Геохимическая экология наземных и почвенных животных(биоиндикационные и радиоэкологические аспекты) Покаржевский, Андрей Дмитриевич

Введение к работе

Актуальность. Сложная экологическая ситуация в ряде районов России и государств СНГ, аварии на химкомбинате "Маяк" и Чернобыльской АЭС, загрязнение и разрушение наземных экосистем в результате деятельности промышленных предприятий, сельскохозяйственного производства определяет актуальность разработки теоретических проблем биоиндикации и экотоксикопогии, особенно проблем экологического мониторинга и экологического нормирования загрязнений.

Тяжелые металлы и радионуклиды относятся к приоритетным загрязнителям окружающей среды, причем радионуклиды относятся к I кпассу приоритетности, а тяжелые металлы (Cd, Hg, Pb) ко II-IV классам (Израэпь, 1984) . Но кроме них к приоритетным загрязнителям из неорганических вешеств относятся также SOj, 0_J( нитраты и нитриты, NO_x, СО,, и СО, фпуориды и Аз. При поступлении в больших количествах в окружающую среду становятся токсичными Zn, Си, Сг, Со и другие жизненно необходимые для живых организмов элементы. В определенных условиях становится токсичным лі. Ряд элементов может быть носителями или антагонистами эпементов-токсикан-тов или радиоактивных изотопов (К, Са, Se) и влиять на их миграцию. После аварии на Чернобыльской АЭС стала очевидной необходимость изучения аккумуляции йода для прогнозирования эффектов радиойола, трансурановых элементов и лантаноидол как аналогов последних. Поэтому для понимания процессов аккумупяциии миграции токсикантов по трофическим цепям, определяющих влияние этих токсикантов на Ьиоту при загрязнении окружающей среды, необходимо рассмотреть практически все элементы, вовлекаемые живым веществом в биологический круговорот.

Как объект биоиндикации и экотоксикопогии животные уже давно используются в гидробиологии. В наземных экосистемах их интенсивное изучение и использование связано с развитием радиоэкологии (Передепьский, 1Э57), но первыми исследованиями геохимического состояния наземной среды с использованием животных как объекта индикации стали исследования биогеохимических эндемий, в частности "уровской болезни" (Виноградов, 1949 а). Животные, и впервуя очередь почвенныз, благодаря высокой биомассе и численности, видовому разнообразию были предложены для биодиагностики почв {Гипяров, 1965), биоиндикации нарушений, связанных с хозяйственной деятельностью человека (Кривопуцкий,1975) . К настоящему

- A -

времени в биоиндикации сформировалось новое направление - индикационная зоология (Кривопуцкий, 1985), и данные по изменениям D популяциях животных, комплексах их видов широко применяются для оценки влияния промышленных и радиоактивных загрязнений (Кривопуцкий И Др., 1983, 1986, 1990; Безепь, 1987).

Для прогнозирования действия элементов-токсикантов на популяции животных в природной среде необходимо понять закономерности концентрирования элементов в животных, роль животных в биологическом круговороте элементов в природных экосистемах, так как конкретный эффект от действия того ипи иного токсиканта связан с его концентрацией в теле животного, а не в окружающей среде (исключение представляют контактные яды и гамма-излучатели). Другая сторона этой проблемы - миграция элементов по пишевой цепи и поступление их в организм человека. Не случайно этой проблеме посвя-шена обширная литература.

Однако экспериментальные исследования, проведенные на ограниченном числе объектов (лабораторные и сельскохозяйственные животные), недостаточны для решения задач экологического нормирования ипи прогнозирования действия токсиканта в природной среде. В природных условиях действие токсиканта на данную популяцию животных будет также определяться действием токсиканта на популяции организмов, находящихся на предыдущем и последующем трофическом уровне по отношению к данной популяции животных. К тому же токсикант, прежде чем попасть в данную популяцию животных, проходит через пишевую цепь и его концентрация в особях данной популяции, также как и токсический эффект, во многом зависит от положения популяции в пишеоой цепи.

Цель и задачи работы. Главной целью работы является анализ миграции химических элементов в сообществах наземных и почвенных животных как биоиндикаторов загрязненя, выделении факторов, определявших миграцию элементов по пишевым цепям, аккумуляцию элементов в отдельных звеньях пишевой цепи для прогнозирования возможных эффектов токсикантов в сообществах наземных и почвенных животных.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Обобщение литературных данных и получение оригинальных материалои по химическому составу наземных и почвенных животных.

2. Выделение обших закономерностей концентрирования отдепь-

ных элементов (в том числе и ранее не исследованных, таких как галогены, лантаноиды, тяжелые радиоактивные элементы) в тепах животных.

3. Количественная оценка роли животных в миграции отдельных элементов в экосистемах; поиск элементов, пимитируюших участие популяций животных в биогенной миграции элементов.

4. Выработка концептуальной модели миграции элементов в сообществах наземных и почвенных животных.

