Экология популяций
Поверхностные воды.
Основными объектами исследования являются малые (местные) реки и озера.
Особое внимание при отборе проб требуется обратить на то, что отбор воды должен проводится на 15 - 30 см ниже зеркала воды. Это связано с тем, что поверхностная пленка представляет собой граничную среду между воздухом и водой и концентрации большинства ЗВ в ней в 10-100 и более раз выше, чем в самой толще воды. О загрязнении непроточных водоемов можно судить по донным отложениям. При отборе проб важно учитывать сезон, в который происходит отбор. Различают 4 основных сезонных периода: зимняя и летняя межени (минимальный уровень) и весенний и осенний паводки (максимальный уровень). В межени уровни воды в водоемах минимальны, т.к. нет поступления воды с осадками или количество осадков меньше, чем испарение. В эти периоды роль подземных и грунтовых вод в питании наиболее велико. В периоды паводков уровень воды в водоемах и водотоках повышается, особенно весной, в период половодья. В эти сроки дождевое питание и питание за счет снеготаяния составляют максимальную долю. При этом происходит поверхностный смыв частиц грунта и с ними ЗВ в реки и озера. Для мелких рек и ручьев выделяют также дождевые паводки, харак¬теризующиеся повышением уровня воды в течении нескольких часов или дней после дождя, что играет заметную роль в смыве ЗВ с окружающих территорий. Состояние уровня воды в водоемах важно учитывать в связи с тем, что по тому, в какой период концентрация ЗВ в воде выше, можно судить об его источнике. Если концентрация в межень выше, чем в паводок или практически не изменяется, значит ЗВ в водоток поступают с грунтовыми и подземными водами, если же наоборот - с выпадениями из атмосферы и смывом с подсти¬лающей поверхности.
Литосфера (педосфера).
Основным объектом, характеризующим загрязнение подстилающей поверхности является почва, особенно ее верхние 5 сантиметров. В связи с этим, в большинстве исследований для характеристики загрязнения почвы отбирается только этот верхний слой.
При отборе почвенных проб важно выделение автохтонных, то есть коренных, экосистем, сформированных на возвышенных участках коренного берега (плакора). Загрязнение почв в этих участках свидетельствует о типичном состоянии загрязнения. Как правило, это водораздельные коренные леса и верховые болота. Также необходимо проведение исследований почв в аккумулятивных ландшафтах, расположенных в понижениях и вбирающих в себя загрязнение с обширных территорий.
Биота.
В понятие биота включаются объекты растительного и животного мира, обитающие на исследуемой территории.
На примере этих объектов контролируется содержание загрязнителей, имеющих склонность к накоплению в растениях и животных, то есть веществ, содержание которых в биологических объектах выше, чем в абиотических средах. Это явление называется биоаккумуляцией.
Первопричина биоаккумуляции в том, что поступление загрязнителя в живой объект происходит значительно легче, чем его выведение или разложение. Например, радиоактивный металл стронций (Sr 90) накапливается в костной ткани животных, так как его свойства весьма близки к кальцию, который является основой минеральной составляющей костей. Организм путает эти соединения и включает стронций в состав костей. Другой пример - хлорорганические пестициды, например ДДТ. Эти вещества хорошо растворяются в жирах и плохо растворимы в воде (это свойство в химии называется липофильностью). В результате, из кишечника вещества попадают не в кровь, а в лимфу. С кровью, токсические вещества были бы доставлены к печени и почкам - органам, ответственным за разложение и выведение токсичных веществ из организма. Попав в лимфу, эти вещества распределяются по всему организму и растворяются в жирах. Таким образом, создается запас токсичных веществ в жирах. В животных и растениях накапливаются также тяжелые металлы, радио¬нуклиды, токсичные органические соединения (пестициды, полихлориро-ванные бифенилы). Эти соединения присутствуют в животных и растениях в ультрамалых концентрациях (менее 10 мг/кг), для определения которых необходимо использовать сложное аналитическое оборудование.
Системность
Частично мы уже говорили о необходимости учитывать взаимосвязи сред и объектов при отборе проб.
Идеальная система исследований должна быть в состоянии проследить путь ЗВ от источника до стока, и от выходной точки до мишени (объекта воздействия). Система мониторинга должна работать таким образом, чтобы, изучая взаимодействия между средами, описывать пути биохимического кру¬говорота веществ. Для этого и используется системный подход, позволяющий создавать модели переноса.
На суше основным путем распространения и переноса ЗВ является атмосфера. Поступление веществ связано с концентрацией их в воздухе и выпадениями из атмосферы с осадками и сухими выпадениями. Вынос происходит реками, ручьями и поверхностным смывом в период снеготаяния и дождя. Выноса за пределы территории может и не быть, а вещества аккумулируются в так называемых аккумулятивных ландшафтах - низинных болотах, понижениях, оврагах и озерах. Чтобы связать все обследованные компоненты в единую систему необходим сбор параметров основных абиотических и биотических показателей объектов и экосистем в целом.
