CC BY
59
УДК 577.1 (546.72:546.771) 66.065 (262.5/262.54)
БИОАККУМУЛЯЦИЯ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА И ОЦЕНКА ИХ ОСАЖДЕНИЯ ЧЕРНОМОРСКОЙ МИДИЕЙ (MYTILUS GALLOPROVINCIALIS LAM.) В АЗОВСКОМ МОРЕ И НА ШЕЛЬФЕ ЧЕРНОГО МОРЯ
©2006 г. И.В. Доценко
The peculiarities of ferrum and manganese bioaccumulation by the mussels of different size are considered. Its found out that the maximum concentration of the metals are appropriated by the mussels of critical age. The maximum concentration in the values are found in the older mussels than the maximum concentrations in the soft tissues.
Интерес к поведению и миграционной активности железа и марганца в морской среде и гидробионтах вызван несколькими обстоятельствами. Во-первых, эти металлы являются необходимыми для жизнедеятельности живых организмов, в том числе для двустворчатых моллюсков Mytilus galloprovincialis Lam. Во-вторых, концентрации железа и марганца в компонентах морской среды исследуемых акваторий являются относительно повышенными, что объясняется природными и антропогенными причинами, поэтому возникает необходимость исследовать биогеохимическую и экологическую реакцию гидробионтов. Наконец, железо и марганец, являясь металлами одной группы, характеризуются сходным геохимическим поведением, и в этой связи большой научный интерес представляет их одновременное комплексное исследование.
Анализ и оценку миграции железа и марганца в экосистемах Азовского и шельфовой части Черного моря (включая седиментационный поток и перемещение по трофической цепи) можно производить путем изучения их накопления в морских организмах. Помимо решения непосредственной задачи, результаты данного исследования позволят оценить экологическое состояние водоемов посредством биоиндикации, а также определить безопасность мидий как продукта активно развивающейся на данных акваториях мари-культуры. В этом случае особую значимость приобретает исследование распределения концентраций металлов в онтогенезе организмов.
Изучению особенностей миграции некоторых ТМ в Азовском море при активном участии донных организмов был посвящен ряд работ. Так, анализ седи-ментационной роли доминантных видов моллюсков-фильтраторов в Азовском море представлен в [1]. Также достаточно подробно исследована их геохимическая работа в течение года [2].
Использование описанных в этих работах методик, а также собственные разработки позволили нам более детально и масштабно проанализировать участие в миграции и осаждении железа и марганца одного из наиболее примечательных представителей донной фауны исследуемых водоемов.
Объект исследования, материалы и методы
Выбранная нами в качестве объекта исследования черноморская мидия (Mytilus galloprovincialis Lam.) наряду с другими видами бентосных моллюсков широко распространена на шельфе Черного моря, встречаются мидии и в Азовском море, особенно в заливах Северного Приазовья, восточной части моря и Керченском предпроливье. Являясь типичным сестенофа-гом, этот вид моллюсков практически безвыборочно использует и перерабатывает для обеспечения жизнедеятельности взвешенное вещество (органическое, минеральное, планктон, детрит), поступающее как из водной толщи, так и из донных отложений. Экспериментально установлено, что поселение мидий на 1 м2 обладает мощной фильтрационной активностью, интенсивность которой достигает 250 м3/сутки. В результате этого процесса весь объем воды почти полностью очищается от взвеси. Особенности жизнедеятельности моллюска позволяют сделать вывод об активнейшем участии популяций мидии в преобразовании потоков вещества, в том числе круговорота ТМ посредством трофодинамики. Так, мидия, являясь объектом питания для бентофагов, способствует дальнейшей миграции химических элементов и их соединений, входящих в состав тканей черноморской мидии далее по пищевой цепи экосистемы. Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке безопасности употребления в пищу как самих мидий, так и морских организмов, которые специализируются на потреблении этих моллюсков. Безопасность использования мидий как продукта питания определяется по такому критерию качества, разработанному Минздравом Российской Федерации, как предельно допустимые концентрации (ПДК) для моллюсков и ракообразных. Особенную важность определение содержания ТМ (особенно в мягких тканях) приобретает для тех размерных групп организмов, которые считаются промысловыми. В мире существуют несколько вариантов определения оптимального для добычи размера моллюска. Так, во Франции промысловыми считаются мидии размером 10-20 мм, а в России и на Украине - моллюски, достигшие размера 31-40 мм и 41-50 мм. Поэтому с практической точки зрения, не
вызывает сомнения необходимость исследования особенностей накопления тяжелых металлов мидиями разного размера и соответственно возраста. Впоследствии возможна разработка рекомендаций сан-эпидемслужбам пищевой промышленности к определению безопасности употребления моллюсков на основе онтогенетического (размерно -возрастного) критерия.
