Экологические факторы формирования толерантности планктонных ракообразных к минеральному загрязнению: На примере водоемов северной Карелии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, доктор биологических наук Калинкина, Наталия Михайловна

• Калинкина, Наталия Михайловна
• доктор биологических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор биологических наук Калинкина, Наталия Михайловна

Введение

Щ Глава 1. Биогенное и токсическое значение калия (а также Na, Са и Mg) для гидробионтов (литературный обзор).

1.1. Геохимическая и токсикологическая характеристика ионов калия, натрия, кальция и магния

1.2. Роль ионов калия, натрия, кальция и магния в процессах жизнедеятельности гидробионтов . И

1.3. Влияние отходов горнорудного производства на водоемы

1.4. Пресноводный зоопланктон водоемов северной Карелии.

1.5. Исторические пути формирования некоторых групп пресноводного зоопланктона

Глава 2. Материалы и методы.

2.1. Место и сроки исследования 2.2. Антропогенная нагрузка. 2.3. Изучение процессов переноса загрязняющих веществ

2.4. Изучение состояния сообществ зоопланктона.

2.5. Методы экспериментальных исследований.

Глава 3. Перенос загрязняющих веществ в семи озерах системы р. Кенти в

1983-2001 гг.

3.1. Актуальность изучения процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти. ф 3.2. Подходы к моделированию процессов распространения загрязняющих веществ в водоемах системы р. Кенти

3.3. Структура модели переноса загрязняющих веществ в 7 озерах системы р. Кенти

3.4. Результаты расчетов на основе имитационной модели переноса калия

3.5. Изменение химического состава воды озер системы р. Кенти в 19922001 гг.

Глава 4. Реакция сообщества зоопланктона водоемов системы р. Кенти на ® минеральное загрязнение в 1981-2001 гг.

5.1. Характеристика состояния фитопланктона в водоемах системы р. Кенти в 1981-2001 гг.

5.2. Динамика численности, биомассы и структуры зоопланктонных сообществ водоемов системы р. Кенти в 1981-2001 гг.

5.3. Динамика численности основных видов зоопланктона в озерах системы р. Кенти в 1981-2001 гг.

5.4. Факторы воздействия и причины изменения численности различных видов зоопланктона в водоемах системы р. Кенти.

5.5. Сравнительный анализ толерантности различных видов зоопланктона к нарушению ионного состава воды.

5 6 Асимметрия границ толерантности

Глава 5. Факторы токсичности отходов горнорудного производства для планктонных ракообразных

5.1. Токсичность воды хвостохранилища для планктонных ракообразных

5.2. Токсичность основных компонентов воды хвостохранилища (калий, ф натрий, кальций, магний, литий) для планктонных ракообразных

5.3. Комбинированное токсическое действие калия, натрия, магния и кальция на планктонных ракообразных

5.4. Особая роль кальция в формировании токсичности воды хвостохранилища

5.5. Причины токсичности воды хвостохранилища для планктонных ракообразных

Глава 6. Исторические и экологические факторы формирования толерантности планктонных ракообразных к минеральному загрязнению

6.1. Толерантность видов планктонных ракообразных к минеральному загрязнению и история формирования их адаптаций к условиям пресных водоемов

6.2. Эколого-географическая обусловленность резистентности видов к загрязнению.

6.3. Причины различной толерантности разных видов зоопланктона к минеральному загрязнению

Глава 7. Толерантность природных популяций к минеральному загрязнению.

7.1. Границы толерантности природной популяции к калийному ф загрязнению.,.

7.2. Оценка суточной смертности в популяции под действием калия.

7.3. Акклимация планктонных рачков Simocephalus serrulatus к калию.г.

7.4. Увеличение резистентности к калию планктонных ракообразных Sida crystallina из водоемов системы р. Кенти

7.5. Комбинированное действие ионов калия и кальция в хроническом эксперименте на Simocephalus serrulatus.

7.6. Механизм формирования толерантности природной популяции к антропогенному загрязнению

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экологические факторы формирования толерантности планктонных ракообразных к минеральному загрязнению: На примере водоемов северной Карелии»

Бесконечное разнообразие способов существования пресноводных планктонных организмов, этот многоцветный калейдоскоп жизненных стратегий, казалось бы, не предполагает общности реакций разных видов на действие какого бы то ни было фактора среды. И лишь человек, сбрасывая тысячи тонн загрязнителей в водные экосистемы, ставит всех обитателей в одинаково невыносимые условия. Минеральные загрязнения, на наш взгляд, служат весьма "удобным приемом" сравнительного изучения толерантных стратегий разных видов водных животных. Основной темой такого исследования становится выяснение причин вымирания или сохранения видовых популяций при высоких уровнях загрязнения среды (толерантность к вредному фактору).