Основными абиотическими показателями являются:
Климатические:
1) Температура воздуха и давление - для приведения объема прокаченного воздуха при отборе проб к нормальным условиям, а также для моделирования процесса переноса ЗВ.
2) Скорость и направление ветра - пути переноса ЗВ от источника, идентификация источника, моделирование процесса переноса, наблюдения за выбросом от предприятия (источника).
3) Количество осадков - вычисление выпадений ЗВ из атмосферы. Гидрологические: уровень воды, скорость течения и объем стока -
необходимы для определения времени отбора проб и расчета объема выноса ЗВ и определения источника (пути поступления).
Почвенные: объемный вес почвы, тип и генетические горизонты, механический состав. Все это необходимо исследовать для определения плотности загрязнения и биологической емкости почв. Важно также учитывать аэрированность, дренированность и обводненность почв. Эти показатели характеризуют интенсивность обеззараживания загрязнителей. Например, в анаэробных условиях (без доступа кислорода в почве преобладают восстановительные реакции) и в условиях повышенного увлажнения (признаком чего являются следы оглеения на почвенном профиле) большинство пестицидов и других сложных углеводородов (например полихлорированные бифенилы) довольно быстро разлагаются или пожираются анаэробными микроорганизмами. Биотические параметры: ключевые параметры экосистем собираются для обнаружения эффекта загрязнения и для расчета биогеохимических циклов и транслокаций ЗВ в экосистемах. Основными параметрами являются: продуктивность, опад, суммарная биомасса и фитомасса. Важной характеристикой, которую используют при организации долговременного мониторинга состояния природных экосистем является скорость разложения опада. Разработаны специальные тесты, позволяющие контролировать скорость разложения. При высоком уровне загрязнения скорость разложения опада снижается.
Многокомпонентность
Современная индустрия и сельское хозяйство использют огромное количество токсичных соединений и элементов и, соответственно, являются мощными источниками загрязнения окружающей среды. Многие из них являются ксенобиотиками, т.е. синтетическими веществами, не свойственными живой природе. Причиной ухудшения экологической обстановки и угнетения биоты может быть любое из веществ. Контроль по всему спектру загрязнителей до недавнего времени был практически невозможен. Тенденции развития аналитических методов и приборов привели к тому, что сейчас вполне реально получить информацию об ультрамалых концентрациях практически всех веществ. Однако, эти приборы слишком дороги для широкого внедрения в практику, да в этом и нет необходимости. Достаточно выделить наиболее опасные или наиболее информативные вещества, и по ним проводить тщательный контроль. При этом, естественно, приходится мирится с имеющи¬мися в распоряжении инструментальными методами анализа.
В программе ГСМОС выделены основные, наиболее опасные (приоритетные) загрязнители и наиболее важные среды для их контроля (табл. 1). Чем выше класс приоритетности, тем выше их опасность для биосферы и тем тщательнее контроль.
Данные по основным приоритетным загрязнителям необходимы и достаточны для проведения комплексной характеристики загрязнения территории. Многие из них показательны для целого класса загрязнителей. Условно, загрязнители по поведению в природной среде можно разделить на 3 типа:
1. Вещества, не склонные к накоплению в природных средах и к переходу из одной среды в другую (транслокации). Как правило, это газообразные соединения.
Приоритетная среда наблюдений - воздух.
2. Вещества, частично склонные к накоплению, в основном в абиотиче¬ских средах, а так же мигрирующие в различных средах. К таким веществам относятся нитраты и другие удобрения, некоторые пестициды, нефтепродукты и др.
Приоритетная среда - природные воды, почва.
3. Вещества, накапливающиеся в живой и неживой природе и включающиеся в биогеохимические циклы экосистем. В эту группу входят наиболее опасные для организма животных и человека вещества - пестициды, диоксины, полихлорированные бифенилы (ПХБ), тяжелые металлы.
Приоритетная среда - почвы и биота.
Тип (или уровень) программы наблюдения говорит о масштабе распространения загрязнителя.
Импактный (локальный) уровень говорит о том, что загрязнитель опасен лишь вблизи от источника (крупный город, завод и т.п.). На значительном удалении уровни загрязнения неопасные.
Региональный уровень означает, что в отдельных регионах на достаточно большой площади могут создаваться опасные уровни загрязнения.
При базовом или глобальном уровне загрязнение приняло планетарные масштабы.
Таблица 1. Классификация приоритетных загрязнителей
Примечание: И - импактный, Р - региональный, Б -базовый (глобальный).
С чего начать проведение комплексной характеристики загрязнения?
