Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздействие продуктов топливно-энергетического комплекса на окружающую среду и некоторые методы его оценки (обзор литературы) 9
1.1. Современное состояние и перспективы развития энергетики на Дальнем Востоке 9
1.2. Воздействие топливно-энергетических комплексов на окружающую среду 18
1.3. Загрязнение прибрежно-морских вод нефтепродуктами и угольной пылью. Экологические последствия 23
1.4. Химико-экологический подход к оценке качества прибрежных морских вод .32
1.5. Микроорганизмы как индикаторы загрязнения морской среды нефтяными углеводородами 40
1.6. Мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами 43
1.6.1. Источники поступления тяжелых металлов в морскую среду 43
1.6.2. Биоиндикаторы загрязнения прибрежных морских вод тяжелыми металлами 49
Глава 2. Район работ. Материалы и методы 52
2.1. Характеристика изучаемых акваторий 52
2.1.1. Бухта Козьмина 52
2.1.2. Бухта Врангеля 59
2.2. Определение химико-экологических показателей 63
Глава 3. Оценка качества прибрежных вод бухт Козьмина и Врангеля по гидрохимическим показателям 68
3.1. Пространственное распределение гидрохимических показателей (2013 г.) 68
3.2. Сезонное распределение величин гидрохимических показателей (2013 г.) 71
3.3. Многолетние изменения кислородных показателей в водах исследованных бухт 76
Глава 4. Микробная индикация загрязнения акваторий бухт Козьмина и Врангеля нефтяными углеводородами 85
4.1. Пространственное распределение эколого-трофических групп микроорганизмов (2013 г.) 85
4.2. Сезонное распределение групп микроорганизмов (2013 г.) 87
4.3. Многолетние изменения микробиологических показателей 89
Глава 5. Мониторинг загрязнения прибрежных вод бухт Козьмина и Врангеля тяжелыми металлами с использованием аккумулирующих индикаторов – бурых водорослей-макрофитов 94
5.1. Пространственное распределение концентраций тяжелых металлов в S. miyabei и S. japonica в бухтах Козьмина и Врангеля (2012 г.) 94
5.2. Многолетняя динамика концентраций тяжелых металлов в S. miyabei бухт Козьмина и Врангеля 98
5.3. Соотношение между концентрациями Ni в макрофитах и численностью микроорганизмов-индикаторов нефтяного загрязнения 100
Выводы 102
Список литературы 103
Список иллюстративного материала 126
Приложение 129
- Загрязнение прибрежно-морских вод нефтепродуктами и угольной пылью. Экологические последствия
- Сезонное распределение величин гидрохимических показателей (2013 г.)
- Многолетние изменения микробиологических показателей
- Пространственное распределение концентраций тяжелых металлов в S. miyabei и S. japonica в бухтах Козьмина и Врангеля (2012 г.)
Введение к работе
Актуальность темы. В связи с растущим спросом на энергоносители нефть, газ и уголь Россия через порты Дальнего Востока поставляет эти ресурсы в страны АТР. В Приморье ключевым звеном в экспорте сибирской нефти является порт Козьмино (ООО «Транснефть – Порт Козьмино), расположенный в самой восточной части зал. Находка в б. Козьмина – конечном пункте нефтепровода Восточная Сибирь – Тихий океан (ВСТО). АО «Восточный Порт» в б. Врангеля – крупнейшая стивидорная компания России, специализирующаяся на перевалке угольной продукции, осуществляет экспорт угля в страны-импортеры. Нефтепорт и угольный терминал, как составляющие топливно-энергетического комплекса, относятся к экологически опасным объектам, так как являются потенциальными источниками загрязнения не только прибрежных вод, но и открытой части акватории залива Петра Великого. Эксплуатационная и аварийная опасность может возникать и на морском транспорте, навигация для которого в этих бухтах открыта круглогодично. При производственных процессах (накопление, хранение, транспортировка грузов, их принятие и отправление, бункеровка судов, обеспечение условий движения судов, их отстоя) образуется пыль, испаряются токсичные вещества, сбрасываются льяльные и сточные воды с судов, в результате чего в морской среде и гидробионтах накапливаются углеводороды, тяжелые металлы и ряд других загрязняющих веществ. Поэтому важно проводить мониторинг состояния как открытой части моря, так и прибрежных вод, качество которых влияет на обитателей водной среды, на продуктивность вод, а также может отразиться на здоровье жителей береговых поселений1-3.
Экологическая ситуация в морских прибрежных акваториях оценивается различными методами – физическими, химическими, биологическими. В полевой исследовательской практике широко используются гидрохимические и биоиндикационные методы4-8.
