авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Биогенная миграция микроэлементов в океане

-- [ Страница 1 ] --

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА РАН

На правах рукописи

УДК 550.42: 551.463.

ДЕМИНА

Людмила Львовна

БИОГЕННАЯ МИГРАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

В ОКЕАНЕ

25.00.08 – Океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Романкевич

Евгений Александрович, Учреждение Российской академии наук

Институт океанологии им.П.П.Ширшова РАН

доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Моисеенко

Татьяна Ивановна, Учреждение Российской академии наук Институт

Геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского РАН

Доктор географических наук, профессор Федоров Юрий

Александрович, Геолого-географический факультет Южного

федерального университета (Ростов-на-Дону)

Ведущая организация:

ВНИИОкеангеология МПР РФ, г.Санкт-Петербург

Защита состоится «22» июня 2010 г. в 14 часов на заседании

диссертационного Совета Д 002.239.03 при Учреждении Российской академии наук –Институте океанологии им. П.П.Ширшова РАН по адресу Москва 117997, Нахимовский проспект, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

Автореферат разослан «_____»_____________2010 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д 002.239.03

кандидат биологических наук Т.А.Хусид

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Под термином биогенная миграция понимается перенос химических элементов в процессе жизнедеятельности организмов, главным свойством которых является интенсивный энерго- и массообмен с окружающей средой (Вернадский,1923). Живое вещество океана на 99,9% состоит из 12 химических элементов: H, C, N, O, P, Al, S, Na, K, Ca, Mg, Cl, и лишь на оставшиеся 0,1% в сумме приходится около 100 микроэлементов с содержанием 10-2 - 10-8 %. Основными геохимическими предпосылками биогенной миграции микроэлементов являются следующие: 1) способность к образованию устойчивых растворенных металлорганических комплексов, что способствует повышению их миграции; 2) участие большинства микроэлементов (Fe, Mn, Zn, Cu, Сd, Ni, Co, Cr и др.) в процессах фотосинтеза, окисления-восстановления, углеводного обмена, гидролиза, активизации ферментов и гормонов и др.; 3) «всюдность жизни» (Вернадский, 1967) - повсеместная заселенность вод океана живыми организмами, которые в процессе метаболизма выделяют в воду органические лиганды, связывающие микроэлементы. Первичная продукция и сукцессия фитопланктона в значительной мере зависит от наличия биодоступных форм металлов (Sunda, 1989; Bruland et al., 1991).

Одной из важнейших биогеохимических функций живого вещества служит концентрационная, т.е. биоаккумуляция химических элементов из состояния рассеяния, которая осуществляется наряду с кислородной, газовой, окислительно-восстановительной, деструктивной, биоминеральной и другими функциями (Вернадский, 1934).

За последние полвека установлена важная роль биогенной седиментации в океане (Лисицын, 1966,1974, 1978, 1986, 2001; Богданов, 1979, 1981), обусловленной процессами биопродуцирования (Богоров,1959,1968; Романкевич, 1977, 1988). А.П.Лисицыным и М.Е. Виноградовым создана концепция живого океана (1981, 1982), согласно которой осадочный материал, поступивший в океан из разных источников (с речным стоком, аэрозолями, эндогенным веществом), трансформируется под влиянием живого вещества А.П.Лисицын (1986). Термин «биофильтр», сначала применявшийся при изучении активности зоопланктона и фильтрующих бентосных организмов (Богоров, 1959; Зенкевич, 1963) позднее был расширен для характеристики биоседиментационной деятельности морских организмов, использующих, наряду с фильтрацией, и биосинтез (Лисицын, 1986). В океане действует трехступенчатая система биофильтров. Фитопланктон, осуществляющий первичное биопродуцирование в зоне фотосинтеза, является энергетической основой биогеохимических процессов, это – глобальный биофильтр-1. Зоопланктон, улавливающий при фильтрации фитопланктон, производит вторичное биопродуцирование и вертикальные потоки биогенных частиц - глобальный биофильтр–2. Бентосные сообщества, перерабатывающие осадочный материал на дне, - глобальный биофильтр-3 (Лисицын, 1983, 2001, 2004, 2008).

Актуальность темы связана с необходимостью получения не только качественной, но и количественной оценки роли живого вещества океана в геохимической миграции группы микроэлементов, включающей тяжелые металлы и металлоиды, в различных геохимических условиях океана.

