Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

Строительство гидротехнических сооружений в прибрежной зоне морей связано с проведением дноуглубительных работ. Дноуглубительные работы, образование отвалов при размещении донного грунта (дампинг) вызывают загрязнение минеральной взвесью (в составе которой преобладает илистая фракция) больших водных масс и осаждение взвеси на значительных площадях дна, что влечет за собой снижение биомассы, численности и видового разнообразия зообентоса [5] и, как следствие, снижение кормовой базы рыб-бентофагов.

По мнению Н. П. Мокеевой [10], при дампинге в стрессовых условиях значительная часть популяций бентоса гибнет. Если вертикальная миграция бентосных организмов и возможна, то она успешно проходит только на периферии района сброса, где толщина слоя осевших частиц невелика.

Исследование изменений видового состава зообентоса в Черном море показало [1], что если до начала сброса грунта в районе обитало 123–128 таксонов беспозвоночных организмов, то через два – три года их число сократилось до 72, что составляет около 57 % первоначального уровня. Еще через несколько лет число видов сократилось до 29. Коэффициент общности Жаккара – Алехина стал равным нулю. Моллюски, обитатели чистых вод, вытесняются видами, предпочитающими заиленные грунты, поскольку, как правило, сбрасываемый грунт в местах подводных свалок и прилегающих к ним участков дна на 70 % представлен илами.

Данные литературы по влиянию дноуглубления и дампинга грунта на зообентосные организмы в акватории морей немногочисленны [2, 14]. В основном приводятся исследования видового состава, численности и биомассы зообентоса до начала производства гидротехнических работ в акватории и их изменения после завершения дампинга.

Отмечают, что толщина слоя засыпки зообентоса, при которой происходит их гибель [4, 7, 14], варьирует от нескольких миллиметров до десятков сантиметров (в зависимости от размера организмов, их морфологических особенностей и приспособления к жизни на донном субстрате). По данным Лесникова [7], гибель организмов пресноводного бентоса, погребенного под слоем донных осадков, происходит при его толщине, превышающей вертикальные размеры бентосных организмов и при скорости осадконакопления более 0,5 мм/сут. Предложено также считать, что для мелких организмов зообентоса критическим является слой толщиной 2 см [5].

По другим сведениям, многие формы бентоса, в особенности роющие организмы инфауны (подвижные двустворчатые моллюски-детритофаги, брюхоногие моллюски, большинство видов полихет, голотурии и др.), способны выходить на поверхность грунта после погребения их слоем донных осадков при дампинге грунта. Скорость рытья зависит от размеров организмов и состава грунта, а время откапывания при разной толщине осадков составляет для разных видов животных от нескольких часов до нескольких суток. Наибольшее препятствие для откапывания организмов представляет плотный песчаный грунт средней и большой крупности частиц, и, в частности, тяжелые пески могут препятствовать раскрытию створок раковин двустворчатых моллюсков. Так, в условиях эксперимента [14] разные виды роющих раковинных моллюсков с длиной тела от 0,3–1,3 см (Nucula proxima Say) до 1,5–2,0 см (Mercenaria mercenaria Schumacher) и 2,5–3,5 см (Ilyanassa obsoleta Say) были способны выходить на поверхность из-под слоя донного осадка толщиной от 4–8 до 28–32 см через 1–8 суток.

При этом смертность мерценарии, наиболее быстро роющего моллюска, летом при толщине песка 32 см достигала 10 % через 1 сутки и 17 % – через 8 суток. Смертность при толщине осадка 36 см при летних температурах варьировала для разных типов осадка от 55–69,5 % через 8 суток эксперимента до 47,3–91,7 % через 15 суток.

У мелкого вида – нукулы, некоторое число особей могло откапываться из-под слоя илисто-песчаных осадков толщиной до 8–16 см: ее смертность через 8 суток при этом составляла 40,6 % при толщине осадка 8 см, 52,5 % – при толщине осадка 16 см, 80 % – при толщине осадка 32 см. С песчаным грунтом более 8 суток эксперименты по выживаемости нукулы не проводили. По всей вероятности, через 15 суток под слоем песка смертность могла бы достигнуть 100 % и при толщине осадка порядка 10 см [14].