Для оценки уровня нефтяного загрязнения морских вод Центр мониторинга окружающей среды Приморского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды определяет общее содержание углеводородов и тяжелых металлов в воде и донных осадках, при этом в небольших бухтах (какими являются исследуемые нами акватории) наблюдение ведется на единичных станциях или вообще не проводится.
Цель исследования: провести химико-экологический мониторинг бухт Козьмина и Врангеля (залив Петра Великого, Японское море), используя комплексный подход к оценке качества воды, включающий гидрохимические и биоиндикационные методы.
Задачи исследования:
1. Оценить химико-экологическое состояние водной среды бухт Козьмина и Врангеля
по гидрохимическим показателям в разные сезоны и годы.
2. Определить наличие нефтяного загрязнения в бухтах по микроорганизмам –
индикаторам присутствия в среде сырой нефти и дизельного топлива.
3. Провести мониторинг загрязнения бухт тяжелыми металлами, используя в качестве
аккумулирующих индикаторов бурые водоросли-макрофиты.
1 Огородникова, А.А. Эколого-экономическая оценка воздействия береговых источников загрязнения на природную среду и
биоресурсы залива Петра Великого. Владивосток: ТИНРО-центр, 2001. – 193 с.
2 Воробьев, С.А. Влияние выхлопов автомобильного транспорта на содержание тяжелых металлов в городских экосистемах / С.А.
Воробьев // Безопасность жизнедеятельности. – 2003. – № 10. – С. 36–38.
3 Патин, С.А. Нефтяные разливы и их воздействие на морскую среду и биоресурсы / С.А. Патин. – М.: Изд-во ВНИРО, 2008. – 508 с.
4 Цыбань, А.В. Индикаторная микрофлора в Балтийском море / А.В. Цыбань, Т.В. Панов, С.П. Баринова // Исследование экосистемы
Балтийского моря. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1990. – Вып. 3. – С. 69–83.;
5 Кондратьева, Л.М. Экологический риск загрязнения водных экосистем / Л.М. Кондратьева. – Владивосток: Дальнаука, 2005. – 299 с.;
6 Бузолева, Л.С. Биологические свойства морских нефтеуглеводородокисляющих бактерий из прибрежных акваторий дальневосточных
морей с разным характером загрязнения / Л.С. Бузолева, М.А. Смирнова, И.П. Безвербная // Известия ТИНРО. – 2008. – Т. 155. – С. 210–
2018;
7 Христофорова, Н.К. Сравнение содержания тяжелых металлов в бурых водорослях и морских травах / Н.К. Христофорова, Е.Н.
Чернова // Доклад РАН. – 2005. – Т. 400, №4. – С. 571–573;
8 Христофорова, Н.К. Экологическая характеристика вод пролива Босфор Восточный по кислородным показателям / Н.К.
Христофорова, А.А. Емельянов, К.С. Бердасова, Ю.Е. Дегтева // Изв. ТИНРО. – 2015. – Т.181. №15. – С. 161–168.
Научная новизна. Впервые для экономически важных портовых акваторий Дальнего Востока, через которые транспортируются нефть и уголь, проведен комплексный анализ состояния среды с использованием химико-экологического и биоиндикационных методов, благодаря которому выявлен уровень техногенной нагрузки на бухты Козьмина и Врангеля по содержанию в воде органических веществ, тяжелых металлов, численности микроорганизмов – индикаторов загрязнения нефтяными углеводородами. Определено, что количество микроорганизмов-индикаторов в летний период достигало 105 КОЕ/мл, в осенний – 104 КОЕ/мл. Установлено, что в 2014 г. концентрации таких элементов, как никель (Ni), кадмий (Cd), медь (Cu) в водорослях-макрофитах б. Козьмина возросли по сравнению с 2008 г. (в 1,5, 2 и 2,4 раза соответственно). Уровни содержания техногенных элементов Ni и Cd не достигли величин, регистрировавшихся в 90-е гг.; рост содержания Fe и Mn, а также Cu и Zn по сравнению с 90-ми гг. связан со строительством пирсов, прокладкой дорог вдоль берега б. Врангеля, дноуглубительными работами в обеих бухтах.
Практическое значение работы. Результаты исследования являются начальным этапом для дальнейшего химико-экологического мониторинга бухт Козьмина и Врангеля. Использованный в работе комплексный подход, основанный на одновременном применении гидрохимических и биоиндикационных методов, позволил получить данные о степени и характере загрязнения акваторий бухт. Материалы диссертации используются в различных экологических курсах в вузах г. Владивостока и могут быть представлены в виде докладной записки в АО «Восточный Порт».
