CC BY
79
УДК 597.5:577.170.49
Е. Н. Щербакова Кафедра гидробиологии и общей экологии
ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНАХ И ТКАНЯХ РУССКОГО ОСЕТРА (ACIPENSER GULDENSTADTI BRANDT) С ВОЗРАСТОМ
В настоящее время во всем мире большое внимание в рамках общеэкологического мониторинга природных экосистем уделяется биомониторингу так называемых тяжелых металлов в гидроэкосистемах. Многие соединения этих металлов оказывают на гидробионтов положительное воздействие, являясь катализаторами протекающих в их организмах биохимических процессов, но в других ситуациях (при более высоких концентрациях, в иных абиотических условиях и при ином физиологическом состоянии организма) они оказывают на гидробионтов отрицательное воздействие, которое проявляется в нарушении гомеостаза на всех уровнях -от молекулярного до организменного. Рыбы занимают в биоценозах водных экосистем верхний уровень трофической пирамиды и, так же как представители ее нижележащих уровней, играют исключительно важную роль в поведении тяжелых металлов. Многие из них не только накапливаются в рыбах в высоких концентрациях, но и образуют в их организме сложные соединения с органическими веществами, приобретая при этом новые свойства, в том числе становясь во многих случаях более токсичными по отношению к «хозяину», а также к поедающим рыб животным и потребляющему рыбопродукты человеку (Реакция гидробионтов ... ,1983). В связи с этим актуальным представляется изучение содержания тяжелых металлов в организме рыб, в частности осетровых, как наиболее ценных представителей ихтиофауны Волги и Каспия.
Целью нашего исследования было изучить закономерности накопления тяжелых металлов (железа, меди, никеля, кобальта и цинка) и провести корреляционно-регрессионный анализ их содержания в органах и тканях русского осетра различного возраста в речной период жизни.
Материалы и методы
В настоящей работе представлены и обобщены результаты анализа проб более 250 особей русского осетра. Изучение содержания тяжелых металлов в органах и тканях русского осетра проводили методом атомноадсорбционной спектрофотометрии (Брицке, 1982; Прайс, 1976) на спектрофотометре фирмы «Hitachi» (модель АА8 180-50). Полученные результаты подвергали статистическому анализу.
Результаты исследований
Цинк. Наиболее высокие концентрации цинка обнаружены в селезенке - 459,15 мг/кг сухого вещества, что объясняется активным участием этого микроэлемента в кроветворении. Его высокое содержание также отмеча-
лось в пилорической железе, кишечнике, жабрах и почках - 224,37; 202,08; 195,10 и 193,53 мг/кг сухого вещества соответственно. Относительно низкие концентрации цинка обнаружены в гонадах и мышцах - 93,89 и 70,08 мг/кг сухого вещества соответственно. Убывающий ряд содержания данного элемента в органах и тканях выглядит следующим образом: селезенка > пилорическая железа > кишечник > жабры > почки > печень > гонады > мышцы. Корреляционно-регрессионный анализ результатов исследования показал, что цинк имеет четко выраженную тенденцию к накоплению в органах и тканях с возрастом, в частности в мышцах, кишечнике и почках, согласно уравнениям аппроксимации:
- мышцы: F(X) = 0,0048х2 - 0,5664х - 60,561 (достоверность данного
уравнения (В2) составляет 0,6161);
- кишечник: ВД = 0,0034х2 + 0,6756х + 66,697 (В2 = 0,8114);
- почки: ад = - 0,0162х2 + 5,904х - 295,68 (В2 = 0,7636).
Отмечено также снижение содержания цинка в тканях жабр самок русского осетра с возрастом:
^(Х) = - 209,7 1п (х) + 1217,7 (В2 = 0,6074).
Известно, что в результате интоксикации цинком происходит нарушение функции почечной ткани и пищеварительных ферментов, снижаются темпы роста, нарушаются репродуктивные и поведенческие функции рыб (Реакция гидробионтов ... ,1983). Особенно сильное токсическое воздействие оказывает цинк на жабры, что снижает потребление кислорода и вызывает дыхательные спазмы, ухудшает респирацию и, как следствие, порождает асфиксию (Линник, 1986). Это особенно опасно для младших возрастных групп рыб, поскольку кумулятивная активность данного органа самок русского осетра в этот период высока. Принимая во внимание высокий уровень содержания цинка и способность его к аккумуляции в почках и мышцах самок с возрастом, можно прогнозировать большую вероятность появления токсикоза у старших возрастных групп самок русского осетра.
