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 факторамакклимация, 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 экосистемывидовой популяциив 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 экспедицииА.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.

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-, мезои 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).