В токсикологии под толерантностью к загрязнителю обычно понимается способность организма поддерживать нормальный уровень жизненных процессов в условиях химического загрязнения среды обитания (синонимы - резистентность, устойчивость) (Строганов, 1982). По мнению экологов, толерантность популяций определяется диапазоном значений фактора, в котором выделяются оптимальные условия, при которых численность популяции максимальна, и экстремальные условия, при которых наступает депрессия численности популяций (Одум, 1975; Пианка, 1981). В этой связи, мы различаем устойчивость особей (резистентность) и устойчивость популяций (толерантность) к различным уровням загрязнителей в окружающей среде.

Ответ популяции на загрязнение обеспечивается разными факторами (причинами), относящимися к нескольким уровням организации. Это - и собственно популяционные реакции (территориальное перераспределение, миграции, перестройка половозрастной структуры, рост плодовитости, отбор на повышение резистентности), и реакции организма в целом (резистентность особей, т.е. устойчивость к повреждающим факторам; акклимация, т.е. привыкание к повышенным дозам), и физиолого-биохимические ответы организменных подсистем (адаптивное изменение липидного состава мембран, изменение ионного состава внутренних сред и мембранных потенциалов, гормональные перестройки). В этом смысле под факторами, формирующими толерантность, мы понимаем свойства разных уровней организации экосистемы противостоять загрязнителю. Экологический смысл этим факторам придает выбор в качестве объекта исследования центрального компонента экосистемы -видовой популяции; в нашем случае, - популяций планктонных ракообразных, обитающих в загрязняемых водоемах северной Карелии.

Нами рассматривается случай загрязнения водоемов отходами горнорудного производства, в которых главенствуют ионы калия (концентрации в сотни раз больше фоновых уровней - 150 мг/л), а также ионы натрия, кальция и магния. Прецедентов таких наблюдений нет, потому что массовые сбросы щелочных и щелочноземельных металлов оказываются необычными только для северных регионов и не обретают роли загрязнителей во внутренних водоемах прочих европейских горнорудных провинций. Тем более нам было интересно исследовать реакцию на минеральное загрязнение горнорудного производства со стороны типичных обитателей ультрапресных водоемов Фенноскандии.

Для полноценного отображения картины антропогенной трансформации экосистем необходимо понять причины различной резистентности видов к загрязнителю как отражение специфических адаптаций, сложившихся за историю развития вида. В связи с большой сложностью проблемы реконструкции экологических свойств организмов подобные эволюционные силы, ответственные за специфичную судьбу видов, как правило, не рассматриваются (Мейен, 1984). В то же время предполагается, что современные границы толерантности имеют отчетливую историческую обусловленность условиями жизни в прошлом (Пианка, 1981): приобретенные в ходе исторического развития адаптации обусловили современную картину распространения видов. В этом ключе предпринятый нами зоогеографический анализ выступает необходимым этапом для выяснения текущих преферентных условий и связанным с ними толерантным диапазоном, ограничивающим спектр потенциально переносимых сред. Реконструкция процессов происхождения и распространения пресноводных гидробионтов должна стать ключом к объяснению их современных реакций на минеральное загрязнение (избыточное количество "природных" веществ).

Поставив в центр внимания популяцию, исследование ответа вида на интоксикацию должно проводиться на нескольких уровнях организации: на уровне экосистемы (перенос и трансформация токсиканта), сообщества (видовой состав и структура трофических связей), популяции (динамика половозрастной структуры, репродуктивный потенциал, отбор на увеличение резистентности внутрипопуляционных групп) и организма (резистентность и акклимация на разных стадиях жизненного цикла) (Безель и др., 1994; Моисеенко, 1999; Коросов, 2000). Предпринимая такого рода исследования мы отдавали себе отчет в том, что прецеденты подобных полномасштабных эколого-токси-кологических исследований крайне редки, что потребует разработки ряда новых теоретических подходов и методических алгоритмов наблюдений, экспериментов и анализа данных.

Исходя из вышеизложенного, цель нашего исследования состояла в том, чтобы объяснить различную реакцию популяций гидробионтов на минеральное антропогенное загрязнение с позиций экологической теории.

Для достижения цели решали следующие основные задачи:

- изучить геохимические факторы формирования качественного и количественного состава техногенных вод хвостохранилища Костомукшского горнообогатительного комбината;

- изучить уровни загрязнения, вызывавшие исчезновение видов зоопланктона из водоемов системы р. Кенти (север Карелии);

- изучить резистентность пресноводных ракообразных к разным факторам минерального загрязнения и их комбинациям в эксперименте;

- провести эволюционно-экологическое исследование механизмов устойчивости природных популяций пресноводных ракообразных к антропогенным нарушениям.

