Оценка экологического состояния пещеры Караульная-2

Пещеры являются своеобразным и уникальным явлением природы. Как природные комплексы они развиваются в течение продолжительного времени, охватывающего иногда несколько эпох. Под пещерой понимается "естественная полость простой или сложной формы, доступная для человека, имеющая неосвещенные дневным светом части с термодинамическими условиями, отличающимися от метеорологических условий земной поверхности".

На территории Красноярского края известно свыше 200 пещер протяженностью от нескольких десятков метров до 47 километров, расположенных в известняках и доломитно-известняковых конгломератах позднего рифея, венда, кембрия.

В расположенных глубоко под землей пещерах складываются особые микроклиматические условия: отсутствие света, постоянная температура (+3 +50С), высокая относительная влажность воздуха (около 100%) и грунта (16-29% от полной влагоемкости), низкое содержание органического вещества. В связи с этим здесь формируются специфические экосистемы, которые длительное время существуют в относительной изоляции от поверхностных экосистем.

Исследования пещерных экосистем представляют интерес как с общебиологической и экологической, так и с практической точки зрения. Некоторые группы пещерных микроорганизмов могут быть использованы в биотехнологических процессах, в первую очередь – для биологической очистки окружающей среды в условиях низких температур.

Кроме того, пещеры являются естественными убежищами для рукокрылых, в том числе и охраняемых видов. Из 7 видов летучих мышей, обнаруженных на зимовках в окрестностях города Красноярска 6 видов являются краснокнижными. Сегодня очень актуальной является проблема антропогенного воздействия на состояние популяции рукокрылых в регионе. На довольно значительной части территории России и Красноярского края в том числе, наблюдается сокращение (порой довольно резкое) численности этих животных. Одной из важных причин следует считать рост популярности спелеотуризма и как следствие, возрастает беспокойство рукокрылых на зимовках, приводит к изменению микроклимата пещер, а это вызывает преждевременную трату энергетических ресурсов, снижает плодовитость и ведет к гибели животных (Курсков, 1981).

Многие пещеры края активно используются для проведения туристско-экскурсионных мероприятий, что может привести, с одной стороны, к разрушению уникальных и неизученных экосистем, а с другой - к накоплению патогенных для человека микроорганизмов. В этой связи возникает необходимость проведения всесторонних микробиологических исследований в наиболее посещаемых пещерах края.

Целью работы является оценка экологического состояния одной из самых посещаемых пещер - пещеры Караульная-2. Нами выделены следующие задачи:

1. Исследование фауны пещеры Караульная-2: изучение видового разнообразия и учет численности рукокрылых, изучение видового разнообразия и биологических особенностей беспозвоночных;

2. Выявление количественного состава микрофлоры воздуха и грунта пещеры;

3. Определение радиационного фона.

Объекты и методы

Описание пещеры Караульная II.

Значительная (по классификации Р. А. Цыкина) пещера, с суммарной протяженностью ходов свыше 500 м. Находится в 5 км от с/х Удачный Емельяновского района. Вход в пещеру представлен в форме арки светового грота размерами 6 на 5,5 м, вскрыт бортовой эрозией р. Караульная. Относительная высота – 130 м. Тип пещеры – горизонтальный, галерейно-гротовый, происхождение карстовое. Пещера имеет два этажа. В геологическом плане полость образована в темно-серых известняках плотной текстуры, слоистость – плитчатая, характер залегания – моноклинальный. Возраст пород: рифей-венд, овсянковская свита. В пещере имеются хемогенные отложения, представленные сталактитами, сталагмитами, покровными натеками, драпировками, скоплениями "лунного молока". Во входной части скоплены обвально-гравитационные отложения и известковая крошка, а также обрушившиеся хемогенные отложения.

