4 Введение
По числу видов моллюски являются одним из самых обширнейших видов беспозвоночных, причем наибольшим количественным
^' распространением отличаются двустворчатые моллюски. Особенно
изобилуют двустворчатые моллюски в прибрежной части морских акваторий (до глубины 100-200м), где по биомассе и плотности поселения эти организмы составляют большую часть обитающей здесь фауны. Мидии, в том числе Mytilus Galloprovinsialis в пределах шельфовой части Черного моря образуют своеобразный прибрежный пояс, давая скопления с весьма значительной биомассой. Так, в северо-западной части моря поселения этого
<* моллюска достигают биомассы до 2700г/м2 . Общие запасы мидии в этом
районе оцениваются от 2,6 до 9,7 млн.т. Учитывая мощный фильтрационный потенциал Mytilus Galloprovincialis (поселение мидий на 1м
Л профильтровывает в течение суток от 50 до 250 м3 воды), а также
•*¦&/ выполняемую этими животными огромную работу по концентрированию
химических элементов, в том числе тяжелых металлов необходимо отметить большое значение жизнедеятельности мидии в функционировании морских акваторий и процессах осадкообразования. Изучение химического состава Mytilus Galloprovinsialis, их мягких и скелетных тканей представляет огромный биогеохимический интерес, особенно в пределах северо-западной части Черного моря, испытывающей значительное и разнообразное антропогенное воздействие, последствиями которого, прежде всего, является загрязнение акватории. С этой точки зрения, исследования содержания тяжелых металлов в телах и створках мидии имеют большое практическое значение. Являясь весьма распространенным видом, этот моллюск может использоваться в качестве биоиндикатора экологического состояния морской
щ среды. Это особенно важно для исследуемых акваторий, которые являются
перспективными для развития управляемых морских хозяйств и марикультуры.
5
Цель работы: Установить закономерности распределения тяжелых металлов в телах и створках мидии и роль этого моллюска в процессах осаждения тяжелых металлов в шельфовой части Черного моря, а также в Азовском
* море.
V
Задачи:
•Исследовать географические закономерности распределения концентраций ТМ в мягких и скелетных тканях мидий северо-западного шельфа Черного моря.
• Определить средние концентрации ТМ в телах и створках мидий (Mytilus Galloprovincialis Lam.) шельфовой зоны Черного моря и
'* Азовского моря и их динамику, а также установить закономерности
распределения концентраций в моллюсках разных размерных групп.
• Сравнить концентрации ТМ в компонентах морской среды северо-<- • Выявить наиболее показательные районы влияния жизнедеятельности
моллюсков на геохимический фон акватории с учетом ареалов наибольшего распространения мидийных сообществ.
• Посредством расчетов и статистического анализа дать количественную оценку осаждения ТМ черноморской мидией.
Научная новизна:
• Детально рассмотрено распределение содержания ТМ в телах и створках Mytilus Galloprovincialis разного размера исследуемых акваторий и проведен сравнительный анализ.
• Рассчитаны ряды аккумуляции ТМ в телах и створках мидий.
• В распределении концентраций ТМ в онтогенезе мидии обнаружен эффект запаздывания формирования максимума величин в створках мидии, по отношению к максимуму в мягких тканях.
6
• Выполнен картографический анализ закономерностей географического распределения концентраций ТМ в организмах моллюсков северо-западного шельфа Черного моря.
• Произведен расчет объемов осаждения ТМ во всех изучаемых районах вследствие жизнедеятельности мидии.
Практическая значимость заключается в использовании результатов работы для оценки экологического состояния морских акваторий по величине концентрации ТМ в организмах мидии (биоиндикация загрязнения). Важность исследований несомненна еще и с точки зрения безопасности использования мидии, являющейся объектом промысла в качестве продукта питания.
