ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ 6
1.1. Базовые понятия оценочных исследований 6
1.2. Основные аспекты изучения водных экосистем, их эмерджентных свойств и
системных эффектов 11
1.3. Основы системного моделирования 15
1.4. Формулировка проблемы исследования и основной задачи в рамках научной
проблемы 20
Глава 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВОДНУЮ АРКТИЧЕСКУЮ ЭКОСИСТЕМУ 25
2.1. Место эксперимента в науке 25
2.2. Методика проведения серии лабораторных экспериментов 27
2.3. Обоснование выбора модели водной экосистемы 35
2.4. Разработка сценария моделирования в AQUATOX 37
Глава 3. ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА КЛЮЧЕВОГО РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 48
3.1. Основные черты природной среды Кольского залива 48
3.2. Экосистема Кольского залива 53
3.3. Техногенные загрязнители 56
Глава 4. РАЗРАБОТКА ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВОДНУЮ ЭКОСИСТЕМУ НА ОСНОВЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 59
4.1 Результаты лабораторных экспериментов 59
4.2 Результаты моделирования 66
4.3 Оценка воздействия на ключевой объект исследования на основе разработанного
подхода 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 75
В последнее время научное сообщество все больше уделяет внимания динамике и функционированию морских экосистем полярных регионов, где они являются наименее изученными и наиболее уязвимыми. Это происходит на фоне глобального потепления и постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузки. Действительно, в настоящее время освоение прибрежной зоны по всему миру отличается невероятными темпами: происходит разрастание городов на берегу морей, идет интенсивное развитие судоходства, появляется все больше рекреационных зон, куда массово стекаются туристы, увеличиваются объемы вылова биоресурсов, разрабатываются новые месторождения нефти и газа, которыми богата шельфовая зона. Но вместе с этим, происходят существенные изменения в морских экосистемах (в частности, в прибрежных), и в будущем это может выразиться в негативных системных эффектах и вызвать необратимые последствия. Кроме этого, всё более усиливается интерес к функционированию арктических экосистем в связи с исследованиями по влиянию глобального потепления на окружающую среду северных регионов.
Актуальность темы и решаемой научной проблемы обусловлена также важностью выявленного еще в конце XIX века роста приземной температуры воздуха в Арктике примерно в два раза быстрее, чем в среднем по Земному шару. Это явление известно, как Арктическое усиление (АУ). Подобное ускорение глобальных температурных изменений присуще также и Антарктике, однако там в нынешних условиях оно проявляется сравнительно слабо. АУ является результатом одновременного проявления климатических обратных связей, обусловленных взаимодействием атмосферы, суши, океана и морского льда, а также меридиональным обменом энергией (обменом теплом и влагой) между низкими и высокими широтами. Прямое следствие современного АУ - быстрое сокращение площади морского льда в Арктике, что открывает новые экономические возможности, связанные с интенсификацией навигации по Северному морскому пути и добычей полезных ископаемых на арктическом шельфе. Несмотря на значительные успехи в понимании механизмов АУ, достигнутые в последнее десятилетие, сочетание этих механизмов с изменениями экологических факторов, определяющих скорости массообмена в водных экосистемах и трансформацию экологических функций изучено слабо и остается во многом неопределённым.
Актуальность исследования подтверждается также необходимостью совершенствования системы диагностического и прогностического мониторинга водных объектов для получения количественных показателей, характеризующих специфику, степень и масштаб воздействия, и ответную реакцию природных экосистем на оказанные воздействия. Это позволит оценить допустимость оказанных воздействий и сделать вывод о том, способна ли водная экосистема сохранить свои свойства и параметры режимов после воздействия на нее или она перейдет в другой класс (состояния, качества, благополучия и др.), окажется трансформированной и уязвимой к воздействию.
Объектом исследования в работе служит Кольский залив Баренцева моря.
Предметами исследования являются: оценка токсического воздействия на гидробионты и водную экосистему Кольского залива, системные эффекты и системные свойства арктических экосистем, ответная реакция гидробионтов и экосистемы на токсическое воздействие.
Цель работы - оценка допустимых воздействий на арктическую экосистему Кольского залива на основе лабораторных экспериментов и имитационного моделирования.
Обозначенная цель исследования может быть достигнута посредством последовательной постановки и решения следующих задач:
1. Обобщить методологические основы разработки экологических моделей и постановки лабораторных экспериментов;
2. Провести анализ имеющейся информации по состоянию и антропогенному воздействию на экосистему ключевого района, оценить изменения, происходящие в компонентах экосистемы в условиях интенсивного загрязнения;
3. Разработать подход по оценке воздействия на водную экосистему на основе токсикологического эксперимента и имитационного моделирования;
4. Оценить воздействие и ответную реакцию гидробионтов и экосистемы в целом на водную экосистему на основе разработанного подхода.