По гидрологическим данным, площадь современного водосбора составляет 2 га. Водосбор находится внутри левобережной части бассейна р. Караульная и представлен фрагментом верхней надпойменной террасы эллипсовидной формы. В привходовой части отмечаются сезонные колебания температуры, далее начинается зона температурной депрессии. До 70-х годов ХХ в нижней части входного грота перед проходом в основную часть пещеры имелся постоянный ледник. После оборудования пещеры запирающимися дверями началось постепенное таяние ледника. В настоящее время ледник отсутствует. Температура в основной части пещеры колеблется от +1,8 до +4ºС, влажность около 95% (Цыкин,1974).

Пещера является памятником природы краевого значения (Решение исполкома Красноярского краевого совета депутатов трудящихся "Об охране пещер в крае" № 351-13 от 08. 06. 77г. ). Посещаемость пещеры исключительно высокая из-за доступности и близости к г. Красноярску. До 2004 г в пещере существовала подземная стоянка спелеотуристов. Массовое неконтролируемое посещение привело к катастрофическому экологическому состоянию подземной среды. Начиная с 2004 г в связи с образованием на базе пещеры научно-рекреационного природоохранного комплекса, неконтролируемый доступ в пещеру был ограничен, проведены мероприятия по очистке подземной среды от мусора. В это же время были проведены первые исследования экологии пещеры: подсчет летучих мышей и отбор проб для определения численности микроорганизмов в грунте пещеры (в четырех местах, различных по степени антропогенного влияния) и в воздухе (пробы отбирали до прохождения группы и после нее в трех разных по удаленности от выхода гротах).

Методы исследований.

Вторичные исследования проведены нами в 2006 году, собран материал по тем же показателям и проведены измерения уровня радиации в пещере. Экспозиционную дозу излучения измеряли переносным радиометром РКСБ-104 в 9 точках пещеры (5-7 измерений в каждой точке). Микрофлора воздуха была исследована в 6 точках в пределах пещеры и перед входом в качестве контроля.

Пробы грунта высевали на твердые питательные среды (мясо-пептонный агар и среда Чапека) в срок до трех дней после отбора , инкубировали при +4ºС для выделения психрофильных (холодолюбивых) микроорганизмов и при +25ºС для выделения мезофильной микрофлоры. Для оценки качества воздуха использовали мясо-пептонный агар, чашки инкубировали при +25ºС. Колонии мезофильных микроорганизмов считали через 5 дней, психрофилов-через 14 дней. Все микроорганизмы, сформировавшие колонии при +4ºС считали способными к росту в условиях пещеры и учитывали в качестве представителей естественной микрофлоры (Методы. ,1983)

Первичная статистическая обработка данных по уровню радиации проведена стандартными методами (вычислены коэффициент Стьюдента и доверительные интервалы для уровня значимости 95%), данные микробиологических исследований обработаны с использованием статистики Пуассона.

Результаты и обсуждение

Фауна пещер как индикатор экологического состояния карстовой среды.

Среди всей массы животных, находимых в пещерах, можно различать виды, встречающиеся исключительно в пещерах и виды, обитающие также на поверхности земли. Постоянные обитатели пещер, морфологически адаптированные к подземному образу жизни и здесь же размножающиеся называются троглобионтами. Виды, обитающие также и на поверхности, называются троглофилами. Случайно попадающие и зимующие особи считаются троглоксенами.

Из категории троглофилов особый интерес вызывают представители отряда рукокрылых, поскольку на значительной части территории России и Красноярского края в том числе, наблюдается сокращение (порой довольно резкое) численности этих животных.

