Вулканология и сейсмология, 2021, № 5, стр. 35-45

ВВЕДЕНИЕ

Комплексный мониторинг экосистем – система регулярных наблюдений за экосистемами с целью оценки их состояния, прогноза изменения в будущем и информационного обеспечения принятия управленческих, проектных и технологических решений в области сохранения природных ресурсов, биологического и ландшафтного разнообразия, ведения устойчивого экологически ориентированного лесного, охотничьего и сельского хозяйства [Водопьянова, 2011].

Особо охраняемые природные территории (ООПТ) – участки земли, водной поверхности и воздушного пространства над ними, где располагаются природные комплексы и объекты, которые имеют особое природоохранное, научное, культурное, эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение, которые изъяты решениями органов государственной власти полностью или частично из хозяйственного использования и для которых установлен режим особой охраны [Реймерс, Штильмарк, 1978]. К таким территориям относятся заповедники, национальные парки, федеральные заказники [Жарников и др., 2016].

О необходимости обособления вулканогенных экосистем писал Е.К. Мархинин [1980], в своей книге “Вулканы и жизнь” он рассматривал значение вулканических процессов для образования среды обитания живых организмов. Первым опытом в отечественной литературе считается обособление А.М. Стенченко Узон-Гейзерного гидротермального биогеоценоза в 1977 г. [Стенченко, 1977]. В статье “Вулканогенные экосистемы: предпосылки и возможности обособления” В.Е. Быкасов показал продуктивность разработки и создания экологического мониторинга вулканических областей в целях рационального природопользования [Быкасов, 2005]. Экосистемы термальных источников на примере Чукотского полуострова подробно рассматривались в 1981 г. [Экосистемы …, 1981].

Выбранное для изучения Нижне-Кошелевское термальное поле находится на территории Южно-Камчатского заказника, включенного в Список объектов Всемирного культурного и природного наследия ЮНЕСКО. Российская Федерация взяла на себя обязательства по сохранению природных экосистем “Вулканов Камчатки”.

Основными задачами мониторинга экосистем ООПТ являются:

– оценка состава и структуры экосистем ООПТ;

– оценка состояния основных категорий природных комплексов ООПТ по совокупности критериев, основанных на биоиндикационных, биогеохимических, ландшафтных, гидрологических и других экологических показателях;

– оценка эффективности режимов охраны и природопользования на ООПТ;

– выявление угроз состоянию экосистем и их компонентов, определение основных факторов (природных и антропогенных), оказывающих негативное влияние на состояние экосистем ООПТ;

– накопление результатов мониторинга и их предоставление в установленном порядке заинтересованным органам государственного управления, государственным природоохранным учреждениям, научным организациям, общественности и другим;

– выработка рекомендаций для принятия управленческих решений в отношении природных комплексов (экосистем) ООПТ [Водопьянова, 2011].

Таким образом, целью данной работы является подробное рассмотрение вулканогенной экосистемы Нижне-Кошелевского термального поля, задачей – выявление состава и структуры данной экосистемы и выработка рекомендаций для дальнейшего мониторинга.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Пробы термальных растворов и донных осадков были отобраны в грязевых и водных кипящих котлах на территории Нижне-Кошелевского термального поля (Южная Камчатка) (в данной статье рассматриваются 8 точек) (рис. 1, табл. 1). В опробованных источниках с помощью портативного мультипараметрового анализатора WATER TEST определялись физико-химические параметры растворов: температура, pH, Eh, минерализация. Для определения минерализации вод использовали электрокондуктивность – SEC (specific electrical conductivity), которая замеряется инструментально in situ. С помощью коэффициента (0.55–0.76) SEC переводится в минерализацию – TDS (total dissolved solid) [Чудаев, 2002]. Химический состав осадков изучен на кафедре инженерной и экологической геологии на рентгеновском кристалл-дифракционном вакуумном спектрометре “Спектроскан Макс GV” В.В. Шаниной под руководством проф. Е.Н. Самарина, состав термальных растворов определен на кафедре геохимии МГУ им. М.В. Ломоносова методом ИСП-МС с использованием масс-спектрометра Element-2 [Бычкова и др., 2016, 2020]. Фотографии диатомовых водорослей и цианобактерий сделаны с использованием растрового электронного микроскопа LEO 1450 VP старшим научным сотрудником кафедры инженерной и экологической геологии М.С. Черновым и микроскопа “Jeol JSM-6480LV” на кафедре петрологии (в лаборатории локальных методов исследования вещества) доцентом В.О. Япаскуртом.