Возросший в последние десятилетия антропогенный привнос группы тяжелых металлов в атмо- и гидросферу, нередко превышающий их природную поставку до пяти раз (Callender, 2004), вызывает необходимость исследования процессов взаимодействия ТМ и живого вещества. Изучение биоаккумуляции тяжелых металлов важно при проведении биомониторинга акваторий, поскольку донные беспозвоночные являются одним из наиболее массовых компонентов биотической системы самоочищения водоемов (Зенкевич, 1963; Лисицын, 1994; Моисеенко, 1997; Остроумов, 2000).

Согласно геохимической классификации В.И.Вернадского (1983), тяжелые и переходные металлы и металлоиды входят в группу циклических или органогенных элементов (наряду с C, O, H, N, P, S). Для этой группы характерны разнообразные геохимические обратимые процессы в водной среде: при поглощении и/или адсорбции биотой они метаболируются, накапливаются и выделяются. Это является одним из главных их отличием от других опасных загрязнителей - углеводородов и радиоактивных элементов, которым свойственно разложение со временем.

Появление в начале 70-ых годов высокочувствительных методов анализа, главным образом, атомной абсорбции и нейтронной активации, позволивших надежно определять микроконцентрации элементов на уровне <10-3 %, обусловили развитие нового направления - биогеохимии группы тяжелых металлов и металлоидов в организмах фито- и зоопланктона, макрофитах, бентосе (Martin, Knauer, 1973; Bruland,1983; Brewer, 1975; Патин и др., 1976, 1977; Eisler,1981; Морозов, 1983; Collier, Edmond, 1984; Саенко, 1981, 1989, 1992; Романкевич, 1988; Савенко, 1988; Христофорова, 1989,1994; Li, 1991; Szefer et al.,1997, 2000, 2006; Ruelas-Insinza et al., 2001; Кузнецов, Демина, 2002; Ho et al., 2006, 2007; и др.). Свойство токсичных металлов - биоаккумуляция - используется на практике как важный инструмент при проведении экологического мониторинга загрязнения прибрежных экосистем (Goldberg,1975; Христофорова, 1994). Морские организмы в процессе жизнедеятельности, кроме трансформации химических элементов, производят биоминерализацию, т.е. образование из растворенных форм скелетного материала карбонатного (фораминиферы, коккосферы, птероподы, кораллы, моллюски, иглокожие) – в виде минеральных фракций кальцита и арагонита или кремневого, в основном опалового (диатомовые водоросли, радиолярии, губки и т.д.) состава. Биоминералы служат не только защитными панцирями, но и служат первичным звеном формирования биогенных осадков океана, состоящим в среднем на 40-50% из (CaCO3+SiO2+2Cорг (Лисицын, 1978).

В работе рассматриваются 14 микроэлементов, которые представлены группой тяжелых и переходных металлов (Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Ag, Hg, Pb), а также металлоидами (As, Sb, Se). Большинство из них элементов выполняют в организмах важные биохимические функции (катализаторы фотосинтеза, реакций окисления-восстановления и биосинтеза, коферменты, энзимы, гормоны, индукторы синтеза металлотионеинов, антиоксиданты). В то же время при превышении определенных концентраций они становятся опасными загрязнителями морской среды, наряду с такими токсичными микроэлементами как Ag, Hg, Pb, Cd, As, Sb, а также радионуклидами и улеводородами (Goldberg, 1975; Патин, 1977; Израэль, Цыбань, 1989).

В открытых с помощью подводных аппаратов около 30 лет назад глубоководных гидротермальных областях обнаружено обилие жизни (Corliss, 1977), источником которой служит хемосинтез (Jannasch, Wirsen, 1979; Гальченко и др., 1988). Гидротермальные организмы функционируют в условиях экстремально высоких температур, давления, концентраций восстановленных газов, тяжелых металлов и радионуклидов, которые не встречаются в обычных биотопах зоны фотосинтеза. В виде массивных рудных построек на дне концентрируется лишь около 5 % рудного вещества, остальная часть рассеивается и/или осаждается за их пределами (Rona, 1984; Лисицын,1993). Уровни концентрации тяжелых металлов в воде гидротермальных биотопов близки по порядку величин к районам, испытывающим антропогенные нагрузки (Kadar et al., 2005; Демина, Галкин, 2008). Отсюда исследование биоаккумуляции металлов в гидротермальной фауне интересно как для практической оценки границ устойчивости организмов в условиях сверхвысоких уровней металлов, так и с точки зрения фундаментальной проблемы - геохимической миграции элементов в океане. Несмотря на ряд публикаций по биогеохимии микроэлементов в отдельных группах организмов (Roesijadi et al., 1984; Flegal, Smith, 1989; Леин и др., 1989, Лукашин и др., 1990; Rousso et al., 1998; Сolaso et al., 2000; Kadar et al., 2005; 2006, 2007; Cosson et al., 2008; и др.), остается ряд нерешенных вопросов, обусловленных сложностью и труднодоступностью океанских гидротермальных систем. Это, прежде всего, связь между аккумуляцией микроэлементов в фауне и абиотическими условиями среды обитания, биологическими факторами, а также характером распределения и биомассой донных сообществ гидротермальных областей Срединно-Атлантического хребта (САХ) и Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП), которые различаются по геологическим характеристикам.