Апробация работы проводилась на Конференциях аспирантов и соискателей РГУ (1999, 2000), Научно-практической Конференции «Лиманчик. Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Лиманчик, 2004), 4th European Meeting on Enviromental Chemistry; Plymouth, England, 10-13 December 2003, a также на расширенном заседании кафедры физической географии, экологии и охраны природы геолого-географического факультета Ростовского госуниверситета (Ростов-на-Дону, 2004). Фактический материал:
В основу исследования положены данные о содержании ТМ в мидиях, отобранных в пределах северо-западного и северо-восточного шельфа Черного моря в 1979-1999, в Азовском море в 1985-2003гг. в ходе проведения экспедиционных работ. Автор принимала непосредственное участие в ряде полевых работ, а также подготовке проб к анализу. Большинство проб подвергалось атомно-абсорбционному анализу. Часть была отдана на внешний контроль, подвергалась количественному и полуколичественному спектральному анализу в Проектном Геологическом объединении «Донбассгеология» (комплексная лаборатория АГРЭ) и лаборатории АзНИИРХа (установка УСА-6), а также рентгенофлуоресцентному анализу (при использовании спектрометра 3270Е
"V"
7
RIGAKU (Япония)) лаборатория АзНИИРХа. Общее количество
проанализированных проб моллюсков мидий составляет 1073 экз. Защищаемые положения:
• Во всех районах исследования последовательности соотношения концентраций ТМ в телах и створках Mytilus Galloprovincialis в основном имеют большое сходство. Обнаруженные незначительные отличия наблюдаются лишь в отдельных размерных группах организмов.
• В телах и створках моллюсков концентрации тяжелых металлов в основном характеризуются либо относительно равномерным распределением, либо снижением при увеличении размера особей.
¦* «В распределении концентраций ТМ в онтогенезе мидий четко
регистрируется эффект запаздывания формирования максимума, а именно в мягких тканях наибольшие величины характерны для размерных групп 21-
!* 30 мм и 31-40мм, а в створках - в 41-50мм и 51-60мм.
,,у • Роль популяции мидии в осаждении ТМ наиболее значительна на шельфе
Черного моря. Здесь в результате функционирования мидийных сообществ ежегодно осаждается до нескольких десятков тысяч тонн железа, марганца, десятков (сотен) тонн меди, ванадия и титана, никеля, до десяти тонн свинца, нескольких тонн молибдена. Личный вклад автора:
• Отбор материала и подготовка проб к анализу.
• Обобщен и проанализирован массив информации о концентрациях тяжелых металлов в телах и створках мидий Азовского моря и шельфовой части Черного моря.
• Для всех исследуемых акваторий построены графики зависимости концентрации тяжелых металлов в телах и створках мидий от их размера в
„ разные годы.
• Построены компьютерные картосхемы пространственного распределения средних концентрации тяжелых металлов в водной толще (поверхностном и придонном слоях), взвешенном веществе
8
(поверхностного и придонного слоев), тотальном планктоне, иловых
водах, донных отложениях, в телах и створках мидий северо-западной
части Черного моря. ^ • Проведен анализ закономерностей распределения концентраций тяжелых
металлов в телах и створках мидии, а также компонентах морской среды
северо-западного шельфа Черного моря.
• Выполнен расчет осаждения тяжелых металлов популяциями мидий в
исследуемых акваториях, в том числе в пределах искусственных
плантаций.
Методика исследования:
** В основу исследования положены данные о содержании ТМ в мидиях,
отобранных в пределах северо-западного и северо-восточного шельфа Черного моря в 1979-1999, в Азовском море в 1985-2003гг. в ходе * проведения экспедиционных работ. Автор принимала непосредственное
•^У участие в ряде полевых работ, а также подготовке проб к анализу.
Большинство проб подвергалось атомно-абсорбционному анализу. Часть была отдана на внешний контроль, подвергалась количественному и полуколичественному спектральному анализу в Проектном Геологическом объединении «Донбассгеология» (комплексная лаборатория АГРЭ) и лаборатории АзНИИРХа (установка УСА-6), а также рентгенофлуоресцентному анализу (при использовании спектрометра 3270Е RIGAKU (Япония)) лаборатория АзНИИРХа. Общее количество
проанализированных проб моллюсков мидий составляет 1073 экз. Схема станций отбора проб представлена на рис. 1
'«¦ т
Ч
46.5-
46-
45.5-
45-
44.5-
46.5-
46-
45.5-
45-
45-
44.5-
44-
43.5-
б)
В) 34.5 35 35.5 36 36.5 37 37.5 38 38.5 39
Рис. 1 Схемы станций отбора проб ( а) северо-западный шельф Черного моря, б) северо-восточный шельф Черного моря, в) Азовское море).
ю
Глава 1. Краткая физико-географическая характеристика районов
исследования. 1.1 Физико-географические особенности.
Районами нашего исследования является шельфовая часть Черного моря (северо-западная и северо-восточная части) и Азовское море. Северозападный шельф является самой обширной мелководной областью Черного моря. Его площадь составляет 48,3 тыс.км2, то есть 39% всего черноморского шельфа, длина береговой линии превышает 1000км, объем вод в диапазоне глубин 0-100 м достигает 854 км3, средняя глубина - 17,3 м, максимальная ширина - 200км. Российская часть северо-восточного шельфа представляет собой узкую прибрежную полосу, ограниченную основным черноморским течением (ОЧТ) и имеет ширину от 50 км на северо-западе и до 3-5 км на юго-востоке. Длина этой акватории от п-ова Тамань до реки Псоу (Адлер) достигает 350 км, а объем вод составляет 525 км3. Азовское море - это мелководный водоем с глубинами до 14м (при средних глубинах 8,5м), площадью без Сиваша 37,8 тыс. км и объемом вод 320 км .
В тектоническом отношении, шельф Черного моря и Азовского моря расположены в пределах Восточно-Европейской палеозойской и эпипалеозойской Скифской платформ, а также Индоло-Кубанского прогиба и граничат со складчатой структурой Большого Кавказа. Для северо-западной части Черного моря, являющимся основным в нашем исследовании, характерен плоскоравнинный абразионно-аккумулятивный рельеф с глубинами 30-3 5м, в котором до 100-120 км от берега прослеживаются древние палеодолины рек Днепр, Днестр и Дунай. На дне расположены Будакская, Днестровская и Западно-Тендровская возвышенности и Одесская и Каркинитская котловины. Глубины на возвышенностях достигают 15-20м, тогда как в центрах котловин глубина составляет 25-30м (Хованский и др, 1987). Изрезанность береговой линии на северо-западном шельфе моря весьма значительна и формирует ряд мелководных заливов - Жебрияниский, Одесский, Егорлыцкий, Тендровский, Джарылгачский, Каркинитский. Воды района принимают в себя сток четырех крупнейших рек - Дуная, Днепра,
11
Днестра и Южного Буга. Ежегодно эти реки выносят в Черное море до 260 км3 или 80% всего речного стока в Черное море. Общая водосборная
У 2
площадь этих рек рана 1,45 млн.км .
1.2 Климат
Радиационный и температурный режим.
Акватория Черного моря расположена в пределах умеренного (северная часть) и субтропического (южная часть) климатов. В годовом ходе практически всех районов Черного моря максимум солнечной радиации приходится на июнь-июль, а минимум - на декабрь. Поток прямой солнечной радиации в значительной степени трансформируется облачностью. В
<* северной части поверхности водоема достигает только 64%, в южной - 95%
количества солнечной энергии, что составляет соответственно 3770 и 5860 Мдж/м2. Из них только 65-80% поглощается и участвует в формировании
« теплового баланса моря. Максимальных величин поглощенная солнечная
радиация достигает в июне - когда ее приход велик, а облачность незначительна. С учетом потерь тепла на испарение в среднегодовом плане тепловой баланс отдельных участков акватории моря оказывается отрицательным (например, в северной части северо-западного шельфа) (Егоров, Фащук, 2003).