Рис. 1.

Точки опробования на территории Нижне-Кошелевского термального поля. а – кипящий котел (НК-1), б – пиритовый котел в Сухой воронке (НК-3).

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Кошелевский вулканический массив состоит из пяти сросшихся, полуразрушенных стратовулканов, вытянувшихся в широтном направлении. Фундамент – миоцен-плиоценовая толща, в строении которой преобладают андезитовые лавы, в подчиненном количестве лавобрекчии, туфы, туфобрекчии [Вакин и др., 1976].

На склоне Западно-Кошелевского вулкана $\left( {\alpha {\text{Q}}_{{{\text{III}}}}^{{\text{1}}}} \right)$ на отметке 750–800 м расположено Нижне-Кошелевское термальное поле, где на небольшой площади сконцентрировано множество мощных газопаровых струй [Вакин и др., 1976; Белоусов, 1978; Рычагов и др., 2009; Шанина и др., 2015].

Выходы Нижне-Кошелевских парогидротерм сосредоточены на площади 100 × 300 м в эрозионной котловине. Нижне-Кошелевская термоаномалия находится в сложной геоморфологической структуре, термопроявления располагаются на дне и на северном пологом склоне оврага, протянувшегося в широтном направлении [Нуждаев и др., 2009]. На возвышенных участках располагаются струи пара, в том числе и достаточно мощные. На территории термального поля представлены различные термопроявления: газовые струи, водно-грязевые котлы, кипящие озера, мелкие разгрузки термальных вод (рис. 2). Общая минерализация вод в среднем составляет 0.3–0.7 г/л, за исключением грязевых котлов (2–3 г/л, за счет более высоких концентраций ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺) [Калачева и др., 2006]. В поверхностных проявлениях Нижне-Кошелевской термоаномалии среди основных катионов преобладает аммоний $\left( {{\text{NH}}_{4}^{ + }} \right)$ (14–39 мг/л). Высокая концентрация аммония в гидротермальном растворе и паре приводит к широкому распространению среди низкотемпературных солей, образующихся на поверхности Нижне-Кошелевского термального поля, аммониевой минерализации, особенно чермигита [Житова и др., 2019]. Концентрации Са²⁺, K⁺ и Mg²⁺ в большинстве источников первые мг/л. Среди анионов в поверхностных проявлениях вод преобладает сульфат-ион, а в глубинных термах Нижне-Кошелевского месторождения – гидрокарбонат-ион (до 214.8 мг/л) [Нуждаев, 2008; Рычагов и др., 2008]. Среди основных катионов водоносного горизонта геотермального месторождения преобладает Na⁺, содержания которого составляют 56.1 мг/л. Количество H₄SiO₄ в растворенном состоянии в среднем в два раза выше (36.8–153.0 мг/л), чем в коллоидном. Алюминий присутствует только в поверхностных проявлениях Нижне-Кошелевских вод (0.7–6.8 мг/л) [Нуждаев, 2008; Рычагов и др., 2008].

Рис. 2.

Схемы расположения основных термопроявлений Нижне-Кошелевского термального поля (на врезке термальные источники за его пределами) [Калачева и др., 2016] с дополнениями авторов. 1 – парогазовые струи; 2 – водно-грязевые котлы; 3 – термальные источники; 4 – границы термальных участков; 5 – область делювиальных отложений; 6 – эрозионные уступы; 7 – изолинии рельефа; 8 – гидростворы; 9 – номера водных проб; 10 – термальные озера; 11 – точки отбора проб, описанные в данной статье.