Материалом для данной статьи послужили комплексные экспедиционные исследования, проводимые на северо-западном и северовосточном шельфе Черного моря в 1979-1999 гг. и в Азовском море за период с 1985 по 2003 г. В ходе полевых работ на определение содержания исследуемых металлов отбирались пробы воды (поверхностного и придонного слоев), взвеси (поверхностной и придонной), тотального планктона, иловых вод, донных отложений, а также мягких тканей и створок мидий (Mytilus galloprovincialis Lam.). Определялось содержание этих элементов также в телах и створках моллюсков. Их отбор осуществлялся на 70 станциях северо-западного, 17 станциях северо-восточного шельфа Черного моря и 37 станциях Азовского моря. Затем подготавливали к анализу в соответствии со стандартной методикой. Впоследствии большинство проб подвергалось атомно-абсорбционному анализу. Часть была отдана на внешний контроль, подвергалась количественному и полуколичественному спектральному анализу в проектном геологическом объединении «Донбассгеология» (комплексная лаборатория АГРЭ) и лаборатории АзНИИРХа (установка УСА-6), а также рентгенофлуоресцентному анализу (при использовании спектрометра 3270Е RIGAKU (Япония)) лаборатория АзНИИРХа.
Общее количество проанализированных проб моллюсков мидий составляет 1073 экз. В исследовании также анализировалось содержание ТМ в рыбах разной пищевой специализации, выловленных в Азовском море.
время для северо-западного шельфа такая тенденция не отмечена, возможно, по причине спада производства металлургического и сельскохозяйственного комплексов на территории Украины.
Таблица 1
Концентрации железа и марганца в телах мидий
Район Концентрация металлов, мкг/г сухого веса
Fe Mn
Ср. Ср.
Северо-западный шельф 1979 1981 1983 5047,7 2990,6 121,42 1822,7 1063,2 457,02 46,02 522,08
Северо-восточный шельф (м.Б.Утриш/ Лазаревское) 1985 115,8 2449,5 3,81 101,48
1999 4783,3 199,16
Азовское море 1985 - 51,34
1988- 72,4 974,8 314,4 242,58
89 1877,2 362
2003
Сравнительная характеристика средних концентраций металлов в мягких тканях мидии показывает, что марганец концентрируется в большей степени в мидиях северо-западного шельфа Черного моря, чем на других акваториях, а железо - на северо-восточном шельфе [3-9].
Весьма показательной биогеохимической характеристикой ТМ является соотношение их концентраций в мягких тканях. Авторами обнаружено, что значения соотношений концентраций железа и марганца в телах мидий северо-западного шельфа и Азовского моря ниже, чем определенные для Мирового океана показатели, хотя и одного порядка, а на северо-восточном шельфе Черного моря в 3 раза выше (табл. 2). Это обстоятельство подтверждает вывод о важности региональными геохимических условий как фактора, существенно влияющего на концентрации ТМ в организмах.
Анализ концентраций ТМ в створках мидий также
Таблица2
Соотношение концентрации железа в мягких тканях мидий исследуемых районов с концентрациями других металлов
Соотношение Северо-западный шельф Черного моря Северо-восточный шельф Черного моря Азовское море В целом для мягких тканей моллюсков
Fe/Mn 3,49 24,14 4,02 7,42
Результаты исследования
Анализ процессов накопления железа и марганца в мягких и скелетных тканях черноморских мидий и особенностей распределения концентраций в организмах разного размера и соответственно возраста позволяет сделать вывод о том, что существуют некоторые закономерности, общие с другими видами бен-тосных морских организмов. К ним в первую очередь можно отнести частоту их встречаемости. Так, обнаружено, что оба элемента встречаются во всех пробах мягких тканей и раковин мидий. Общие сведения об их содержании в мягких тканях мидий представлены в табл. 1. Для железа и марганца характерно увеличение концентраций за исследуемый период времени на северо-восточном шельфе Черного моря и в Азовском море, что может являться доказательством увеличения антропогенной нагрузки на акватории. В то же
свидетельствует о наличии некоторых закономерностей. Так, общую картину соотношения и динамики средних концентраций железа и марганца в раковинах мидий позволяют определить сведения, представленные в табл. 3.
Распределение средних концентраций металлов в створках мидии в исследуемые периоды времени характеризуется следующими особенностями.