Никель. Установлено, что максимальная концентрация данного элемента наблюдается в почках (9,75 мг/кг) и пилорической железе (8,50 мг/кг), а наименьшая - в жабрах (1,95 мг/кг сухого вещества). Соединения никеля играют важную роль в кроветворных процессах, а также в процессах обезвреживания токсинов в организме. Накопление никеля в почках объясняется не селективной аккумуляцией металла в данном органе, а их выделительной функцией (Войнар, 1962). В остальных изучаемых органах наблюдалось относительно равномерное его распределение, что характеризует отсутствие в них избирательности по отношению к данному элементу. По концентрации никеля органы и ткани можно расположить в следующий убывающий ряд: почки > пилорическая железа > селезенка > печень > мышцы > гонады > кишечник > жабры. Отмечено, что у самок русского осетра с возрастом происходит накопление никеля в печени, пилорической железе и селезенке согласно уравнениям аппроксимации:
- печень: ^ (X) = 0,0003х2 - 0,0476х + 5,5972 (В2 = 0,8636);
- пилорическая железа: Г (X) = 0,0004х2 - 0,0414х + 7,4813 (В2 = 0,8926).
- селезенка: ^ (X) = 0,0001х2 - 0,0139х + 2,566 (В2 = 0,9102).
Выявлено уменьшение концентрации никеля с возрастом в тканях мышц у исследуемого вида рыб согласно уравнениям аппроксимации:
- самки: ^ (X) = 6,1577*е-0 0063х (В2 =0,8572);
- самцы: ^ (X) = 0,0008х2 - 0,141х + 8,296 (В2 = 0,6107).
Медь. Медь в наибольшем количестве - 45,2 и 39,8 мг/кг сухого вещества у самцов и самок соответственно обнаружена в селезенке, что объясняется активным участием этого микроэлемента в процессах кроветворения и тканевого дыхания. Этот микроэлемент выполняет роль катализатора в процессе превращения неорганического железа в составную часть гемоглобина (Войнар, 1962). Распределение меди по органам выглядит следующим образом: селезенка > печень > жабры > почки > кишечник > гонады > пилорическая железа > мышцы. Обмен меди в организме связан с обменом железа. Медь влияет как на всасывание, так и на использование железа в организме животного (Войнар, 1962). Согласно полученным данным, накопление меди с возрастом происходит преимущественно в органах и тканях самцов, тогда как у самок данной зависимости не обнаружено. Это можно объяснить более сильными изменениями в организме самок при подготовке к нерестовой миграции. Мобилизация внутренних ресурсов организма в этот период влияет на перераспределение химических элементов во всех органах, а динамика накопления элементов в органах и тканях подвержена значительным колебаниям, вызванным не только формирующими факторами, но и множеством других второстепенных факторов, аддитивный эффект воздействия которых может быть весьма существенным (Войнар, 1962). Изменения содержания меди с возрастом у самцов происходят согласно уравнениям аппроксимации:
- печень: ^ (X) = 7,1285*е0 0139х (В2 =0,8553);
- селезенка: ^ (X) = 0,0174х2 - 3,1057х + 174,48 (В2 = 0,703).
Железо. Выявлено, что высокие концентрации железа у самок русского осетра обнаружены в органах, обильно снабжаемых кровью: селезенке (2 235,45 мг/кг сухого вещества), что объясняется ее кроветворной функцией, и печени (776,03 мг/кг сухого вещества), содержащей ферритин, являющийся основным железосодержащим белком (Войнар, 1962). По способности к аккумуляции железа внутренние органы и ткани русского осетра располагаются в следующий убывающий ряд: селезенка > печень > почки > жабры > пилорическая железа > кишечник > гонады > мышцы. Высокое содержание железа в селезенке обусловлено функциональными особенностями данного органа, представляющего собой депо крови в организме и характеризующегося интенсивными кроветворными процессами, в ходе которых осуществляется превращение неорганического железа в составную часть гемоглобина (Воробьев, 1993). Установлено, что железо с возрастом активно аккумулируется в гонадах самок русского осетра согласно уравнению аппроксимации:
^ (X) = 3 * 10"5х2 + 3,7582 (В2 = 0,8948).
Можно предположить, что высокие концентрации железа, а также его повышенная способность к накоплению в исследуемых органах могут вызывать угнетение пищеварительных ферментов, нарушать проницаемость биологических мембран, а также снижать содержание растворимых ферментов у исследуемого вида рыб (Войнар, 1962).
Кобальт. Содержание кобальта по сравнению с другими исследуемыми тяжелыми металлами невысоко. Максимальное его количество отмечалось в пилорической железе и далее печень > почки > селезенка > кишечник > жабры > гонады. В минимальных количествах он обнаружен в мышцах (10,35 мг/кг сухого вещества). Высокое содержание данного элемента в печени и почках связано с разложением в этих органах и последующим выделением из организма всех водорастворимых витаминов (Воробьев, 1993). Аддитивный эффект, полученный в результате взаимодействия кобальта и железа, существенно влияет на микроэлементный баланс этих металлов в органах и тканях самок русского осетра. Кобальт, взаимодействуя с железом, вызывает синергический эффект, способствуя включению атома железа в молекулу гемоглобина, усиливая ионизацию и резорбцию железа, ускоряя созревание эритроцитов. Исходя из существенно низкого содержания кобальта, обнаруженного в органах и тканях самок исследуемого вида рыб, можно сделать предположение, что накопление железа в органах и тканях является следствием выключения кобальта из пластического обмена, что ведет к депонированию и комплексообразованию железа (Войнар, 1962; Воробьев, 1993). Отмечено повышение с возрастом содержания кобальта в тканях мышц самок русского осетра согласно уравнению аппроксимации:
^ (X) = 2 * 10-5 х2 - 0,0026 х + 0,3572 (В2 = 0,8677).
