Russian Federation
Russian Federation
The article is focused on the possible ways of accumulating chemical elements (zinc, copper, chromium, nickel, lead, mercury) in the organs of aquatic organisms. In the course of the study, the coefficients of accumulating the chemical elements in the organs and tissues were calculated for the Russian (Acipenser gueldenstaedtii, Brandt, 1833) and Persian sturgeons (Acipenser persicus, Borodin, 1897) relative to the water of the northwestern part of the Caspian Sea, bottom sediments and the main objects of their food (Khvalyn goby (Neogobius caspius), Sandpiper goby (Neogobius fluviatilis), Caspian goblin (Benthophilus microcephalus), roach (Rutilus rutilus caspicus)). The studies were carried out according to the standard method of atomic absorption spectrometry. It is shown that the main source of accumulating the studied chemical elements in the organs and tissues of the Russian and Persian sturgeons is the water of the northwestern part of the Caspian Sea. It was found that the bottom sediments of the Caspian Sea act as an additional source of zinc and mercury found in the liver and kidneys of sturgeon species. Based on the calculated accumulation coefficients of chemical elements, there was revealed a predominantly alimentary nature of accumulating copper, nickel and mercury in the organs of both sturgeon species.
accumulation factors, chemical element, gills, muscles, kidneys, liver, Acipenser gueldenstaedtii, Acipenser persicus, Caspian Sea
Введение Химические элементы, включаясь в биогеохимический цикл водной экосистемы, способны аккумулироваться в гидробионтах [1–4]. Для бентосных организмов грунт является основным источником микроэлементов [4]. При этом бентосные организмы, являясь важными звеньями в пищевых цепях водоемов, играют огромную роль в концентрации и биогенной миграции микроэлементов [5, 6]. Различные представители семейства Gobiidae – важная составляющая часть экосистемы Каспийского моря, которые служат пищей для таких ценных видов рыб, как русский и персидский осетры [7]. На основании вышесказанного целью исследования является расчет коэффициентов накопления химических элементов в органах и тканях русского и персидского осетров относительно воды северо-западной части Каспийского моря, донных отложений и основных объектов их питания. Материалы и методы исследованияОбъектами исследования являлись русский и персидский осетры, а также вода северо-западной части Каспийского моря, донные отложения и объекты питания русского и персидского осетров: бычок хвалынский (Neogobius caspius), бычок-песочник (Neogobius fluviatilis), пуголовка (Benthophilus microcephalus), вобла (Rutilus rutilus caspicus). В отношении русского и персидского осетров был проведен сравнительный анализ микроэлементного состава некоторых органов (жабры, мышцы, почки и печень). На основе выявленных концентраций химических элементов в органах и тканях русского и персидского осетров рассчитаны коэффициенты накопления относительно воды северо-западной части Каспийского моря, донных отложений и кормовых организмов. Образцы проб воды, грунтов, рыб-бентофагов, органов и тканей осетровых видов рыб получены во время экспедиций на судах Волжско-Каспийского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии» («КаспНИРХ») в 2013–2019 гг. Определение микроэлементов в органах и тканях объектов исследования выполняли на кафедре «Гидробиология и общая экология» Астраханского государственного технического университета. Исследования проводили согласно стандартной методике атомно-абсорбционной спектрометрии. Концентрацию Zn, Cu, Cr, Ni, Pb выражали в мг/кг сухого вещества, а Hg – в мг/кг сырого вещества. Полученные результаты подвергали статистической обработке. Результаты исследований и их обсуждение Содержание химических элементов в воде северо-западной части, грунтах северной и средней частей Каспийского моря, а также в гидробионтах, составляющих бентофауну, представлено в табл. 1. Таблица 1 Концентрация химических элементов в воде, грунте и рыбах-бентофагах Химический элемент Показатель Zn Cu Cr Ni Pb Hg Концентрация химических элементов в воде северо-западной части Каспийского моря, мкг/л 20,80 ± 0,47 3,93 ± 0,23 7,04 ± 0,15 6,74 ± 0,64 4,41 ± 0,26 0,058 ± 0,005 ПДК рыбохозяйственного значения, мкг/л [8] 50 5 – 10 10 0,10 Кларки химических элементов для морской воды, мкг/л [9] 50 20 – 3 5 0,03 Концентрации для грунта и рыб-бентофагов мг/кг сухого вещества мг/кг сырого вещества