Среднегодовая температура составляет 10°. Среднемесячные зимние температуры колеблются в районе -2°, а иногда до -4 -5°. Кроме того, в этом районе наблюдаются самые низкие температуры на побережье (до -30° на Тарханкуте) (Справочник по климату Черного моря, 74). Среднемесячные температуры в августе равны 22°, при максимуме до 37 -39°. Континентальность климатических условий подтверждается наибольшими амплитудами температуры воздуха и разностями температур вода-воздух (4-
1 5°). Для исследуемой акватории характерен весьма широкий диапазон сумм
среднесуточных, отрицательных температур воздуха за холодный период
.« года. Важность этой характеристики заключается в том, что она используется
в качестве индекса суровости зимы. Количественные характеристики
12
колеблются от 2= 840 до S= 50. Если произвести подсчет повторяемости, то можно обнаружить, что суровые зимы отмечаются в 15% случаев, умеренные в 44% , а мягкие в 41% .
Суровость погодных условий в зимний период года зависит от соотношения зональной и меридиональной циркуляции атмосферы. В суровые зимы преобладающим является активное развитие антициклональных процессов при усилении влияния Сибирского максимума давления. В это время зональная циркуляция ослаблена, и, соответственно сводится до минимальных значений западный перенос воздушных масс, теплых и влажных. Этот период характеризуется господством потоков воздуха северных румбов, которые отличаются сухостью и низкими температурами.
В умеренные зимы наблюдается неустойчивая погода и более высокий температурный фон, что определяется чередованием циклонов с западных районов и антициклонов со Скандинавии.
Мягкие зимы отличаются ослаблением меридиональной циркуляции, которая связана с адвекцией холода при одновременном усилении западного переноса воздушных масс. Аномально мягкие зимы характеризуются вторжением циклонов со Средиземноморья.
Что касается летних сезонов, то анализ данных почти за 100-летний период (Справочник по климату Черного моря, 1974) свидетельствует о том, что в северо-западной части Черного моря лето холодного типа повторяется каждые 3-6 лет, жаркое - каждые 2-4 года. В холодные летние месяцы температура воздуха редко превышает 30°, а в жаркое - очень часто и иногда достигает 35-39 °. Холодное лето, как правило, не бывает засушливым, а жаркое - наоборот. Летом холодного типа чаще обычного наблюдаются ветры со стороны моря, а летом жаркого типа — со стороны материка.
Интересна особенность преемственности сезонов. Она заключается в том, что многие сезоны имеют четкую тенденцию к сохранению в следующем сезоне знака своей аномалии. Например, после очень суровых
13
зим весна в 100% случаев бывает холодной. В то же время, в половине случаев сезоны всех типов переходят в умеренный тип.
Для акватории Азовского моря основные особенности радиационного и температурного режима, отмеченные для северо-западной части Черного моря сохраняются. Вместе с тем, анализ более чем векового (1881-1998гг) ряда наблюдений за температурой воздуха (по данным ГМС «Краснодар», «Приморско-Ахтарск», «Мысовое», «Бердянск», «Мариуполь») показал, что для термического режима этого района, примерно со второй половины 1950-х гг., характерен повышенный температурный фон. Наиболее четко он выражен в многолетних колебаниях температуры весной (с1966г), осенью (с 1960г) и зимой (с 1955г). Для летнего периода, наоборот, с начала 1960-х гг. до конца 1980-х гг. характерен пониженный, в большинстве случаев, термический фон. В то же время, впоследствии температурный фон более высокий по сравнению с нормой (Среда, биота и моделирование экологических процессов..., 2001).
Осадки и испарение.
По данным расчетов бюджета пресной воды в северо-западной части Черного моря, представленные Севастопольским отделением ГОИНа, средняя многолетняя годовая сумма осадков на акватории составляет 298 мм, или 9,6 кмЗ в год . Вариации изменения годовых величин осадков весьма существенны - от 15,8 км3 (1966 г.), до 5,2 км3 (1934г.). Для годового хода осадков характерно два максимума - главный зимний, связанный с усилением циклонической деятельности и вторичный летний - вызванный переносом воздушных масс с севера.