Начиная создавать систему местного мониторинга загрязнений окружающей среды, следует:
1) Четко определить территорию исследования.
2) После этого необходимо определить ближние и удаленные источники загрязнения. Эта работа называется - инвентаризация источников загрязнения . Для ее проведения необходимо на территории Вашего проживания и(или) исследования определить действующие и другие возможные источники загрязнения и вещества, которые могут выбрасывать эти источники, а также оценить объем выбросов выделяемых ЗВ (мощность источников). Источники, при этом, разделяют на точечные и площадные. Точечные, или организованные, источники локализованы на местности, т.е. имеют определенную точку выброса, например, в виде трубы. Это могут быть промышленные предприятия, дома с печным отоплением, котельные, свалки.
Площадные, или неорганизованные, источники не имеют определенной трубы - ЗВ выбрасываются по определенной площади. Это автомобильные и железнодорожные магистрали, сельхозугодья, на которых применяются удобрения и пестициды, лесные угодья, которые могут обрабатываться инсектицидами и дефолиантами.
Различают локальные источники, т.е. расположенные на территории исследования или в пределах 10-20 км от нее и региональные, расположенные в 50-200 км. При этом следует попытаться оценить источники и выделить наиболее мощные, определяющие уровень загрязнения Вашей местности.
Например, зона воздействия точечного регионального источника -Мончегорского горнорудного комбината Северони-кель , распространяется на территорию более 100 км. В зоне до 20 км от комбината кислотными осадками выжжена вся растительность за исключением наиболее устойчивых мхов, а за¬грязнение почв и, соответственно, грибов и ягод тяжелыми металлами распространяется в радиусе 50 км от комбината.
В таких случаях, более мелкие источники тяжелых металлов и сернистых соединений практически не оказывают влияния на общую картину загрязнения, т.к. полностью подавляются более мощным источником. Результаты измерений, таким образом будут определяться метеорологическими факторами переноса ЗВ и интенсивностью выбросов комбината.
Важно также обратить внимание на пути распространения ЗВ. Вещества от источника в окружающую среду могут поступать в виде выброса в атмосферу или сброса в водоток или канализацию. Инвентаризация источников - кропотливая и трудная работа. Однако, успешно проведенная инвентаризация источников обещает половину успеха Вашего начинания. Получить необходимую информацию об источниках и мощности выбросов можно в местных комитетах по экологии. Каждый промышленный объект, выделяющий в окружающую среду продукты своей деятельности, имеет экологический паспорт и обязан провести инвентаризацию источников загрязнения на своей территории. 3) На третьем этапе, используя знания и методики биоиндикации, следует попытаться обнаружить эффекты. 4) Четвертый этап включает комплексное обследование всех сред исходя из имеющихся у вас средств измерений. Здесь на первых порах большую пользу принесут простые планшетные исследования, например снегомерная съемка и анализ проб снега на содержание и состав твердых частиц и концентрацию ионов водорода (рН). После проведенного обследования Вы уже можете судить о степени промышленного и сельскохозяйственного загрязнения Вашей местности и определить наиболее значимые источники загрязнения.
5) После этого можно приступать к подфакельным наблюдениям и организации мониторинга за деятельностью конкретного предприятия, вносящего максимальный вклад в загрязнение Вашей местности. Суть подфакельных наблюдений заключается в том, что по направлению преобладающих ветров на равном удалении от источника закладываются пункты (точки) сбора информации. При этом хорошо сочетать различные методы исследования - химические, биологические (например биоиндикацию), географические и др. На наветреной стороне, на некотором удалении от источника, также необходимо заложить точку наблюдений, которая будет играть роль контрольной точки, но лишь в том случае, если она не располагается на наветреной стороне другого, не менее мощного источника. Сравнивая результаты, полученные по подветреным точкам, находящимся на разном удалении от источника между собой и с контрольной точкой можно наглядно показать влияние данного предприятия на состояние среды и определить зону его воздействия.
Конечно, при ограниченных количествах наблюдений вы не сможете воссоздать биогеохимические циклы. Эта задача под силу лишь крупным научным коллективам, однако уже сможете судить об уровне загрязнения и об источниках, вносящих максимальный вклад в загрязнение природной среды Вашей местности. Конечной целью проведения комплексного обследования территории является оценка состояния загрязнения Вашей местности. Оценка включает сравнение уровней загрязнения Вашей местности с другими районами, обычным, фоновым уровнем загрязнения по выбранным загрязняющим веществам и определение силы воздействия и соответствия качества сред принятым предельно допустимым нормам. К сожалению, экологические нормы в полной мере не разработаны и часто приходится использовать лишь санитарно-гигиенические нормы, приведенные в списке дополнительной литературы [1, 10]. С фоновыми уровнями Вы можете ознакомится в местных СЭС, комитетах экологи и в ежегодниках Росгидромета.