Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

БИОТИЧЕСКАЯ АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ МАКРОЗООБЕНТОСОМ НИЖНЕГО ИРТЫША

Чемагин А.А. 1
1 Тобольская комплексная научная станция УрО РАН
Изучен химический состав, рассчитаны коэффициенты биотической аккумуляции тяжелых металлов и других макро- и микроэлементов у различных групп макрозообентоса в бассейне Нижнего Иртыша: хирономиды, олигохеты, двустворчатые моллюски личинки ручейников, стрекоз и поденок. Установлено, что по увеличению концентрации тяжелых металлов в организмах представителей макрозообентоса можно расположить следующим образом: двустворчатые моллюски, личинки стрекоз, олигохеты, личинки поденок, личинки хирономид, личинки ручейников. Установлена высокая коррелятивная связь между химическим составом донных отложений и организмами бентоса (хирономиды, ручейники, поденки, стрекозы, олигохеты). Двустворчатые моллюски, имеющие жесткую кальциевую раковину, значительно отличаются по химическому составу от донных отложений. Наличие раковины позволяет моллюскам непосредственно не контактировать телу с донными отложениями, позволяя значительно понизить аккумуляцию различных веществ, включая тяжелые металлы.
донные отложения
Нижний Иртыш
макрозообентос
тяжелые металлы
биоаккумуляция
1. Лапенко Л.А. Метод атомно-абсорбционной спектрофотометрии в фоновом мониторинге тяжелых металлов / Л.А. Лапенко, М.Г. Виленский // Мониторинг фонового загрязнения природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - Вып.3. - С.216.
2. Мазур В.В. Химико-экологическая оценка состояния водотоков по результатам анализа содержания металлов в рыбах / В.В. Мазур // Вестник Томского государственного университета. Биология. - 2012.- №3.- С.178-185.
3. Петкевич Н.С. Содержание меди в генеративной ткани черноморской мидии и вариабельность этого показателя в зависимости от пола и стадии зрелости гонад / Н. С. Петкевич, Л. Л. Смирнова // Экология моря.- 2005 - (68). - С. 63-67.
4. Реймерс Н.Ф. Азбука природы. Микроэнциклопедия биосферы./ Н.Ф.Реймерс. - М.: "Знание", 1980. – 208 с.
5. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений /под ред. В.А. Абакумова. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 240 с.
6. Сайт Института биологии Карельского научного центра РАН. – [Электронный ресурс] – http://biology.krc.karelia.ru (дата обращения 1.05.2014).
7. Сайт Петрозаводского государственного университета - [Электронный ресурс] – http://www.petrsu.ru (дата обращения 1.07.2014).
8. Чуйко Е.В. Влияние содержания тяжелых металлов в донных отложениях на их биоаккумуляцию в ихтиофауне / Е.В. Чуйко // Астраханский вестник экологического образования. – 2013 - № 3 (25). - С.139-144.
9. Bury N. R. Nutritive metal uptake in teleost fish / N. R. Bury, P.A. Walker, C.N. Glover //J. Exp. Biol. 2003. - Vol. 206, № 1. - pp. 11-23.

Постоянное загрязнение донных отложений р. Иртыш специфическими токсическими веществами: нефтепродуктами и тяжелыми металлами связано с эксплуатацией речного флота, транспортировкой нефтепродуктов, выносом поллютантов с пойменных площадей, где ведется хозяйственная деятельность различных предприятий, а также сбросом загрязненных сточных вод на водосборной территории реки Иртыш. Подверженность водной экосистемы Иртыша такому воздействию несет большую опасность путем поступления токсикантов в организм кормовых объектов, далее по трофическому пути в организм рыб, а затем и в человека. В связи с этим целью исследования было изучить накопление тяжелых металлов и других микро- и макроэлементов в организмах макрозообентоса.

Материал и методика. Для определения содержания ионов тяжелых металлов (ТМ) и мышьяка в донных отложениях (ДО) и организмах макрозообентоса использовали атомно-эмиссионный метод с индуктивно связанной плазмой на спектрометре Optima 7000 DV.

Для ионов ТМ и микроэлементов был рассчитан [5] коэффициент биотической аккумуляции (КБА) веществ в гидробионтах Сгидробионт по отношению к концентрации тех же веществ в донных отложениях Сдо:

КБА = Сгидробионт / Сдо

Результаты и их обсуждение. Существует несколько систем отнесения химических элементов к ТМ:

1.При атомной массой более 50 к ним относят V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd и др. [6;7]

2. По другой классификации ТМ - это металлы с плотностью более 8 г/см3 (Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg) [4].

3. В других работах к ТМ отнесены Pb, Hg, Cd, As, [1].