Защищаемые положения
-
В бухтах Козьмина и Врангеля, на берегах которых расположены крупные порты, происходит постепенное нарастание загрязнения легко- и трудно окисляемыми органическими веществами, нефтяными углеводородами и тяжелыми металлами. Численность бактерий – индикаторов нефтяных углеводородов, составляющая в летнее время 105 КОЕ/мл, в осенний период, несмотря на понижение температуры воды, уменьшалась всего на один порядок величин, что обусловлено интенсивностью судоходства в развивающихся портах. Современный уровень загрязнения портовых акваторий Ni и Cd ниже того, что наблюдался в 90-е гг., но выше такового в 2008 г., когда началось строительство нефтяного терминала. Возросшие концентрации Fe и Mn в макрофитах являются следствием строительства дорог и расширения порта. Наблюдающееся с 2008 г. увеличение содержания Zn и Cu в водорослях вызвано поступлением в акватории портов хозяйственно-бытовых стоков.
-
В исследуемых бухтах показано более высокое содержание техногенных элементов никеля и свинца (Pb) (в б. Козьмина: в 1,4 и 1,2 раза соответственно; в б. Врангеля: в 1,2 и 1,2 раза) по сравнению с фоновыми концентрациями тяжелых металлов в S. miyabei зал. Петра Великого. Соотношение между концентрациями Ni в макрофитах и численностью микроорганизмов-индикаторов нефтяного загрязнения в воде выявило взаимную изменчивость двух этих показателей: в S. miyabei при rs=0,77 (p0,05), в S. japonica при rs=0,37 (p0,05).
Апробация диссертационной работы. Результаты исследования были представлены и обсуждены на следующих научных форумах: международной научно-технической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Владивосток, 2012-2014); международной конференции «Устойчивое природопользование в прибрежно-морских зонах» (Владивосток, 2013); международной конференции «Ecology of the marginal seas and their basins» (Владивосток, 2013); VIII международном экологическом форуме «Природа без границ» (Владивосток, 2014); международном российско-китайском симпозиуме «Наука об окружающей среде и защите экологической обстановки» (Шанхай, 2015); международной конференции «Resources, environment and regional sustainable development in northeast Asia» (Хабаровск, 2015); всероссийской научно-практической школе-конференции «Лучшие практики рыбохозяйственного образования» (Южно-Сахалинск, 2016); международной
научной конференции «Современные технологии и развитие политехнического образования» (Владивосток, 2016).
Личный вклад. Все этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии: отбор и анализ проб воды, пробоподготовка макрофитов к анализу, обработка полученных данных, обсуждение результатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы (229 источников, в том числе 37 на английском языке) и Приложения. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста и иллюстрирована 36 рисунками и 9 таблицами.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук, профессору Н.К. Христофоровой за всемерную поддержку и постоянную помощь в организации, планировании и обсуждении результатов работы; доктору биологических наук Л.С. Бузолевой за советы и практические рекомендации; а также коллегам, помогавшим на разных этапах выполнения работы: сотрудникам ДВФУ – канд. биол. наук О.А. Дроздовской, канд. биол. наук Е.В. Журавель, канд. биол. наук. В.Ю. Цыганкову, вед. инж. А.М. Плотниковой и канд. техн. наук А.П. Афанасьеву (филиал ДВФУ в г. Находка); сотрудникам ТИГ ДВО РАН – д-ру биол. наук А.М. Паничеву, канд. биол. наук Е.Н. Черновой, инженеру высш. категории лаборатории геохимии Г.А. Власовой.
Загрязнение прибрежно-морских вод нефтепродуктами и угольной пылью. Экологические последствия
Под загрязнением водной среды понимается поступление в водную среду опасных веществ, наносящих ущерб биологических ресурсам, здоровью человека и его деятельности на акватории [28]. Загрязняющие вещества поступают в водные объекты [40]:
- со сточными водами промышленных предприятий и флота (военного, рыболовного и торгового);
- с бытовыми сточными водами городов и поселков;
- с водами рек;
- с поверхностным смывом от прилегающей загрязненной территории.
Основными группами загрязняющих веществ являются биогенные вещества, металлы и органические загрязняющие вещества:
- нитраты, нитриты, аммонийный азот;
- нефть и нефтепродукты;
- пестициды;
- синтетические поверхностно-активные вещества;
- соединения с канцерогенными свойствами;
- тяжелые металлы.
К загрязнению водной среды относятся сброс отходов с целью захоронения (дампинг), а также тепловое загрязнение [131, 132].
Так как в исследуемых нами бухтах располагаются нефтеналивной и угольный терминалы, целесообразно выяснить, какие загрязняющие вещества могут поступать от этих комплексов в прибрежные воды, рассмотреть поведение этих веществ и их действие на экосистемы.