Цель работы – исследовать биогенную миграцию ряда тяжелых металлов и металлоидов в океане и оценить роль глобальных биофильтров в их накоплении.

Основные задачи исследований

  1. Исследовать распределение металлов в организмах доминирующих сообществ, обитающих в трех геохимически различных обстановках океана: маргинальный фильтр, фотическая зона и пелагиаль океана, глубоководные гидротермальные поля рифтовых зон САХ и ВТП.
  2. Выявить влияние основных абиотических и биотических факторов на аккумуляцию микроэлементов в биоте океана.
  3. Оценить вклад карбонатной биоминерализации в накопление микроэлементов в биомассе организмов.
  4. Дать количественную оценку концентрирующей функции биосообществ в миграции микроэлементов.
  5. Оценить геохимические последствия биоаккумуляции микроэлементов в биомассе организмов.
  6. Провести сопоставление биоаккумуляции микроэлементов в трех глобальных биофильтрах океана (в расчете на биомассу доминирующих сообществ в биотопе).

Научная новизна. В работе впервые:

1) Проведен сравнительный анализ распределения ряда микроэлементов в доминирующих биосообществах, обитающих в геохимически различных обстановках океана – маргинальном фильтре и глубоководных областях океана, который показал, что среднее содержание каждого из металлов (мкг/г сух.в.) варьирует в пределах десятичного порядка величин: Fe n102-103; Zn n101- n102; Cu, Ni, Mn 101-102 ; Pb, As 1 -101; Ag, Cr, Co, Cd, 0,1-1; Hg <0,1.

2) Показано, что биоаккумуляция в глубоководных гидротермальных областях определяется как абиотическими (содержание и биодоступность микроэлементов в воде биотопов), так и биотическими факторами (трофические взаимодействия, онтогенез).

  1. Предложен метод оценки биоаккумуляции, основанный на расчете содержания микроэлементов на массу целых организмов (с учетом весовой доли составляющих их органов) и биомассу их в биотопе.
  2. Количественно оценена роль биоминерализации в накоплении тяжелых металлов на примере карбонатных скелетов двустворчатых моллюсков (с шельфа и глубоководной гидротермали). Преобладающая масса Fe, Cr, Co, Pb, Ni, Mn (от 70 до 97%) и почти половина Zn, As, Ag и Hg сосредоточена в раковинах, которые служат служат своеобразным резервуаром для накопления ряда микроэлементов, который сохраняется в геологических разрезах и является важным источником информации о среде и климате геологического прошлого.

5) Выявлено аномальное (трех- и > кратное превышение над фоном) соотношение взвешенных и растворенных форм Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Co и др. микроэлементов в водной толще в районах выхода холодных сипов (Парамуширский подводный склон).

Методология, материал и методы исследования

Автор использовал методологию системного подхода, при котором биогеохимические процессы, в частности, биоаккумуляция микроэлементов, рассматриваются во взаимосвязи со средой обитания (Кузнецов и др., 1992). Отбор, химическая подготовка и анализ образцов проводился в течение многих лет по единому плану и единообразным методикам полевого и лабораторного исследования с помощью современных приборов, что является основой для корректного сопоставления полученных результатов.

В основу диссертации положены данные, полученные автором в результате многолетних (начиная с 1978 г.) исследований. Научные материалы были получены в экспедициях на научно-исследовательских судах Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН в Тихий, Атлантический и Индийский океаны, Черное, Балтийское, Белое и Карское моря. Экспедиционный материал включал 835 проб растворов (включая формы нахождения), 950 проб взвеси на фильтрах, 166 пробы бентосных организмов из зоны фотосинтеза и 213– из гидротермальных зон; 97 проб планктона и макрофитов, 21 проба альгобактериальных матов; 45 проб аэрозолей, 20 проб осадочного материала из седиментационных ловушек, 158 проб донных осадков. Во многих образцах были определены формы нахождения микроэлементов. Всего было отобрано и проанализировано 2505 природных образцов из различных районов океана, выполнено в сумме свыше 15 тысяч элементо-определений. Содержание химических элементов было определено с помощью современных высокочувствительных методов анализа: атомно-абсорбционная спектрометрия (пламенный и электротермический варианты), атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, инструментальный нейтронно-активационный анализ, инверсионная вольтамперометрия, рентгеновский микроанализ с микрозондом, рентгено-диффрактометрический анализ.