Пещера Караульная 2– самая посещаемая из пещер Красноярского края. В 2005 году здесь побывало более 1500 человек. За неделю, преимущественно в выходные дни, ее посещает около 100 человек. Соответственно, пещера испытывает сильный антропогенный пресс. Посетители оставляют мусор, в том числе органический, который привлекает мелких различных хищников и грызунов. Попав в пещеру, они часто не могут выбраться обратно, и в поисках пищи съедают спящих летучих мышей. Находясь в состоянии зимнего сна, рукокрылые не способны им сопротивляться. В первую очередь страдают те виды летучих мышей, которые предпочитают зимовать в нижней части гротов и переходов, на расстоянии 5-20 см то пола. Кроме того, посетители пещер разводят в них огонь, курят, используют ацетиленовые горелки. Дым и газ, образующиеся в это время, а также шум действуют на рецепторы летучих мышей, как сигналы опасности. Зверьки просыпаются в ускоренном режиме, поэтому у некоторых слабых особей случается кровоизлияние в мозг и быстрая гибель. Другие же животные вынуждены менять место, перелетая в другие, более отдаленные и малопосещаемые гроты. Если в течение зимы летучих мышей часто тревожат, то шансы дожить до зимы и дать потомство уменьшаются с каждым последующим пробуждением (Мавлюдов, 2002; Хританков,2002). Еще 10-15 лет назад в пещере Караульная 2 зимовали десятки особей различных, в том числе редких видов. В период 2001 – 2002 г. г в ней едва насчитывалось 10 зверьков. Настенко С. В. сообщает, что были обнаружены следующие виды: ушан бурый, северный кожанок, ночница Брандта, ночница Иконникова. Исследования, сделанные нами осенью 2004 г выявили только трех летучих мышей.

Осенью 2006 года в пещере Караульная мы обнаружили летучих мышей, которые определены нами как водяная ночница. В гроте Ледяном мы не встретили ни одной особи, в гроте Очарование три мертвых летучих мыши, по ним мы и определяли виды. В гроте Грязный насчитали 5 особей, 4 на одной стороне грота (западной) и одну на другой. В гроте Капельном встретили две группы мышей по 2 и 5 особей и две сидевшие по одиночке. Таким образом, мы увидели пятнадцать живых и три мертвых летучих мыши (прил. 1,2).

Снижение видового разнообразия летучих мышей является результатом катастрофического состояния подземной среды, которое имело место до открытия научно-рекреационного природоохранного комплекса “Пещера Караульная-2”, однако рост численности указывает на улучшение условий обитания зверьков. Тем не менее, для снижения негативного влияния на животных при проведении экскурсий по пещере необходимо пользоваться следующими рекомендациями: путешествовать малыми группами, не шуметь, не беспокоить зверьков, избегать близких контактов с летучими мышами, не трогать их руками или предметами, не применять источники света, вызывающие тепловое загрязнение (ацетиленовые лампы, свечи).

Пещерные обитатели-троглобионты в пещере Караульная-2 представлены беспозвоночными, среди которых нами обнаружены коллемболы и панцирные клещи (прил. 3).

Беспозвоночные питаются главным образом органическими остатками, а также автотрофными бактериями и грибами. Таким образом среди обитающих в пещерах видов доминируют детритофаги. Грибы, разлагающие органический мусор, в свою очередь потребляются клещами и коллемболами. Гуано летучих мышей и беспозвоночных также служит источником питания для микрофлоры, в свою очередь потребляемой беспозвоночными. Следовательно, биота играет важную роль в поддержании гомеостаза системы и активно участвует в процессах самоочищения подземной среды. Наши исследования показали, что за 2 года численность детритофагов-коллембол резко сократилась. Если в 2002-2003 г в гроте Очарования, где была расположена стоянка спелеотуристов, насчитывалось более сорока особей (Гладкова, 2003), то в 2006 г. мы обнаружили около 20 насекомых, что связано с прекращением поступления органического мусора. В других гротах численность коллембол на превышала 5-10 особей. Можно предположить, что их численность будет сокращаться и далее по мере выедания субстрата.

Интересно, что обнаруженные нами коллемболы при морфологическом сходстве обладают различной интенсивностью окраски. Для большинства особей характерны полная депигментация, редукция глазков и прыгательной вилки, но изредка встречаются окрашенные или частично депигментированные особи, по-видимому, обитатели почвенной подстилки, недавно занесенные в пещеру. На примере коллембол удается проследить ряд постепенных переходов от надземных к подземным формам, и на этом основании можно утверждать, что выделение различных групп – троглоксенов, троглофилов, троглобионтов – происходило постепенно путем последовательной эволюции организмов.

