The problem of ecological self-recovery in the Middle Ob regions subject to antropogenic oil production impact
- Authors: Usmanov I.Y.1, Ovechkina E.S2, Yumagulova E.R2, Ivanov V.B2, Shcherbakov A.V3, Shayakhmetova R.I2
-
Affiliations:
- Bashkir State University
- Nizhnevartovsk State University
- Ufa University of Economics and Service
- Issue: No 1 (2015)
- Pages: 79-86
- Section: Articles
- URL: https://vestnik.nvsu.ru/2311-1402/article/view/49407
- ID: 49407
Cite item
Full Text
Abstract
Full Text
Экосистемные функции, которые ранее считались неисчерпаемыми, в действительности оказались не беспредельны и существуют благодаря природному биологическому разнообразию, любые нарушения которого ведут к неизбежному снижению их эффективности. Усиление антропогенного давления на природу ведет к сокращению биоразнообразия, разрушению естественных природных комплексов и деградации жизненно важных экосистемных функций. Это приносит существенный экономический ущерб и представляет реальную угрозу для жизни и здоровья людей. При сохранении современных темпов уничтожения живой природы потери экосистемных услуг могут приобрести необратимый характер. Особо выделяют природные системы, которые имеют длительный период развития и являются наиболее уязвивыми при антропогенном воздействии. Восстановление их требует длительного времени. Смена сообществ на более простые и устойчивые к негативному воздействию способствует образованию антропогенных экосистем. В настоящее время накоплен значительный материал об изменениях болотных и заболоченных северных экосистем в США и Канаде, Северной Европе и Европейской части России. В рамках международных программ исследуются таежные биомы Ениссейского меридиана. К таковым относится проект IGBP-NES, имеющий целью изучение глобальных изменений в Северной Евразии [11]. В июне 2007 г. в Хайлигендамме (Германия) лидеры стран «Большой восьмерки» (включая Российскую Федерацию) одобрили проект «The Economics of Ecosystem and Biodiversity - TEEB» («Экономика экосистем и биоразнообразия»), направленный на выявление реальных выгод, предоставляемых для устойчивого развития глобальных экосистем, а также на оценку экономических потерь в результате снижения биоразнообразия. Вопросы о миграции и аккумуляции загрязняющих веществ в экосистемах, об их влиянии на процессы биологических объектов разного уровня организации становятся все более актуальными сегодня. Изучению на молекулярном и генном уровнях изменений функциональных свойств организмов посвящено много научных исследований как за рубежом, так и России [16-19; 21]. Развитие нефтяной и газовой добывающей промышленности на территории Среднего Приобья началось с середины 60-х гг. прошлого столетия, интерес вызывало только изучение ее геологии. В первые годы происходило интенсивное разрушение биомов, озера и болота, леса и реки загрязнялись нефтяными разливами. Связано это было и с ограничениями технологическими, и с удаленностью территории от густонаселенного центра России. Территория долгое время оставалась практически не изученной биологами и экологами. В начале 90-х гг. были получены первые сведения о флоре и фауне, растительных сообществах и оценке влияния на экосистемы нефтяного загрязнения [5; 13]. Экспедиционные исследования стали регулярными, значительный научный вклад внесли ботаники, зоологи Тюменского государственного университета, Уральской лесотехнической академии, Института экологии УрОАН [1-3; 6-8; 12]. В этот период появляются охраняемые территории: природные парки, заказники и памятники природы окружного значения. И все же литература о состоянии и динамике экосистем Среднего Приобья крайне малочисленна и фрагментарна. В связи с этим необходимо создание комплексной программы проведения всесторонних исследований экосистем Среднего Приобья и получение сопоставимых с мировыми количественных схем трансформации загрязнителей и самовосстановления экосистем. В результате реализации программы исследования самовосстановления экосистем Среднего Приобья при антропогенных воздействиях нефтедобывающего комплекса будут получены данные по приспособительным изменениям в экосистемах и растениях, включая реакцию на загрязнения при нефтедобыче с целью дифференциальной оценки наиболее уязвимых и устойчивых элементов различных экосистем, а