Загрязнение нефтепродуктами. Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными веществами, загрязняющими океан [107, 119]. Объекты нефтегазового комплекса, в нашем случае – это нефтепорт, являются потенциальным источником поступления углеводородов в морские воды. Общее количество нефти и нефтепродуктов, попадающих ежегодно в океан, по оценкам разных исследователей составляет от 6 до 12 млн. т. Поступление нефти в Мировой океан составляет примерно 0,23 % от годовой мировой добычи нефти [163, 43]. Также существуют естественные источники нефтяного загрязнения морской среды – выходы и высачивания нефти на дне моря.
Можно выделить важнейшие антропогенные и техногенные источники нефтяного загрязнения водной среды:
1) морские – прежде всего это морской транспорт, военные корабли, суда различного назначения (маломерные и крупнотоннажные), трубопроводы, а также установки и устройства, необходимые для разработки ресурсов морского дна и его недр;
2) наземные – водные системы, в которые поступают загрязняющие вещества с грунтовыми водами, а также в результате сбросов сточных вод с различных береговых объектов;
3) атмосферные – это промышленные предприятия, различные транспортные средства и другие объекты, из которых происходят выбросы в атмосферу углеводородных соединений.
По процентному соотношению источники нефтяного загрязнения распределены примерно следующим образом: морской транспорт (промывные воды, докование, утечки, погрузочно-разгрузочные и т.д.) – 35%; речной сток – 32%; промышленные стоки – 13%; природные источники поступления нефти – 10%; поступления из атмосферы – 10%; морская добыча нефти – 1,5% [51]. Как видно, количество нефти, поступающей в океан только вследствие ее морской добычи и из природных источников, составляет небольшое количество.
Рост добычи нефти, нефтеперевозок и ввод в эксплуатацию новых месторождений способствует увеличению нефтеразливов. Все это приводит и к огромным финансовым и экологическим потерям, так как любые действия, связанные с добычей и транспортировкой нефти, неизбежно приводят к ее утечкам. Масштабы утечек могут быть как небольшими, к которым экосистема адаптируется, легко аккумулируя и трансформируя загрязнение, так и катастрофическими, уничтожая организмы различных трофических уровней обширных морских районов.
Перевозка нефтепродуктов в танкерах относится к одному из основных источников нефтяного загрязнения морской среды. После того, как нефть и нефтепродукты попадают в воду, они образуют на ее поверхности пленку, за счет испарения наиболее летучих нефтеуглеводородов процесс сопровождается керосиновым запахом. Далее легкие фракции испаряются с поверхности воды, тяжелые нефтепродукты откладываются на дне водоема. Скорость испарения и опускания на дно зависит от температуры воды, в которой нефтяная пленка изменяет физико-химические процессы: повышается температура поверхностного слоя воды, ухудшается газообмен с атмосферой. В нефти содержатся ядовитые растворимые компоненты, которые часто становятся причиной гибели рыбы, морских птиц, фито- и зоопланктона. Нефтяные загрязнения имеют тенденцию к рассеиванию и миграции [119, 42]. В морской среде нефтепродукты претерпевают ряд сложных трансформаций, в ходе которых углеводороды нефти могут преобразовываться в стойкие токсичные соединения, не подвергающиеся разложению микроорганизмами [1].
Этапы деградации и окисления нефти в морской среде. Обычно нефть, попавшая в море, находится в воде примерно 6 месяцев, исключением является разлив зимой или в северных широтах. Зимой, например, нефть может попасть в ледовую ловушку и до наступления весны не подвергаться воздействию абиотических факторов (потоки воздуха, ветер, тепло солнца) и биотических факторов (усиленному воздействию микроорганизмов при повышении температуры воды). Период сохранения нефти в прибрежной окружающей среде варьирует от нескольких дней на скалах до более чем 10 лет в укрытых от приливов-отливов и сырых участках [214].
Присутствующая в отложениях нефть, может являться источником вторичного загрязнения прибрежных вод. Сильная гидродинамика может способствовать подъему значительного количества осевшей нефти и выносить ее в открытые воды. Холодный климат, лед, медленное движение волн, пониженная химическая и биологическая активность (по сравнению с умеренными или тропическими водами), – все это является причиной отложения нефти на берегу на долгое время.
В морской среде нефть встречается в различных формах: в виде пленок толщиной до нескольких сантиметров, нефти в осадках, эмульсий «вода в нефти» или «нефть в воде», нефтяных агрегатов. Когда нефть попадает в воду, как правило, образуется «слик» (поверхностная пленка). Далее скорость всех процессов зависит от температуры окружающей среды. Нефть в воде быстро покрывают большие площади, при этом толщина загрязнения бывает разной. В теплых условиях, нефть, попадая на поверхность воды, растекается, толщина пленки уменьшается до 0,05 мм, цвет ее светлеет. Наоборот, при охлаждении толщина и плотность пленки возрастает, площадь ее уменьшается, она становится черной или коричневой. Известно, что после попадания нефтепродуктов в море примерно 50% их количества испаряется в виде легких фракций, приблизительно 25% образуют нефтяные агрегаты, 1-5% растворяются в воде и только 15-17% остаются в пленочной фазе [108]. Разлитая нефть разносится ветром, волнами и течением на большие расстояния. Под влиянием волн и течений нефть и нефтепродукты эмульгируются и проникают в более глубокие слои водной толщи [54].
Испарение углеводородов с низким молекулярным весом происходит легче, чем с высоким: испарение колеблется от 10 % (тяжелая нефть – мазут) до 75 % (легкая нефть – бензин). Некоторые составляющие с низким молекулярным весом растворяются в воде (менее 5% сырой нефти), поэтому оставшаяся нефть становится еще плотнее и уже не способна плыть по поверхности воды [194].
Окисление нефти происходит под действием солнечных лучей. Тонкая пленка окисляется быстрее, чем толстый слой. Нефть, в состав которой входит большое количество металла (или низкое содержание серы), окисляется быстрее, чем нефть с низким содержанием металла и высоким содержанием серы. Смешивание нефти с водой происходит благодаря гидродинамике, в результате образуется нефте-водяная эмульсия (смесь из нефти и воды), которая со временем растворяется, либо водно-нефтяная эмульсия, которая не будет растворяться. Второй вариант эмульсии содержит от 10% до 80% воды; 50-80-процентные эмульсии еще называют «шоколадным муссом» из-за плотного, вязкого вида и шоколадного цвета. «Мусс» распространяется медленно и может оставаться на воде или берегу без изменения в течение многих месяцев, а в случае северных широт – до 100 лет [125].
Сезонное распределение величин гидрохимических показателей (2013 г.)
Как следует из гидрохимических данных, приведенных на рисунке 10, весной в б. Козьмина содержание растворенного кислорода было высоким и находилось в пределах от 10,6 до 10,9 мг О2/мл, что соответствует пониженной температуре этого сезона (5,8-7,3 С). Летом, с повышением температуры воды (20 С), концентрация О2 снизилась до 8,4-8,8 мгО2/мл; но ни на одной станции она не опускалось ниже норматива, установленного для летнего времени (6 мгО2/л). Осенью максимальное количество растворенного кислорода зафиксировано в вершине б. Козьмина (14 мгО2/л), где и величина БПК5 была наибольшей (4,7 мгО2/л). Очевидно, эти очень высокие показатели обусловлены деструкцией макрофитов, поступлением при их разрушении питательных веществ в воду и развитием фитопланктона, выделяющего кислород и продукты метаболизма. Величина ПО, равная 1,9 мгО/л, указывает на наличие небольшого количества постмортальной органики, по-видимому, как эндогенного, так и экзогенного (поверхностный смыв) происхождения.
Особенно высокой концентрация Рмин была на ст. 3 (212,3 мкг/л), - рифах -излюбленном месте отдыха бакланов. Концентрации Рорг были ниже. Летом картина изменилась - произошло снижение содержания Рмин и повышение количества Рорг, который, очевидно, имеет автохтонное происхождение, являясь продуктом деструкции разлагающихся организмов. Осенью произошло снижение концентрации Рорг, минерализуемого микроорганизмами и возвращаемого экосистеме в виде Рмин.
Таким образом, в мае и октябре содержание растворенного О2 в б. Козьмина было выше, чем в июле. Причина увеличения концентраций кислорода весной -низкая температура воды, рост и фотосинтез морских водорослей. Осенью повышение этого показателя связано с активной гидродинамикой, характерной для данного сезона и понижением температуры. Более низкие концентрации кислорода летом объясняются несколькими причинами: снижением скорости фотосинтеза, увеличением температуры воды, расходом кислорода на окисление органики, поступающей с берега, начавшейся деструкцией макрофитов. Различия концентраций весна-лето и лето-осень достоверны при р 0,05.
Результаты исследования поверхностных вод б. Козьмина показали, что величины БПК5 были максимальными в летний период (Приложение); превышение норматива отмечено на ст. 4, скалах напротив терминала (3 мгО2/л), что обусловлено поступлением метаболитной органики от обильно растущих здесь макрофитов. Весной и осенью значения БПК5 были заметно ниже, кроме ст. 2 (вершина бухты), где осенью оно достигало 4,7 мгО2/л, что, очевидно, связано с высокой фотосинтетической активностью фитопланктона. Таким образом, поверхностные воды исследуемой акватории по величинам БПК5 можно отнести к категории «чистые» (за исключением единственной станции).