Среднемноголетняя сумма испарения в исследуемом районе составляет 891 мм или 28,9 км3. Данная климатическая характеристика варьирует от 35,5км3 (1951г.) до 23 км3 (1973г.). В плановом отношении наблюдается увеличение испарения с севера северо-востока на юг юго-запад от 800 -850мм до 1100мм и эта закономерность характерна для всех месяцев. В годовом ходе испарения отмечается максимум в августе и минимум в апреле.
14
По акватории Азовского моря осадки распределяются неравномерно. Больше всего осадков (500 мм) выпадает в Таганрогском заливе и на восточном берегу моря (Темрюк). Количество их возрастает с юго-запада на северо-восток, в то же время уменьшаясь с удаление от берегов к центральной части моря. Наибольшее количество осадков выпадает летом. Число дней с осадками составляет 105-134 в год, причем наибольшее число дней с осадками (10-15 в месяц) отмечается в зимний период. Летом число дней с осадками составляет от 5 до 10 в месяц. Эти дожди носят ливневый характер, поэтому наибольшее количество осадков приходится на лето
Выпадение снега наблюдается с ноября по март. Число дней со снегом составляет в среднем 18 дней в южной части моря и 34 в пределах Таганрогского залива. Снежный покров неустойчив и во время оттепелей исчезает.
Общая сумма осадков для всего моря составляет ЗбЗмм/год. Средний многолетний объем осадков, выпадающий на акваторию Азовского моря равен 13,8 км3 (Гидрометеорологический справочник Азовского моря, 1962).
Испарение является наиболее существенной частью расхода водного баланса Азовского моря. Средняя величина испарения с поверхности моря по данным B.C. Самойленко, составляет слой воды 772 мм, а по более поздним данным 929 мм, или, в объемных единицах, соответствует 29,3 и 35,3 км3 в год (Самойленко, 1947). Сезонные изменения величины испарения велики. Летом испарение составляет 50% средней годовой величины. Наименьшее испарение приходится на зиму, когда в отдельных районах моря оно сменяется конденсацией.
В целом для Азовского моря характерно некоторое увеличение атмосферных осадков, по сравнению с периодом до зарегулирования, а для испарения, наоборот, уменьшение. При анализе корреляционных и спектральных составляющих динамики атмосферных осадков А.М.Бронфманом и др. прослежены циклы, близкие по продолжительности к
15
2-3 и 12 годам, а для испарения проявляются циклы продолжительностью 2-3 и 4 года (Бронфман и др., 1979).
Изменчивость многолетнего хода метеоэлементов в дальнейшем будет использована при оценке факторов седиментационных процессов на акватории, в том числе речного стока, гидрохимических характеристик и т.д.
Ветровой режим Большая часть северо-западного шельфа Черного моря характеризуется
преобладанием северо-западных ветров в течение всего года, в то время как на северном побережье преобладающим является западный перенос воздушных масс. В Крыму наблюдается более сложная роза ветров для разных пунктов. Так, в пункте наблюдения Стерегущий преобладают северозападные ветры, в Севастополе - западные, в Евпатории - юго-западные. Направление и повторяемость ветров являются определяющими для формирования особенностей циркуляции водных масс. Например, ветры северного и северо-восточного направления способствуют развитию на акватории северо-западной части Черного моря циркуляции циклонического характера, а северо-западного - антициклонического. Кроме того, развитию антициклонального перемещения водных масс благоприятствуют южные и юго-западные ветры, а юго-восточные ей препятствуют. Важной особенностью климата северо-западного района Черного моря является уменьшение ветровой активности летом, обусловленное сезонным ходом повторяемости малоградиентных полей давления с ветрами скоростью до 5 м/с или штилей. Данные Д.М. Толмазина с соавторами говорят о том, что повторяемость таких ветров в годовом ходе составляет 40-50 % случаев, а штилей - 10% (Толмазин и др., 1969). Кроме того, повторяемость малоградиентных полей над акваторией летом более значительна, чем зимой (20 и 6% соответственно). Вместе с этим летним максимумом в летний период отмечается общее снижение среднемесячной скорости ветра во всех пунктах наблюдений. Такая же тенденция характерна и для повторяемости и продолжительности сильных ветров.
