CC BY
142
УДК 639.3:549.25 /28 Е.А. Галатова
РЕЗУЛЬТАТЫ МНОГОФАКТОРНОГО ДИСПЕРСИОННОГО АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ РЫБ РАЗЛИЧНЫХ СЕМЕЙСТВ
Проведен многофакторный дисперсионный анализ выявления особенностей в накоплении тяжелых металлов органами и тканями рыб разных семейств. Результаты многофакторного дисперсионного анализа показали, что напряженность экологической ситуации г. Троицка, в основном, обусловлена воздействием градообразующего предприятия филиала ОАО «ОГК-2» - Троицкой ГРЭС, производящей выработку электро- и теплоэнергии. В результате ее выбросов идет формирование природнотехногенной биогеохимической провинции с избытком свинца, никеля, кадмия, железа, марганца и недостатка меди, цинка и серы.
Ключевые слова: многофакторный анализ, органы и ткани, рыба, тяжелые металлы.
E.A. Galatova THE RESULTS OF A MULTIFACTORAL DISPERSED ANALYSIS OF HEAVY METALS AVAILABILITY IN FISH ORGANS OF DIFFERENT FAMILIES
The multifactorial dispersive analysis to reveal the peculiarities in accumulation of heavy metals by the organs and tissues of fish of different families is conducted. The results of the multifactorial dispersive analysis showed that Troitsk ecological situation intensity is basically caused by the influence of the important town enterprise the branch of Public Joint Stock Company "ОГК-2" - Troitsk state district power station producing electro-and heat energy. As a result of its dischage the formation of nature-technogenic biogeochemical province with lead, nickel, cadmium, ferrum, manganese excess and copper, zinc and sulphur lack takes place.
Key words: multifactoral dispersed analysis, organs and tissues, fish, heavy metals.
Биологические процессы, протекающие в водоеме, зависят от физических свойств и химического состава воды. Водные организмы, в том числе и рыбы, приспособлены к определенным условиям среды, изменения которой могут существенно отразиться на видовом составе и количественном соотношении между отдельными видами. Химический состав воды и ее химические свойства зависят от биологических процессов, протекающих в водоеме.
Известно, что даже в одной рыбоводной зоне наблюдается различная обеспеченность микроэлементами грунтов, вод и организмов гидробионтов. Тесно связанные со средой обитания водные организмы поглощают из нее доступные химические элементы, дающие растворимые соединения, или активно превращают нерастворимые в доступные соединения. При этом в пищевых цепях водоемов происходят одновременно два процесса - уменьшение количества одних элементов и концентрация в отдельных звеньях цепей других.
Микроэлементы в водных экосистемах являются регуляторами метаболизма организмов гидробио-нтов, недостаток их в звеньях пищевых цепей тормозит процессы превращения материи, уменьшает интенсивность фотосинтеза, что, безусловно, отрицательно влияет на рыбопродуктивность водоемов (Мал-чевски Ч., 1996).
Содержание микроэлементов: кобальта, никеля, марганца, меди и цинка и др., наряду с биогенными элементами, существенно влияет на развитие живых организмов в водоемах, особенно растительных, являющихся первым звеном в цепи органической жизни.
Для микроэлементов наиболее характерна высокая биологическая активность, т.е. способность в малых дозах оказывать сильное биохимическое действие. Недостаток или избыток микроэлементов приводит к патологии в развитии, к отравлению организма и нередко к гибели. Источниками поступления микроэлементов в организм рыб являются вода, растительность, естественный и искусственный корм. Концентрация микроэлементов в воде зависит от их формы в донных отложениях.
Следует отметить, что такие микроэлементы, как марганец, медь, цинк, молибден, кобальт находятся в илах преимущественно в труднорастворимых соединениях. Растворимость этих соединений зависит от гидрохимического режима водоема и, в частности, от количества кислорода, рН и других факторов. От концен-
трации кислорода в воде зависит жизнедеятельность рыб. При уменьшении его содержания снижается интенсивность питания и использования пищи на рост, в результате чего замедляется рост рыбы. Только подвижные формы микроэлементов усваиваются фито- и зоопланктоном, бентосом и, в конечном счете, рыбой.