5. Анализ "эффекта трофического уровня" на основе данных миграции радионуклидов в пишеоых цепях в экосистемах Восточно-Уральского радиоактивного следа,- оценка миграции по пишевой цепи элементов-носителей и их радиоактивных аналогов в соответствии с концептуальной моделью.

6. Оценка роли животных в биологическом круговороте элементов.

7. Анализ вида животных с точки зрения геохимической экологии; анализ его специфики в биологическом круговороте вешества как основы для использования отдельных видов животных в экологическом нормировании.

Э. Разработка экопого-геохимической классификации элементов в соответствии с их миграцией в экосистемах.

Научная новизна работы. Диссертационная работа представляет собой первое исследование аккумупгции практически всех химических элементов, обнаруженных в тепах наземных и почвенных животных (рассмотрено концентрирование 50 химических элементов в тепах почти 600 видов животных, из них по 100 видам и 39 элементам имеются собственные данные), миграции химических элементов в сообществах наземных и почвенных животных, факторов, впипюших на этот процесс. Получен фактический материал по аккумуляции в тепах животных ранее не исследованных элементов (галогены, лантаноиды, тяжелые радионуклиды). Обосновано значение животных в круговороте химических элементов в наземных экосистемах. Основные положения, отражающие нооизну работы, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выделены обшие закономерности концентрирования отдельных химических элементов в тепах наземных и почвенных животных.

2. Показано значение взаимоотношений микроорганизмов и животных в миграции химических элементов по пишевым цепям.

- б -

3. Предложена новая концептуальная модель миграции элементов в сообществах животных.

4. Показано, что роль животных в биологическом круговороте азота и фосфора о наземных экосистемах соизмерима с ролью растений о этом процессе.

5. Введено новое понятие о типе круговорота с экосистемах для соединений азота и фосфора - экосистемный круговорот.

6. Разработана эколого-геохимическая классификация элементов в зависимости от их биологического круговорота внутри наземных экосистем.

7. Дана оценка вида животных с точки зрения геохимической экологии и его специфики в биогенном круговороте вешеств.

Практическая ценность. Материалы диссертации являются основой для оценки эффектов загрязнения тяжелыми металлами, радионуклидами, элементами-токсикантами а популяциях диких животных, расчета миграции токсикантов о пишевых цепях в наземных экосистемах, оценки питательной ценности продуктов, получаемых из диких животных. Предложена методология расчета миграции элементов-загрязнителей по пишевым цепям, разработаны новые подходы к экоток-сикологической оценке токсикантов, к мониторингу загрязнения наземных экосистем.

Часть материалов диссертации вошла в опубликованные учебные пособия "Почвенная фауна в кадастре животного мира" (совместно с Д.А.Криволуцким и М.Г.Сизовой) для студентов-биологов (Изд. Ростовского университета, Ростов-на-Дону, 1985) и "Введение о био-геоценологию" (совместно сД.А.Криволуцким) для студентов-географов (Изд. МГУ, 1990) . Материалы диссертации используются при чтении курсов "Биогеография с основами экологии" и "Основы биогеоце-нологии" для студентов географического факультета Московского государственного университета, "Химическая экология" для студентов Ростовского государственного университета, "Экология хивотных" для студентов Днепропетровского государственного университета.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Всесоюзных совещаниях по почвенной зоологии (Вильнюс, 1975; Минск, 197Є; Киев, 1901; Ашхабад, 19G4; Тбилиси, 1908; Новосибирск, 199.3), Международных коллоквиумах по почвенной зоологии (Прага, 1973; Уппсала, 1976; Москва, 1985; Ювяскюля, 1992), Международных совещаниях "Биоиндикация нарушенных территорий"

(Пиблице, 1982; Ческе Будейовице, 1987, 1991), "Радионуклиды в пищевой цепи" (Лаксенбург, 1987), Международном совещании по биогеохимии окружающей среды (Москва, 1989), "Гумус ет Ппанта" (Прага, 1983, 1980) и "Биогеомон" (Прага, 1987, 1993), Международном совещании общества по изучению корней (Вена, 1991), "Евро-соп" (Маастрихт, 1992), советско-финляндских симпозиумах по экологии травоядных животных (Турку, 1984; Новосибирск, 1985; Кево, 1989) , симпозиуме почвенных зоологов северных стран (Экенес, 1990), а также на ряде других международных, всесоюзных и республиканских совещаниях с 1973 по 1993 годы. Диссертация доложена на объединенном коппоквиуме лабораторий биоиндикации, структуры и динамики сообществ, микроэвопюции и доместикации млекопитающих, группы попупяционной экологии ИЭМЭЖ имени А.Н.Северцова РАН, лаборатории радиационной генетики ИОГЕН РАН, кафедры биологии Абхазского государственного университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 170 работ, из них 5 монограйий.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 375 страницах машинописного текста, содержит 37 таблиц, 41 рисунок. Она состоит из введения, 8 глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 790 источников, из них 425 работы на иностранных языках.