Грунт 9,22 ± 0,41 9,06 ± 1,1 12,7 ± 1,7 12,8 ± 2,4 7,35 ± 0,84 0,016 ± 0,002 Кларк химических элементов для грунтов [10] 50 20 200 40 10 0,01 Рыбы-бентофаги (усредненное значение) 109,58 ± 17,25 4,15 ± 0,68 3,3 ± 0,09 4,57 ± 0,43 6,13 ± 0,27 0,02 ± 0,003 ДУ [11] 40 10 0,5 – 1 0,5 В исследованный период в воде северо-западной части Каспийского моря в наибольшем количестве отмечен цинк (20,80 ± 0,47 мг/кг). Далее по убыванию следовали хром и никель, причем выявленные различия в их содержании недостоверны (р > 0,05), затем, по мере снижения концентрации, располагались свинец и медь, примерно в равных значениях. Ртуть находилась в минимальных количествах и составляла 0,058 ± 0,005 мкг/л. Следует отметить, что выявленные концентрации химических элементов не превышали соответствующие предельно допустимые концентрации (ПДК) рыбохозяйственного значения. Нами показано, что значения Zn, Cu, Cr и Pb в воде северо-западной части Каспийского моря существенно ниже кларков химических элементов для морской воды, установленных А. П. Виноградовым [9]. В отличие от вышеуказанных металлов Ni и Hg превышали кларки почти в 2 раза. Ряд убывания количества химических элементов в воде северо-западной части Каспийского моря представлен следующим образом: Zn > Cr ≥ Ni > Pb ≥ Cu > Hg. В грунтах Каспийского моря в большей степени аккумулировались хром и никель (12,7 ± 1,7 и 12,8 ± 2,4 мг/кг сухого вещества), достоверных различий в полученных концентрациях не выявлено (р > 0,05). На фоне Cr и Ni концентрация цинка и меди в донных отложениях в 1,5 раза ниже, при этом различия в выявленных значениях Zn и Cu также недостоверны (р > 0,05). В грунтах Каспийского моря количество ртути минимально (0,016 ± 0,002 мг/кг сырого вещества) по сравнению с уровнем изучаемых микроэлементов. Концентрации химических элементов в грунтах Каспийского моря не превышали соответствующие кларки по А. П. Виноградову [9], за исключением ртути, накопление которой в донных отложениях в 1,6 раза выше значения кларка. Химические элементы по содержанию в грунтах Каспийского моря располагались в следующем убывающем ряду: Cr ≥ Ni > Zn ≥ Cu > Pb > Hg. Рыбы-бентофаги в максимальном количестве аккумулировали цинк, значение которого составляло 109,58 ± 17,25 мг/кг сухого вещества, тогда как концентраций остальных химических элементов выявлено на порядок меньше. Так, степень накопления свинца в 18 раз ниже по сравнению с цинком, а меди и никеля – более чем в 24 раза. Меньше всего в исследованных объектах содержалось ртути (0,02 ± 0,003 мг/кг сырого вещества). При сравнении обнаруженных концентраций в рыбах-бентофагах с допустимым уровнем, регламентированным СанПиН 2.3.2.1078-01, отмечено превышение в 3 раза нормируемой величины концентрации цинка и более чем в 6 раз концентрации хрома и свинца. Значения концентрации остальных исследованных химических элементов, были ниже допустимого значения. Химические элементы по их содержанию в рыбах-бентофагах выстраивались в следующий убывающий ряд: Zn > Pb > Ni ≥ Cu > Cr > Hg. Цинк у русского и персидского осетров преимущественно аккумулировался в печени и почках, а в наименьшем количестве – в мышечной ткани (рис. 1). Рис. 1. Содержание цинка в органах и тканях русского и персидского осетров При этом концентрация цинка выше в органах и тканях персидского осетра. Рассчитанные коэффициенты накопления цинка в грунте свидетельствуют о том, что источником этого металла в органах и тканях русского и персидского осетров являлись донные отложения (табл. 2). Таблица 2 Коэффициенты накопления цинка Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 3 929 1 862 4 638 4 562 9 4 11 10 0,8 0,4 0,9 0,9 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 4 345 2 119 5 638 5 271 10 5 13 12 0,8 0,4 1,1 1,0 На основании данных, представленных в табл. 2, все исследованные органы русского и персидского осетров накапливали цинк не только из грунта, но и из воды, т. к. рассчитанные КН значительно превышали единицу. Все исследованные органы и ткани русского и персидского осетров являлись накопителя-ми цинка, причем в большей мере это относится к печени, почкам и жабрам. Показано, что, в отличие от русского, органы и ткани персидского осетра обладали большей способностью к аккумуляции этого металла не только относительно воды и грунта, но и объектов питания, о чем свидетельствуют рассчитанные коэффициенты накопления цинка печени (КН = 1,1) и по-чек (КН = 1,0) персидского осетра. На фоне исследованных органов и тканей русского и