В парово-газовых струях Нижне-Кошелевского термального поля соотношение объемов конденсата и газа довольно постоянно и составляет от 1/2.06 до 1/2.31. Обязательная составляющая – СН₄ и его гомологи, присутствуют N₂, H₂, H₂S, О₂, Аr, Не, Rn [Белоусов и др., 1976]. По данным А.И. Поздеева и И.Н. Нажаловой [2008], в скважинах компоненты газового состава те же, что и на термальных площадках, но составы газа на разных флангах Нижне-Кошелевского участка отличаются по содержанию основных компонентов. В центральной части главные компоненты – углекислый газ – 84.65–94.24%, метан – 2.8–6.86%, азот – 1.58–7.05%, сероводород – до 1.34%. В западной части количество метана достигает 15.18–67.29%, углекислого газа – 3.54–68.5%, азота – 11.62–40.8%. На обломках пород, находящихся в струе пара, на стенках канала, часто образуются корочки минералов, например марказит-пиритовые, опаловые, алунитовые, гетитовые и пр. [Сергеева и др., 2019].

Температура грунтов не превышает 110°C. Температура гидротермальных глинистых грунтов на глубине 0.15 м – 44.9–97.0°С, на 0.3 м – 52.3–98.0°С, на 0.5 м – 63.5–98.4°С. Для всех наблюдательных точек характерно увеличение температуры с глубиной и уменьшение по мере удаления от центра Нижне-Кошелевской термоаномалии.

В водах Нижне-Кошелевского месторождения парогидротерм широко распространены ценозы, включающие факультативно – автотрофные и гетеротрофные бактерии, цианобактерии, сульфат-редуцирующие бактерии, нитчатые организмы, микроскопические грибы, развивающиеся при низких температурах (14, 29 и 49°С). В составе ценозов обнаружены также хемолитотрофные бактерии, гетеротрофные и аэробные зеленые бактерии, являющиеся умеренно термофильными. В воде термальных источников численность термофильных сульфат-восстанавливающих бактерий составляет 102 клеток на 1 мл. В ценозах измененных пород присутствуют как мезофильные, развивающиеся при умеренных температурах, так и термофильные, развивающиеся при температурах более 45°С, а также экстремально термофильные с оптимальной температурой роста 65–70°С. В этом ценозе обнаружены цианобактерии, хемолитотрофные бактерии, а также микроскопические грибы. В ценозах измененных глин сульфат-восстанавливающие бактерии занимают большее место, чем в воде самого термопроявления [Рычагов и др., 1993].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экосистема Нижне-Кошелевского термального поля может являться характерным объектом мониторинга вулканогенных экосистем, в первую очередь это связано с природными термальными водами – горячими источниками с широким диапазоном температур (49–95°С, см. табл. 1) и низкими рН (3.3–6.8, см. табл. 1), минерализация которых достигает 1.7 г/л. При этом в ряду сидерофильных элементов в водах Нижне-Кошелевского месторождения наибольшие концентрации имеет железо, достигая максимальных значений (33.9 мг/л) в водно-грязевом котле (точка НК-13), и фосфор (2.6 мг/л) в пиритовом котле Сухой воронки (точка НК-3) (табл. 2, рис. 3а). Никель в половине проб ниже предела обнаружения, максимальное содержание 0.07 мкг/л в большом кипящем котле в центральной части поля (точка НК-2). Из литофильных элементов наибольшими содержаниями отличаются кальций, магний и марганец, достигая (0.18, 0.03 и 0.005 г/л соответственно) в пиритовом котле (см. табл. 2), а также кремний до 0.065 г/л в небольшом водно-грязевом котле (точка НК-13).

Рис. 3.

Содержание основных компонентов (а) и микрокомпонентов (б) в гидротермальных растворах в кипящих водных и водно-грязевых котлах на Нижне-Кошелевском термальном поле.