Величина окисляемости была максимальной на всех станциях летом (Приложение, табл. 2), свидетельствуя о наличии постмортальной органики. Осенью значение ПО не превышало 2 мгО/л, указывая на спад процессов деструкции и начавшемся процессе минерализации, о чем свидетельствует и увеличение ортофосфатов (Там же) по сравнению с летним периодом.
Максимальное содержание Рмин наблюдалось весной, достигая 212,3 мкг/л. В целом, изменение Рмин и Рорг типично для исследуемых сезонов: весной содержание Рмин максимально (46,3-212,3 мкг/л), Рорг - минимально (16,8-34,8 мкг/л); летом картина меняется: содержание Рмин уменьшается (20,4-90,4 мкг/л), Рорг увеличивается (50,6-120,5 мкг/л). Осенью заканчиваются процессы деструкции, что сразу заметно по росту содержания Рмин (37,5-62,5 мкг/л) и особенно снижению Рорг (12,5-87,5 мкг/л).
Б. Врангеля. Кислородные показатели, найденные в б. Врангеля, в весенний и осенний периоды, имеют сходные значения с таковыми в б. Козьмина. Среднее содержание растворенного кислорода в б. Врангеля летом выше, чем в б. Козьмина и составляет 9,5 мгО2/л. Различия концентраций весна-лето и лето-осень достоверны при р 0,05.
Величины БПК5 здесь также больше в летний и осенний периоды (рис. 12). Если летом это связано с фотосинтетической активностью макрофитов (повышенное содержание О2), то осенью оно, очевидно, обусловлено активной жизнедеятельностью микроорганизмов: у м. Петровского численность бактерий -индикаторов нефтяного загрязнения достигала 105 КОЕ/мл (ст. 7), не смотря на понижение температуры (9,5С). В этот же период отмечается низкое среднее значение ПО (0,78 мгО/л), что, по-видимому, вызвано влиянием автохтонных веществ, поступающих с водой р. Хмыловки, в том числе биогенных веществ, таких как органический фосфор, среднее значение которого в б. Врангеля выше, чем весной, и находится почти на одном уровне с Рмин (54,2 и 47,8 мкг/л соответственно). Максимальное значение теперь уже Рорг осенью обнаружено вновь у м. Петровского. Этот мыс является входным в б. Врангеля, мимо которого круглогодично и круглосуточно курсируют суда различных типов для работы в угольном терминале.
Статистически достоверных различий величин БПК5 и ПО между сезонами нет. Однако имеется тенденция к увеличению значений в летний период, к снижению - в осенний.
Таким образом, особенностью изменения практически всех химико-экологических показателей в обеих бухтах является ухудшение их в летний период и нормализация в весенний и осенний сезоны.
Многолетние изменения микробиологических показателей
Результаты, полученные при изучении межгодового количественного распределения гетеротрофных микроорганизмов, утилизирующих различную легкоокисляемую органику, показали, что б. Козьмина в той или иной степени испытывает влияние хозяйственно-бытовых стоков (рис. 28).
Общая численность КГБ в июле 2013 г. составляла на разных станциях 104 – 107 КОЕ/мл, что соответствовало мезосапробно – полисапробному типу вод.
Наиболее высокие количественные показатели регистрировались на станциях 1, 3, 4, что в первом случае связано, по-видимому, с поступлением органики в б. Козьмина из Озера Второго, во втором – скоплением морских птиц, в третьем – большим количеством водорослей. Показатели общей численности гетеротрофов в июле 2014 г. были значительно ниже и на большинстве станций составили 103 – 104 КОЕ/мл, за исключением ст. 2, где они достигали своих максимальных значений 105 КОЕ/мл (Приложение, табл. 7). Микроорганизмы довольно чувствительны к таким факторам, как температура, метеоусловия, гидрологический режим водоема и др. Изменение какого-либо из этих параметров, по всей видимости температуры (температура воды в июле 2014 г. на разных станциях была на 3-5С ниже, чем в 2013 и 2015 гг.), и вызвало снижение функциональной активности бактерий. Анализ вод, исследованных весной и осенью 2015 г. на количество гетеротрофных микроорганизмов, выявил на большинстве станциях 103–104 КОЕ/мл, что по принятым микробиологическим критериям соответствует мезосапробному типу вод. Летом наблюдается повышение численности данной группы на большинстве станций в среднем на 1-2 порядка. Наибольше количество КГБ 105–106 КОЕ/мл регистрировалась на станциях 1 (канал), 2 (вершина б. Козьмина), 6 (навигационный знак), 9 (строящийся пирс в б. Врангеля), что является следствием поступления органических веществ в б. Козьмина из бухты Озеро Второе и началом функционирования нового терминала АО «Восточный Порт» в б. Врангеля. Высокие значения КГБ у cтроящегося пирса также вызваны обогащением вод органическими веществами в основном автохтонного происхождения – метаболитами и постмортальной органикой, поступающими от макрофитов (S. japonica).
