EFFECTS OF ACCUMULATION OF TRACE ELEMENTS FOOD ORGANISMS OF LAKE BALKHASH ON THEIR BIOMASS
Abstract and keywords
Abstract (English):
The influence of accumulation of heavy metals by benthic organisms of the Lake Balkhash on their biomass is investigated. The analysis of the results of long-term monitoring testifies that accumulation of toxicants in the bentonites is closely connected with variability of their concentration in water and ground substratum. Microelements are accumulated in chitinized covers of the highest Crustacean rather than in shell rock. Dominants on accumulation in fodder organisms are the zinc and copper accumulated by bentonites in number of 6.93-15.7 mg/kg with the maximum values to 28.5-94.0 mg/kg in the most polluted reservoir sites - the bay Bertys and the gulf Torangalyk. The comparative dynamics of the total accumulation of trace elements benthic organisms in five water basins of Kazakhstan. Negative correlation dependence between biomass of soil forms of the benthos and accumulation of microelements in them is revealed. The typical close positive connection between biomass of some benthic organisms and the content of heavy metals in them is established. Quantitative development of the highest Crustacea has direct dependence - the higher the biomass, the higher the content of metals in the organisms.

Keywords:
Lake Balkhash, benthic organisms, biomass, microelements, bioaccumulation, correlation dependence
Text
Введение Техногенное загрязнение воды озера Балхаш оказывает значительное влияние на биологическую жизнь водоема. Включаясь в общую схему циркуляционных процессов, токсиканты аккумулируются в гидробионтах озера, влияя на их жизнедеятельность, приводя к снижению кормовой базы, изменению видового состава организмов. В экосистемах с экстремальными условиями главным регулирующим механизмом, способствующим выживанию гидробионтов, является адаптация. Естественный отбор сохраняет в гетерогенной популяции организмы, более приспособленные к условиям среды. Бентосные организмы характеризуются высокой вариабельностью по накоплению тяжелых металлов. Значительные колебания содержания микроэлементов в зообентосе объясняются прежде всего разнообразием химического состава биотопов бентосных популяций и особенностями их образа жизни (наличием у значительного числа представителей малоподвижных форм, а также типом питания). Многие представители кормовых беспозвоночных отличаются исключительно высокой аккумулятивной активностью и способны накапливать в организме большое количество тяжелых металлов. В ряде случаев микроэлементный состав бентоса оказывает большое влияние на химический состав этих групп гидробионтов, в том числе и на организм рыб, и далее - человека, путем передачи элементов по пищевой цепи [1]. Эти обстоятельства обусловливают необходимость исследовать загрязненность кормовых организмов тяжелыми металлами. Многолетний мониторинг накопления тяжелых металлов в гидробионтах оз. Балхаш показал, что нектобентосные организмы быстро реагируют на изменение окружающей водной среды и могут рассматриваться в качестве тест-объектов [2]. Потребляя отмершие растения и животных, эти организмы способствуют процессу самоочищения воды и обмену питательных веществ между дном и толщей воды. Являются активными пловцами. Могут обитать в грунте, на водной растительности и в придонном слое воды, т. е. находиться в разных условиях загрязнения, поскольку грунт в ряде случаев загрязнен сильнее толщи воды и в прибрежной зоне и на глубине может содержать различное количество тяжелых металлов. Имеется значительное количество работ, касающихся описания аккумулирующей способности и устойчивости гидробионтов по отношению к тяжелым металлам [3-8]. Отмечается, что уровень биоаккумуляции микроэлементов кормовыми организмами обусловлен многообразием экологических факторов. В частности, выявлено резкое снижение токсического действия солей тяжелых металлов на гидробионтов в жесткой и морской воде [9, 10]. Цель наших исследований заключалась в анализе зависимости биомассы бентонтов оз. Балхаш от степени накопления тяжелых металлов в их организмах. Материал и методики исследований Материалом для работы послужили результаты многолетних исследований количественного развития бентосных организмов, а также накопления микроэлементов (цинк, медь, свинец, никель, кадмий) непосредственно в гидробионтах в пространственно-временном аспекте (1997-2015 гг.). Для получения наиболее полной картины загрязнения исследуемого региона отбирали виды (тест-объекты), представляющие разные систематические группы зообентоса оз. Балхаш. Все выбранные