Среди халькофильных элементов повышенные содержания характерны для цинка (63.7 мкг/л в пиритовом котле (точка НК-3)), мышьяка и селена (3.9 и 0.4 мкг/л соответственно), максимальные содержания которых также наблюдаются в точке НК-3 (см. рис. 3б). По химическому составу четко выделяется проба из точки НК-17 практически полным отсутствием микроэлементов (см. табл. 2), так как данная точка – это кипящий котел в ручье, где активный водообмен препятствует накоплению микроэлементов из окружающих горных пород.

Описанные выше особенности химического состава термальных источников Нижне-Кошелевского поля в первую очередь отражаются на образующихся в них донных осадках. Изученные донные осадки характеризуются высоким содержанием кремния (при этом и в осадке, и в растворе его максимальное содержание в пробе из кипящего водно-грязевого котла НК-13, а минимальное – в Термальном озере (точка НК-14)) (см. рис. 3, 4а), алюминия и железа (см. табл. 2). Содержание оксида титана в большинстве точек укладывается в диапазон для изученных пород, его минимальное количество в пробах осадка и раствора из точки НК-17 (ручей Гремучий на окраине поля). В ряду сидерофильных элементов необходимо отметить присутствие никеля во всех пробах гидротермальных растворов при преобладающем отсутствии в донных осадках Нижне-Кошелевского месторождения (присутствует только в одной пробе) (см. рис. 4б).

Рис. 4.

Содержание основных компонентов (а) и микрокомпонентов (б) в донных осадках в кипящих водных и водно-грязевых котлах на Нижне-Кошелевском термальном поле.

Важная характеристика любой экосистемы – живые организмы. Видовой состав бактерий вулканогенной экосистемы Нижне-Кошелевского термального поля подробно описан в работе “Структура гидротермальной системы” [Рычагов и др., 1993] и в работах Е.Д. Коробушкиной с соавторами. Основными обитателями термальных источников Нижне-Кошелевского поля являются прокариотные организмы, среди которых важное место занимают цианобактерии, что хорошо видно на рис. 5. По данным В.Н. Никитиной [2000], разнообразие цианобактерий в термальных источниках Камчатки велико – выявлено порядка 115 видов и внутривидовых таксонов. Известно лишь небольшое количество эукариотических организмов, встречающихся при температурах выше 50°С [Карпов и др., 2016]. Сложно найти организмы, способные выживать в высокотемпературных термальных источниках и быть маркером состояния экосистемы. Здесь нам на помощь приходят диатомовые водоросли. Долгое время считалось, что диатомовые водоросли ограничены в своем развитии температурами примерно до 40°C [Жегалло и др, 2017; Карпов и др., 2016]. С развитием растровой электронной микроскопии данные представления начали меняться. Диатомовая флора термопроявлений горячих источников на Камчатке включает более 75 видов, разновидностей и форм водорослей из классов Coscinodiscophyceae, Fragilariophyceae и Bacillariophyceae [Никулина, Грищенко, 2017]. Включая вид Pinnularia acidojaponica, который в 2001 г. был описан японскими исследователями, как обитающий в экстремальных условиях – ручьях с кислой реакцией среды и реках с высоким органическим загрязнением вод [Akihiro Tuji, 2003; Fukushima et al., 2002; Idei, Mayama, 2001]. Позднее этот вид был выявлен в перифитонных альгосообществах термальных источников Курильских островов и Сахалина [Никулина, 2010; Nikulina, Kociolek, 2011]. Характерной особенностью самых спокойных на территории Нижне-Кошелевского термального поля условий является присутствие диатомовых водорослей (Bacillariophyta) с кремниевым скелетом (рис. 6). Таким образом, термальные источники Нижне-Кошелевского поля являются уникальным биотопом, где эукариотические термофильные микроорганизмы нашли для себя экологическую нишу для процветания. В данной работе основное внимание уделяется диатомовым водорослям, так как размеры их клеток обычно превышают 5 мкм, тогда как у цианобактерий от 0.5 до 5 мкм [Астафьева и др., 2011], что облегчает изучение и идентификацию первых. Кроме этого, в живом природном мате цианобактерии находятся в разных состояниях жизнеспособности или посмертной деградации, что дополнительно затрудняет их идентификацию [Герасименко, Крылов, 1983].