Практический интерес представляет сравнение полученных результатов исследования по концентрации тяжелых металлов в рыбах с допустимой остаточной концентрацией (Санитарные правила и нормы, 1997), по сути дела - в мышечной ткани этих животных. Превышение этого показателя отмечено по цинку, никелю и железу в 1,8; 5,5 и 3,6 раз соответственно.
Выводы
Полученные данные свидетельствуют, что в наиболее высоких концентрациях в организме русского осетра присутствует железо, а в минимальных - кобальт. Сравнение концентраций исследуемых тяжелых металлов в органах и тканях русского осетра и карповых рыб показано, что содержание данных элементов в организме русского осетра значительно превышает таковое у полупроходных рыб (Зайцев, Ходоревский, 1980; Воробьев, 1993; Иванов, Сиротский, 1998; Попов и др., 2003).
По способности к аккумуляции металлов внутренние органы и ткани располагаются в следующий ряд: печень ~ селезенка ~ почки > кишечник ~ пилорическая железа ~ гонады > мышцы. В такой же ряд они располагаются по интенсивности метаболизма, протекающего в них. По степени накопления в органах и тканях исследуемые тяжелые металлы можно расположить в следующий убывающий ряд: Бе > 2п > Си > N1 > Со.
Исследование показало, что динамика кумуляции тяжелых металлов в органах и тканях самок русского осетра определяется различными типами функциональных зависимостей согласно особенностям описывающих их функций:
Для самок:
- полиномиальные (в основе лежит линейное возрастное накопление элемента): железо - гонады; цинк - почки, мышцы; кобальт - мышцы; никель - печень, пилорическая железа, селезенка;
- экспоненциальные (в основе лежит асимметрическое нелинейное возрастное накопление элемента): медь - печень, селезенка;
- логарифмические: цинк - жабры.
Для самцов:
- полиномиальные (в основе лежит линейное возрастное накопление элемента): никель - мышцы.
- экспоненциальные (в основе лежит асимметрическое нелинейное возрастное накопление элемента): медь - селезенка.
Полученные уравнения аппроксимации регрессионной зависимости позволяют прогнозировать накопление тяжелых металлов в организме русского осетра в возрастном промежутке от 2 до 32 лет.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Брицке М. Э. Атомно-адсорбционный спектрохимический анализ. - М.: Химия, 1982. - 223 с.
2. Войнар В. И. Микроэлементы в живой природе. - М.: Высш. шк., 1962. - 93 с.
3. Воробьев В. И. Биогеохимия и рыбоводство. - Саратов: МП «Литера», 1993. - 224 с.
4. Зайцев В. Ф., Ходоревский О. А. К оценке физиологического состояния осетровых Волго-Каспийского бассейна // Роль микроэлементов в жизни водоемов. -М., Наука, 1980. - С. 60-67.
5. Иванов П. В., Сиротский С. Е. Тяжелые металлы в биообъектах водной экосистемы бассейна р. Амур // Геолого-геохимические и биохимические исследования на Дальнем Востоке. - 1998. - № 8. - С. 49-56.
6. Линник Г. Н. Формы миграции тяжелых металлов и их действие на гидробио-нтов // Эксперим. водная токсикология. - 1986. - Вып. 11. - С. 144-154.
7. Попов П. А., Андросова Н. В., Аношин Г. Н. Накопление и распределение тяжелых и переходных металлов в рыбах Новосибирского водохранилища // Вопросы ихтиологии. - 2002. - Т. 42 - С. 264-270.
8. Реакция гидробионтов на загрязнение / Л. П. Брагинский, А. Я. Маляревская, Т. И. Биргер и др. - М., 1983.
9. Прайс В. Аналитическая атомно-адсорбционная спектроскопия. - М.: Мир, 1976. - 355 с.
10. Санитарные правила и нормы (СанПиН) 2.3.2.560-96. - М.: Пищ. пром-сть, 1997. - 34 с.
Получено 25.01.04
CHANGING THE CONTENT OF SOME HEAVY METALS IN ORGANS AND FLESH OF A RUSSIAN STURGEON (ACIPENSER GULDENSTADTI BRANDT) WITH AGE
E. N. Scherbakhova
Storage and distribution of heavy metals is rather complicated not only in abiotic components of water ecosystems but in hydrobioses of different tropical levels, namely in fishes. It is shown that iron exists in the maximum concentration of five tested heavy metals in organs and flesh of Acipenser guldenstadti Brandt, and cobalt exists in minimum concentration. Accumulative dynamics of heavy metals depending of the age is determined by different types of functional dependencies concerning their functions. Exceeding maximum residual concentrations in zinc, nickel and iron is mentioned in muscles of Acipenser guldenstadti Brandt.
