CC BY
7Секция 3. СОСТОЯНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, ПРОБЛЕМЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
УДК 502.51(268.45)
Е.А. Горбачева
Полярный филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ПИНРО им. Н.М. Книповича), Мурманск, 183038 e-mail: gorbach@pinro.ru
ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРИБРЕЖНЫХ РАЙОНОВ БАРЕНЦЕВА МОРЯ
Методом биотестирования исследована токсичность донных отложений прибрежной зоны Баренцева моря для одноклеточной водоросли Phaeodactylum tricornutum Bohlin и личинок жаброногого рачка Artemia salina L. Изучалось воздействие водных вытяжек донных отложений на размножение клеток водоросли и выживаемость рачков. Продолжительность экспериментов составляла 96 ч. Изученные донные отложения были представлены преимущественно песчаной фракцией. Вытяжки донных отложений не токсичны для водоросли Ph. tricornutum. Во всех вытяжках наблюдалось стимулирующие воздействие на размножение клеток водоросли. Численность Ph. tricornutum в вытяжках возрастала до 130-300% по сравнению с контролем. Личинки А. salina более чувствительны к загрязняющим веществам, накопленным в донных отложениях прибрежной зоны моря Баренцева моря, чем одноклеточная водоросль Ph. tricornutum. В районе исследований наряду с нетоксичными зарегистрировали слабо-, средне- и остротоксичные для личинок А. salina донные отложения. Токсичные донные отложения отмечали на акватории, располагавшейся напротив наиболее хозяйственно-освоенного участка побережья - от п-ова Рыбачий до губы Териберская.
Ключевые слова: биотестирование, токсичность, Баренцево море, донные отложения, Phaeodactylum tricornutum, Artemia salina.
E.A. Gorbacheva
Polar branch of the Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography (PINRO named after N.M. Knipovich), Murmansk, 183038 e-mail: gorbach@pinro.ru
ECOTOXICOLOGICAL STUDIES OF COASTAL AREAS BED SEDIMENTS
IN THE BARENTS SEA
The toxicity of bottom sediments of the Barents Sea coastal zone for the single-celled algae Phaeodactylum tricornutum Bohlin and larvae of the gill-legged crustacean Artemia salina L. was studied by bioassay. The effect of bottom sediments water extracts on the reproduction of algae cells and the survival of crustaceans was studied. The duration of the experiments was 96 hours.The studied bottom sediments were mainly represented by the sand fraction. Bottom sediment extracts are not toxic to algae Ph. tricornutum. Stimulating effects on the reproduction of algae cells were observed in all extracts. Number of Ph. tricornutum in the extracts increased to 130-300% compared to the control. The A. salina larvae are more sensitive to pollutants accumulated in the bottom sediments of the Barents Sea coastal zone than the single-celled alga Ph. tricornutum. Along with non-toxic sediments, low -, medium-and acute-toxic sediments for A. salina larvae were recorded in the studied area. Toxic bottom sediments were noticed in the water area located opposite the most economically developed part of the coast-from the Rybachy Peninsula to the Teriberskaya Bay.
Key words: bioassay, toxicity, the Barents Sea, bottom sediments, Phaeodactylum tricornutum, Artemia salina.
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана., промысловое и техническое использование
Известно, что для загрязненных участков морей характерно присутствие не одного, а целого комплекса загрязняющих веществ, относящихся к разным типам техногенных воздействий [1]. Загрязняющие вещества могут как усиливать (синергизм), так и ослаблять (антагонизм) токсическое воздействие друг друга. Причем одни и те же комбинации некоторых загрязнителей могут являться синергистами при воздействии на организм в низких концентрациях и антагонистами при более высоких [2]. С помощью химико-аналитических методов удается изучить степень загрязнения водной среды отдельными поллютантами (наиболее часто определяется содержание в воде или донных отложениях тяжелых металлов, хлорорганических пестицидов, полихлорированных бифенилов, нефтяных углеводородов, фенолов и т. д.). Оценить уровень опасности для гидробионтов всего комплекса накопленных в среде загрязняющих веществ и их метаболитов, а также учесть синергические и антагонистические эффекты позволяет применение методов биотестирования.
Загрязняющие вещества, поступившие в водоемы, аккумулируются в донных отложениях. Содержание поллютантов в донных отложениях, как правило, значительно выше, чем в водных массах. Коэффициенты накопления (отношение концентрации химического соединения в отложениях к концентрации в придонном слое), например бенз(а)пирена, могут достигать 101—104, полихлорбифенилов (ПХБ) и дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) - 102-103 [3]. Исследованиями показано, что благодаря постоянным течениям, горизонтальным и вертикальным движениям водных масс, ореолы рассеивания и концентрирования техногенных компонентов простираются на расстояния, доходящие до 1 000-1 500 км от возможных аномалообразующих источников или участков сброса поллютантов [1]. Вместе с тем наиболее загрязненными считаются донные отложения прибрежных районов и эстуариев [3].