С учетом вышеизложенного, авторами наряду с определением органолептических и гидрохимических показателей речной воды, содержания тяжелых металлов в донных отложениях, водорослях, было изучено распределение тяжелых металлов в органах и тканях рыб четырех семейств. В связи с этим были проведены исследования по содержанию тяжелых металлов в организме рыб методом атомно-абсорбционной спек-трофотометрии. Для анализа выбраны следующие семейства рыб: окуневые (окунь, ерш, судак); карповые (плотва, пескарь, верховка); щуковые (щука); сомовые (сом). Концентрацию тяжелых металлов определяли в следующих органах и тканях: мышечной ткани, жабрах, чешуе, плавниках, костной ткани и гонадах.
Для подтверждения выявленных особенностей в накоплении тяжелых металлов органами и тканями рыб разных семейств был проведен многофакторный дисперсионный анализ.
Методы исследований. Статистическую обработку данных по содержанию металлов в органах, тканях рыб разных видов проводили с помощью трехфакторного дисперсионного анализа (факторы: «Виды рыбы», «Органы», «Металлы»). Для выявления наиболее общих закономерностей использовали аппарат оптимального многомерного шкалирования CatPCA (главные компоненты для категориальных признаков), реализованный в модуле редукции данных пакета SPSS for Windows (v. 12.0.0). При этом переменные принадлежности к видам и органам анализировались как номинальные, а переменные содержания металлов - как метрические, с последующим ранжированием.
Расчеты и графические построения выполнены в статистических пакетах Statistica for Windows (v.6.0, StatSoft Inc.), KyPlot (v.2.0 beta 15) и SPSS for Windows (v. 12.0.0, SPSS Inc.). Во всех случаях эффекты считали статистически значимыми при вероятности нулевой гипотезы Р<0,05, незначимыми - при Р>0,10. В промежуточных случаях (0,05<Р<0,10) обнаруженные закономерности рассматривали как тенденции.
Результаты и их обсуждение. Анализ исследований по содержанию металлов в тканях рыб разных видов был проведен в два этапа. На первом этапе важно было выяснить, насколько различаются по содержанию металлов как рыбы разных видов, так и изученные органы. Поэтому использовали многофакторный дисперсионный анализ. Его результаты представлены в таблице 1. Главными эффектами в анализе являются виды, органы и металлы. Рассмотрены двухфакторные взаимодействия (виды х органы; виды х металлы; органы х металлы) и трехфакторное взаимодействие (виды х органы х металлы).
Таблица 1
Результаты трехфакторного дисперсионного анализа содержания металлов в рыбах реки Уй
Источник изменчивости Сумма квадратов SS Степень свободы N Средний квадрат MS F-критерий Р
Главные эффекты
Виды 613,56 7 87,65 147,0 <0,00001
Органы 405,81 5 81,16 136,1 <0,00001
Металлы 224320,51 8 28040,06 47023,8 <0,00001
Двухфакторные взаимодействия
Виды х органы 1627,09 35 46,49 78,0 <0,00001
Виды х металлы 4141,43 56 73,95 124,0 <0,00001
Органы х металлы 3889,18 40 97,23 163,1 <0,00001
Трехфакторное взаимодействие
Виды х органы х металлы 8522,82 280 30,44 51,0 <0,00001
Ошибка 644,00 1080 0,60
Показатели таблицы 1 позволяют сделать вывод, что статистически значимыми оказались как главные эффекты, так и все без исключения взаимодействия факторов. Это свидетельствует о высокой специфичности содержания различных металлов и в отношении рыб разных видов, и в отношении использованных для анализа органов.
На рисунке 1 приведены средние значения для главных эффектов: видов рыб, органов и металлов. Они позволяют в самом первом приближении рассмотреть основные обнаруженные закономерности. Графическое изображение взаимодействия факторов вынесено на рисунках.
Рис. 1. Гпавные эффекты в дисперсионном анализе содержания металлов в рыбах р. Уй (средние значения и 95%-й доверительный интервал)
1. Виды рыб
Как видно из рисунка 1, наибольшее абсолютное содержание металлов было обнаружено в экземплярах верховки, принадлежащей семейству Cyprinidae. Графический анализ исследований позволил установить, что рыбы данного вида особенно выделялись высокой концентрацией железа в большинстве органов и тканей.