Основу работы составили материалы и литературные данные по изучению внешнего воздействия на водные экосистемы, их функционирование и происходящие изменения в условиях антропогенной нагрузки.
В методы исследования входят: аксиология и аксиометрия, аналитические методы, методы системного анализа, методы планирования и проведения токсикологических экспериментов, методы статистической обработки экспериментальных данных, методы оценки и анализа временных рядов, системного моделирования и прогнозирования.
Научная новизна. Автором проведен комплексный анализ информации по основным группам загрязнителей, их источникам, масштабам и специфики воздействия на водные организмы и экосистемы; разработана методическая основа проведения лабораторного токсикологического эксперимента. Модель «AQUATOX» впервые применена автором для исследуемого района и выполнения поставленных задач. В основе разработанного автором оригинального подхода лежит сочетание возможностей:
1 - токсикологических лабораторных экспериментов с биологической мишенью;
2 - моделирования скоростей массообмена на основе выделенных экологических мишеней (процессы роста, питания, размножения гидробионтов);
3 - исследования на имитационной модели качественных и количественных изменений биологических компонентов экосистемы в чистых экосистемах (отсутствие токсиканта в воде) и под влиянием антропогенной нагрузки (с учетом задания различных концентраций токсиканта, в том числе по итогам лабораторных исследований).
На этой основе намечены пути оценки воздействия на экосистему в целом, возможности оценки эмерджентных свойств и системных эффектов при токсическом воздействии на водный объект.
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы для решения вопросов, связанных с улучшением естественного экологического состояния Кольского залива и снижением уровня его загрязнения. Также, проведение экспериментов позволили вычислить предельно допустимые концентрации воздействующего токсиканта на жизнеспособность водной экосистемы.
Личный вклад автора. Личный вклад автора выразился в: 1 - сборе и анализе информации из открытых метеорологических, гидрологических, океанографических, биологических баз данных, литературных источников, а также научных отчётов публикуемых в рамках стандартов раскрытия экологической информации; 2 - разработке и апробации на конкретных природных объектах методики оценки воздействия токсикантов на морскую водную среду и биоту; 3 - планировании и выполнении лабораторных экспериментов по оценке токсикологического воздействия на водную экосистему в лаборатории О.Ю. Шмидта (ААНИИ); 4 - разработке и выполнении сценариев для численного моделирования функционирования морской экосистемы на основе модели «AQUATOX» Агентства по охране окружающей среды США; 5 - анализе результатов, полученных в ходе экспериментальных лабораторных исследований и анализе результатов моделирования.
Структура и объем выпускной квалификационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, который включает в себя 77 наименований, в т.ч. 15 на иностранных языках. Общий объем работы составляет 80 страниц машинописного текста, содержит 42 рис., 1 табл.
Кольский залив выделяется в прибрежной акватории Баренцева моря как участок наиболее напряженного морского природопользования. Для региона и России в целом он является важнейшим стратегическим выходом в Мировой океан, доступным в течение года, не попадающим в сферу внешнего регулирования.
Очевидно, что при высокой степени развития морской деятельности в Кольском заливе и прилегающей части Баренцева моря резко обострены экологические проблемы, важнейшими из которых следует признать химическое и нефтяное загрязнение.
Исходя из этого, важнейшей задачей в области сохранения экологического состояния региона является совершенствование системы диагностического и прогностического мониторинга водных объектов для получения количественных показателей, характеризующих специфику, степень и масштаб воздействия, и ответную реакцию природных экосистем на оказанные воздействия. Из этого вытекают актуальность, цель и задачи исследования данной работы.
В результате выполнения работы получены следующие основные выводы:
1. Выполнено обобщение методологических основ постановки лабораторных токсикологических экспериментов и разработки моделей водных экосистем, учитывающих получение ответной реакции экосистемы на воздействие токсикантов; рассмотрены основные понятия и методы, применяемые в области оценки состояния, эмерджентных свойств (уязвимость) природных экосистем. Также автором проведен комплексный анализ информации по основным группам загрязнителей, их источникам, масштабам и специфики воздействия на водные организмы и экосистемы ключевого объекта исследования.
2. В связи с отсутствием стандартных утвержденных методических разработок для экспериментов с морскими гидробионтами, проблема совершенствования методик лабораторного биотестирования низших звеньев трофической цепи является актуальной задачей экотоксикологии. В работе автором предложена методическая основа подготовки и проведения токсикологического лабораторного эксперимента с веслоногими ракообразными. Рассмотрены этапы и результаты экспериментов.