виды относятся к аккумулятивным биоиндикаторам, накапливающим загрязнители без быстро проявляющихся нарушений. Отбор и обработку кормовых организмов, а также расчет значений биомассы зообентоса проводили в соответствии с общепринятой методикой [11]. Содержание тяжелых металлов в гидробионтах определяли атомно-абсорбционным методом [12]. Статистическую обработку данных выполняли с помощью программы Microsoft Office Excel [13]. Результаты исследований и их обсуждение В районах масштабного промышленного загрязнения в биоценозах происходят значительные структурные перестройки, которые проявляются в чрезвычайной видовой обедненности, низких значениях количественных показателей, в ряде случаев определяющихся развитием только 1-2 видов, резистентных к техногенному загрязнению. Накопление микроэлементов в бентонтах тесно связано с вариабельностью их концентрации в воде и донном субстрате. Содержание тяжелых металлов в бентонтах оз. Балхаш относительно однородное. Доминантами по накоплению в кормовых организмах являются цинк и медь, аккумулируемые бентонтами в количестве 6,93-15,7 мг/кг, с максимальными значениями до 28,5-94,0 мг/кг в самых загрязненных участках водоема - бухте Бертыс и заливе Торангалык. Свинец накапливается в бентосных организмах в меньших концентрациях - от 1,19-13,25 до 14,2-35,5 мг/кг в загрязненных районах озера. Никель обнаружен в количестве 1,02-5,23 мг/кг с максимальными показателями 7,56 мг/кг в районах, подверженных прямому воздействию промышленного комплекса «Балхашцветмет». В минимальных количествах - 0,02-0,84 мг/кг - аккумулируется кадмий, с превышением концентрации в 1,7-3,8 раза также на акватории, прилежащей к основному источнику техногенного загрязнения. Кормовые организмы несколько отличаются аккумулирующей способностью в зависимости от среды обитания каждого вида. Так, нектобентосные организмы (мизиды, бокоплавы и креветки) накапливают больше цинка и меди - в 3,1-5,0 и 1,8-3,5 раза соответственно, чем брюхоногие моллюски, которые адсорбируют больше свинца и кадмия - в 1,1-3,4 раза. Бокоплавы и креветки отличаются минимальным уровнем накопления свинца - 0,25-0,33 мг/кг. В двустворчатых моллюсках доминирует по содержанию цинк - 2,44-3,89 мг/кг. Результаты исследований по накоплению тяжелых металлов в гидробионтах, проведенные в 2015 г., представлены в таблице. Содержание тяжелых металлов в нектобентосных организмах и ракушечнике оз. Балхаш в июле - августе 2015 г. Место отбора проб Состав бентоса Содержание металлов, мг/кг массы сухого вещества Cd Cu Ni Pb Zn Σ металлов Западный Балхаш Залив Большой Сарышаган Мизиды 0,211 25,80 1,28 1,19 39,50 67,98 Ракушечник 0,018 0,22 0,09 0,34 0,17 0,84 Залив Томар Мизиды + обрастания 0,726 42,90 6,66 3,47 17,80 71,56 Бухта Бертыс Мизиды 0,837 96,40 4,34 35,50 94,0 231,1 Залив Кашкантениз Ракушечник 0,023 0,40 0,13 0,43 0,85 1,83 Устье р. Или Мизиды 0,267 27,60 1,06 1,19 31,10 61,22 Залив Ортодересин Мизиды + креветки + гаммарусы 0,860 69,30 7,54 14,20 81,20 173,1 Среднее значение 0,420 37,52 3,01 8,04 37,80 86,80 Восточный Балхаш Устье р. Лепсы Мизиды 0,332 45,10 1,65 1,34 42,60 91,022 Залив Майкамыс Мизиды + креветки 0,479 43,40 5,32 2,77 42,30 94,27 Залив Тыкшок Мизиды 0,507 48,30 5,23 3,14 45,0 102,177 Устье р. Аягоз Мизиды 0,554 16,90 12,10 3,26 34,50 67,314 Устье р. Каратал Мизиды 0,543 46,60 4,81 7,56 58,30 117,813 Около о. Ультарахты Мизиды + креветки 0,757 59,80 6,52 12,50 40,10 119,677 Среднее значение 0,53 43,35 5,94 5,09 43,8 98,712 Значения содержания токсикантов в бентосных беспозвоночных Западного и Восточного Балхаша несколько различаются. В Западном Балхаше тяжелые металлы в большей степени накапливаются в хитинизированных покровах высших ракообразных (живые особи мизид, гаммарусов и креветок), чем в ракушечнике (раковины отмерших двустворчатых моллюсков, массово скапливающиеся на поверхности грунта). Так, например, если в заливе Большой Сарышаган суммарное содержание металлов в створках раковин моллюсков составляет 0,84 мг/кг, то в мизидах оно выше в 81 раз - 67,98 мг/кг. Низкие показатели микроэлементов в ракушечнике отмечены также в заливе Кашкантениз (1,83 мг/кг). Самый высокий уровень биоаккумуляции токсикантов в рачках наблюдался в бухте Бертыс (231,1 мг/кг) и заливе Ортодересин (173,1 мг/кг), несколько ниже - в заливе Томар (71,56 мг/кг) и устье р. Иле (61,22 мг/кг). Можно предположить, что накопление микроэлементов в створках раковин идет медленнее, чем в мизидах. В Восточном Балхаше наибольшая концентрация тяжелых металлов в высших ракообразных отмечена в районе о. Ультарахты (119,67 мг/кг), устье р. Каратал (117,81 