ПРИЧИНЫ ТОКСИЧНОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОНЕЖСКОГО ОЗЕРА А. И. Сидорова 1, Н.М. Калинкина 1, Н.А. Галибина 2, К.М. Никерова 2 Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект , руководитель д.г.н. Д.А. Субетто) 1 Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН 2 Институт леса Карельского научного центра РАН

2 Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, Республика Карелия, г. Петрозаводск Научно- исследовательское судно «Эколог»

3 Онежское озеро – это втрое по величине озеро Европы, принадлежит к бассейну Балтийского моря, расположено на водосборе реки Свири (Ладожского озера). Объем водной массы Онежского озера достигает 295 км 3. (Онежское озеро. Атлас, 2010). С учетом высокого качества воды Онежское озеро следует считать важнейшим объектом, обеспечивающим стратегический запас питьевой воды и, следовательно, требующим особых принципов и методов мониторинга и охраны. Объект исследования – Онежское озеро

4 Постановка проблемы При анализе состояния водных экосистем используются методики экологического мониторинга, в которых, кроме гидрохимических, применяются и гидробиологические показатели (состояние биоты, биотестирование). В последних руководствах особое внимание уделяется изучению показателей биоты, как в практике исследований в России (Рекомендации ), так за рубежом (EU Water Framework Directive, 2000). Методы экологической токсикологии служат не только для оценки интенсивности антропогенного воздействия, но и для объяснения экологической ситуации на водоеме, т.е. для раскрытия связей между абиотическими факторами и состоянием биоты. Экосистема Онежского озера характеризуется рядом морфометрических, гидрофизических и геохимических особенностей. Этот глубоководный водоем расположен в гумидной зоне, характеризуется холодноводностью, высокой гетерогенностью. С водным стоком с заболоченных водосборов в озеро поступает большое количество аллохтонного органического вещества и тесно с ним связанных соединений железа. Высокие концентрации железа и марганца характерны для илов Онежского озера. Биогеохимические особенности Онежского озера предопределили особые условия развития биоты, что отражается на низкой продуктивности и своеобразном составе водных сообществ. Все это определяет необходимость выработки особых подходов к биомониторингу состояния Онежского озера.

5 Цели и задачи Цель - выполнить оценку токсичности илов Онежского озера. 1. Выявить причины токсичности илов Онежского озера. 2. На основе информации по токсичности илов и показателям состояния глубоководного макрозообентоса выполнить зонирование дна Онежского

6 Материалы и методы Экспедиционные исследования С 16 по 24 августа 2014 г. на научно- исследовательском судне «Эколог» была проведена экспедиция на Онежское озеро. Квадратами обозначены дополнительные станции в зонах токсичных илов. Для биотестирования илы были отобраны с 47 станций с глубинами 4.5– 104 м. Все пробы были отобраны в двух повторностях: с каждой станции по 2 дночерпателя, из каждого дночерпателя образец илов был отобран отдельно. Всего было собрано 94 образца донных отложений.

7 Экспедиционные исследования Дополнительные станции для отбора илов Район Центрального Онего в месте расположения станции С-1 (глубины м) Район Большого Онего в месте расположения станции В-1 (глубины м) Район Большого Онего в месте расположения станции В-2 (глубины м) Район Кондопожской губы в месте расположения станции К-6 (глубины м)

Методы биотестирования донных отложений

9

10 Тест- объект - Ceriodaphnia affinis Lillijeborg был в 2008 г. любезно предоставлен И.В. Чаловой (Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН) и в дальнейшем культивировался на базе лаборатории гидробиологии Института водных проблем Севера КарНЦ РАН. Методы биотестирования донных отложений Всего в экспериментах по биотестированию над осадочной жидкости было использовано 1050 экз. цериодафний, в том числе, в контрольных опытах – 110 экз. рачков.

11 В Аналитическом центре Института леса КарНЦ РАН в илах определяли (в процентах на сухой вес донных отложений): общее содержание серы спектрофотометрическийм методом (Ринькис и др., 1987). Количество лигносульфонатов в пробах определяли спектрофотометрическийм методом по реакции с азотной кислотой (Khabarov, 2004). Содержание органического углерода (Сорг.) определяли методом Тюрина (Аринушкина, 1961), содержание общего азота, общего фосфора – спектрофотометрический (Ванчиков и др., 1999) В лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН определяли рН над осадочной жидкости в обеих повторностях опытов. Методы химического анализа илов

12 Результаты биотестирования донных отложений Онежского озера – токсичность над осадочной жидкости Расположение станций отбора проб илов с разной токсичностью над осадочной жидкости на карте Онежского озера; красный цвет – высокая токсичность (выживаемость 0- 30%; желтый цвет – средняя токсичность (выживаемость 50-70%); зелёный цвет – отсутствие токсичности (выживаемость %).

13 Результаты биотестирования донных отложений Онежского озера Градация строк – классы токсичности проб в первой повторности Градация столбцов – классы токсичности проб во второй повторности Итог по строкам Итог по столбцам Таблица сопряженности, основанная на показателях токсичности над осадочной жидкости (баллы)в первой повторности опытов (столбцы) и во второй повторности (строки) По величине критерия χ2 (25.8) между показателями токсичности над осадочной жидкости в двух повторностях существует достоверная (p

14 Результаты биотестирования донных отложений Онежского озера – рН над осадочной жидкости Расположение станций отбора проб илов, надосадочная жидкость которых различалась по величине рН; красный цвет – низкие значения рН (от 4 до 5.8); желтый цвет – близкие к нейтральным (от 6 до 6.9); зелёный цвет – нейтральные значения рН (от 7 до 7.6) Показатели рН над осадочной жидкости в первой повторности (оси абсцисс) и во второй повторности (ось ординат) тесно связаны (r =0.8; p

15 Токсичность и рН над осадочной жидкости Достоверная корреляция между показателями токсичности над осадочной жидкости и значениями рН отсутствовала. Это связано с тем, что токсичные пробы илов были обнаружены не только в загрязняемых районах озера, но и в центральной его части, не испытывающей прямого антропогенного воздействия. Так, высоко токсичная надосадочная жидкость была обнаружена в опытах с илами со станции В1 и В2 (Большое Онего), С1 и С4 (Центральное Онего). В то же время для этих токсичных образцов над осадочной жидкости были характерны высокие значения рН, что и нарушало корреляцию между двумя показателями. Соотношение между рН пробы (ось абсцисс) и показателями выживаемости рачков (ось ординат); Синим кружком указаны пробы из центральных районов озера.

16 Причины токсичности илов Показатели химического состава илов, отобранных в 2014 г. Лигносульфонат натрия и общая сера (содержание в илах Кондопожской губы – %); в других районах – отсутствие. Общий фосфор - содержание в илах Кондопожской губы и в Большом Онего %; Общий азот – содержание в илах Кондопожской губы – %

17 Расположение станций, на которых илы различались по содержанию железа (красный цвет – 1 группа; черный цвет – 2 группа). На дне озера четко выделяется район (1 группа), илы которого характеризуются повышенным содержанием железа. Средняя величина содержания железа в илах для этой группы составляет 7.97; доверительный интервал при уровне значимости 0.05 – 7,12÷8.82%. Илы остальных участков дна (2 группа) характеризуются достоверно меньшим содержанием железа: среднее 4,09%, доверительный интервал при уровне значимости 0.05 – 3,86÷4,32%. Причины токсичности илов их центральных районов Онежского озера Прямоугольники – расположение токсичных проб илов. Анализ архивных данных лаборатории гидрохимии и гидрогеологии ИВПС КарНЦ РАН по химическому составу донных отложений за гг.

18 Гипотеза, объясняющая токсичность илов из центральных районов Онежского озера Обогащеность центральной зоны озера соединениями железа, позволила предложить гипотезу, объясняющую токсичность илов центрального района Онежского озера. Соединения железа могли поступать из илов в надосадочную жидкость и определять ее токсические свойства. Нельзя исключать также эффектов совместного действия на рачков железа и марганца, характерного элемента, которым также обогащены илы Онежского озера. Возможно, токсичность илов обусловливает совокупное действие микроэлементов (железо, марганец, медь и другие), которыми богата геохимическая провинция (Фенноскандия), в пределах которой располагается Онежское озеро.