Микрофлора пещеры Караульная-2. Оценка качества воздуха в пещере.

В результате проведенных исследований установлено, что в пещере присутствует достаточно богатая и разнообразная микрофлора, представленная различными видами бактерий и плесневых грибов. Как бактерии, так и грибы хорошо растут при температурах +1 ÷ +3 0С. Отмечено преобладание психротрофных (холодолюбивых) штаммов над мезофильными (теплолюбивыми). Это свидетельствует о том, что данные микроорганизмы не занесены с поверхности, а являются постоянными обитателями пещеры. Гетеротрофные бактерии являются основными деструкторами органического вещества пещер и служат основанием пищевой пирамиды, включающей более сложные организмы (простейших, беспозвоночных).

Максимальная зафиксированная нами численность гетеротрофных бактерий в пробах грунта достигает 105-106 микробных клеток на 1 г грунта. Высокая численность бактерий в исследуемых пещерах не связана напрямую со степенью посещаемости пещеры человеком, хотя максимальная численность бактерий наблюдается в гроте Очарование в районе бывшей подземной стоянки спелеотуристов. Это можно объяснить накоплением в местах стоянок бытовых отходов и мусора, служащих субстратом для развития микроорганизмов. Тем не менее, даже в труднодоступных местах (г. Капельный) в отсутствие видимых источников органического вещества количество микроорганизмов очень велико. Возможно, это объясняется переносом микрофлоры по воздуху и эффектом накопления (консервации) неактивных клеток. Внутри пещеры наблюдаются большие колебания численности бактерий, как между отдельными гротами, так и в пределах одного и того же грота.

Наряду с бактериями, в пещере обнаружены микроскопические грибы, численность которых может достигать 105 колониеобразующих единиц на 1 г. грунта. В распределении грибов также наблюдается высокая гетерогенность.

В заметном количестве грибы присутствуют только в районах с высоким уровнем антропогенного загрязнения - вблизи стоянок спелеотуристов. В 2004 г. в гроте Очарование были зафиксированы сплошные “ковры” плесневых грибов, площадью до 100 см2 (Хижняк, 2002). На сегодняшний день грибы в этом гроте представлены единичными колониями размером от нескольких мм до 2-5 см2 преимущественно на органических субстратах (капли парафина, обрывки бумаги и т. д).

Микроскопические грибы являются санитарами пещеры, они утилизируют мусор, но высокое количество грибных спор в воздухе может быть опасным для здоровья человека. Для оценки качества воздуха нами были взяты пробы воздуха в различных гротах (прил. 4). Наибольшее количество грибов (13 колоний) отмечено в гроте Очарование, в остальных гротах выявлялось по 1-3 колонии. Исключение составила проба воздуха из удаленной ниши в гроте Капельный (4 колонии). Возможно, это связано с более слабой вентиляцией воздуха здесь по сравнению с магистральными ходами и гротами либо споры грибов сохранились в неактивном состоянии ( до 2004 г. в этом месте существовал музей глиняных скульптур, отмечалось загрязнение грунта парафином). По нашим данным, прохождение группы из 10 человек увеличивает численность грибов в воздухе в 2-2,5 раза, в связи с этим рекомендуем проводить экскурсии небольшими группами с интервалом в 15-30 мин.

Численность бактерий в воздухе по сравнению с 2004г. несколько увеличилась, но соответствует санитарным нормам (11000 кл/м3). Численность бактерий в контроле (около входа в пещеру) значительно ниже, чем внутри пещеры, что связано с сезонным движением воздуха. Поскольку температура воздуха в пещере составляет +1,8 до +4ºС независимо от времени года, то летом воздушные потоки направлены внутрь пещеры (в зону низких температур), а зимой- наружу.