4. По данным Европейской Экономической Комиссией ООН, оценивающей загрязнение атмосферы европейских стран к ТМ причислены Zn, As, Se и Sb. [7].

В 2012-2013 гг в составе макрозообентоса были определены беспозвоночные 4 типов, 4 классов, 12 семейств, 20 родов, 24 видов. 12 видов хирономид (из 9 родов), 3 вида ручейников (из 3 родов), по одному виду поденок, веснянок, стрекоз и мокрецов). Кроме того были отмечены двустворчатые моллюски (2 вида из 1 рода: Sphaerium), 2 вида олигохет (из 2 родов), 1 вид пиявок и нематоды.

К природным макрокомпонентам воды ДО поверхностных водных объектов относятся K, Na, Ca, Mg. Для среднего и нижнего течения Оби и Иртыша также Fe, Mn и Al.

Накопление организмами макрозообентоса как макро- так и микрокомпонентов зависит от их содержания в ДО. Так, максимальное количество в ДО в районе исследований содержится Ca, Mg, K, Fe и Al (до 16000 мг/кг), несколько меньше (от 20 до 400 мг/кг) Mn, Cr, Na, Pb, Sr, Si, Zn и менее всего (от от десятых долей до 14 мг/кг) - Cd, Co, Cu, Mo, Ni, а также As, Sb, Se.

Максимум калия обнаружен у поденок, хирономид и ручейников, минимум - у моллюсков. В то же время содержание Na максимально у моллюсков и минимально у личинок стрекоз и ручейников. Cодержание Fe и Al колеблется в широких пределах – от 879 и 360 мг/кг – у моллюсков, до 8165 и 4454 мг/кг у ручейников (рисунок).

Таким образом, максимальное количество Ca и Na cодержат моллюски, Mg – хирономиды, Fe и Al – ручейники и K – поденки.

К строительным металлам относятся также Si и Sr. Si определяется у всех групп – от 33,6 мг/кг у моллюсков до 327,4 мг/кг– у поденок.

Наибольшее содержание Sr, в 5-9 раз больше чем у остальных животных, обнаружено у моллюсков. Sr обычно сопутствует Ca, как и в данном случае. Из микроэлементов (ТМ) больше всего обнаруживается Zn у всех групп бентонтов – от 18,9 мг/кг у моллюсков до 351 мг/кг – у хирономид.

Известно, что Zn, Cu, Fe, Mo являются важнейшими эссенциальными металлами, входящими в состав большого числа ферментов, катализирующих многие окислительно-восстановительные биохимические реакции, в том числе антиоксидантной системы. Физиологическая роль цинка связана с более чем 300 белками, в том числе ферментами и гормонами, играющими важнейшую роль в питании, развитие и росте организмов. По важности для живых организмов Zn стоит на втором месте после Fe [9].

Коэффициент биотической аккумуляции беспозвоночными Zn из ДО (КБА) как и содержание колебались в узких пределах от 41,71 и 10,87 у личинок стрекоз до 63,83 и 16,64 – у хирономид, за исключение моллюсков, у которых КБА – не превышало 1 (0,9). То есть содержание цинка в тканях моллюска было таким же, как в ДО. Более низкая вариабельность концентрации Zn подтверждена и другими исследователями [3].

На порядок меньше обнаруживалось в организмах бентоса Cu, столь же необходимого для них, как и Zn. Диапазон концентраций Cu – от 4,75 мг/кг у моллюсков до 32,2 мг/кг – у ручейников, соответственно КБА – от 0,68 до 5,31.

Из организмов макрозообентоса ручейники были единственными организмами, накапливающими Co – 1,57 мг/кг, причем значение его КБА составило 0,35, что означает достаточно низкую степень его аккумуляции в организме этих беспозвоночных.

Концентрация макро- и микроэлементов в различных группах макрозообентоса Нижнего Иртыша, 2012-2013 гг.

Наличие Co при исследовании состава ручейников, объясняется возможным наличием частиц грунта в домиках ручейников. As был обнаружен только в двустворчатых моллюсках - 4,8 мг/кг и личинках ручейников - 8,63 мг/кг. Вместе с тем коэффициенты их биотической аккумуляции из ДО для этих организмов немногим превышали 1,6 и 2,9 соответственно, что, в свою очередь, свидетельствует также о небольшой степени их накопления в тканях этих животных. Известно, что As участвует в окислительных процессах, в синтезе некоторых ферментов, аминокислот, катализирует обмен азота и фосфора, совместно с Co стимулируют кроветворение.