Целью наших исследований являлось изучение методом биотестирования токсичности донных отложений прибрежных районов Баренцева моря для одноклеточной водоросли Phaeodactylum tricornutum Bohlin и личинок жаброного-го рачка Artemia salina L.
Донные отложения для исследований были отобраны в рейсах научно-исследовательских судов в Баренцевом море в 2009-2019 гг. Для отбора проб использовали дночерпатель Ван-Вина с площадью захвата 0,1 м2. До начала экспериментов донные отложения хранили при температуре минус 18°С не более двух месяцев. Расположение станций отбора проб донных осадков представлено на рис. 1.
Для исследования гранулометрического состава донных отложений применяли водно-ситовой метод. Изучали содержание в донных отложениях мелкодисперсной фракции (> 0,063 мм), песка (от 0,063 до 2 мм) и гравия (от 2 до 63 мм).
Токсичность донных отложений определяли на основании биотестирования их водных вытяжек. Перед получением водных вытяжек пробы донных осадков высушивали до воздушно-сухого состояния при температуре (20 ± 5)°С. Высушенные донные отложения заливали водой из условно чистого района моря в соотношении 1 : 4 и перемешивали в течение 2 ч. После перемешивания пробы отстаивали в течение 1 ч при (20 ± 5)°С и 20 ч при 4°С. Затем надосадоч-ную жидкость сливали и центрифугировали 10 мин при скорости 4 000 об/мин.
В экспериментах изучали влияние водных вытяжек донных отложений на рост культуры водоросли и выживаемость рачков. При проведении исследований на водоросли Ph. tricornutum и личинках жаброногого рачка А. salina руководствовались ГОСТ Р 53910-2010 [4] и ГОСТР 53886-2010 [5] соответственно. Продолжительность опытов составляла 96 ч. Результаты экспериментов обрабатывали с использованием методов вариационной статистики: вычисляли среднее арифметическое и доверительный интервал.
30° 32° 34° 36° 38° 40° • - станции -- гидрологический фронт
Рис. 1. Карта-схема расположения станций отбора проб донных отложений
Донные отложения являлись нетоксичными для Ph. tricornutum, если в конце экспозиции количество клеток водоросли в полученной из них водной вытяжке составляло > 90%, слаботоксичными - 89-65%, среднетоксичными - 50-64%, высокотоксичными - 0-49% от контроля. Для личинок A. salina донные отложения рассматривали как нетоксичные при выживаемости рачков в водной вытяжке в конце эксперимента 90-100%, слаботоксичные - 89-65%, среднетоксичные - 50-64%, высокотоксичные - 0-49%. По тест-организму, проявившему наибольшую чувствительность, устанавливали итоговую токсичность донных отложений.
По данным гранулометрического анализа в подавляющем большинстве изученных проб донных отложений преобладала песчаная (0,063-0,2 мм) фракция (таблица). Преимущественно мелкозернистой (< 0,063 мм) фракцией были представлены только донные отложения станции 3. Приблизительно в равных количествах присутствовали мелкодисперсная и песчаная фракции в донных отложениях станций 1, 2 и 4. Доля мелкозернистой фракции в донных отложениях, как правило, увеличивалась c увеличением глубины места в районе отбора проб. Так, в донных отложениях, отобранных на глубине 158-202 м, содержание мелкодисперсной фракции колебалось в интервале от 12,3 до 38,3%, 220-247 м от 41,2 до 73,2%. Исключением являются донные отложения станции 7, которые были отобраны на глубине 241 м и содержали только 17,3% мелкозернистой фракции. На изученной акватории распределение осадков контролируется рельефом дна, гидродинамикой бассейна и в большей степени придонными течениями [6].