Таким образом имеет место внесение микрофлоры по воздуху, но распространение привнесенного материала по пещере носит ограниченный характер, поскольку пылевые частицы и микроорганизмы оседают в привходовых гротах из-за высокой влажности воздуха.

Исследование радиационного фона в пещере Караульная-2.

Все живые существа на Земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения от естественных и искусственных источников ионизирующих излучений. В почве, воде, воздухе, строительных и других материалах всегда рассеяны природные радионуклиды. Совместно с космическим излучением они и создают радиоактивный природный фон, постоянно облучая все живые организмы на Земле.

Мы преполагали, что уровень радиации в пещере будет завышен по сравнению с фоновым (для окрестностей Красноярска фон составляет 10-20 рентген). Вследствии накопления радиоактивных газов радона и торона, что нередко наблюдается в пониженных формах рельефа, особенно связанных с разломами земной коры и выходами горных пород. Кроме того, в горных породах и почвах, особенно глинистых, распространен изотоп 40К, распад которого сопровождается относительно жестким бета- и гамма-излучением. Таким образом, возникает необходимость убедиться, что пребывание в пещере не наносит вред здоровью человека (Радиобиология,1999).

По нашим данным экспозиционная доза гамма-излучения составляет в среднем 7,8±2,4 Р. , что несколько ниже принятого фона, однако в разных точках пещеры значения сильно варьируют. Максимальные показания 14,4 и 10 Р были зафиксированы в гротах Капельный и Грязный соответственно на глинистых отложениях, которые, по-видимому, накапливают излучение вследствие адсорбции радиоактивных изотопов.

1. В результате проведенных исследований установлено, что экологическое состояние пещеры Караульная -2 за последние 2 года значительно улучшилось, поскольку неконтролируемый доступ в пещеру был ограничен, проведены мероприятия по очистке подземной среды от мусора. Индикаторами состояния подземной среды являются рукокрылые, их количество, по нашим подсчетам, достигает 16 особей, они отнесены нами к виду ночница водяная. В то же время численность коллембол - детритофагов сократилось, по меньшей мере, вдвое, что также свидетельствует о снижении уровня загрязнения пещеры.

2. Микроорганизмы в пещере распространены повсеместно, высокая численность микрофлоры отмечаются вблизи подземных стоянок спелеотуристов и других местах, характеризующихся высоким уровнем антропогенного загрязнения. Максимальная зафиксированная нами численность гетеротрофных бактерий в пробах грунта достигает 10-10 микробных клеток на 1 г грунта.

3. Наряду с бактериями, в пещере обнаружены микроскопические грибы, численность которых может достигать 10 колониеобразующих единиц на 1 г грунта. Микроскопические грибы являются санитарами пещеры, они утилизируют мусор, но высокое количество грибных спор в воздуху может быть опасным для здоровья человека. Прохождение группы из 10 человек увеличивает численность грибов в воздухе в 2-2,5 раза.

4. Численность бактерий в воздухе пещеры по сравнению с 2004 г несколько увеличилась, но соответствует санитарным нормам.

5. Экспозиционная доза гамма- излучения в пещере составляет в среднем 7,8 Р, что несколько ниже принятого фона, в разных точках пещеры значения сильно варьируют.

6. Предварительные наблюдения показывают, что обитающие, в пещерах микроорганизмы могут служить основанием пищевой пирамиды, включающей более сложные организмы. В пещере Караульная-2 плесневые грибы служат источником питания для обитающих там микроскопических клещей - арибатид и коллембол. Гуано летучих мышей и беспозвоночных также служит источником питания для микрофлоры, в свою очередь потребляемой беспозвоночными.

7. Наличие психрофильных микроорганизмов и депигментированных коллембол свидетельствует о наличии в пещере экосистем, прошедших достаточно длительный эволюционный путь, в то же время проникновение и адаптация новых организмов продолжает и в настоящее время.