19 Подтверждение гипотезы данными натурных наблюдений а состоянием макрозообентоса В районах с высоким содержанием железа в илах (7,12÷8.82%) почти 90% проб бентоса характеризовались показателями общей численности 2 тыс. экз./м 2 и менее. Распределение показателей общей численности макрозообентоса для двух районов озера; 1 – данные по центральному глубоководному району с илами, обогащёнными железом; 2 – данные по районам озера с достоверно меньшим содержанием железа в илах; по оси абсцисс – значения верхней границы классов общей численности, тыс. экз./м 2 ; по оси ординат – частоты встречаемости, %; В районах с меньшим уровнем железа в илах (3,86÷4,32%) около 50% проб бентоса характеризовались численностью от 2 до 4 тыс. экз./м 2, в 30% проб численность варьировала в пределах 4-6 тыс. экз./м 2.

20 Поскольку нами экспериментально было доказано существование токсического фактора природного происхождения, лимитирующего развитие бентоса на дне Онежского озера, представляло интерес более точно оценить границы этой зоны лимитирования. Информация по причинам токсичности илов была использована для зонирования дна Онежского по показателям состояния глубоководного макрозообентоса

21 Анализ данных методом главных компонент (массив данных по показателям макрозообентоса за гг.). n = 419 (данные лаборатории гидробиологии ИВПС КарНЦ РАН Признак Первая компонента Вторая компонента Глубина,м -0,29-0,32 N общ., тыс. экз./м 2 0,90*0,17 В общ., г/м 2 0,83*-0,46 N amph., тыс. экз./м 2 0,21-0,90* B amph., г/м 2 0,25-0,91* N olig., тыс. экз./м 2 0,84*0,27 B olig., г/м 2 0,85*0,04 N chir., тыс. экз./м 2 0,330,38 B chir., г/м 2 0,550,30 Доля в общей дисперсии, % 3925 Всего, %64

22 Расположение проб макрозообентоса в осях двух главных компонент; по оси абсцисс – значения первой компоненты, по оси ординат – значения второй компоненты; синий цвет – группа 1; красный цвет – группа 2; зеленый цвет – группа 3; голубой цвет – группа 4

23 Зона лимитирования организмов бентоса токсическим фактором природного происхождения - расположение станций, где были отобраны пробы 1 группы

24 Расположение станций 2, 3 и 4 групп 2 группа 3 группа 4 группа

25 Показатели численности бентоса (тыс. экз./м 2 ) для различных групп проб

26 Анализ сопряженной изменчивости общей численности бентоса (ось ординат) и численности амфипод (ось абсцисс) % 28% 30% 7% 10% 29% 24% 62% 54% Общая численность, тыс. экз./м % 8% % 15%89% 0 70% 2 а 2 б 41 3 Номера групп станций Расположение 4 групп проб в осях двух признаков; красная линия отражает ход изменения общей численности бентоса при монотонном нарастании показателей численности амфипод

27 Алгоритм классификации проб – 3 этапа % 28% 30% 7% 10% 29% 24% 62% Общая численность, тыс. экз./м 2 54% % 8% % 15%89% 0 70% 2 а 2 б 41 3 Номера групп станций 1 этап 2 этап 3 этап

28 Выделение зон на дне Онежского озера (данные за гг.) с использованием нового алгоритма 1 зона 2 зона

29 Выделение зон на дне Онежского озера (данные за гг.) с использованием нового алгоритма 3 зона 4 зона

30 1. Биотестирование илов позволило установить, что большинство районов Онежского озера характеризуется нетоксичными донными отложениями. 2. Наибольшее количество станций с токсичными илами расположено в районе Кондопожской губы, интенсивно загрязняемой сточными водами целлюлозно-бумажного комбината. 3. Результаты биотестирования илов, позволили предложить гипотезу о существовании особой зоны в центральной части Онежского озера, в которой развитие сообществ макрозообентоса лимитировано высокими содержанием в илах железа. Гипотеза была подтверждена результатами анализа натурных наблюдений за состоянием макрозообентоса. Выводы

31 Выводы 4. Выявлена нелинейность связей между показателями макрозообентоса, что связано, во-первых, с геохимическими особенностями экосистемы Онежского озера и существованием зоны 1, где развитие бентоса лимитировано высокими уровнями железа в илах, а, во-вторых, с разнонаправленной реакцией различных групп бентоса на действие антропогенного фактора 5. Разработан алгоритм классификации проб бентоса. Применение этого алгоритма позволило выделить на дне Онежского озера 4 зоны, отражающие разные условия существования сообществ макрозообентоса.

32 Благодарю за внимание!