При изучении кинетики тяжелых металлов находящихся в почве и почвенной подстилке, наилучшей модельной группой среди биоты считается мезофауна, которая составляет 68–85 % от совокупной зоомассы [4]. Кроме этого становится возможным изучить воздействие не только одного поллютанта на живые организмы, но и его накопление в сочетании с другими загрязняющими веществами, поскольку они могут усиливать действие друг друга [1].
Оценка влияния интегральной токсичности проводится с использованием дождевых червей (семейство Lumbricidae), которая прописана в международных стандартах ISO 11268-1, ISO 11268-2, ISO 11268-3 (ISO, 1995; ISO,1998; ISO, 1999). К тому же люмбрициды представляют наибольшую зоомассу среди мезофауны лесных и пастбищных угодий [3,10]. Дождевые черви перерабатывают органический субстрат почв, генерируя ее пористость и создавая, тем самым, благоприятные условия для микрофауны и растений [6]. Эколого-биологические свойства дождевых червей и их стресс-реакция на загрязнение субстрата, по мнению многих авторов, соответствуют требованиям международных стандартов к выбору биоиндикаторов [11].
Поведение тяжелых металлов, при передаче от почвенно-подстилочного субстрата к дождевым червям, зачастую, описывается аккумуляцией, то есть увеличением концентрации в тканях люмбрицид по сравнению со средой обитания (BAF=2–20). Также накопление тяжелых металлов может быть представлено индикацией – сохранением концентрации на том же уровне и элиминацией, когда наблюдается снижение концентрации тяжелых металлов [12]. При монозагрязнении тяжелых металлов наблюдались случаи аномальной аккумуляции кадмия, которые были описаны для дождевых червей (BAF=158), при этом авторы отмечали низкий уровень загрязнения почвы и подстилки [9].
Многими авторами установлено, что важную роль в скорости накопления металла играют его особенности, форма его соединений, взаимодействие с другими элементами, величина концентрации. Например, содержание физиологически необходимых металлов эффективно регулируется барьером на уровне желудочно-кишечного тракта, связыванием белками и экскрецией. Во-вторых, поступление металлов контролируют эдафические факторы, такие как кислотность почвы, содержание в ней органического вещества, глинистых частиц, емкость катионного обмена [7]. В-третьих, влияют особенности самих видов, их трофическая специализация и возраст.
Черви играют важную роль как звено в передаче тяжелых металлов от растений к животным, которые питаются ими. Так, для плотоядных мелких млекопитающих (кормовой базой которых являются преимущественно дождевые черви) показало большее накопление в организме хищников Cd, Pb. Причем отмечено, что черви, включенные в пищевую цепь, не принадлежат к определенному виду, но относятся к определенной экологической группе по типу вертикального распределения в субстрате [8]. Поэтому цель данного исследования заключается в анализе взаимосвязи между накоплением тяжелых металлов в цепи:
почвенно-подстилочный субстрат – почвенно-подстилочный морфотип дождевых червей на примере эндемика Среднего Урала Perelia diplotetratheca.
Материал и методы исследования
Работы выполнены в районе действия Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ), расположенного около г. Ревды Свердловской области. Основные ингредиенты выбросов – SO2 и полиметаллическая пыль, в которой преобладают Cu, Pb, Zn, Cd, As. Общий объем эмиссии в конце 1980-х составлял более 140 тыс. т/год, в том числе (в т/год): SO2 – 134089, HF – 1016, Cu – 2610, Zn – 1754, As – 639, Pb – 564. С середины 1990-х отмечено снижение выбросов, объем которых в середине 2000-х составил менее 30 тыс. т/год [5].
Согласно физико-географическому районированию, территория относится к таежной географической зоне, к провинции низкогорной полосы Среднего Урала (абсолютные высоты – от 150 до 450 м над уровнем моря). Доминируют темнохвойные леса и производные от них хвойно-лиственные, березовые, осиновые и сосновые; почвы – бурые горно-лесные, темно-серые, серые, оподзоленные и глееватые.
В западном направлении от СУМЗа по результатам анализа загрязнения снега и почвы выделены импактная (до 3 км), буферная (3–7 км) и фоновая (далее 7 км) зоны загрязнения [2].
Для исследования был выбран вид Рerelia diplotetratheca – эндемик Среднего Урала, доминирующий по численности и общей массе среди дождевых червей, обитающих на территории воздействия СУМЗа.
Данные по содержанию тяжелых металлов в почве и подстилке были предоставлены лабораторией экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖУрО РАН, в которой также проходил анализ дождевых червей на тяжелые металлы. Лаборатория аккредитована на техническую компетентность и зарегистрирована в государственном реестре РФ (аттестат РОСС.RU0001.515630).
Пробоподготовка осуществлялась по стандартной методике, анализ на тяжелые металлы производили с использованием навески 100 мг материала (навеску взвешивали с точностью 0.0001 г); образцы озоляли в тефлоновых сосудах в микроволновой печи MWS-2 (Berghof, Германия) в течение 80 мин после добавления 7 мл концентрированной HNO3 и 1 мл деионизированной воды при максимальном давлении 900 кПа и максимальной температуре 155 оС. Концентрации металлов (Cu, Pb, Cd, Zn) в тканях измерялась на атомно-абсорбционном спектрометре AAS Vario 6 (Analytic Jena, Германия) с пламенным вариантом атомизации.
Статистический анализ. Значимость различий в концентрациях элементов между выборками оценивали при помощи дисперсионного анализа, значения предварительно логарифмированы; для множественных сравнений использован критерий Шеффе. Зависимость между концентрацией металла в печени 
и в рационе 
аппроксимирована уравнением 
, где a, b – коэффициенты.