мг/кг) и в заливе Тыкшок (102,18 мг/кг). В меньшей степени микроэлементы накапливаются в мизидах в устьях рек Лепсы (91,02 мг/кг) и Аягоз (67,31 мг/кг). Для сравнения приводим динамику суммарного накопления микроэлементов бентосными организмами по пяти водным бассейнам Казахстана (рис. 1) [14]. Рис. 1. Суммарное содержание металлов в бентонтах водных бассейнов Казахстана в 2015 г. Для бентонтов отмечается высокая вариабельность суммарного количества токсикантов, что обусловлено различной степенью загрязнения металлами среды обитания. Максимальное накопление тяжелых металлов бентосом характерно для Балхаш-Алакольского бассейна (111 мг/кг) и Каратомарского водохранилища (85,6 мг/кг), с превышением в 2,3-4,5 раза суммарного содержания металлов относительно показателей с низким уровнем загрязнения (24,6-38,5 мг/кг) в водоемах Ертисского и Арало-Сырдаринского бассейнов, Астанинском и Петропавловском водохранилищах. Статистический анализ, проведенный в ходе исследований, показал, что между биомассой бентонтов и количеством тяжелых металлов в них существует корреляционная зависимость с широким диапазоном тесноты связи, определяемой коэффициентом корреляции. Для оз. Балхаш характерна тесная положительная связь между биомассой нектобентосных организмов (рис. 2) и содержанием в них микроэлементов (R = +0,70). Рис. 2. Зависимость между уровнем накопления тяжелых металлов, г/кг, и биомассой нектобентоса, г/м2 Доказано, что токсичность металлов уменьшается в водной среде со щелочной реакцией (pH > 9), с высокой жесткостью и минерализацией [1]. В связи с указанными факторами в Восточном Балхаше (в районе о. Ультарахты) встречаются креветки с высоким содержанием металлов (0,63 г/кг) и высокой биомассой (21,5 г/м2). Такая же зависимость характерна и для мизид: биомасса рачков составляет 3,42 г/м2, концентрация металлов в них - 0,13 г/кг, биомасса - 13 г/м2, содержание токсикантов - 0,20 г/кг. По результатам исследования можно сделать вывод, что между количественным развитием нектобентосных организмов и их биомассой существует прямая зависимость - чем выше биомасса, тем выше содержание металлов в гидробионтах. Эти виды являются своего рода санитарами, улучшающими качество воды. Биомасса донных сообществ изменялась в противофазе с изменчивостью накопительной способности металлов. В грунтовых формах зообентоса (олигохеты, полихеты, двустворчатые моллюски, корофииды, личинки хирономид) выявлена статистически значимая отрицательная корреляционная связь между биомассой и кумуляцией микроэлементов в них (R = -0,67). Заключение По результатам многолетних исследований определены некоторые закономерности накопления микроэлементов кормовыми организмами оз. Балхаш, выполнена статистическая обработка полученных данных, выявлена корреляционная связь между биомассой и суммарным содержанием микроэлементов в гидробионтах. На примере оз. Балхаш приведены особенности кумуляции микроэлементов бентосными организмами оз. Балхаш в сравнении с аналогичными показателями четырех водных бассейнов Казахстана (Жайык-Каспийский, Арало-Сырдаринский, Ертисский и водоемы Центрального и Северного Казахстана). В ходе исследований было установлено, что доминантами по накоплению в кормовых организмах оз. Балхаш являются цинк и медь, с максимальными значениями в наиболее загрязненных участках водоема - бухте Бертыс и заливе Торангалык. Свинец накапливается в гидробионтах в меньших концентрациях. В минимальных количествах аккумулируются никель и кадмий. Максимальное накопление токсикантов в бентонтах наблюдается в районах, подверженных техногенному воздействию промышленного комплекса «Балхашцветмет». В зависимости от среды обитания каждого вида, кормовые организмы несколько отличаются аккумулирующей способностью. Так, нектобентосные организмы (мизиды, бокоплавы и креветки) накапливают больше цинка и меди. Брюхоногие моллюски адсорбируют больше свинца и кадмия. Бокоплавы и креветки отличаются минимальным уровнем содержания свинца. Наибольшее содержание тяжелых металлов в зообентосе, по сравнению с аналогичными показателями для других водоемов Казахстана, характерно для Балхаш-Алакольского бассейна. Между биомассой нектобентоса и его загрязнением тяжелыми металлами выявлена тесная положительная связь. Напротив, между биомассой грунтовых форм бентоса и содержанием в них токсикантов существует отрицательная корреляционная зависимость. Таким образом, исследованные нами виды гидробионтов могут служить достаточно информативными биоиндикаторами степени загрязнения водной среды микроэлементами и позволяют оценить реальную экологическую опасность для биоты водоема.
References