Для довольно крупной гастроподы илианассы смертность под слоем песчаного грунта толщиной 20 и 32 см составила через 8 суток 62 % и 80,9 % соответственно. Эксперимент большей продолжительности не проводили. Вероятно, через 15 суток могла бы фиксироваться значительно бóльшая величина смертности и при меньшей толщине захоронения. Для малоподвижных и мелких форм бентоса, обитающих на поверхности грунта, а также молоди видов инфауны, губительным может быть слой осадка значительно меньшей толщины [14].

Основная масса исследований проведена авторами цитируемых работ в лабораторных условиях. Поэтому представляет интерес экспериментальное исследование влияния осажденной взвеси на бентосные организмы в естественных условиях.

Целью исследования являлось определение гибели гаммарусов под слоем переотложенного осадка.

Материалы и методы исследований

Для постановки модельного эксперимента была выбрана акватория Бугазского лимана, где за счет малых глубин практически отсутствует стратификация и среда однородна. Во время проведения опыта волнения, способного существенно влиять на распространение взвесей, не происходило. Расположен Бугазский лиман в южной части Таманского полуострова, недалеко от ст. Веселовка Краснодарского края и относится к Кизилташской группе лиманов. Площадь лимана – порядка 30 км2. Лиман тянется вдоль Черного моря с юго-востока на северо-запад, от моря его отделяет узкая и невысокая песчаная коса. С другой стороны лимана коса Голенькая, более низкая, отделяет Бугазский лиман от Кизилташского.

Объектом исследования были выбраны высшие ракообразные, представители бокоплавов – гаммарусы (Gammarus aequicauda). Эксперимент проводили летом 2012 г. в прилегающей к песчаной косе части Бугазского лимана.

Бокоплавы широко распространены в разных донных биоценозах Черного моря, в том числе в Кизилташских лиманах, играют важную роль в биоценозе, так как являются утилизаторами первичной и отчасти вторичной продукции; трансформируют и обогащают донные осадки органическим веществом и, что наиболее важно, служат ценным кормом для бентосоядных рыб [6]. Влияние осажденной взвеси на жизнедеятельность ракообразных мало изучено.

Эксперимент проводили в трех повторностях в 9 садках: по 3 садка для контроля и для двух вариантов опыта (рис. 1). Садки представляли собой "мешки" из синтетического газа № 100, размером 60*60*60 см, укрепленные на вертикальных стойках так, что верхний край садка находился над поверхностью воды, нижний – располагался на дне акватории.

а б

Рис. 1. Устройство садков: а. – садки в лимане, б. – схема садка. Цифрами обозначены: 1 – мешок из синтетического газа, 2 – вертикальные стойки, 3 – поверхность воды, 4 – слой ракушечника, 5 – слой осадка

Постановка экспериментальных садков происходила в прибойной части Бугазского лимана на глубине менее 1 м. После установки всех садков на дно садков был положен слой ракушечника (h=5см, m=30 кг) для устойчивости садков.

На акватории исследования были отобраны бокоплавы размером: от 6,4 мм до 9,3 мм которых помещали в экспериментальные садки по 15 экз. Рачки, помещенные в садки, свободно перемещались в придонном слое воды, периодически закапываясь в верхний слой ракушечника.

Донные отложения (далее, взвесь, осадок), которые использовали в эксперименте по осаждению взвеси на дно садков (и на гаммарусов), отбирали в районе Витязевского лимана (фракция меньше 0,1 мм) на источниках лечебных грязей. Качество данной взвеси оценивали методом биотестирования.

Взвесь получали следующим образом: донные отложения, отобранные на источниках лечебных грязей, разводили в воде в пропорции 1:1, перемешивали и вносили в садки в каждую повторность – в опыт № 1 по 10,8 дм3, в опыт № 2 – по 27 дм3. Данные объемы рассчитывались таким образом, чтобы к окончанию эксперимента (после завершения осаждения взвеси) в опыте № 1 толщина осадка находилась в пределах 1–5 см, в опыте № 2 – в пределах 5–10 см. В контрольные садки взвесь не вносили. Каждый экспериментальный садок постепенно, на протяжении порядка 30 минут, «заливали» взвесью, создавая эффект распространения взвеси при дноуглублении.

На протяжении эксперимента из-за небольшого волнения осадок взмучивался. После полного осаждения взвеси (на 4-е сутки) эксперимент завершили и произвели подсчет живых гаммарусов. В каждом варианте опыта подсчитывалось суммарное количество гаммарусов в трех повторностях.

До начала эксперимента, далее ежедневно и перед завершением эксперимента, два раза в сутки (утром и вечером) измеряли содержание кислорода, температуру и рН (около садков, в контроле, в опыте № 1 и опыте № 2). Использовали анализатор растворенного кислорода и температуры воды «Самара-2Б» и портативный рН-метр (PICCOLO 2 ATC).

В течение всего эксперимента каждый день отбирали пробы воды для определения гидрохимических показателей – содержания фосфатов, аммонийного азота, нитратов и нитритов в соответствии с РД 52.10.243-92 [«Руководство по химическому анализу морских вод»].

Содержание органического углерода в экспериментальном осадке определяли на экспресс-анализаторе АН-7529 согласно руководству к прибору.

Гранулометрический состав экспериментального взвеси для «засыпки» гаммарусов определяли согласно Блиновой Е. И. и др. [3].

В течение экспозиции из садков отбирали пробы воды, а также после окончания эксперимента – пробы взвеси, для исследования их токсичности методом биотестирования. Биотестирование проводили на стандартных тест-объектах – зоопланктонных ракообразных Artemia salina L. в соответствии с Руководством [13].

Результаты и обсуждение

За сутки, до начала постановки эксперимента, температура воды в Бугазском лимане колебалась от 26,5 оС до 27,3 оС, среднее содержание растворенного кислорода и рН находились в пределах нормы (O2 – 7,3 мг/л, pH – 6,78). В день постановки эксперимента содержание кислорода в контрольных садках и около садков достигало 14 мг/л (рис. 2).

Во время эксперимента температура воды колебалась в пределах от 24,5 оС до 29 оС. Наблюдались небольшие волнения водной массы на 3 сутки эксперимента, поэтому эксперимент оставляли еще на одни сутки, до полного осаждения взвеси в садках.

Содержание кислорода в контрольных садках и около садков на протяжении опыта практически не отличалось, поэтому при обсуждении результатов за контрольные значения принимали значения, измеренные в контрольных садках. В садках, после засыпки взвеси, наблюдалось понижение содержания кислорода по сравнению с контролем тем больше, чем больше толщина слоя засыпки (см. рис. 2). По мере оседания взвеси содержание кислорода в подопытных садках приближалось к контрольным значениям. За все время наблюдения минимальное содержание кислорода составило 6,87 мг/л, однако это соответствует общим требованиям к составу и свойствам воды водных объектов рыбохозяйственного значения [9]. Содержание кислорода было минимально в садках опыта № 2, где слой осевшей взвеси к окончанию эксперимента составил 8,5 см (рис. 2).

Рис. 2. Динамика содержания кислорода в воде на протяжении эксперимента в течение 3 суток

В течение эксперимента значение pH находилось в пределах нормы, что соответствовало общим требованиям к составу и свойствам воды водных объектов рыбохозяйственного значения [9] (рис. 3). Суточные колебания pH в контроле и опыте были незначительны (не превышали 1,09).

Рис. 3. Динамика pH воды на протяжении эксперимента в течение 3 суток

Содержание в воде фосфатов, нитратов, нитритов, аммонийного азота несколько снижалось в опытных садках к концу эксперимента (рис. 4).

За время эксперимента содержание фосфатов изменялось от 0,006 до 0,011 мг/л, что было даже ниже ПДК (0,15 мг/л), среднее значение составило 0,007 мг/л. Максимальное содержание фосфатов отмечалось в опыте № 2 в конце эксперимента. В контрольных и опытных садках содержание фосфатов отличалось незначительно (рис. 4).

На всем протяжении эксперимента содержание нитритного азота (NО2) не превышало норм ПДК для воды водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей – 0,08 мг/л. Содержание нитритов снизилось к концу опыта.

Азот нитратов (NО3) был отмечен в количествах от 0,001 до 0,0015 мг/л, среднее значение 0,005 мг/л и не превышало величины ПДК в воде водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей – 40 мг/л.