Рис. 2. Содержание железа в органах и тканях рыб
Со, мг/кг Ип, мг/кг Си, мг/кг
-о- Плотва п Пескарь —Верховка т1- Окунь Ерш Судак ♦ Щука Сом
Мышцы Чешуя Плавник Жабры Кости Гонады Органы
и ткани
Рис. 3. Содержание меди в органах и тканях рыб
-о- Плотва Пескарь * Верховка -ь- Окунь Ерш Судак Щука Сом
Мышцы Чешуя Плавник Жабры Кости Гонады
Рис. 4. Содержание цинка в органах и тканях рыб
Органы и ткани
Рис. 5. Содержание кобальта в органах и тканях рыб 35
тз
О
Рис. 6. Содержание никеля в органах и тканях рыб
—о- Плотва -о- Пескарь о Верховка Окунь Ерш ■ Судак —*— Щука Сом
Мышцы Чешуя Плавник Жабры Кости Гонады
Рис. 7. Содержание кадмия в органах и тканях рыб
Органы и ткани
Также для них были характерны максимальные концентрации меди и цинка в мышцах и чешуе и минимальные концентрации магния - в гонадах (рис. 9).
Высокое содержание тяжелых металлов: никеля - в плавниках, кобальта - в жабрах, было обнаружено у плотвы (семейство карповые). Для рыб этого вида были характерны самые низкие концентрации меди, никеля и кобальта в гонадах. В вышеуказанном семействе наибольшее накопление железа обнаружено у пескаря в мышцах, жабрах и гонадах. Наименьшие концентрации железа у пескаря были установлены в мышцах, а цинка - в чешуе (семейство Cyprinidae).
Проведенный анализ показал, что у представителей семейства Рег^ае, а именно, у ерша, самая высокая абсолютная концентрация кадмия была выявлена в плавниках, железа - в костной ткани. При этом надо отметить, что в мышцах и чешуе у рыб этого семейства содержание железа было минимальным. Наименьшие абсолютные концентрации железа у окуня выявлены в чешуе, а у судака в костной ткани.
Так же, как и рыбы остальных изученных семейств, представители семейств Ево^ае и ЭНиг'^ае занимали промежуточное положение по содержанию металлов в организме. Так, у сома накопление цинка было одинаково во всех изученных органах и тканях. Ту же самую картину можно отметить у щуки по содержанию меди (см. рис. 1, 2).
2. Органы
По результатам анализа исследований установлено, что наибольшее содержание тяжелых металлов наблюдалось в костной ткани и гонадах рыб, несмотря на то, что у рыб для 4-х видов: пескаря и верховки (семейство Сурпп1с1ае), ерша (семейство Регабае) и щуки (Евос1бае) было выявлено низкое содержание магния.
Следующей закономерностью явилось то, что наименьшее содержание тяжелых металлов обнаружено в мышцах и чешуе, хотя у рыб некоторых видов: щуки (ЕвоЫбае) и окуня (Регс/бае), выявлены высокие показатели.
Большая видоспецифичность была обнаружена в содержании железа и цинка, это можно проследить на примере щуки, у которой высокое содержание цинка выявлено в жабрах и гонадах при минимальном содержании железа. Такая же закономерность установлена у окуня (Регабае) и верховки (Сург/п/бае).
3. Металлы
На рисунке видно, что из всех металлов наибольшее различие между рыбами разных видов с учетом органов и тканей обнаружено по содержанию цинка, магния, железа и марганца. Значительное распределение микроэлементов в организме рыб обусловлено не только дифференциацией клеток органов и тканей, в которых процессы метаболизма протекают неодинаково, вследствие чего их мембраны обладают избирательной поглотительной способностью, но и различной физиологической ролью исследуемых органов и тканей рыб. Необходимо отметить, что цинк, железо и марганец имеют очень сходные тенденции распределения в жизненно важных органах и тканях (Шкодин Н.В., Воробьёв В.И., 1976). Это отчетливо видно на примере верховки и щуки. Интересная картина наблюдалась и в высоком содержании магния во всех органах и тканях, кроме гонад. Но в то же время распределение кобальта, никеля, кадмия и свинца наблюдалось в большей степени именно в гонадах, это, вероятно, объясняется внутривидовыми особенностями рыб.