Учитывая низкий уровень концентраций большинства исследуемых элементов, важное внимание уделялось особым условиям чистоты при пробоотборе, хранении и аналитической обработке проб.

Достоверность результатов основана на метрологическом обеспечении результатов, которое предусматривает постоянный контроль качества получаемых результатов анализа с помощью международных стандартных образцов речной и эстуарной воды (SLRS-4, SLEW-3), тканей беспозвоночных (NIST SRM 2976 mussel tissue, IAEA MA-A-2/T fish flash) и различных донных отложений (BCSS-1, GSD-3, 5, 7; QTM-073MS). Автор неоднократно участвовал в международных интеркалибрациях. Результаты исследований получены с помощью современных высокочувствительных методов количественного химического анализа в аккредитованном Аналитическом центре Института океанологии им.П.П.Ширшова РАН (№ РОСС RU.0001.514963).

Практическая значимость работы. Выполненное в процессе исследований научное обобщение вносит вклад в развитие фундаментальной и прикладной биогеохимии.

1) Результаты изучения биоаккумуляции группы токсичных металлов (Cd, Pb, Ag, As, Hg) в двустворчатых моллюсках можно использовать для оценки уровня загрязнения прибрежных областей. Показано, что содержание металлов в целом организме мидий с учетом весового вклада раковин, в биомассе которых сосредоточены многие токсичные металлы, более корректно отражает реальную ситуацию с накоплением металлов. Этот факт следует учитывать при проведении эколого-геохимических оценок биотического самоочищения водоемов и использовании ракушняка в качестве минеральных добавок.

2) Предложенный в работе подход к определению биоаккумуляции тяжелых металлов в организмах в расчете на их биомассу на единицу площади биотопа может служить количественной оценкой доли металлов, поглощаемой прибрежными донными сообществами из морских водоемов в процессе самоочищения, что важно принимать во внимание при геоэкологических исследованиях.

3) Данные по соотношению форм нахождения металлов, особенно, железа и марганца, в придонных водах континентального склона о. Парамушир могут иметь поисковое значение при исследованиях в областях газогидратной разгрузки (холодный сипинг).

4) Результаты изучения распределения токсичных металлов в животных, обитающих в гидротермальных областях, можно использовать для биотехнологических целей и моделирования адаптаций организмов к обитанию в сверхреакционной среде с предельно высокими концентрациями металлов в воде.

Личный вклад автора. В основу диссертации положены исследования, проведенные автором. Автор принимал участие в сборе и обработке значительной части экспедиционного материала. Фактический материал базируется на данных химических анализов, выполненных автором или при его участии. Некоторые методики были разработаны/внедрены при участии автора: концентрирование металлов из морской воды (Тр.ВНИРО, 1974; ЖАХ, 1984; Геохимия, 1988), подготовка водной взвеси и формы нахождения химических элементов в ней (Океанология, 1982; ДАН СССР, 1986), выделение органической фракции металлов из воды и взвеси (Океанология, 1986).

Постановка задач исследования и все выводы работы принадлежат автору.

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации докладывались на одиннадцати Международных Школах морской геологии (1978-2009 г.г.), Всесоюзных конференциях по методам морской геологии (1985, 1987 г.г., Светлогорск), Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (1989 г., Москва), Международном совещании по взаимодействию суши и океана в Российской Арктике (2004 г., Москва); Международной конференции по биологии гидротерм (2006 г., Саутхемптон, Англия), Международной конференции по геохимии биосферы (2006 г., МГУ, Москва), Международной конференции по тяжелым металлам и радионуклидам (2008 г., Семипалатинск), 4-ом Международном симпозиуме по биологии хемосинтетических биосфер (2009, Окинава, Япония). Главные разделы диссертации неоднократно обсуждались на семинарах и коллоквиуме в Лаборатории физико-геологических исследований, а также докладывались на Ученом совете геологического направления и Ученом совете Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН.

По теме диссертации опубликовано 113 работ, в том числе 42 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных Перечнем ВАК, одна личная монография, 4 главы в книгах и 24 статьи - в сборниках издательства РАН «Наука» и др. Четыре статьи находятся в печати в рецензируемых журналах.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.