Во-первых, динамика концентраций металлов в створках в отличие от мягких тканей довольно сложная - отмечается чередование повышенных и пониженных концентраций. Объяснением этому явлению в некоторой степени может служить тот факт, что содержание металлов в раковинах моллюсков является реакцией организмов на смену геохимических условий акватории, формировавшихся за относительно
Концентрации железа и марганца в раковинах мидий
Таблица 3
Концентрация металлов, мкг/г су-
Район хого веса
Fe Mn
Ср. Ср.
1979 190 429,25
Северо-западный 1980 593,8 535,31
шельф 1981 1983 304,18 734,9 455,72 288,46 417,32 417,58
Северо-восточн. шельф 1985 1994-96 84 74 11,1 10,0
(м. Б.Утриш/Лазаревское, м. Тузла-Адлер) 1994-96 1999 44 1197,5 87,33 260,95 9,3 34,9 11,32 14,5
Азовское море 1985 2003 840 840 77,44 44,98 26,21
долгий период времени. В то же время концентрации ТМ в мягких тканях отражают современную геохимическую обстановку, поскольку первыми осуществляют контакт с компонентами морской среды, а уже впоследствии в ходе метаболических процессов транспортируют металлы в скелетные ткани. Этот факт служит объяснением и тому обстоятельству, что концентрации металлов в мягких тканях мидий исследуемых акваторий выше, чем в створках.
Кроме того, установлено, что скелетные ткани моллюсков разных акваторий характеризуются разной степенью аккумуляции металлов - максимальные концентрации железа отмечены для Азовского моря, а марганца, как и в случае с мягкими тканями - для северозападного шельфа Черного моря.
Одной из задач нашего исследования был определен анализ распределения содержания металлов в онтогенезе мидий. Он показал, что моллюски разного размера и соответственно возраста характеризуются существенными отличиями в степени накопления ТМ. Объясняется это особенностями физиологического состояния организмов, вследствие чего их фильтрационная активность различна. Следовательно, потребление взвеси и биоаккумуляция из нее элементов неодинаковы. Авторами построены парные графики распределения величин содержания железа и марганца в телах и створках мидий разных размерных групп, которые позволили сделать выводы об общих особенностях и оценить сходство геохимического поведения этих металлов (рис. 1). Поведение металлов в онтогенезе может быть различным как в общем распределении, так и в соотношении распределения металлов друг с другом. Так, фиксируется максимум концентраций в особях 21-30 мм и 31-40 мм, а затем на общем фоне снижения концентраций металлов по мере увеличения размера особей моллюсков отмечен рост концентраций железа в мидиях размером больше 51-60 мм.
Максимум в определенной нами размерной группе формируется за счет увеличения фильтрационной активности (и потребления взвеси, содержащей железо и марганец) моллюсков по достижении ими периода половой зрелости.
10-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 размер, мм
Особый интерес вызывает сравнительный анализ соотношения распределения величин содержания железа и марганца для каждой из акваторий. Наблюдается явный антагонистический характер графиков, особенно для наиболее крупных особей. По всей видимости, на определенном этапе жизни моллюска в процессе биогеохимических реакций внутри его организма эти металлы, конкурируя, заменяют друг друга, причем явное лидерство остается за железом.
400 350
; I
300 250
I I
-- 200 : I
! t
--150 ; | -- 100 ' I
50 0
400 350i 300 3
81-90 91-100
, 400
¡f- о 300
' 200
= 6000
200 ,
150 ! сг К
100; аа Р.
-марганец
Рис. 1. Распределение концентраций железа и марганца в мягких тканях мидий (мкг/г сухого веса): а - северозападного шельфа Черного моря; б - северо-восточного шельфа Черного моря; в - Азовского моря
Распределение концентраций в створках мидий изу-
600
500
100
0
50
0
чаемых акваторий также характеризуются разными вариантами (рис. 2). Однако по большей части графики сходны. Во-первых, это сходство распределения железа и марганца в рамках отдельных акваторий, во-вторых, это наличие максимума содержания в размерной группе 51-60 мм, 61-70 мм, что особенно ярко представляют графики для северо-восточного шельфа Черного моря и Азовского моря.
60
50 |
40
^ о
30^° 20
а> ^ 10 |
0
10-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100 -и- железо РазмеР' мм —л—маоганец
4000
10-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100 размер, мм
600 500 « 400 £
г о
3001 °
ф ^ 100?
западной части Черного моря. Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что концентрация Бе и Мп и в телах, и в створках мидии увеличивается с севера на юг и юго-восток акватории (рис. 3).