На втором этапе анализа была предпринята попытка еще более сократить полученную информацию и выявить наиболее общие тенденции, в том числе и те, которые дисперсионный анализ обнаружить не позволил. Для этого использовали многомерное оптимальное шкалирование по методу СatPCA (главные компоненты для категориальных признаков).
В расчетном отношении он близок множественному анализу соответствий, который широко применяется в экологических исследованиях и позволяет обрабатывать не только качественные признаки, но и количественные. Интерпретация результатов такого анализа аналогична близким техникам редукции данных с обобщением - методам компонентного и факторного анализа.
В ходе анализа переменные принадлежности к видам и органам обрабатывались как номинальные, а переменные содержания металлов - как метрические, с последующим ранжированием. На рисунке 8 представлены собственные значения, полученные в ходе шкалирования. Собственные значения более единицы имели первые четыре выделенные обобщающие переменные. На долю этих наиболее существенных компонентов в сумме приходилось 74,3 % общей изменчивости (дисперсии) в данных.
Порядковый номер компоненты
Рис. 8. Выделение обобщающих переменных в ходе многомерного оптимального шкалирования данных
по содержанию металлов в рыбах р. Уй
В таблице 2 приведены нагрузки использовавшихся в ходе анализа показателей на выделенные четыре обобщающие переменные.
В первую обобщающую переменную с наибольшим весом вошли никель, кадмий, кобальт и свинец. Отсутствие заметных нагрузок на переменные «вид» и «орган» указывает на то, что данный паттерн металлов мало зависит от видовой принадлежности рыб или использованных в анализе органов. Необходимо отметить, что никель, кадмий и свинец играют малую биологическую роль в организме и более известны как токсиканты средового происхождения. Это позволяет предположить, что, вероятнее всего, свинец и кадмий имеют техногенное происхождение, а никель и кобальт - естественное.
Анализ показал, что кластер элементов естественного происхождения наиболее выделился в первом компоненте, и это объясняется тем, что происхождение на Урале никеля, а также сопутствующих ему кобальта и хрома хорошо изучено.
Эти элементы входят в состав широко распространенных здесь минералов коры выветривания древних ультраосновных гипербазитовых пород (Грибовский Ю.Г. и соавт., 2003). Содержание никеля в воде и кормовых растениях Челябинской области столь высоко, что вызывает развитие эндемического заболевания скота - никелевого токсикоза, и требует специальных мероприятий по его коррекции (Грибовский Г.П., 2000).
Также следует учитывать, что наиболее частым источником поступления кадмия и свинца вблизи городов являются выхлопы автотранспорта. В ходе проводимого исследования никель, кобальт, кадмий и свинец выделились в самостоятельный кластер металлов. Это позволяет предположить, что независимо от происхождения такие металлы выступают единой группой ксенобиотиков со схожими характеристиками изменчивости.
Высокий вклад во вторую переменную категории «орган» указывает на то, что по этой размерности проявились наиболее общие для всех видов различия в содержании металлов между изученными органами и тканями. По высоким значениям нагрузок видно, что такие различия обусловлены, главным образом, марганцем и цинком - элементами с важной и достаточно изученной ролью в организме.
Рис. 9. Содержание магния в органах и тканях рыб
—о- Плотва Пескарь Верховка -т1- Окунь Ерш ■ Судак —*— Щука Сом
Мышцы Чешуя Плавник Жабры Кости Гонады
Рис. 10. Содержание марганца в органах и тканях рыб
и ткани
Рис. 11. Содержание свинца в органах и тканях рыб
Например, марганец участвует в биологическом катализе и стимулирует белковый, углеводный и жировой обмен, оказывает значительное влияние на рост, размножение и кроветворение теплокровных животных и рыб (Порохонская Е.М., 1968), а цинк, в свою очередь, оказывает положительное влияние на активность половых гонадотропных гормонов гипофиза рыб (Ходулов В.В., 2005).