Гранулометрический состав донных отложений, %
№ станции Глубина, м Фракции, мм № станции Глубина, м Фракции, мм
< 0,063 0,063-2 2-63 < 0,063 0,063-2 2-63
1 222 49,6 49,5 0,9 8 202 15,8 81,3 2,9
2 223 48,4 50,6 0 9 175 17,4 79,4 3,2
3 247 73,2 26,8 0 10 202 38,3 61,7 0
4 270 48,4 50,6 0 11 184 34,1 65,9 0
5 158 12,3 86,9 0,8 12 192 24,1 74,9 1,0
6 221 41,2 58,8 0 13 201 28,4 70,6 1,0
7 241 17,3 82,7 0 - - - - -
Исследованные донные отложения не токсичны для водоросли Ph. tricornutum. В полученных из них водных вытяжках прослеживалось стимулирующее воздействие на рост культуры Ph. tricornutum (рис. 2). В вытяжках донных отложений станций 4, 5, 8-10 численность водоросли в течение эксперимента возрастала до 230-300% по сравнению с контролем. Менее значительную стимуляцию роста Ph. tricornutum наблюдали в вытяжках донных отложений станций 1, 6, 12 и 13, в которых количество клеток водоросли не превышало 190-220% по сравнению с контролем. Минимальное влияние на размножение клеток Ph. tricornutum (численность увеличивалась до 130-165% по сравнению с контролем) отмечали в вытяжке донных отложений станций 2, 3, 7 и 11.
В водных вытяжках донных отложений станций 3, 5, 7, 9 и 10 наблюдали снижение выживаемости личинок A. salina до 80, 50, 88, 43, 81% соответственно (рис. 3). На основании результатов исследований остротоксичными для рачков можно считать донные отложения станции 9, среднетоксичными - станции 5, слаботоксичными - станций 3, 7 и 10. Нетоксичными для личинок A. salina оказались донные отложения остальных станций, в вытяжках из которых выживаемость рачков колебалась в интервале от 92 до 100%.
По данным исследований, личинки A. salina более чувствительны к загрязняющим веществам, накопленным в донных отложениях исследованных районов моря, чем микроводоросль Ph. tricornutum. Для личинок A. Salina токсичными оказались 5 из 13 изученных проб донных отложений. Ни одна из исследованных вытяжек не оказывала негативного воздействия на рост культуры водоросли Ph. tricornutum. Стимулирующее влияние водных вытяжек донных отложений на размножение клеток водоросли, вероятно, обусловлено повышенным содержанием в них биогенных элементов и биологически активных соединений. В донных отложениях осуществляется накопление и регенерация биогенных элементов, которые переходят в водную вытяжку. Вместе с тем низкие концентрации загрязняющих веществ также могут стать причиной стимуляции размножения клеток микроводоросли [7].
Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование
350 300 250
л
§ 200
® 150
ч
я 100
¡г1
50
É
Л
Ы
i
1 2 3 4 5
6 7 8 Станции
9 10 11 12 13
120 -г
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
0
i i
1 сут ■ 2 сут ■ 3 сут ■ 4 сут
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Станции
□ контроль □ водная вытяжка донных отложений
Рис. 2. Динамика численности водоросли РН. МеогпиШт в водных вытяжках донных отложений Баренцева моря
Рис. 3. Выживаемость личинок A. salina в водных вытяжках донных отложений Баренцева моря
Средне- и высокотоксичные для личинок A. salina донные отложения были отобраны на станциях 5 и 9, располагавшихся на наименьшем расстоянии от берега и на относительно небольших глубинах: 158 и 175 м соответственно. Слаботоксичные донные отложения зарегистрированы на станциях 3, 7 и 10, находившихся в более удаленных от Кольского п-ова районах и на глубинах 202-247 м. Все токсичные пробы донных осадков были отобраны на акватории, располагавшейся напротив наиболее хозяйственно-освоенного участка побережья - от п-ова Рыбачий до губы Териберская.
Гранулометрический состав токсичных донных отложений различен. Доля мелкозернистой фракции, характеризующейся более высокой сорбционной способностью и, как правило, более значительным накоплением загрязняющих веществ, изменялась в них в очень широком диапазоне - от 12,3 до 73,3%. Причем наиболее токсичные донные отложения (станции 5 и 9) отличались относительно низким содержанием тонкодисперсной фракции (см. таблицу). Вероятно, уровень содержания в донных отложениях токсичных для личинок A. salina химических элементов и соединений в большей степени определялся близостью к источникам антропогенного воздействия, чем гранулометрическим составом осадков. Следует учитывать и разную биологическую доступность аккумулированных в донных отложениях загрязняющих веществ. Доля биологически доступных форм металлов может существенно отличаться даже в донных отложениях с одинаковым общим содержанием металлов [8].