1. Kozhahmetova A. N. Bioindikacionnoe issledovanie akkumulyacii nefteproizvodnyh, tyazhelyh metallov v organizme gidrobiontov kazahstanskoy zony Kaspiya / A. N. Kozhahmetova, A. B. Bigaliev, A. K. Shametov // Fundamental'nye issledovaniya. 2015. № 2. S. 58-62.

2. Bioekologicheskie osnovy funkcionirovaniya vodnyh ekosistem glavnyh rybopromyslovyh vodoemov i rekomendacii po racional'nomu ispol'zovaniyu ih bioresursov. Razdel: oz. Balhash, del'ta r. Ili: otchet o NIR / Balhash. otd-nie KazNIIRH. Balhash, 1999. S. 33-64.

3. Belonogova Yu. V. Toksikologicheskoe vliyanie ionov svinca, kadmiya i rtuti na nekotorye vidy gidrobiontov / Yu. V. Belonogova, G. V. Shlyahtin // Fundamental'nye i prikladnye aspekty funkcionirovaniya vodnyh ekosistem. Saratov: Izd-vo Saratov. gos. tehn. un-ta, 2001. S. 16-19.

4. Vorob'eva N. B. Vliyanie antropicheskih faktorov na kormovuyu bazu oz. Balhash / N. B. Vorob'eva // Prognoz kompleksnogo i racional'nogo ispol'zovaniya prirodnyh resursov, ih ohrana i perspektivy razvitiya proizvoditel'nyh sil basseyna oz. Balhash v period do 1990-2000 gg. Alma-Ata: Nauka, 1983. S. 202-203.

5. Asylbekova S. Zh. Vliyanie tehnogennogo zagryazneniya na ekologo-biologicheskoe sostoyanie oz. Balhash / S. Zh. Asylbekova, T. Ya. Lopareva, N. B. Vorob'eva, A. N. Anur'eva, N. N. Sadyrbaeva, L. P. Ponomareva // Nauch. tr. Yuzhno-Kazahstan. gos. un-ta im. M. Auezova. 2010. № 3 (21). S. 20-26.

6. Anur'eva A. N. Vliyanie tyazhelyh metallov na kolichestvennoe razvitie makrozoobentosa oz. Balhash v zone deystviya vybrosov PO «Balhashcvetmet» / A. N. Anur'eva, N. B. Vorob'eva // Problemy biogeohimii i geohimicheskaya ekologiya. Semey: Tengri. 2012. № 2 (19). S. 44-50.

7. Krupa E. G. Mnogoletnyaya dinamika gidrobiontov ozera Balhash i ee svyaz' s faktorami sredy / E. G. Krupa, V. N. Coy, T. Ya. Lopareva, L. P. Ponomareva, A. N. Anur'eva, N. N. Sadyrbaeva, S. Zh. Asylbekova, K. B. Isbekov // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2013. № 2. S. 85-96.

8. Klerman A. K. Vliyanie mineralizacii sredy na toksichnost' medi i kadmiya dlya presnovodnyh gidrobiontov / A. K. Klerman, I. V. Chalova, S. A. Kurbatova, N. P. Klayn // Biologiya vnutrennih vod. Borok, 2004. № 2. S. 84-88.

9. Mur Dzh. V. Tyazhelye metally v prirodnyh vodah / Dzh. V. Mur, S. Ramamurti. M.: Mir, 1987. 288 s.

10. Patin S. A. Vliyanie zagryazneniya na biologicheskie resursy i produktivnost' Mirovogo okeana / S. A. Patin. M.: Pischepromizdat, 1979. 305 s.

11. Metodicheskoe posobie pri gidrobiologicheskih issledovaniyah vodoemov Kazahstana (plankton, zoobentos). Almaty, 2006. 27 s.

12. Spektrometricheskoe opredelenie tyazhelyh metallov v ob'ektah okruzhayuschey sredy, pischevyh produktah i biologicheskih materialah (Metodicheskie ukazaniya). Almaty, 1999. 41 s.

13. Makarova N. V. Statistika v Excel / N. V. Makarova, V. Ya. Trofimec. M.: Finansy i statistika, 2002. 368 s.

14. Issledovanie stepeni nakopleniya toksikantov v tkanyah promyslovyh vidov ryb i kormovyh ob'ektov rybohozyaystvennyh vodoemov Respubliki Kazahstan i razrabotka rekomendaciy po sohraneniyu kachestva i vosproizvodstvennogo potenciala ryb. Razdel: oz. Balhash, r. Ili: otchet o NIR / Balhash. filial TOO «KazNIIRH». Balhash, 2015. 84 s.


Login or Create
* Forgot password?