Таблица 2
Матрица нагрузок показателей на компоненты, выделенные в ходе оптимального шкалирования
Показатель Размерности оптимального шкалирования
1 2 3 4
Вид -0,113 -0,198 0,071 0,886
Орган -0,098 0,802 -0,245 0,227
Металлы: Мд 0,468 -0,395 0,406 0,101
Мп 0,053 0,866 0,048 0,007
Ре -0,484 0,256 0,553 -0,098
Со 0,886 0,164 -0,088 -0,005
N1 0,861 0,089 -0,193 -0,068
Си 0,330 0,120 0,627 -0,504
7п -0,012 0,605 0,525 0,302
Сс1 0,826 0,247 -0,213 0,082
РЬ 0,567 -0,245 0,492 0,338
Доля объясняемой дисперсии, % 28,34 19,90 14,00 12,06
Третья компонента обусловлена сходной изменчивостью меди, железа и цинка. Это можно проследить и по материалам рисунка 2, где показано, что основная нагрузка ложится преимущественно на рыб некоторых видов. Это связано с биологическими особенностями семейства рыбы или в отдельности ее взятой. В данном случае примером послужила щука, у которой отмечено большее накопление меди и цинка, а содержание железа, наоборот, было минимальным.
Межвидовые особенности, проявившиеся по четвертой размерности, связаны, главным образом с изменениями концентрации в организме меди, с одной стороны, и, в меньшей степени - с различиями по содержанию цинка и свинца, с другой. Это прежде всего связано с выбросом филиала ОАО «ОГК-2» (Троицкая ГРЭС). Надо отметить, что это - главный источник загрязнения города и прилегающих территорий, вклад электростанции в загрязнение атмосферы города составляет свыше 96 % (Комплексный доклад, 2001). В
зоне выбросов Троицкой ГРЭС существует выраженная тенденция к накоплению в объектах внешней среды выбросов токсических элементов, в особенности свинца и никеля, что и было доказано проведенным анализом.
Таким образом, из всех металлов наибольшее различие по содержание между видами рыб с учетом органов и тканей обнаружено по цинку, магнию, железу и марганцу. Распределение кобальта, никеля, кадмия и свинца наблюдалось в большей степени именно в гонадах, это, вероятно, объясняется внутривидовыми особенностями рыб. Никель, кобальт, кадмий и свинец, выделившись в самостоятельный кластер металлов в ходе проводимого исследования, выступают единой группой ксенобиотиков со схожими характеристиками изменчивости.
Наиболее общие для всех видов рыб различия в содержании металлов между изученными органами и тканями обусловлены, главным образом, марганцем и цинком - элементами с важной и достаточно изученной ролью в организме. Сходная изменчивость меди, железа и цинка связана, по-видимому, с биологическими особенностями семейства рыбы или в отдельности ее взятой, а межвидовые особенности связаны, главным образом, с изменениями концентрации меди в организме рыб, с одной стороны, и, в меньшей степени - с различиями по содержанию цинка и свинца - с другой.
Полученные результаты исследований также показывают, что напряженность экологической ситуации г. Троицка, в основном, обусловлена воздействием градообразующего предприятия филиала ОАО «ОГК-2» (Троицкая ГРЭС), производящего выработку электро- и теплоэнергии. В результате ее выбросов идет формирование природно-техногенной биогеохимической провинции с избытком свинца, никеля, кадмия, железа, марганца и недостатка меди, цинка и серы.
Литература
1. СанПиН 2.3.2. 560-960. Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов.
2. Асонов, А.М. Водоохранные системы в сельском хозяйстве / А.М. Асонов, О.Р. Ильясов. - Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2003. - 156 с.
3. Воробьёв, В.И. Микроэлементы и их применение в рыбоводстве / В.И. Воробьёв. - М.: Пищевая пром-сть, 1979. - 183 с.
4. Михеев, Н.Н. Обеспечение населения России питьевой водой / Н.Н. Михеев, С.В. Яковлев, А.П. Нечаев, Е.В. Мясникова // Водоснабжение и санитарная техника. - 1997. - №4. - С. 2-4.
5. Богданов, В.Д. Экологическое изучение системы реки Маньи / В.Д. Богданов, Л.А Добринская, А.В. Лу-гаськов. - Свердловск, 1982. - 66 с.
6. Большаков, В.Н. Экологический подход к проблемам развития крупного промышленного региона (на примере Урала) / В.Н. Большаков // Продовольственная безопасность XXI века: Экологоэкономические аспекты: сб. науч. тр. УрГСХА. - 2000. - Т. 1. - С. 29-45.
7. Моисеенко Т.И. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши / Т.И. Моисеенко, Л.П. Кудрявцева, Н.А. Гашкина. - М.: Наука, 2006. - С. 115-217.
'--------♦-----------