29 29.5 30 30.5 31 31.5 32 32.5 33 33.5 34
10-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61-70 71-80 81-90 91-100 размер, мм
Рис. 2. Распределение концентраций железа и марганца в створках мидий (мкг/г сухого веса): а - северо-западного шельфа Черного моря; б - северо-восточного шельфа Черного моря; в - Азовского моря
Сравнительный анализ распределения концентраций железа и марганца в мягких тканях и створках черноморских мидий свидетельствует о запаздывании максимальных показателей в створках мидий по отношению к максимуму в телах на величину 10-20 мм (т.е. соответствующую приросту моллюска за год). По нашему мнению, в течение года происходит обогащение скелетной ткани металлами из мягких тканей при построении раковины.
Подробные исследования пространственного распределения содержания железа и марганца в мягких и скелетных тканях мидий, а также компонентах морской среды были проведены автором для северо-
Рис. 3. Распределение средних концентраций железа и марганца в мягких тканях (а, б) и в раковинах (в, г) мидий северо-западного шельфа Черного моря (мкг/г сухого веса) Так, особо выделяется район, прилегающий к запад-
ной части Крымского полуострова (м. Тарханкут). Он характеризуется высокими концентрациями исследуемых металлов в донных отложениях, иловых водах и придонном слое водной толщи (южная часть акватории - по причине уменьшения гранулометрического состава донных отложений и соответственно их обогащения железом и марганцем, восточная - за счет поступления этих металлов в составе речного стока с территории Крыма - западно-крымская питающая провинция). Именно эти обстоятельства объясняют высокие концентрации металлов в компонентах морской среды, которые в свою очередь обусловили увеличение их содержания в тканях моллюсков.
Как уже было отмечено, вследствие физиологических особенностей организма, одним из результатов жизнедеятельности мидий является обогащение участка акватории разного рода химическими элементами, в том числе ТМ. Об этом свидетельствует проведенный автором анализ соотношения концентраций железа и марганца в мидиях и компонентах морской среды северо-западной части Черного моря (табл. 4).
Анализ коэффициентов накопления металлов в
Таблица 4
Среднее содержание железа и марганца в компонентах морской среды и организмах мидии северо-западной части Черного моря и коэффициенты накопления
Компонент Средняя концентрация
Fe Mn
Вода поверхн., мкг/л 28,17 6,69
Вода придон., мкг/л 34,74 7,76
Иловые воды, мкг/л 120,23 28,48
Взвесь поверхн., % 0,99 0,27
Взвесь придон., % 0,78 0,16
Тотальн. планктон, % 0,45 0,095
Донные отложения, % 1,18 0,59
Мидия, тела, мкг/г 299,06 457,02
Мидия, створки, мкг/г 304,18 288,46
Коэффициент накопления
Иловые воды/вода поверхн., придонная 4,3 3,5 4,3 3,7
Взвесь поверхн./вода поверхн., придон. 3,54х105 2,85х105 4,04 х105 3,48 х105
Взвесь придон/вода поверхн, придон. 2,77 х105 2,25 х105 2,4 х105 2,06 х105
Тотальн. планкт./вода поверхн., придон. 1,6 х105 1,3 х105 1,42 х105 1,22 х105
Донные отложен./вода поверхн., придон. 4,19 х105 3,4 х105 8,82 х105 7,6 х105
Тела мидий/вода поверхн., придон. 1,06 х104 0,86х104 6,8х104 5,9х104
Створки мидии/вода поверхн., придон. 1,08х104 0,88х104 4,3х104 3,7х104
раз больше, чем железа. Это обстоятельство позволяет сделать вывод об обогащении изучаемыми металлами донных отложений, придонного слоя водной толщи, иловых вод при отмирании моллюсков и деструкции органических тканей.
Одновременно со значительным обогащением компонентов морской среды металлами, высвобождающимися при отмирании организмов, происходит постоянное, существенное по своим масштабам преобразование геохимического фона донных отложений вследствие жизнедеятельности мидийных сообществ. Как показали расчеты, выполненные автором при исследовании моллюсков, обитающих в пределах искусственных рифов северо-восточного шельфа Черного моря, непосредственное влияние метаболитов моллюсков на химический состав поверхностного слоя донных отложений акваторий фиксируется как в пределах биоценоза, так и на незначительном удалении от него. В частности, дальность влияния фекалий и особенно псевдофекалий мидий искусственных плантаций этой акватории моря может достигать 2,5 км, а площадь влияния - до 20,6 км2 [10].