также особенностей их самовосстановления. Ранее комплексные исследования экосистем Среднего Приобья не проводились, работа носит пионерный характер. Целью настоящей публикации является обсуждение основных черт программы «Самовосстановление природы Среднего Приобья». В последние годы исследование адаптивных механизмов на разных уровнях и моделирование дальнейшего развития процессов становится необходимостью для оценки современного состояния экосистем. В зарубежных и российских научных журналах имеется много сведений по различным биомам. Биологические системы разных уровней организации (генетического, молекулярного, организменного, популяционного, биогеоценотического) - звенья взаимосвязанных и иерархически соподчиненных единиц, изменения которых взаимообусловлены. Физиологические и химические исследования транспорта, связанные с различными видами загрязнителей, и влияние их на функциональные особенности растений и растительных сообществ изучаются особенно активно. В России имеется несколько центров проведения подобных исследований: Пущино, Карелия, Новосибирск и т.д. Зарубежные авторы все больше внимания уделяют поиску механизмов восстановления и ранней диагностике антропогенных изменений растений и сообществ, а также их биоиндикации. В настоящее время авторами программы накоплен обширный экспериментальный материал, свидетельствующий о влиянии загрязняющих веществ на фотосинтез, дыхание, транспирацию, окислительные процессы в мембранах клеток, водный обмен, поглощение и транспорт неорганических веществ в растениях. Патологические изменения физиологических процессов находят свое отражение в изменении морфологических признаков растений, таких как хлороз, некроз, замедление роста, преждевременное старение. Дальнейшее развитие повреждений приводит к исчезновению чувствительных видов и появлению более экологически пластичных устойчивых видов, снижению альфа- и бета-разнообразия, изменению продукционных процессов в растительных сообществах [4; 9; 10; 14; 15; 20]. Место закладки постоянных площадок определено с учетом природно-климатических условий Нижневартовского района и времени эксплуатации нефтяных месторождений. Первая группа площадок будет располагаться на территории Самотлорского месторождения - самого первого и наиболее интенсивно эксплуатируемого. Месторождение располагается в районе озера Самотлор, в подзоне средней тайги. Нефтяные шламы, промышленные площадки, трубопроводы и дороги - объекты, которые сопровождают развитие нефтяной добычи - это одна группа нарушений. В другую анализируемую группу биосистем будут включены прилегающие к ним площади, на которые оказывается косвенное воздействие. В ходе работ по проекту будет решен ряд задач. 1. Рассмотрен процесс распространения антропогенных факторов - загрязнителей в различных ландшафтах и экосистемах Среднего Приобья. Основные загрязнители: нефтепродукты и их производные, в том числе продукты деградации; подтоварные засоленные воды; антропогенные факторы эвтрофикации - соли азота, фосфора, калия, других веществ. Будет изучен процесс распространения загрязнителей по различным каналам миграции и трансформация антропогенных загрязнителей разной природы в ходе распространения по основным каналам: перенос загрязнителей с водными потоками; осаждение и переход загрязнителей в осадочные илы и растительные элементы торфов и торфянистых почв; поглощение загрязнителей активно вегетирующими растениями и дальнейшее их распространение по трофическим цепям. 2. Проведена комплексная оценка распространения нарушений элементов экосистем (растения и растительный покров в целом, торфы и почвы, другие элементы биоты) по ходу основных потоков загрязнителей. 