Благодарности

Выражаю глубокую благодарность за разностороннюю помощь в работе моему мужу и научному консультанту А.В. Коросову. а за всемерную поддержку при выполнении работы - Э. В. Ивантеру. Т.П. Куликовой и Л. И. Власовой я выражаю огромную благодарность за любезно предоставленные данные, интересное сотрудничество на протяжении многих лет, ценные советы и рекомендации при описании проб зоопланктона. Я благодарна А.К. Морозову за ценные советы при анализе гидрохимических данных и любезно предоставленные данные, М.Т. Сярки за предоставленную программу, З.С. Кауфману за советы при теоретическом осмыслении материалов, И.В. Пименовой за плодотворный, интересный совместный труд в лаборатории и экспедиции; А.А. Коросову за помощь при математической обработке и работе с компьютером. Благодарю организаторов и участников экспедиций на водоемы системы р. Кенти, без которых не были бы собраны эти уникальные данные: В.И. Кухарева, А.Р. Хазова, А.В. Рябинкина, М.В. Калмыкова, а также всех моих коллег, у которых я находила добрый совет, помощь и поддержку, без которых трудно бы было выполнить эту работу.

Заключение диссертации по теме «Экология», Калинкина, Наталия Михайловна

Выводы

1. Устойчивость организмов к неорганическим соединениям пропорциональна среднему фоновому содержанию этих веществ в природной среде (т. е. потокам минеральных веществ через организм в биологически доступной ионной форме). Ионы калия, натрия, кальция и магния характеризуются наибольшим средним содержанием среди других минеральных компонентов пресных вод и, соответственно, наименьшей токсичностью для наземных и водных животных.

2. Среди четырех основных катионов (калий, натрий, кальций, магний) наибольшую токсичность для разнообразных солоноватоводных и пресноводных организмов проявляют ионы калия, который в высоких концентрациях нарушает целостность клеточной мембраны и усиливает ее проницаемость для различных веществ.

3. Основные факторы токсичности дренажных вод горнорудного производства разных стран - это высокая кислотность и тяжелые металлы. Изучаемый нами случай загрязнения водоемов отходами Костомукшского ГОК уникален, т.к. техногенные воды, поступающие в водоемы системы р. Кенти, имеют не характерный для горнорудных производств состав (щелочные условия, низкие концентрации тяжелых металлов, высокий уровень щелочных элементов).

4. Изучение истории развития планктонных ракообразных позволят разделить их по степени давности вселения в пресные воды на разные группы: нео-, мезо- и палеолимнические, различающиеся разной степенью приспособления к широкому спектру неблагоприятных факторов пресных вод.

Глава 2. Материалы и методы

2.1. Место и сроки исследования

Исследования проводили на озерно-речной экосистеме р. Кенти, расположенной на северо-западе Карелии. Бассейн р. Кенти относится к частному водосбору р. Кеми, впадающей в Белое море. Площадь бассейна р. Кенти составляет 949 км". Коэффициент озерности системы 11.9%. Протяженность реки составляет 75 км. Разность высотных отметок ее истока и устья 103.7 м. Река протекает через 10 озер с разными гидрологическими показателями (рис. 2.1.1). Средний расход воды при впадении в оз. Среднее Куйто составляет 8.21 м3/с. Площади озер изменяются от 0.3 км" (оз. Окуневое) до 30.84 км" (оз. Кенто), средние глубины составляют от 2.6-2.8 м (оз. Окуневое, оз. Куроярви) до 4.7 м (Ломозеро) (табл. 2.1.1). Оз. Костомукшское до превращения в хвостохранилище было неглубоким водоемом с объемом воды около 5 млн. м3 (Харкевич и др., 1980, Кухарев и др., 1995).

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук Калинкина, Наталия Михайловна, 2003 год

1. Кенти в 1983-2001 гг.

2. Динамика распространения ионов калия изучалась на основе методологии имитационного камерного моделирования (Безель, 1987; Литвинова, Коросов, 1998), реализованного в среде MS Excel (Коросов, 2002).

3. Изучение состояния сообществ зоопланктона

4. Пробы зоопланктона отбирались в летний период (июль-август) в 1981, 1984, 1987, в 1992-2001 гг. (за исключением 1998 г.) (табл. 2.4.1). Пробы отбирали на пелагических станциях, глубина которых варьировала в пределах 4-11 м.

5. Для определения видовой принадлежности коловраток пользовались определителями (Куликова, 1970; Voigt, 1956, 1957). Все определения видов за период 1981-2001 гг. были сделаны старшим гидробиологом Института водных проблем Севера КНЦ РАН Л.И. Власовой.

6. Количественную оценку разнообразия сообществ зоопланктона оценивали с использованием показателя Шеннона, оценку сходства зооценозов с помощью показателя Съеренсона (Одум, 1975).