Содержание аммонийного азота (NН3) в садках составило 0,012-0,041 мг/л, что не превышало норм для водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей – 2.9 мг/л. Содержание аммонийного азота за время эксперимента снизилось более чем в 2 раза. При этом величины в опыте незначительно отличались от контрольных.

Рис. 4. Гидрохимические показатели воды в начале и в конце эксперимента

Содержание органического углерода в экспериментальных осадках было выше, чем в контроле, а в опыте № 2 достоверно отличалось (рис. 5).

Рис. 5. Содержание органического углерода в экспериментальных осадках

Гранулометрический анализ экспериментального осадка показал, что в его составе преобладали фракции диаметром менее 0,001 мм. По типу донных отложений (экспериментального осадка) – илы глинистые и алеврито-глинистые (таблица 1).

Таблица 1. Гранулометрический состав экспериментального осадка

Биотестирование проб воды из контрольных и опытных садков на Artemia salina L. показало отсутствие токсичности. Следовательно, гибель гаммарусов при засыпке осадком при оседании взвеси не связано ни с токсичностью воды, ни с токсичностью осадка. Незначительные изменения состояния среды по гидрохимическим показателям также не могли повлечь за собой гибель гаммарусов.

На 4-е сутки эксперимента, когда произошло полное осаждение взвеси в садках и опыт был завершен, оказалось, что (рис. 6) при средней толщине слоя засыпки 3,2 см (опыт № 1) была отмечена гибель 17 % организмов; при средней толщине слоя засыпки 8,5 см (опыте № 2) – 33,3 % организмов.

Рис. 6. Выживаемость гаммарусов при различной толщине слоя засыпки на 4-е сутки экспозиции

Заключение

Экспериментальные исследования по влиянию осевшей взвеси на ракообразных в большем количестве были проведены в пресноводных экосистемах [5, 7], в меньшем – в морских [14]. Имеются данные, полученные в лабораторных условиях при толщине осадка 10 см, когда моллюски, полихеты способны выдерживать воздействие засыпкой слоями грунта до 14 суток [4]. В литературе также представлены сведения о влиянии дноуглубления и дампинга на донные сообщества без указания гибели конкретных видов при осаждении взвеси [1, 2]. Экспериментальные исследования, как было отмечено выше, также невелики, что делает проведенный нами модельный эксперимент в природных условиях актуальным, расширяет знания по оценке гибели бентосных организмов от оседания взвеси при проведении гидротехнических работ на водоеме и дампинге грунта.

Поскольку мы не наблюдали существенных изменений гидрохимических параметров в ходе постановки эксперимента, исследование воды и экспериментального осадка на токсичность показало ее отсутствие, было определено, что основным фактором воздействия на жизнедеятельность гаммарусов служило механическое воздействие осадка.

Модельный эксперимент показал следующую тенденцию: за 4 суток при слое засыпки 3,2 см наблюдалась гибель 17 %, при 8,5 см – 33,3 % бокоплавов. Полученные величины о толщине слоя засыпки, при которой происходит гибель ракообразных, можно использовать при проведении прогнозной оценки воздействия гидротехнических работ на морские организмы зообентоса.

В настоящее время для расчета ущерба водным биоресурсам от потерь организмов зообентоса используются следующие ориентировочные критерии: для мелких организмов кормового зообентоса – 50 % гибель при слое осадка толщиной 1–5 см и 100 % гибель – при более 5 см осадка; для крупных организмов зообентоса, включая представителей промысловых видов – 50 % гибель при толщине слоя 5–10 см и 100 % гибель – при более 10 см [8].

Таким образом, можно отметить, что полученные экспериментальные данные в Бугазском лимане не противоречат используемым в настоящее время критериям потерь зообентоса от осаждения взвеси при дноуглублении или дампинге грунта.

Необходимо в дальнейшем, при постановке экспериментов по осаждению взвеси на бентос, учитывать также время засыпки организмов, при котором отмечается 100 % гибель организмов.

Рецензенты:

Микодина Е. В., д-р биол. наук, профессор, гл. н. с. лаборатории эколого-токсикологических исследований ФГУП «ВНИРО», г. Москва.

Филенко О. Ф., д-р биол. наук, профессор кафедры гидробиологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, г. Москва.