3. Выполнена дифференциальная оценка динамики самовосстановления антропогенно нарушенных экосистем и их основных элементов при разных видах антропогенного пресса. По результатам будут внесены рекомендации по коррекции схем, сроков и технологий рекультивации с учетом особенностей ландшафтов и экосистем. Комплексная оценка влияния антропогенных факторов разной природы в ходе нефтедобычи в условиях различных экосистем Среднего Приобья ранее не проводилась. В связи с этим планируется проведение системых исследований с применением методов анализа разных составляющих экосистем. На уровне целостных экосистем будет проведен геоботанический и ресурсный анализ (проведение геоботанических описаний в районах распространения антропогенных факторов и оценка изменения вклада разных видов растений в общую продуктивность биоценоза); почвенный анализ (анализ трансформации почвенных характеристик под влиянием действующих факторов и анализ накопления и перераспределения элементов загрязнения в илах и почвенных горизонтах экосистем Среднего Приобья). Ландшафтно-географический и гидрологический анализ в совокупности с ресурсно-геоботаническим и почвенным анализами позволит выявить черты сходства и различия в механизмах распределения и природной утилизации загрязнителей разной природы. Ландшафтно-географический анализ позволит выделить альтернативные варианты природной утилизации загрязнителей и, в конечном итоге, создать типологию функционирования различных экосистем при антропогенном прессе/стрессе. На уровне целого растения будет изучена изменчивость параметров продуктивности основных видов растений биогеоценозов (экосистем) под влиянием антропогенного пресса (морфологический анализ формирования растений основных видов сообществ; накопление и распределение биомассы в растениях в условиях антропогенного пресса; изменчивость биологической продуктивности по частям растений; соотношение вегетативной и репродуктивной частей (репродуктивное усилие); иные морфологические индексы, используемые в системах экологического тестирования); типы экологических стратегий болотных растений, выявленные на основе параметров структуры биомассы растений с использованием дискриминантного анализа. На физиолого-биохимическом уровне будет проведена физиологическая и биохимическая оценка влияния загрязнителей на жизненно важные функции растений, оценка эколого-физиологических параметров растений при отсутствии антропогенного пресса; оценка накопления и распределения по органам растений загрязнителей; оценка вероятности накопления загрязнителей в хозяйственно-ценных частях растений (ягоды, орехи, другие части растений). За основу взяты следующие параметры: - особенности водного обмена путем определения содержания воды в органах, интенсивности транспирации листьев, водоудерживающей и водопоглощающей способности листьев, свободной и связанной воды в них; - особенности фотосинтеза и дыхания у сосудистых растений верховых болот газометрическим методом; - особенности строения и функционирования устьичного аппарата сосудистых растений верховых болот путем определения устьичного сопротивления, площади листовых пластинок, количества устьиц на единицу площади листа, длины и ширины устьичной щели с применением цифрового микроскопа КН-7700 (Япония); - особенности количественного содержания пигментов в листья и в плодах болотных растений спектрофотометрическим методом; - биохимические особенности синтеза основных групп органических соединений в различных частях растений болот путем определения содержания общего и нитратного азота, растворимых сахаров, углерода, белка, ферментов алкогольдегидрогеназы и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы, физиологически активных веществ специализированного обмена - флавоноидов, органических кислот, а также зольных элементов атомно-адсорбционным методом анализа; - особенности накопления и распределения химических загрязнителей (нефтепродуктов и их производных, солей подтоварных вод) по органам растений, в том числе и в хозяйственно-ценных частях растений (ягоды, орехи, другие части растений); - типы экологических стратегий у болотных растений, определенные на основе физиологических параметров с использованием дискриминантного анализа. На системно-аналитическом уровне планируется создание альтернативных моделей функционирования разных экосистем и их основных элементов в условиях антропогенного загрязнения; построение сетевых схем распределения загрязнителей; построение перкаляционных моделей условий достижения загрязнителями критических уровней в экосистемах разной конфигурации; разработка технологий выделения критических точек для трансформации перкаляционных процессов и предотвращения формирования критических экологических ситуаций. На основании проведенных исследований будет проведен сравнительный анализ параметров приспособительных и деструктивных изменений в экосистемах (биогеоценозах) и