатомовыми и перидиниевыми водорослями, в некоторых озерах Забайкалья в динамике концентрации кислорода были отмечены два максимума (летний и зимний) [10, 21]. Было установлено, что криоперифитон (водорослевое население льдов) достаточно активно реагирует на поступление биогенных элементов и участвует в продукционных процессах. В результате жизнедеятельности водорослей происходят разнонаправленные процессы накопления или снижения концентрации ионов аммония и кремния [7]. С таянием ледяного покрова связано загрязнение воды озер и рек фенолами, углеводородами, кислотами и др. В начальный период таяния льдов и снежного покрова в воде отмечено повышение концентрации фенолов на 30 % [9].

Криоперифитон во льдах р. Амур начали изучать в конце 70-х годов прошлого века на примере фотосинтезирующих организмов гидробиологи Хабаровского комплексного НИИ ДВНЦ АН СССР (ныне ИВЭП ДВО РАН) Ю.М. Лебедев, С.Е. Сиротский и Д.Н. Юрьев [20, 21]. Впервые было показано, что заселение льда диатомовыми водорослями начиналось в декабре, а наибольшая их биомасса накапливалась в марте. Повышенное содержание биогенных элементов во льдах и их специфическое неоднородное распределение в толще льда авторы объясняли активной жизнедеятельностью водорослей. Среди ледовой флоры р. Амур доминирующее положение занимала планктонная диатомовая водоросль Aulacoseira islandica. В расплавах льда (нижний 8-сантиметровый слой) биомасса водорослей доходила до 300-700 мкг/дм3. В дальнейших исследованиях Д.Н. Юрьев показал [27], что речной лед выступает в качестве субстрата для развития планктонных водорослей, их скопление происходило на нижней поверхности льда, в межкристаллических пространствах и микротрещинах льда.

В это же время Петром Васильевичем Ивашовым закладывались основы биогеохи- мической индикации загрязнения водных экосистем в период ледостава на основе исследования миграции элементов в условиях криогенеза. В качестве биообъекта для индикации загрязнения водных экосистем микроэлементами была рекомендована диатомовая водоросль Melosira [11]. Биогеохимические исследования льдов показали, что Melosira, обитающая на границе вода-лед, является чувствительным к загрязнению тяжелыми металлами объектом. Например, содержание никеля, титана, ванадия, хрома, меди, свинца и олова в биомассе этой водоросли было в 1,5-12 раз больше, чем величины кларков этих элементов в наземных растениях.

После длительного перерыва во время ледостава 2013/14 г. возобновились работы по исследованию разнообразия диатомовых водорослей в разных по структуре слоях льда и с различным содержанием терригенного материала. Так, в основном русле р. Амур в толще льда с высоким содержанием взвешенных частиц впервые зарегистрированы Stephanodiscus hantzschii, которые способны образовывать микроагрегаты. Их присутствие связывают с изменением структуры и функций сообщества гидробионтов экосистемы р. Амур под влиянием природных и антропогенных факторов [30].

Однако при интерпретации неоднородности распределения биогенных элементов в толще льда часто не принимают во внимание микробиологические процессы, их динамику в пространстве и во времени. Хотя очевидно, что химический состав льдов является интегральным результатом целого комплекса фундаментальных факторов льдообразования и трансформации веществ, среди которых специфическая роль принадлежит микробным сообществам - криомикробоценозам. Они участвуют в деструкции автохтонных и аллохтонных ОВ, содержащихся во льдах, способствуют миграции биогенных элементов и выступают в качестве индикаторов антропогенного загрязнения водных экосистем [14, 16].

Впервые биоиндикационная роль криомикробоценозов была показана при оценке трансграничного загрязнения р. Амур в период ледостава 2000/01 г. [16]. В контактной зоне вода-лед были выявлены представители различных физиологических групп микроорганизмов (табл. 1), установлены ярко выраженные ответные реакции микробных сообществ льда на различные факторы: биогенные (развитие водорослей), абиогенные (толщина снежного покрова, присутствие микропримесей) и антропогенные (локальное загрязнение нефтепродуктами). По численности отдельных групп криомикробоценозов установлена пространственновременная неоднородность загрязнения льда азотсодержащими ОВ, ароматическими соединениями фенольного ряда и ионами тяжелых металлов (ТМ). К концу зимы зарегистрирована устойчивая тенденция увеличения загрязнения льдов ОВ различного происхождения. Численность индикаторных групп бактерий возрастала в 4-8 раз, в том числе фенолрезистентных бактерий - в 7 раз [32]. Впервые с использованием криомикробоценозов было показано поступление в период ледостава в р. Амур с территории провинции Хэйлунцзян (Китай) неочищенных коммунальных сточных вод, обогащенных биогенными элементами, ионами тяжелых металлов, азотсодержащими ОВ и продуктами их разложения. В результате экспериментального моделирования установлены существенные различия в устойчивости к ионам ТМ между криомикробоценозами на различных участках реки. Адаптационная резистентность бактерий позволила выявить створы с хроническим загрязнением воды и льда ионами ТМ.

Таблица 1

Численность эколого-трофических групп бактерий в контактной зоне вода--лед на разных участках р. Амур