Sb обнаруживалась у всех групп бентонтов за исключением моллюсков и поденок, концентрация этого элемента варьировала от 2 мг/кг у личинок стрекоз до 22,78 мг/кг – у ручейников. Концентрация Sb и ее КБА (0,22) в личинках стрекоз была в 7-11 раз меньше по сравнению с другими животными: 1,64 у олигохет и 2,64 – у ручейников. В то же время соединения Sb и As обладают общетоксическим действием.

Из всех исследуемых групп макрозообентоса Mo был обнаружен только у личинок хирономид (2,27 мг/кг), КБА составил 13,49, при этом его концентрация в ДО составляет лишь десятые доли мг. Mo катализирует работу ферментов, обеспечивающих тканевое дыхание, при этом, известно, что соединения этого элемента малотоксичны.

Известно, что Pb является канцерогеном и тератогеном, его соединения очень токсичны. Они оказывают значительное влияние на картину крови и нервную систему, в результате может наступать падение гемоглобина (анемия) и дисфункция нервной системы, вызывающая нарушение работы органов и тканей. Концентрация этого токсиканта в организмах макрозообентоса значительно менялась – от 5,65 мг/кг у моллюсков до 59,79 - у личинок ручейников, в то же время КБА составил от 0,12 до 1,27 соответственно. Варьирование концентрации Se у бентонтов было невысоким - от 14,46 мг/кг у поденок до 19,7 – у олигохет. Вместе с тем, Se не обнаруживался у моллюсков.

Наиболее токсичными для живых организмов являются соединения Cr, концентрация которого в организмах макрозообентоса заметно различалась – от 5,71 мг/кг у поденок до 37,11 – у хирономид, в то же время КБА для Cr составило 0,27-1,58, что также свидетельствует о низкой степени накопления этого элемента.

Заключение. Таким образом, по увеличению концентрации ТМ в организмах, представителей макрозообентоса можно расположить следующим образом: двустворчатые моллюски, личинки стрекоз→олигохеты→личинки поденок→личинки хирономид→личинки ручейников. По данным [8] многолетняя динамика накопления ТМ в организме бентофагов на примере бычка - песочника в Каспийском море свидетельствует о зависимости концентрации ТМ в теле рыб с концентрациями ТМ в донных отложениях, что в свою очередь показывает трофический путь переноса ТМ через макрозообентос, при этом в донных отложениях ряд убывания имеет вид Pb>Zn>Cu>Cd, а в бычках Zn> Pb>Cu>Cd, для гольянов из р.Печора [2] ряд имеет вид Cu>Zn>Al>Mg>Pb>Cd, по другим данным в условиях дельты р.Волги (Махлун и др., 2012) для моллюсков Viviparus viviparus и Unio pictorum в теле и раковине и для речного рака Zn>Cu>Ni>Co. Закономерность ряда убывания концентраций рассматриваемых автором [8] ТМ в ДО и организмах макрозообентоса в условиях нижнего Иртыша имеет противоположную картину: для ДО - Pb>Zn>Cu>Cd, для макрозообентоса - Zn>Pb>Cu. Общая закономерность ряда убывания всех микроэлементов, включая ТМ в макрозообентосе и ДО нижнего Иртыша имеет вид: Fe>Ca>Al>Mg>K>Na>Mn>Zn>Sr>Si>Pb>Ni>Cu>Cr>Se>Sb>As>Mo>Co и Al>Fe>Ca>Mg> K>Mn>Na>Pb>Si>Sr>Zn>Cr>Ni>Se>Sb>Cu>Co>As>Mo>Cd соответственно.

Установлена коррелятивная связь между химическим составом ДО и организмами бентоса: хирономиды - 0,93, ручейники - 0,86, поденки - 0,94, стрекозы - 0,83, олигохеты - 0,81, моллюски - 0,18. Высокая степень корреляции химического состава ДО, в том числе и ТМ с химическим составом поденок, ручейников, хирономид, олигохет и личинок стрекоз свидетельствует о зависимости химического состава бентофауны от химического состава ДО, за исключением моллюсков, имеющих жесткую кальциевую раковину. Наличие такой раковины позволяет моллюску непосредственно не контактировать телу с ДО, позволяя значительно понизить аккумуляцию различных веществ, включая ТМ.

Рецензенты:

Харитонцев Б.С., д.б.н., профессор кафедры Биологии и МПБ Филиала ФГБОУ ВПО ТюмГУ в г. Тобольске, г. Тобольск;

Ильминских Н.Г., д.б.н., профессор, зав. лабораторией растений и животных в зоне рискованного земледелия ТКНС УрО РАН, г. Тобольск.


Библиографическая ссылка

Чемагин А.А. БИОТИЧЕСКАЯ АККУМУЛЯЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ МАКРОЗООБЕНТОСОМ НИЖНЕГО ИРТЫША // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 5. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21455 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074