К осени с понижением температурного фона микробные индексы снизились до 102–103 КОЕ/мл, и воды на ряде станций перешли в категорию олигосапробных. Однако на ст. 6 зарегистрировано повышенное для данного времени года количество бактерий-индикаторов нефтяного загрязнения (105 КОЕ/мл). У строящегося пирса в б. Врангеля к осени также не произошло снижения численности КГБ, составлявшей 105 КОЕ/мл.
Данные, полученные в 2013 г. в б. Козьмина, показали, что численные показатели микроорганизмов, растущих на средах с нефтью, на большинстве станций были выше 104 КОЕ/мл, свидетельствуя о загрязнении вод бухт нефтепродуктами (рис. 29).
Однако в 2014 г. было отмечено снижение численности бактерий данной группы до 103, а в ряде случаев до 102 КОЕ/мл, что, как и в случае с общей численностью КГБ, связано с понижением температуры воды. Количество НБ в 2015 г. на разных станциях находилось в пределах 103–105 КОЕ/мл, при этом сезонных изменений численности практически не наблюдалось. Средние показатели, как для индикаторов нефти, так и для индикаторов дизельного топлива составляли 103–104 КОЕ/ мл. Максимальные показатели 105 КОЕ/ мл НБ регистрировались на ст. 2 в весенне-летний период и на ст. 5 в октябре, ДБ – на ст. 5 в июле и октябре.
Б. Врангеля, как и б. Козьмина, испытывает на себе техногенный пресс, являясь активной судоходной зоной, поэтому микробная индикация на большинстве станций показывает высокую численность микроорганизмов – индикаторов дизельного топлива (рис. 30).
Так, в весенние периоды количество ДБ составило 102-104 КОЕ/мл. Максимальное количество зарегистрировано летом 2015 г. у м. Петровского (105 КОЕ/мл), являющегося входным мысом в б. Врангеля. Как показали результаты микробной индикации, к осени, с понижением температуры и началом процессов самоочищения, на большей части станций численность ДБ не уменьшается и в ряде случаев даже увеличивается: в 2013 г. количество бактерий возросло у м. Петровского (105 КОЕ/мл); в 2014 г. – на ст. 9 – с 102 до 103 КОЕ/мл; в 2015 г. – на всех станциях возросла численность ДБ (104 КОЕ/мл). Полученные данные свидетельствуют о техногенном прессе на акваторию и неспособности к самоочищению. На наличие трудноокисляемого органического вещества указывает и величины ПО, достигающие осенью отметок на ст. 10 – 3,8 мгО/л (2014 г.), ст. 11 – 3,9 мгО/л (2015 г.).
В целом в б. Козьмина в течение трех лет наблюдения численность микроорганизмов возрастала в летний сезон, уменьшалась осенью и еще больше снижалась к весне. Однако показатели численности микроорганизмов на фоновой станции были ниже в среднем на 2 порядка величин во все сезоны. Что касается б. Врангеля – микробная индикация поверхностных вод бухты свидетельствует об общей средней трофности вод. Так, здесь регистрируется довольно высокая численность всех изучаемых групп микроорганизмов: КГБ, бактерий-индикаторов загрязнения нефтью и дизельным топливом. Наиболее загрязнены воды у м. Петровского и строящегося пирса, расположенных на входе в бухту, подвергающиеся постоянному влиянию маломерного флота Восточного порта. Данные, полученные на контрольной станции также ниже в среднем на 2 порядка величин, что свидетельствует о присутствии в исследуемых акваториях загрязнения техногенного характера.
Пространственное распределение концентраций тяжелых металлов в S. miyabei и S. japonica в бухтах Козьмина и Врангеля (2012 г.)
О присутствии в б. Козьмина и б. Врангеля загрязнения техногенного характера свидетельствуют не только численность НБ и ДБ но и данные, полученные при определении тяжелых металлов в водорослях (рис. 31, Приложение, табл. 9-11). Никель поступает в окружающую среду в основном при сжигании нефти и бензина, при производстве никеля, а также при сжигании древесины и отходов [103]. Концентрации никеля в исследуемых акваториях более-менее однородны. В S. miyabei они находились в пределах от 3,2 до 4,0 мкг/г. Максимальная концентрация в отмечена у скал напротив терминала б. Козьмина (4,0 мкг/г), где влияние оказывает нефтепорт, куда приходят под погрузку танкеры. В б. Озеро Второе происходит коррозия затопленных судов, что также является причиной повышения содержания Ni в водорослях.