Рис. 5.

Скопление коккоидных форм с диаметром от 0.2 до 0.7 мкм, точка НК-1 (фото – В.О. Япаскурт) (а) и кокки цианобактерий (фото – М.С. Чернов) (б).

Рис. 6.

Диатомовые водоросли в источниках на территории Нижне-Кошелевского термального поля (фото – М.С. Чернов). а – точка НК-12, б – точка НК-17, в – Pinnularia acidophila, г – Navicula.

При температуре воды более 50°C видовой состав водорослевых сообществ значительно обедняется [Никулина, Грищенко, 2017]. В гидротермах Нижне-Кошелевского поля отмечен вид Pinnularia acidophila (см. рис. 6в), являющийся истинным термофилом – характерным представителем горячих источников. Диатомовые водоросли так зависят от диоксида кремния, что если концентрация кремнезема в определенном регионе довольно низкая, то диатомовые водоросли не будут делиться [Давидович, 2017]. Поэтому выше рассмотренные высокие содержания диоксида кремния в донных осадках термальных источников Нижне-Кошелевского поля являются хорошим показателем устойчивого существования уникальной вулканогенной экосистемы термального поля.

Не только условия среды влияют на организмы, но и сами они активно действуют на среду обитания. Средообразующая деятельность организмов проявляется в их влиянии на химические и физические свойства воздуха, воды, почвы, минералов [Лукашевич и др., 2009]. На новое направление в разработке проблемы низкотемпературной гидротермальной минерализации, связанное с обнаружением в толще миоценовых платобазальтов фоссилизированных фрагментов микробиоты – возможных активных агентов формирования слоистых силикатов и ряда других минералов, указывал А.Р. Гептнер [2009]. В пределах термальных площадок, на которых обильно развиваются альгобактериальные биоценозы (маты), отмирающие термофильные микроорганизмы фоссилизируются, как правило, с участием кремнезема [Ерощев-Шак и др., 2007].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важнейшие физические и химические параметры, определяющие условия обитания микроорганизмов вулканогенной экосистемы Нижне-Кошелевского термального поля (температурный и водный режим, химический состав грунтов и вод), подробно охарактеризованы в многочисленных работах сотрудников Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН с коллегами. Благодаря усилиям Сергея Николаевича Рычагова, с 2005 г. ведется регулярное, ежегодное слежение за составом термальных источников и парогазовых струй, солевых отложений, гидротермальных глинистых грунтов. К сожалению, пока не проводился мониторинг состояния микроорганизмов, входящих в вулканогенную экосистему Нижне-Кошелевского поля.

Основные характеристики вулканогенной экосистемы Нижне-Кошелевского термального поля в первую очередь связаны с природными термальными водами – горячими источниками с большим диапазоном температур (49–95°С) и низкими рН (3.3–6.8). Высокое содержание диоксида кремния в донных осадках термальных источников хорошо согласуется с высоким содержанием кремния в химическом составе термальных вод. В совокупности данные факторы являются благоприятными для развития не только цианобактерий, но и диатомовых водорослей, которые могут служить индикатором устойчивого развития и существования данной экосистемы. Таким образом, ежегодное наблюдение за состоянием вулканогенной экосистемы Нижне-Кошелевского термального поля предлагается дополнить анализом не только цианобактерий, но и диатомовых водорослей, которые благодаря своим размерам и сохранности надежнее идентифицируются.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы статьи благодарны Сергею Николаевичу Рычагову за возможность многолетнего участия в полевых работах в составе Южно-Камчатско-Курильской экспедиции, сотрудникам Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, особенно Антону Алексеевичу и Ивану Алексеевичу Нуждаевым за помощь в проведении натурных исследований, микробиологу Тамаре Сергеевне Рычаговой за помощь с определением диатомовых водорослей.