растениях с целью дифференциальной оценки наиболее уязвимых и устойчивых элементов различных экосистем Среднего Приобья. На основании эколого-социо-экономических критериев будет предложена схема стимуляции и оптимизации процессов самовосстановления экосистем при антропогенном стрессе в условиях Среднего Приобья. Таким образом, отправной точкой проекта является почти полное отсутствие знаний о механизмах распространения и трансформации элементов антропогенного загрязнения нефтедобывающего комплекса в различных экосистемах Нижневартовского района. В связи с этим общей задачей является получение комплексного массива сведений об особенностях распространения и трансформации элементов антропогенного загрязнения на основных уровнях организации экосистем. Практическим результатом обработки полученных массивов данных будет оптимизация схем усиления и поддержки природных механизмов самовосстановления экосистем. На уровне экосистем будет прослежено перераспределение загрязнителей по основным потокам и пулам. Эти потоки будут сравниваться по долевому участию в распределении исходной массы загрязнителя, скорости распространения и трансформации в различных экосистемах. С высокой долей вероятности будет различаться и качественный состав продуктов трансформации загрязнителей в зависимости от ландшафтных, физико-химических и биотических, в том числе генетических особенностей популяций растений, формирующих соответствующие ценозы. Первый поток загрязнителей - это поверхностный смыв загрязнителей при наличии постоянных или сезонных потоков воды. При этом загрязнители связываются и трансформируются в нижележащих экосистемах либо попадают в ручьи и реки. Второй поток - формирование донных илов с участием загрязнителей либо включение загрязнителей в состав торфяных масс вблизи от первичного источника антропогенного загрязнения. При этом загрязнитель может депонироваться как в данной экосистеме (биогеоценозе), так и в соседних, обладающих иным набором свойств. Третий поток - накопление и поглощение загрязнителей активно вегетирующими растениями (высшие растения, мхи, лишайники). В качестве рабочей гипотезы предполагается, что экосистемы ландшафтных провинций Среднего Приобья формируют специфические наборы режимов, которые, в свою очередь, формируют кардинальные различия в формировании итоговых пулов загрязнителей и их трансформантов. На уровне отдельных растений будут рассмотрены основные пути распространения загрязнителей по видам растений, входящих в экосистемы; по метаболическим цепям в растениях с их трансформацией в токсичные либо нейтральные формы; по трофическим цепям от растений к животным и человеку; переход загрязнителей в растительный опад с последующей консервацией в торфах. На системно-аналитическом уровне - создание альтернативных моделей функционирования разных экосистем и их основных элементов в условиях антропогенного загрязнения; построение сетевых схем распределения загрязнителей; построение перкаляционных моделей условий достижения загрязнителями критических уровней в экосистемах разной конфигурации; разработка технологий выделения критических точек для трансформации перкаляционных процессов и предотвращения формирования критических экологических ситуаций.About the authors
I. Yu Usmanov
Bashkir State University
Email: iskander.usmanov@mail.ru
Doctor of Biology, Professor at the Department of Botany Ufa
E. S Ovechkina
Nizhnevartovsk State University
Email: pinus64@mail.ru
Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Ecology Nizhnevartovsk
E. R Yumagulova
Nizhnevartovsk State University
Email: elvirau2009@yandex.ru
Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Ecology Nizhnevartovsk
V. B Ivanov
Nizhnevartovsk State University
Email: karatazh@yandex.ru
Candidate of Pedagogy, Assistant Professor at the Department of Ecology Nizhnevartovsk
A. V Shcherbakov
Ufa University of Economics and Service
Email: Humanist314@rambler.ru
Doctor of Biology Ufa
R. I Shayakhmetova
Nizhnevartovsk State University
Email: 19raj83@rambler.ru
Technician at the Geo-ecological Research Laboratory Nizhnevartovsk
References
- Арестова И.Ю., Опекунова М.Г., Опекунов А.Ю., Кукушкин С.Ю. Эколого-геохимическая оценка состояния природной среды в районах нефтедобычи // Геохимия биосферы. М.; Смоленск, 2006.