Особый интерес вызывает проблема количественной оценки миграции ТМ в системе «компоненты морской среды - мидия» (рис. 4). Автором были произведены расчеты, позволившие оценить роль мидий в осаждении металлов в экосистемах исследуемых акваторий. В основу расчетов положены методики, предложенные в [1, 2, 12], которые были автором дополнены и усовершенствованы [11].
ПОСТУПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ речной сток, абразия, эоловый фактор, приток из других водоемов)
I
взвесь
|продукция}
мидия
н деструкция
ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
ИЗЪЯТИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СОСТАВЕ ДОБЫВАЕМЫХ МИДИЙ
[переработка взвеси]
i усвоение
|фекалии1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ ДРУГИХ ВИДОВ
ПЕЛЛЕТЫ, АГГЛЮТИНАТЫ, ПСЕВДОФЕКАЛИИ
ВЫЕДАНИЕ ' ХИЩНИКАМИ i
МИГРАЦИЯ ПО ТРОФИЧЕСКИМ -ЦЕПЯМ
мидиях, рассчитанных по отношению к их концентрациям в поверхностном и придонном слое водной толщи, показывает довольно значительные величины, особенно для марганца. Коэффициенты его накопления как в мягких тканях, так и в створках мидий в 4-6
Рис. 4. Концептуальная схема миграции тяжелых металлов в системе «вода-взвесь-мидия-донные отложения» [11]
Результаты этих расчетов указывают на очень значительную роль популяции мидии в осаждении железа и марганца. На исследуемых акваториях в результате функционирования мидийных сообществ ежегодно осаждается до нескольких десятков тысяч тонн железа и марганца. Самые высокие показатели осаждения мидиями железа характерны для Азовского моря. Это объясняется незначительной морфометрией данного водоема, что позволяет поселениям мидий неоднократно в течение года профильтровывать весь объем воды, а также большим содержанием в водной толще взвеси, которую популяция моллюсков практически полностью извлекает и перерабатывает.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ №06-05-79074 и НШ-4717.2006.5.
Литература
1. Хрусталев Ю.П., Мирзоян З.А., Некрасова М.Я. // Литология и полезные ископаемые, 1984. № 6. С. 84-96.
2. Бессонов О.А. Геохимические исследования некоторых современных и ископаемых моллюсков бассейна Азовского моря: Автореф. дис.... канд. геол.-мин. наук. 1971.
3. Свистунова (Доценко) И.В. // Геоэк. иссл. и охрана недр: Науч. техн. инф. «Геоинформмарк». М., 2000. Вып. 3. С. 21-25.
4. Дехта В.А., Каталевский Н.И., Свистунова (Доценко И.В.) // Геоэк. иссл. и охрана недр: Науч. техн. инф. «Геоинформмарк». М., 2000. Вып. 3. С. 26-33.
5. Свистунова (Доценко) И.В. // Тез. докл. конф. аспир. и соиск. Ростовского госуниверситета. Ростов н/Д, 1999. С. 15.
6. Свистунова (Доценко) И.В. // Тез. докл. конф. аспир. и соиск. Ростовского госуниверситета. 2000, Ростов н/Д, 2001. С. 56-57.
7. Денисов В.И., Черноусов С.Я., Ткаченко Ю.Ю., Кузне-
цов А.Н., Доценко И.В. // Лиманчик. Экологические проблемы. Взгляд в будущее: Сб. тр. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2004. С. 60-62.
8. Черноусов С.Я., Денисов В.И., Доценко И.В. // Лиман-чик. Экологические проблемы. Взгляд в будущее: Сб. тр. науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2004. С. 160-162.
9. Fedorov Y.A., Denisov V I.., Dotsenko I. V.). // 4th European Meeting on Enviromental Chemistry. Plymouth, England, 10-13 December 2003. P. 96.
10. Хрусталев Ю.П., Денисов В.И., Черноусов С.Я., Свистунова (Доценко И.В.) // Литология и полезные ископаемые, 2001. № 5. С. 534-542.
11. Доценко И.В. Оценка осаждения тяжелых металлов черноморской мидией (Mytilus galloprovincialis Lam.) в морских акваториях: Автореф. дис.... канд. геогр. наук. Ростов н/Д, 2005.
12. Санина Л.В. // Биогеохимия приконтинентальных районов океана: Тез. докл. Всесоюз. совещ. Нальчик 24-26 сент., 1984. М., С. 22-23.
Ростовский государственный университет_26 июня 2006 г.