В б. Врангеля наибольшие концентрации никеля зарегистрированы на ст. 7 и 10 (3,4 и 3,2 мкг/г соответственно). У ст. 7, входного мыса, причиной являются суда, заходящие в порт Восточный; ст. 10 находится рядом со строящимся угольным терминалом и испытывает техногенный пресс от постоянно курсирующих здесь судов, участвующих в строительстве. Концентрации на контрольной станции в 1,5-2 раза меньше, чем в исследованных бухтах.
В S. japonica (рис. 32) концентрации Ni ниже, чем в S. miyabei в обеих бухтах (1,8-2,4 мкг/г), что, очевидно, связано с меньшей разветвленностью слоевища сахарины и, соответственно, меньшей удельной поверхностью контакта со средой.
Как и никель, содержащиеся в тканях водорослей свинец и кадмий свидетельствуют, как правило, о техногенной нагрузке на акваторию. Как видно на рисунке 32, концентрации свинца в ламинарии превышают ПДК, равную 0,5 мкг/г сырой массы, на всех станциях. Максимальный уровень содержания этого элемента, превышающий ПДК в 4 раза, отмечен на ст. 2 (4,5 мкг/г). В S. miyabei максимальная концентрация зарегистрирована на ст. 10, расположенной рядом с угольным терминалом (3,2 мкг/г).
Концентрации кадмия в талломах двух видов макрофитов в б. Козьмина лежат в пределах 0,7-1,6 мкг/г, в б. Врангеля – 0,8-1,0 мкг/г. По результатам видно, что больше аккумулируют кадмий саргассы, благодаря их разветвленному слоевищу с развитой удельной поверхностью [171]. Величина ПДК Cd в ламинариях (ПДК = 1 мкг/г сырой массы) не превышена ни на одной станции. Наибольшие концентрации Cd зарегистрированы в саргассах б. Козьмина на ст. 4 и 6 (1,6 и 1,5 мкг/г сухой массы, соответственно). Как можно видеть, повышенными содержаниями свинца, никеля и кадмия отличаются водоросли на ст. 2 и 4. Источниками этих металлов служат, во-первых, воды, поступающие от танкеров, во-вторых, из донных отложений б. Озеро Второе. В б. Врангеля на ст. 10 выявлены максимальные концентрации свинца и никеля (3,2 мкг/г) в S. miyabei. Повышенные концентрации трех металлов (Ni, Pb, Cd) на этих станциях свидетельствует о техногенном загрязнении бухт.
Наиболее контрастным элементом по содержанию в водорослях является железо (рис. 33). В б. Козьмина диапазон концентраций металла в S. miyabei составляет 66,7 мкг/г (ст. 5) – 469,4 (ст. 6) мкг/г; в S. japonica – от 58,5 (ст.4) до 418,1 (ст. 2). В б. Врангеля содержание Fe в S. miyabei изменяется от 213,4 мкг/г (ст. 10) до 563,7 (ст. 7), в S. japonica – от 82,5 мкг/г (ст. 11) до 911,7 (ст. 9) мкг/г. Железо существует в воде преимущественно во взвешенной форме, поэтому оно легко сорбируется на слоевищах с развитой поверхностью контакта со средой [171]. Разнообразен и уровень содержания марганца в макрофитах: в б. Козьмина максимальное его количество в саргассах обнаружено на ст. 6 – 65,7 мкг/г. В б. Врангеля – на м. Петровского (411,2 мкг/г). Сравнительно небольшое содержание Mn в ламинарии отмечено на ст. 2 и 4 (8,1 и 8,4 мкг/г, соответственно). Таким образом, северное побережье б. Козьмина, включающее вершину и участок напротив терминала характеризуется наибольшим содержанием Mn в талломах исследованных водорослей. Более высокое содержание марганца в б. Врангеля у м. Петровского можно объяснить наличием взвешенного вещества в толще воды, поступившего вследствие строительства дороги вдоль берега к этому мысу.
Кроме того, макрофиты имеют способность накапливать этот металл при недостаточном освещении [171].
Концентрации цинка в водорослях менее изменчивы, чем железа и марганца (рис. 34). У скал напротив терминала б. Козьмина наибольшее содержание Zn в макрофитах (18,7 мкг/г в саргассах, 20,6 мкг/г в ламинарии). В б. Врангеля величины выше – концентрация металла максимальна на ст. 10 у угольного терминала – 14 мкг/г (в саргассах) и на ст. 9 (в ламинарии). Очевидно это обусловлено бытовыми сточными водами населенных пунктов, поставляемых реками Хмыловка и Глинка и поверхностным стоком.
По-видимому, одни и те же источники поступления имеет и медь. Наибольшая концентрации Cu обнаружена в S. miyabei на ст. 4 (2,9 мкг/г), наименьшая – у м. Козьмина (1,3 мкг/г). Максимальное количество Cu в б. Врангеля выявлено у м. Петровского (2,4 мкг/г).