- Водяницкий Ю.Н., Аветов Н.А., Савичев А.Т., Трофимов С.Я., Шишконакова Е.А. Содержание химических элементов в торфяных почвах, засоленных буровыми сточными водами на участке добычи нефти в Среднем Приобье // Агрохимия. 2013. № 1.
- Волегова Е.А., Шепелева Л.Ф. Эколого-морфологическая классификация растительности долинного комплекса Оби (Среднее Приобье) // Вестн. Тюменского гос. ун-та. 2012. № 6.
- Иванов В.Б., Мухаметдинова Э.А., Королик В.С. Распределение загрязнения тяжелыми металлами в снежном покрове г. Нижневартовск // Вестн. Тюменского гос. ун-та. 2010. № 3.
- Иванова Н.А., Юмагулова Э.Р. Биохимические особенности растений олиготрофных болот в условиях Среднего Приобья // Естественные науки. 2012. № 4.
- Казанцева М.Н. Влияние нефтедобычи на живой напочвенный покров таежных лесов Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2011. Т. 18. № 6.
- Казанцева М.Н., Гашев С.Н., Казанцев А.П. Влияние нефтедобычи на состояние и продуктивность живого напочвенного покрова и Оxycoccus palustris Pers. верховых болот Среднего Приобья // Растительные ресурсы. 2002. Т. 38. № 1.
- Козлов С.А., Аветов Н.А. Воздействие шламовых амбаров на видовой состав и структуру растительных сообществ верховых болот Среднего Приобья // Сибирский экологический журнал. 2014. Т. 21. № 3.
- Москвина И.Л., Овечкина Е.С., Овечкин Ф.Ю. Изменение некоторых морфологических параметров сосны обыкновенной в зоне влияния факелов сжигания попутного нефтяного газа Среднего Приобья // Проблемы региональной экологии. 2006. № 3.
- Овечкина Е.С., Шаяхметова Р.И. Морфологические изменения сосны обыкновенной на территории Нижневартовского района // Вестн. Нижневарт. гос. ун-та. 2013. № 3.
- Петренко Е., Муратова Е. Мередиан научного сотрудничества // Наука в Сибири. 1998. № 3-4 (2139-2140).
- Сартаков М.П. Адсорбционная способность гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Вестн. Алтайского гос. аграрного ун-та. 2011. № 4 (78).
- Титов Ю.В., Овечкина Е.С. Растительность поймы реки Вах. Нижневартовск, 2000.
- Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений. М., 2001.
- Щербаков А.В., Усманов И.Ю., Нуриев И.Ф. Биохимия вторичного метаболизма. Уфа, 2001.
- Biester H., Keppler F. Halogen retention, organohalogenes, and the role of organic matter decomposition on halogen enrichment in two Chilean peat bogs // Environ. Sci. Technol. 2004. V. 37.
- Chmielewski F.-M., Rötzer T. Response of tree phenology to climate change across Europe // Agricultural and Forest Meteorology. 2001. V. 108.
- Crommentuijn T., Polder M.D., Van de Plassche E.J. Maximum permissible concentrations and negligible concentrations for metals, taking background concentrations into account // RIVM Report 601501001. Bilthoven, 1997.
- Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. 4th ed. Boca Raton, FL, 2010. Р. 331.
- Rakhmankulova Z.F., Ramazanova G.A., Usmanov I.Yu. Growth and respiration in plants rom various adaptation groups as affected by mineral nutrient deficiency // Russian Journal of Plant Physiology. 2001. Т. 48. № 1.
- Savichev A.T., Vodyanitskii Yu.N. Determination of barium, lanthanum and cerium contents in soils by the X-Ray radiometric method // Euras. Soil Sci. 2009. V. 42. № 13.