3. Автором на базе ФГБУ «ААНИИ» самостоятельно спланирована, организована и реализована серия экспериментов по изучению токсического воздействия пестицидов на монокультуру бентосной копеподы Nitocra lacustris. Особенностью экспериментов является их продолжительность, сопоставимая с временем жизни нескольких поколений тест-объектов. Эти результаты в настоящее время представлены для обсуждения на XV МЕЖДУНАРОДНОЙ СТУДЕНЧЕСКОЙ НАУЧНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "СТУДЕНЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ФОРУМ 2023" в г.Москва и размещены на сайте Форума.
По итогам Форума принята для опубликования в печати в 2023 г. статья «БИОМОНИТОРИНГ АРКТИЧЕСКОГО ЗООПЛАНКТОНА НА ОСНОВЕ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОГО ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА» в журнале «European Journal of Natural History».
Эти эксперименты посвящены также оценке возможности использования Nitocra lacustris в качестве индикаторного вида при моделировании влияния пестицидов на арктический морской зоопланктон в реальных условиях его обитания. Работы по этому направлению в инициативном порядке продолжаются в настоящее время для получения дополнительных результатов и их опубликования.
4. В работе сделан вывод о том, что вопросы биоиндикации в морской среде в отечественной прикладной гидробиологии разработаны слабо и заслуживают более пристального внимания. Автором исследована ответная реакция копепод на воздействие дихлофоса, составные элементы которого принадлежат к группе перетроидов, широко использующихся в аквакультуре. Результаты выполненных токсикологических экспериментов могут быть напрямую использованы при оценке воздействия токсикантов на объекты холодноводной морской аквакультуры и окружающую среду.
В результате экспериментов автором выявлены критические летальные концентрации пестицида для копепод, а также выделена эффективная концентрация (ЕС), при которой организмы начинают реагировать на наличие токсиканта в воде: при концентрации 0.01 мг/л и выше все без исключения особи погибали, при этом, чем выше концентрация, тем процесс гибели наступал быстрее. При концентрации 0.005 мг/л было замечено некоторое влияние на копепод, однако колония продолжала активно развиваться - личинки достигали половозрелой стадии и могли сами производить потомство (эта концентрация отнесена нами к эффективной концентрации).
Следующими этапами работы будет выявление критических концентраций токсиканта, рекомендованных для получения токсичных, пороговых, максимально недействующих (подпороговых) концентраций токсикантов с дополнительным учетом рисков попадания загрязняющих веществ в водную среду.
5. Модель «AQUATOX» была изучена и впервые применена автором для исследуемого района и выполнения поставленных задач. На основе анализа многолетних данных физических и биологических характеристик Кольского залива и лабораторных экспериментов разработаны и реализованы сценарии моделирования для оценки воздействия токсиканта на компоненты реальной экосистемы. При разработке модельных сценариев учитывались результаты лабораторных экспериментов, чтобы учесть влияние токсиканта (группа перетроидов) на другие компоненты и экосистему ключевого района (Кольского залива) в целом.
Автором разработан подход по оценке воздействия на водную экосистему как
сочетание двух методов - лабораторного токсикологического эксперимента и имитационного моделирования. На основе данного подхода выявлено, что на уровне кормовой базы рыб наиболее уязвимым компонентом в экосистеме Кольского залива к пестицидам является зоопланктон.
По результатам токсикологического эксперимента и моделирования выявлены такие концентрации токсиканта, которые влияют на биомассу и жизнедеятельность копепод, однако практически не оказывают влияния на диатомовые водоросли. Для ощутимого воздействия на планктонные водоросли требуется вводить в модель большие концентрации токсиканта. Из этого следует, что другие компоненты системы (например, компоненты ихтиофауны) при данных концентрациях могут также не испытывать негативного влияния токсиканта данной концентрации и практически не изменяться по сравнению с «чистым» экспериментом. Этот вывод, на наш взгляд, опровергает известные из литературных источников заключения о том, что «слабым звеном» в водной экосистеме, чаще всего, является первичное звено трофической цепи - фитопланктон, и нагрузка, допустимая на этот компонент системы будет допустима для экосистемы в целом.
Концентрация токсиканта 5 мкг/дм3 в модели не отражает явных изменений компонентов экосистемы, в то время как концентрация 10 мкг/дм3 уже оказывает негативное влияние на биологическую мишень. При сравнении с традиционными рыбохозяйственными значениями ПДК в воде водоемов для пестицидов (0,01 мг/дм3) противоречий не выявлено, однако в работе показано, что диапазон концентраций 5-10 мкг/дм3 является зоной опасного воздействия на экосистему. Дальнейшее повышение концентрации может повлечь за собой необратимые изменения в экосистеме в целом и утрату её устойчивости к воздействию данного токсиканта.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