Результаты исследования и их обсуждение
Содержание загрязняющих веществ в почве и подстилке. За время функционирования Среднеуральского медеплавильного завода сформировалась обширная техногенная геохимическая аномалия: вблизи завода концентрация Cu в лесной подстилке в среднем в 65 раз выше по сравнению с фоновым уровнем, Pb – в 19, Cd – в 7 и Zn – в 3 раза, в гумусово-аккумулятивном горизонте – в 16, 3, 2,4 и 2 раза соответственно; в буферной зоне содержание металлов несколько ниже. В результате подкисления почвенного буферного раствора солей с находящимися в нем тяжелыми металлами, увеличивается доступность металлов для биоаккумуляции дождевыми червями.
В районе исследования обитает восемь видов дождевых червей, среди которых доминирует эпигейный вид, эндемичный для Урала – P. diplotetratheca. Концентрации Cu, Zn и Cd в особях этого вида (таб. 1) тождественны литературным данным по другим видам дождевых червей из загрязненных почв, тогда как концентрация Pb выше ожидаемой для имеющегося уровня загрязнения [1]. Поскольку концентрации тяжелых металлов, для данной территории, выше всего именно в дождевых червях, можно сделать вывод, что пищевые цепи с включением люмбрицид несут потенциальную угрозу при переходе на следующий трофический уровень.
Таблица 1
Содержание (мкг/г) тяжелых металлов в тканях дождевых червей на разном удалении от Среднеуральского медеплавильного завода [5]
|
Элемент |
Расстояние до источника выбросов, км |
|||
|
30 [n=55] |
20 [n=47] |
7 [n=38] |
4–5 [n=57] |
|
|
Cu |
7,5±0,1 {9,9} |
7,9±0,2 {17,4} |
23,7±1,7 {44,2}*** |
28,5±1,9 {50,3}*** |
|
Pb |
9,2±0,7 {56,4} |
14,1±1,5 {72,9} |
112,5±13,6 {74,5}*** |
228,3±25,1 {83,0}*** |
|
Cd |
16,8±0,7 {30,9} |
21,3±0,9 {29,0}** |
67,7±3,8 {34,6}*** |
91,9±4,8 {39,4}*** |
|
Zn |
299,6±10,1 {25,0} |
356,8±14,8 {28,4} |
617,8±36,3 {36,2}*** |
536,6±30,7 {43,2}*** |
Примечание: среднее ± ошибка, в круглых скобках – минимальное и максимальное значение, в фигурных скобках – коэффициент вариации, учетная единица – особь. Уровень значимости различий с 30 км: * – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001 (критерий Шеффе).
С целью упрощения интерпретации данных сравнительно воздействию поллютантов на среду, применялся индекс токсичности Кi , который был рассчитан для тяжелых металлов Cu, Cd, Zn, Pb [2].
Как можно увидеть на рис. 1, индекс токсичности становится больше, чем меньше расстояние до Среднеуральского медеплавильного завода, наибольший показатель индекса токсичности наблюдается у свинца и кадмия (p<0,05).
Рис. 1. Индекс токсичности в зависимости от расстояния от источника эмиссии
Как показано в таблице, для цинка, кадмия и меди характерно прямое накопление в тканях люмбрицид (Табл. 2). Чем выше концентрация этих элементов в почве, тем больше содержание в тканях дождевых червей. Для накопления цинка показатель силы влияния оказался низким и не достоверным. Со снижением расстояния до точечного источника эмиссии, ANOVA показал уменьшение силы влияния концентрации поллютантов на накопление, возможно, данный факт свидетельствует о наличии барьера накопления тяжелых металлов, после которого следует массовая гибель дождевых червей.
Таблица 2
Зависимость накопления тяжелых металлов в тканях P. diplotetratheca от концентрации тяжелых металлов в почве
|
металл |
?2x±m |
F |
k-n |
Α |
|
Cu |
0,75±0,02 |
20.63 |
1; 62 |
0,05 |
|
Pb |
0,35±0,07 |
14.25 |
1; 62 |
0,01 |
|
Cd |
0,55±0,05 |
16.25 |
1; 46 |
0,05 |
|
Zn |
0,33±0,25 |
(2.97) |
1; 46 |
- |
Примечание: показатель силы влияния ± ошибка, F – достоверность по Фишеру, в круглых скобках – показатель F<Fтаб, k-n – число степеней свободы, α – уровень значимости исследований
Для аккумуляции кадмия, свинца и цинка наблюдается достоверная разница (р<0,05), которая зависит от возрастного состояния люмбрицид (Рис. 2). В ювенильных дождевых концентрация поллютантов меньше, чем в половозрелых, что объясняется меньшим временем пребывания неполовозрелых особей в загрязненной почве и подстилке и более быстрым, по сравнению с половозрелыми особями, обменом веществ. Разницы, зависящей от возрастного состояния дождевых червей, в аккумуляции меди установить не удалось.
Рис. 2. Аккумуляция тяжелых металлов в тканях P.diplotetratheca в зависимости от возрастного состояния
Заключение
Таким образом, накопление цинка, меди и кадмия почвенно-подстилочным морфо-экологическом типом дождевых червей на примере P. diplotetratheca соответствует литературным данным, относящимся к данному морфотипу люмбрицид у других авторов, однако концентрация свинца оказалась выше прогнозируемой для данного уровня загрязнения. Сравнительный анализ с другими видами животных, обитающих в зоне воздействия Среднеуральского медеплавильного завода на окружающую среду, показал, что по накоплению тяжелых металлов дождевые черви занимают лидирующую роль, даже в сравнении с буферными концентрациями свинца и кадмия, сравниться с которыми могут только моллюски. Данный факт доказывает утверждение о потенциальной опасности данных видов животных при переходе на следующий трофический уровень.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-34-00339 мол_а.