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:
    1. Bashkir State University
    2. Nizhnevartovsk State University
    3. Ufa University of Economics and Service
  • Issue: No 1 (2015)
  • Pages: 79-86
  • Section: Articles
  • URL: https://permmedjournal.ru/2311-1402/article/view/49407
  • Cite item

Abstract


This work is a devoted to a comprehensive assessment of the different anthropogenic impact in the course of oil production in a variety of ecosystems of the Middle Ob region, which has not previously been evaluated. Therefore it is planned to hold systematic studies using different analytical methods to assess various components of ecosystems. The researchers plan to hold a geobotany and resource analysis of integral ecosystems (geobotanic description in areas subject to anthropogenic factors and assessment of changes in the contribution of different plant species in the overall productivity of ecological community); a soil analysis (analysis of the soil transformation under the impact and analysis of the accumulation and redistribution of pollution elements in sediments and soil horizons in the ecosystems of the Middle Ob). The landscape-geographical and hydrological analysis joined with the resource-geobotanical and soil analysis will allow the researchers to determine the similarities and differences in the mechanisms of distribution and natural utilization of various contaminants. The landscape-geographical analysis will highlight the natural alternatives for utilizing the pollutants and, ultimately, allow creating a typology of different ecosystems under anthropogenic stress. A whole plant will be studied for the variability of the productivity parameters of the major biogeocenosis (ecosystems) plant species subject to the anthropogenic stress (morphological analysis of development of plants belonging to the major types of plant communities, accumulation and distribution of biomass in plants under anthropogenic stress; variability of biological productivity in parts of plants; ratio of the autonomic and reproductive parts (reproductive effort); other morphological indices used in the environmental testing). In terms of the physiological and biochemical level, the researchers will hold a physiological and biochemical assessment of the pollutant impact on the vital functions of plants, an evaluation of ecological and physiological parameters of plants in the absence of anthropogenic stress; an assessment of accumulation and distribution of pollutants in plant organs; an assessment of the probability of pollutant accumulation in economically valuable parts of plants (berries, nuts, other parts of plants). In terms of the system-analytical level, it is planned to develop alternative functioning models of different ecosystems and their basic elements subject to anthropogenic pollution; to build a network of pollutant distribution schemes; to develop various percolation models of the conditions for critical levels of pollutants in ecosystems; to develop the technologies for determining critical points for transforming the percolation processes and preventing critical environmental situations. Based on the study, the researchers will be hold a comparative analysis of the parameters characterizing adaptive and destructive changes in ecosystems (biogeocenoses) and plants in order to make a differential assessment of the most vulnerable and stable elements of different ecosystems in the Middle Ob region. On the basis of ecological and socio-economic criteria, the researchers will put forward a scheme to stimulate and optimize the self-recovery of ecosystems under anthropogenic stress in the Middle Ob region.

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
Ufa
Doctor of Biology, Professor at the Department of Botany

E. S Ovechkina

Nizhnevartovsk State University

Email: pinus64@mail.ru
Nizhnevartovsk
Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Ecology

E. R Yumagulova

Nizhnevartovsk State University

Email: elvirau2009@yandex.ru
Nizhnevartovsk
Candidate of Biology, Assistant Professor at the Department of Ecology

V. B Ivanov

Nizhnevartovsk State University

Email: karatazh@yandex.ru
Nizhnevartovsk
Candidate of Pedagogy, Assistant Professor at the Department of Ecology

A. V Shcherbakov

Ufa University of Economics and Service

Email: Humanist314@rambler.ru
Ufa
Doctor of Biology

R. I Shayakhmetova

Nizhnevartovsk State University

Email: 19raj83@rambler.ru
Nizhnevartovsk
Technician at the Geo-ecological Research Laboratory

References

  1. 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.
  2. 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.
  3. Волегова Е.А., Шепелева Л.Ф. Эколого-морфологическая классификация растительности долинного комплекса Оби (Среднее Приобье) // Вестн. Тюменского гос. ун-та. 2012. № 6.
  4. 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.
  5. Иванова Н.А., Юмагулова Э.Р. Биохимические особенности растений олиготрофных болот в условиях Среднего Приобья // Естественные науки. 2012. № 4.
  6. Казанцева М.Н. Влияние нефтедобычи на живой напочвенный покров таежных лесов Западной Сибири // Сибирский экологический журнал. 2011. Т. 18. № 6.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Овечкина Е.С., Шаяхметова Р.И. Морфологические изменения сосны обыкновенной на территории Нижневартовского района // Вестн. Нижневарт. гос. ун-та. 2013. № 3.
  11. Петренко Е., Муратова Е. Мередиан научного сотрудничества // Наука в Сибири. 1998. № 3-4 (2139-2140).
  12. Сартаков М.П. Адсорбционная способность гуминовых кислот торфов Среднего Приобья // Вестн. Алтайского гос. аграрного ун-та. 2011. № 4 (78).
  13. Титов Ю.В., Овечкина Е.С. Растительность поймы реки Вах. Нижневартовск, 2000.
  14. Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений. М., 2001.
  15. Щербаков А.В., Усманов И.Ю., Нуриев И.Ф. Биохимия вторичного метаболизма. Уфа, 2001.
  16. 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.
  17. Chmielewski F.-M., Rötzer T. Response of tree phenology to climate change across Europe // Agricultural and Forest Meteorology. 2001. V. 108.
  18. 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.
  19. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. 4th ed. Boca Raton, FL, 2010. Р. 331.
  20. 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.
  21. 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.

Statistics

Views

Abstract - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies