CC BY
54
АКВАКУЛЬТУРА
УДК 597.583.1.152.6 (268.81)
Содержание тяжелых металлов в организме бычковых в российской зоне Северного Каспия
The content of heavy metals in the body of goby in the Russian part of the Northern Caspian sea
Ст. науч. сотрудник С.А. Гуцуляк, профессор A.M. Васильева (Астраханский государственный университет) научно-образовательный центр
«Осетроводство», тел. (8512)48-53-43 E-mail: [email protected]
Senior Research Associate S.A. Gutsyliak, Professor L.M. Vasilyeva (Astrakhan state university) Education and Research Center «Sturgeon Culture» tel. (8512)48-53-43 E-mail: [email protected]
Реферат. В современных условиях Каспийское море испытывает интенсивную антропогенную нагрузку в связи с возрастающими работами по разработке и добыче нефти и газа, а также в результате урбанизации, промышленной и сельскохозяйственной деятельности. Среди многочисленных типов загрязняющих веществ особая роль отводится тяжёлым металлам, которые в небольших количествах важны для рыб, они входят в состав ферментов, витаминов, гормонов, участвующих в биохимических процессах, протекающих в организме рыб, но в больших количествах, оказывают негативное влияние, к тому же некоторые из них просто токсичны. Для оценки эколого-токсикологической обстановки в российской зоне Северного Каспия были проведены исследования накопления тяжёлых металлов в организме бычковых рыб, которые являются важным звеном в трофической цепи, питаясь планктонными и бентосными организмами, и в то же время сами являются кормовыми организмами для многих видов рыб, обитающих в море. В ходе проведённых исследований в летний период 20082010 гг. в бычковых рыбах было определено семь тяжелых металлов: цинк, медь, марганец, железо, кобальт, кадмий и свинец. Выполненные исследования показали, что превышение допустимо остаточных концентраций (ДОК) обнаружено в организме бычковых по кобальту, свинцу и кадмию. Особую тревогу вызывает тот факт, что превышение было выявлено по наиболее токсичным микроэлементам - кадмию и свинцу. Основная масса рыбы с переизбытком этих металлов концентрировалась в западной части исследуемой акватории в районах о. Чистой банки, Главного Банка, банок Средней и Малой Жемчужной, а также в предустьевой зоне Каспийского моря. Наихудшая эколого-токсикологическая ситуация в море сложилась в 2008 и 2009 гг. по сравнению с 2010 г.
Summary. In modern conditions, the Caspian sea suffers intensive anthropogenic pressure due to the increasing development and production of oil and gas, and also as a result of urbanization, industrial and agricultural activities. Among the many types of contaminants, a specific role for heavy metals, which in small amounts, play an important role in fish life, they are part of enzymes, vitamins, hormones involved in the biochemical processes in the organisms offish, but in large quantities, adverse effects, besides some of them are just toxic. To assess the ecological and Toxicological situation in the Russian zone of the Northern Caspian sea were investigated the accumulation of heavy metals in the body of goby fish, which are an important link in the food chain -feeding on plankton and benthic organisms and at the same time are themselves forage organisms for many species offish in the sea. During the survey in summer 2008-2010 in the goby fish was determined seven heavy metals: zinc, copper, manganese, iron, cobalt, cadmium and lead.
(О Гуцуляк С.А., Васильева A.M., 2016
The studies showed that excess of permissible residual concentration (MLC) found in the body of goby cobalt, lead and cadmium. Of particular concern is the fact that the greatest excess was identified for most toxic trace elements cadmium and lead. The main mass of fish with an excess of these metals were concentrated in the Western part of the surveyed area in the districts of O. Banks, Main Bank, Medium and Small cans of Pearl, and productlevel zone of the Caspian sea. The worst ecological and Toxicological situation in the sea was formed in 2008 and 2009 compared with 2010.
Ключевые слова: Тяжелые металлы, бычковые рыбы, загрязнение, токсиканты, Северный Каспий, водная среда, гидробионты, допустимо остаточные концентрации.
Keywords: Heavy metals, gobies, pollution, the Caspian Sea, Northern Caspian, the aqueous medium, maximum residue limits.
В современных условиях экосистема Каспийского бассейна подвергается большой экологической опасности в связи с растущими масштабами загрязнения, вызванные усилением работ по разведке и добыче углеводородного сырья, а также в результате урбанизации, промышленной и сельскохозяйственной деятельности. В связи с этим возрастает необходимость принятия адекватных мер по сохранению уникальной биоты Каспия, для чего, в первую очередь, необходимо объективно оценить эколого-токсикологическую обстановку в морской среде.
Существуют многочисленные типы загрязняющих веществ, одними из основных загрязнителей, поступающих в водные экосистемы из антропогенных и природных источников, являются тяжелые металлы (ТМ) как растворенные и осадочные, так и привнесенные в виде компонентов промышленных отходов с речным стоком. Как микроэлементы металлы имеют большое значение в жизни рыб, они входят в состав ферментов, витаминов, гормонов, участвующих в биохимических процессах, протекающих в организме рыб. Но находясь в больших количествах, оказывают антибиотическое влияние на все жизненные процессы и вызывают генетические изменения. Тяжелые металлы такие, как кобальт, медь, никель, цинк и железо в гидросфере характеризуются двойственным действием: в малых концентрациях они обеспечивают нормальное протекание жизненных функций гидробионтов, являясь катализаторами практически всех биохимических процессов в организме рыб. Но эти же соединения при более высоких концентрациях или иных абиотических, биотических факторов оказывают на гидробионты отрицательное влияние, выступая как токсиканты, что проявляется в нарушении гомеостаза на всех уровнях [7]. Другие тяжёлые металлы кадмий и свинец - токсичны, не являются жизненно необходимыми и вызывают тяжёлые нарушения в физиологическом состоянии гидробионтов, нередко приводят к необратимым последствиям. Среди всех тяжёлых металлов наиболее часто встречаются медь, цинк, свинец и кадмий, при этом первые два - являются микроэлементами, а последние два и их соли - ксенобиотиками и рассматриваются как самые опасные в экотоксикологическом отношении элементы, они являются наиболее распространенной группой высокотоксичных и долго сохраняющихся веществ. Ряд солей этих металлов аккумулируется почвой, илом, планктоном, водными растениями [7].
Состояние гидросферы оказывает сильное воздействие на водные организмы, которые чутко реагируют на все изменения, поэтому рыбы как завершающее звено в трофической цепи водоемов являются объективными индикаторами уровня загрязнения. В настоящее время установлена четкая зависимость между значительно участившимися случаями эпизоотий в популяциях рыб в природных условиях и уровнем загрязнения воды [6]. Под влиянием загрязняющих веществ в морской среде происходят многочисленные изменения, выражающиеся в нарушении физико-химических и биологических свойств воды, что ухудшает условия обитания гидробионтов.
В северной опресненной части Каспийского моря бычковые относятся к многочисленным популяциям рыб и играют важную роль в трофических цепях, питаясь планктонными и бентосными организмами, и в то же время сами являются кормовыми объектами для осетровых, полупроходных видов рыб, морских мигрирующих сельдей и каспийского тюленя. В связи с этим представляется возможным оценить состояние экосистемы Северного Каспия по уровню накопления ТМ посредством изучения содержания их в организме этих рыб.
Цель исследований - комплексное изучение состояния водной экосистемы западной части Северного Каспия посредством оценки накопления тяжёлых металлов в организме бычковых.
Работа проводилась в летний период 2008-2010 гг.в российской мелководной части Северного Каспия от о. Тюлений на западе и до о. Укатный на востоке исследуемого района (рисунок).
47°00' 48°00' 49°00' 50°00'
47°00' 48°00' 49°0СГ 50°00'
Рисунок. Район исследований мелководной части Северного Каспия
Отлов бычковых осуществлялся на судах «Медуза» и «Гидробиолог» Каспийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства 4,5-метровым мальковым тралом на глубинах 1,5-10,0 м согласно методике [3].
Всего проведено более 450 тралений, было выловлено 23 000 экз. бычковых, из них 17 195 шт были направлены на полные биологические и токсикологические анализы. Определение массовой доли тяжелых металлов выполнялось в лабораторных условиях института согласно методике [5]. Метод основан на деструкции органической основы пробы способом мокрой (кислотной) минерализации. Содержание металлов определяли на пламенном атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-855 фирмы «Янако» и атомно-абсорбционном спектрофотометре АА-6800 фирмы «Шимадзу».
Количество металла, соответствующее определенной высоте сигнала, находили по градуировочному графику, который был построен на стандартном растворе для всех исследуемых элементов с различным содержанием металла в 1 см3, и затем фотометрировали при соответствующей длине волны.
Массовую долю исследуемого элемента определяли по формуле
от, * V Х= —1-
от,
где т\ - содержание исследуемого металла, найденное по градуировочному графику, мкг/см3; шз - масса исследуемого образца, г; V- объем исследуемой пробы, разбавленный дистиллированной водой, см3.
Исследования проводились в двух параллельных определениях, за окончательный результат принимали среднее арифметическое значение.
Выполненные исследования показали, что в летний период 2008-2010 гг. во всех образцах бычковых были обнаружены изучаемые тяжёлые металлы: цинк, медь, марганец, железо, свинец, кобальт, кадмий [4], но их содержание значительно различалось между собой (таблица). Некоторые из них, в частности, цинк, железо, медь, марганец не превышали в организме бычковых допустимых остаточных концентраций (ДОК), а такие тяжёлые металлы, как кобальт, свинец и кадмий имели значения, сильно превышающие ДОК.
Таблица
Содержание тяжелых металлов в организме бычковых рыб (мг/ кг) в летний период (западная часть Северного Каспия) 2008-2010 гг.
Тяжелые металлы Годы ДОК, мг/кг
2008 2009 2010
гп 12,71±1,2 6,06±1,0 2,93±0,б 40,00
Ре 25,96±1,1 2б,49±1,4 5,49±0,8 30,00
Си 1,54±0,8 3,4б±0,8 1,43±0,3 10,00
Мп 2,08±0,5 3,85±0,7 2,27±0,3 10,00
Со 1,99±0,3 1,85±0,2 0,72±0,2 0,50
РЬ 5,07±07 б,82±0,3 4,43±0,7 1,00
С(1 0,42±0,2 0,37±0,1 0,42±0,2 0,20
Тяжёлые металлы - цинк, медь марганец, относящиеся к числу активных микроэлементов, влияющих на рост и нормальное развитие рыб, были обнаружены в бычковых в исследуемые годы, но их концентрации были намного ниже допустимых значений. Несколько выше отмечалось содержание железа в гидробионтах, особенно в 2008 и 2009 гг. поднималось до значений ДОК, но не превышало его. Концентрация кобальта в организме бычковых во все годы наблюдений отмечалась выше нормы, так, в 2008 г. - почти в 4 раза, в 2009 г. - более чем в 3 раза, а в 2010 г. - в 1,5 раза.
Анализируя показатели содержания менее токсичных тяжёлых металлов в организме бычковых рыб по отдельным микроэлементам и их роль в жизнедеятельности гидробионтов, следует отметить следующее.
Цинк относится к числу активных микроэлементов. Биологическая роль цинка определяется его необходимостью для нормального роста, развития и полового созревания, поддержания репродуктивной функции, для кроветворения. Цинк входит в состав важного фермента - карбоангидразы эритроцитов, что влияет на процессы дыхания и промежуточного обмена [2]. Во все годы исследований концентрация цинка в организме бычковых не превышала нормы, но в 2010 г. зафиксировано наименьшее содержание этого металла - 2,93 мг/кг, что почти в 15 раз меньше ДОК.
Железо участвует в переносе кислорода из легких или других дыхательных органов в ткани и наоборот - углекислого газа из тканей в легкие, входит в состав гемоглобина и многих других гемопротеинов, кроветворная функция железа усиливается в присутствии меди. Несмотря на то что во все годы исследований превыше-
ния допустимых значений концентраций железа в организме гидробионтов не зафиксировано, в 2008 и 2009 гг. содержание этого металла было достаточно высоким и превышало полученное значение в 2010 г. в 4,7 и 4,8 раз.
Медь принимает активное участие в фенольном, азотистом и нуклеиновом обмене, играет большую роль в процессах кровотворения благодаря участию в синтезе гемоглобина. Биотические дозы меди повышают иммунобиологическую устойчивость и сопротивляемость организма к неблагоприятным воздействиям факторов внешней среды. При дефиците меди нарушается нормальное развитие соединительных тканей в кровеносных сосудах. Присутствие этого металла в организме бычковых в исследуемые годы не превышало нормы, в 2010 г. этот показатель был достаточно низким по сравнению с 2008 и 2009 гг. и составил всего 1,43 мг/кг.
Марганец оказывает значительное влияние на рост, размножение, кроветворение и обмен веществ. Участвуя в биологическом катализе и влияя на физиологические показатели, он становится в ряд, незаменимых жизненно важных микроэлементов. В исследуемые годы превышения по марганцу в гидробионтах также не было зафиксировано, отмечены одинаковые значения концентраций весь период наблюдения, примерно в 5 раз меньше допустимых значений.
Кобальт поступает в организм рыб с пищей и осмотическим путем. Переизбыток кобальта приводит к пагубным последствиям, таким, как замедление роста рыб, угнетение выработки витамина В12. Превышение этого металла в гидробионтах в 4 раза было отмечено в 2008 и 2009 гг., которые были встречены на всей исследуемой акватории от о. Тюлений на западе до о. Укатный на востоке. В 2010 г. превышение кобальта в организме бычковых также было зафиксировано, но показатель был значительно ниже и в среднем составлял 0,72 мг/кг, что в 1,4 раза выше ДОК, такие образцы гидробионтов были встречены на акватории, прилегающей к Главному Банку и Средней Жемчужной.
К числу особо опасных и высокотоксичных загрязнителей водоёмов относятся свинец и кадмий, вызывая глубокие нарушение функций многих систем организма. Выполненные исследования и результаты анализа их содержания в организме бычковых показывают, что в исследуемый период концентрации свинца и кадмия превышали допустимые значения в 2-7 раз.
Кадмий по химическому составу подобен цинку, может его замещать в активных центрах металлосодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению ферментативных процессов. Токсичность кадмия заметно снижается в присутствии небольшого количества цинка, что говорит о возможности конкуренции ионов этих металлов в организме рыб в ферментативном процессе. Превышение содержания кадмия в организме бычковых наблюдалось во все годы исследований. В 2008 и 2010 гг. превышение нормы составило в 2,1 раза, в 2009 г. - в 1,85 раза. Рыбы с переизбытком этого металла в организме были встречены на акватории банок Малая и Средняя Жемчужная.
Свинец - один из самых опасных тяжёлых металлов, способный даже при очень низких концентрациях в среде накапливаться в организме, вызывая нарушение функций многих систем организма и инициируя процессы свободноради-кального окисления, повреждающего мембранные структуры клетки [1]. Проведенные исследования бычковых выявили высокое содержание свинца. Превышения ДОК в организме бычковых было по свинцу во все годы исследований, в 2008 г. этот показатель был превышен - в 5 раз, в 2009 г. - в 6,8 раз, в 2010 г. - в 4,4 раза и был наименьшим. Наибольшее присутствие этого металла в организме бычковых в исследуемые годы было отмечено на акватории, прилегающей к свалам глубин о. Укатный, южнее свала о. Очиркин и о. Чистой банки.
Таким образом, выполненные исследования показали, что в организме исследуемых гидробионтов обнаружены микроэлементы наиболее опасных и высокотоксичных тяжёлых металлов - свинец, кадмий, превышение которых ДОК составляло
в несколько раз (от 2 до 7), а также менее токсичные - цинк, медь, марганец, железо и кобальт, их содержание в бычковых рыбах было либо намного меньше допустимых значений, либо отмечалось незначительное превышение (кобальт). Наихудшая эколого-токсикологическая ситуация сложилась в 2008 и 2009 гг., а 2010 г. характеризовался как менее тяжёлый. Наиболыие присутствие свинца в организме бычковых было отмечено у о. Укатный и южнее свала о. Очиркин и о. Чистая банка.
Повышенное содержание тяжелых металлов в организме рыб свидетельствует о значительной их концентрации в водной среде. Тяжелые металлы в организм бычковых рыб проникают как с пищей через бентос и зоопланктон, так и непосредственно из воды через жабры и кожные покровы.
Среди микроэлементов, определенных в бычковых рыбах, в период исследований 2008-2010 гг. превышение было отмечено у металлов, относящихся к ксенобиотикам - это свинец и кадмий. Превышение ДОК по свинцу прослеживалось во все годы исследований и было наибольшим среди определенных металлов, но в 2010 г. в организме рыб произошло снижение концентрации свинца по сравнению с 2008 и 2009 гг. Ситуация с кадмием оставалась неизменной, содержание этого металла в организме рыб во все годы исследований превышала ДОК почти в 2 раза. Превышение нормы по кобальту тоже отмечено во все годы исследований, но самое минимальное в 1,4 раза зарегистрировано в 2010 г., в 2008 и 2009 гг. превышение было почти в 4 раза.
Основная масса рыб с высокими концентрациями тяжелых металлов и превышающих их норму в организме рыб семейства ОоЬпс1ае была встречена в западной части исследуемой акватории о. Чистая Банка, банок Малая и Средняя Жемчужная и в предустьевом участке Каспийского моря. Сравнительный анализ данных, полученных в летний период 2010 г., с 2008 и 2009 гг., выявил уменьшение содержания по всем тяжелым металлам, которые были определены в организме бычковых. Несмотря на то что в 2010 г. отмечалось превышение концентраций тяжёлых металлов в гидробионтах от нормы, можно констатировать, что токсикологическая обстановка в исследуемом районе оставалась относительно стабильной.
Поскольку экосистема моря включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы - гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов по всем составляющим экосистему имеют значение. Существует необходимость проведения дальнейших, регулярных исследований для прослеживания информации о фоновом уровне изучаемых элементов и дальнейшей оценке антропогенной нагрузки на водоем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдулаева, Н.М. Цитогематологическое исследование рыб при воздействии
тяжелых металлов и сырой нефти [Текст] : автореф. дис..... канд. биолог, наук. /
Абдулаева Н.М. - Махачкала, 2007. - С. 24.
2. Алабастер, Д. Критерии качества воды для пресноводных рыб [Текст] / Д. Алабастер, Р. Ллойд. - М.: Легк. и пищ. пром-сть, 1984. - 344 с.
3. Инструкции по сбору и первичной обработке материалов водных биоресурсов Каспийского бассейна и среды их обитания [Текст]. - Астрахань: КаспНИРХ, 2011. - 193 с.
4. Исследования гидролого-гидрохимических и эколого-токсикологических условий формирования рыбных запасов в низовьях р. Волги и Каспийского моря за 2010 г. [Текст]: отчет НИР. - Астрахань: КаспНИРХ, 2011. - С. 48-58.
5. Методика выполнения измерений и массовых долей кадмия, меди, свинца и цинка в пробах гидробионтов методом атомной абсорбции с электротермической атомизацией [Текст].- Ростов-на Дону, 2007. - 10 с.
6. Snieszko, S.F. The effects of environmental stress on outbreaks of infectious diseases of fishes [Text]/ S.F. Snieszko / /J. Fish. Biot. - 1974. - № 6. - P. 197-208.
7. Spry, D.J. Metal bioavailability and toxicity to fish from low-alkalinity lakes: a critical review [Text]/ D.J. Spry, T.G. Wiener // Environ. Pollut. - 1991. - Vol. 71. - № 2-4. - P. 243-304.
REFERENCES
1. Abdullaeva N.M. Tsitogematologicheskoe issledovanie ryb pri vozdeystvii tya-zhelykh metallov i syroy nefti [Cytoembryological study of fish when exposed to heavy metals and crude oil] : Avtoref. dis. kand. boil, nauk, Makhachkala, 2007, pp. 24. (Russian).
2. Alabaster D. Kriterii kachestva vody dlya presnovodnykh ryb [Water quality Criteria for freshwater fish], Moscow, 1984, 344 pp. (Russian).
3. Instruktsii po sboru i pervichnoy obrabotke materialov vodnykh bioresursov Kaspiyskogo basseyna i sredy ikh obitaniya [Directions for collecting and primary processing of materials of aquatic bioresources of the Caspian basin and their habitat], Astrakhan, 2011, 193 pp. (Russian).
4. Issledovaniya gidrologo-gidrokhimicheskikh i ekologo-toksikologicheskikh usloviy formirovaniya rybnykh zapasov v nizov'yakh r. Volgi i Kaspiyskogo morya za 2010 g. [Studies of hydrological and hydrochemical and ecotoxicological conditions of formation of fish stocks in the lower reaches of the Volga river and the Caspian sea for 2010: research report], Astrakhan, 2011, pp. 48-58. (Russian).
5. . Metodika vypolneniya izmereniy i massovykh doley kadmiya, medi, svintsa i tsinka v probakh gidrobiontov metodom atomnoy absorbtsii s elektroter-micheskoy at-omizatsiey [The measurement technique and a mass fraction of cadmium, copper, lead and zinc in samples of aquatic organisms by atomic absorption with electrothermal at-omization], Rostov-on-don, 2007, 10 pp. (Russian).
6. Snieszko S.F. Effekty ekologicheskogo napryazheniya na vspyshkakh in-fektsionnykh zabolevaniy ryb [The effects of environmental stress on outbreaks of infectious diseases of fishes], J. Fish. Biot. 1974, No 6, pp. 197-208. (Russian).
7. Spry D.J. Metallicheskoe bionakoplenie i toksichnost', chtoby lovit' rybu iz ozer nizkoy shchelochnosti: kriticheskiy obzor [Metal bioavailability and toxicity to fish from low-alkalinity lakes: a critical review], Environ. Pollut, 1991, Vol.71, No 2-4, pp. 243-304. (Russian).