В формирование картины загрязнения района исследований существенный вклад вносят местные источники антропогенного воздействия. Отмечают, что зоны слабого и умеренного загрязнения тяжелыми металлами и хлорорганическими соединениями донных отложений, придонных вод и макробентоса связаны в первую очередь с расстоянием до берега Кольского полуострова как с аномалообразующим источником природного и техногенного характера [6]. Кроме того, для акватории исследований характерна высокая интенсивность судоходства. Через нее проходят маршруты плавания рыболовных и транспортных судов, перевозящих генеральные грузы, сырую нефть и нефтепродукты. Поллютанты могут поступать в район исследований также с водами Мурманского прибрежного течения, являющегося продолжением Норвежского прибрежного течения, исходным источником которого является Балтийское море [9]. Дальний атмосферный перенос преимущественно в зимний период обеспечивает поступление в арктическую атмосферу загрязняющих веществ из средних широт [10].
Согласно опубликованным данным в донных отложениях района исследований наблюдается рост техногенной нагрузки в отношении тяжелых металлов, но темпы его низкие [6]. Кроме того, в донных отложениях изученной акватории присутствуют хлорорганические соединения (ПХБ, ДДТ, гексахлорциклогексан и гексахлорбензол) и нефтяные углеводороды [1, 6, 11]. В районе, расположенном севернее губы Териберская, отмечены пробы донных отложений с высоким содержанием мышьяка и ДДТ [11]. С помощью биотестирования, как правило, невозможно выделить химические элементы и соединения, являющиеся причиной токсичности. Биотесты позволяют лишь оценить интегральную токсичность для тест-объектов всего комплекса поллютантов, присутствующих в среде. Токсичность проб донных отложений, отобранных в прибрежных районах Баренцева моря, может быть результатом как синергического взаимодействия нескольких за-
0
грязняющих веществ, так и повышенным содержанием какого-либо одного токсиканта, определение которого, возможно, и не проводилось при химико-аналитических исследованиях.
Таким образом, по данным биотестирования в прибрежной зоне Баренцева моря наряду с нетоксичными регистрируются слабо-, средне- и остротоксичные донные отложения. Токсичные пробы донных осадков отмечали на акватории, располагавшейся напротив наиболее хозяйственно-освоенного участка побережья — от п-ова Рыбачий до губы Териберская. Наиболее чувствительны к загрязняющим веществам, накопленным в донных отложениях исследованных районов моря, оказались личинки A. salina.
Литература
1. Гуревич В.И. Современный седиментогенез и геоэкология Западно-Арктического шельфа Евразии. - М.: Научный мир, 2002. - 134 с.
2. Evaluating combined toxicity of binary heavy metals to the cyanobacterium Microcystis: A the oretical non-linear combined toxicity assessment method / C. Gao, L. Gao, P. Duan, H. Wu, M. Li // Ecotoxicology and Environmental Safety. - 2020. - V. 187. - URL.: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/ 31654861 (дата обращения: 03.02.2021).
3. ИзраэльЮ.А., Цыбань А.В. Антропогенная экология океана. - М.: Флинта: Наука, 2009. -532 с.
4. ГОСТ Р 53886-2010 Вода. Методы определения токсичности по выживаемости морских ракообразных. - М.: Стандартинформ, 2010. - 35 с.
5. ГОСТ Р 53910-2010 Вода. Методы определения токсичности по замедлению роста морских одноклеточных водорослей Phaeodactylum tricornutum Bohlin и Sceletonema costatum (Gre-ville) Cleve. - М.: Стандартинформ, 2010. - 41 с.
6. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1 : 1 000 000 (третье поколение). Серия: Северо-Карско-Баренцевоморская. Лист S-(35), 36 - Мурманск. Объяснительная записка. - СПб.: Картографическая фабрика ВСЕГЕИ, 2007. - 281 с.
7. Патин С.А. Влияние загрязнения на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана.- М.: Пищевая промышленность, 1979. - 303 с.
8. Pempkowiak J., Sikora A., Biernacka E. Speciation of heavy metals in marine sediments vs their bioaccumulation by mussels // Chemosphere. — 1999. — V. 39 (2). — P. 313-321.
9. Воды Баренцева моря: структура, циркуляция, изменчивость / В.К. Ожигин, В.А. Ившин, А.Г. Трофимов, А.Л. Карсаков, М.Ю. Анциферов. - Мурманск: ПИНРО, 2016. - 260 с.
10. Голубева Н.И. Загрязнение атмосферы Арктики токсичными тяжелыми металлами // Биология и океанография Северного морского пути: Баренцево и Карское моря. - М.: Наука, 2007.- С. 173-189.
11. Новиков М.А., Жилин А.Ю. Динамика уровней загрязнения донных отложений Баренцева моря в последнее десятилетие // Природные опасности: связь науки и практики: Материалы II междунар. науч.-практ. конф. (Саранск, 23-24 апреля 2015 г.) — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2015. — С. 319-325.