16
Анализ ветровой активности над акваторией Азовского моря, согласно сведениям МГМС «Таганрог», «Приморско-Ахтарск», «Мысовое», «Бердянск», свидетельствует о том, что за последние 20 лет наблюдается пониженная по сравнению с предшествующими 25-30 годами скорость ветра. Причем эта закономерность прослеживается не только в изменениях среднегодовой скорости ветра, но и по всем сезонам. Так, среднегодовая скорость ветра в период 1949-1962гг. составляла 5,5 м/с. При этом, распределение скорости ветра по сезонам выглядело следующим образом: осенью - 5,5 м/с, зимой - 6 м/с, весной - 5,8 м/с, летом - 4,9 м/с, что примерно соответствует уровню предшествующих 18-23 лет (1926-1939, 1945-1948гг), а в 1963-1985гг., соответственно, 4,5 м/с, 4,2 м/с, 5 м/с, 4,4 м/с,3,9 м/с. Замечено, что эти показатели ниже, чем в предшествующие 32-37 лет в среднем на 1 м/с.
Оценка линейного тренда многолетних колебаний (1949-1985гг) среднегодовой скорости ветра выполненная по данным ГМС «Бердянск», показала, что впоследствии скорость ветра уменьшилась на 1,3 м/с. Наиболее значительное снижение скорости ветра (на 1,7 м/с) свойственно весеннему и зимнему периодам, немногим меньшее - осеннему (на 1,5 м/с) и наименее существенное (0,7 м/с) — летнему. В дальнейший период (до настоящего времени), по данным МГМС, в восточной части Азовского моря также отмечается снижение ветровой активности. Спектральные характеристики среднегодовой скорости ветра в большинстве случаев не обнаруживают цикличности (Среда, биота и моделирование экологических процессов в Азовском море,2001).
1.3 Термохалинные условия. Горизонтальное распределение температуры и солености.
Многолетнее плановое распределение температуры и солености можно схематически представить следующим образом. Зимой вся северная часть района, кроме Кинбурнского пролива, ежегодно замерзающего, покрывается льдом один раз в 5-7 лет. В этом случае температура воды на поверхности
17
понижается до 1°, а у дна составляет 0,1°. Зимой адвекция лиманных вод ускоряет замерзание в придельтовых районах за счет распреснения воды. Однако, увеличение вертикального градиента солености в придонном слое образуется зона более теплой воды. Вместе с тем, привнос теплых и соленых вод из глубоководной части моря приводит к тому, что даже в очень холодные годы в южной части акватории лед не образуется. Температура здесь у дна снижается до 1,0 - 1,4°, а на поверхности - до 0,6 - 0,7°.
В весенние месяцы наблюдается постепенное повышение температуры воды, начинающееся от устьевых областей рек и уже в апреле образуется тонкий слой прогретой до 7° на севере и до 9° на юге и у берегов и распресненной воды. К середине мая температура воды на поверхности достигает 13-15° практически на всей акватории, а у дна сохраняются низкие температуры 5-6°.
Изменения величины солености зависят от вариаций стока. Волны половодья из Днепровского лимана идут двумя путями: вдоль северного побережья на запад до Одессы и от Кинбурнского пролива к югу до косы Тендра и о.Джарылгач. Из Днестровского лимана волна половодья распространяется на северо-восток, восток и юго-восток вплоть до Днестровской банки.
В период половодья выделяются два типа распределения солености. Во время «распресненного» типа вся акватория северо-западной части Черного моря к северо-западу от линии Тендровская коса - о.Змеиный занята водой с соленостью 12-14 %о. Восточнее и южнее этой линии соленость достаточно быстро повышается и составляет 18 - 18,6%о (1953г.).
При «осолоненном» типе распределения половодья (1954г.), поверхностная вода с соленостью более 18%о занимает всю восточную часть акватории, а трансформированная Дунайская вода с соленостью 13-14 %о распространяется тремя языками: на северо-восток к Днестровскому лиману, |