персидского осетров органом-накопителем меди являлась печень (рис. 2). Рис. 2. Содержание меди в органах и тканях русского и персидского осетров Концентрация меди в мышечной ткани минимальна. Органы и ткани персидского осетра, по сравнению с русским, более интенсивно аккумулировали данный металл. Рассчитанные коэффициенты накопления меди в органах русского и персидского осетров относительно объектов их питания (рыб-бентофагов) свидетельствуют о переходе элемента по пищевой цепи. Это отражают коэффициенты накопления меди в печени и почках у обоих видов рыб (табл. 3). Таблица 3 Коэффициенты накопления меди Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 979 547 3 193 1 374 0,42 0,24 1,39 0,60 0,8 0,5 3,0 1,3 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 1 489 712 4 338 1 934 0,65 0,31 1,88 0,84 1,4 0,7 4,0 1,8 Наибольшее значение коэффициента накопления меди выявлено в печени рыб. Таким образом, по отношению к воде северо-западной части Каспийского моря исследованные органы осетровых видов рыб являлись концентраторами меди, т. к. КН значительно превышал 1. Уровень содержания меди в жабрах тесно связан с концентрацией элемента в воде. На фоне других исследованных органов печень русского и персидского осетров по отношению к усредненным значениям химического элемента донных отложений Каспийского моря также является органом-концентратором. Рассчитанные коэффициенты накопления печени значительно превышают (более чем в 3 раза) таковые жабр, что еще раз доказывает – основной путь поступления меди в организм рыб – алиментарный. Как у русского, так и у персидского осетров хром в первую очередь накапливался в почках, где отмечено максимальное значение накопления металла (рис. 3). Рис. 3. Содержание хрома в органах и тканях русского и персидского осетров Меньше всего он аккумулировался в печени и в мышцах обоих видов рыб. Выявленные различия в концентрациях хрома в органах и тканях русского и персидского осетров недостоверны (р > 0,05). Согласно представленным данным в табл. 4, следует отметить, что хром не переходит по цепям питания. Таблица 4 Коэффициенты накопления хрома Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 174 135 167 257 0,10 0,74 0,92 0,41 0,4 0,3 0,4 0,5 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 201 145 171 271 0,11 0,08 0,94 0,15 0,4 0,3 0,4 0,6 Об этом свидетельствуют рассчитанные коэффициенты накопления хрома в органах и тканях русского и персидского осетров относительно рыб-бентофагов. Донные отложения Каспийского моря также не являются источником химического эле-мента для двух видов осетров. Коэффициенты накопления, рассчитанные для всех объектов исследования, ниже 1. Единственным источником хрома для осетровых видов рыб является вода Каспийского моря. Коэффициенты накопления металла, рассчитанные относительно воды, значительно превышают 1. Никель больше всего содержится в почках у обоих исследованных видов (рис. 4), а в мышцах рыб зафиксированы минимальные значения химического элемента. Рис. 4. Содержание никеля в органах и тканях русского и персидского осетров По мнению Т. И. Моисеенко с соавторами, никель способен накапливаться во всех физиологических системах в зависимости от концентрации в воде, в максимальных количествах – в почках [2]. При этом отсутствуют достоверные различия в степени аккумуляции никеля органами и тканями между русским и персидским осетром. Данные, представленные в табл. 5, свидетельствуют о преимущественном накоплении никеля из воды. Таблица 5 Коэффициенты накопления никеля Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 1 150 686 1 314 1 721 0,6 0,4 0,7 0,9 1,7 1,1 2,0 2,6 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 809 614 876 1 584 0,4 0,3 0,5 0,9 1,2 0,9 1,3 2,4 Согласно табличным данным, для органов и тканей обоих видов осетров коэффициенты накопления никеля из донных отложений меньше единицы, поэтому указанные бентосные представители ихтиофауны Каспийского моря не являются накопителями этого элемента из грунта. Коэффициенты накопления никеля в органах русского и персидского осетров относительно объектов их питания (рыб-бентофагов) демонстрируют переход химического элемента в пищевой цепи. Коэффициенты накопления никеля в печени русского и персидского осетров относительно объектов их питания больше единицы (табл. 5). Ртуть в организме русского и персидского осетров накапливалась, прежде всего, в печени, о чем свидетельствуют данные, представленные на рис. 5. Рис. 5. Содержание ртути в органах и тканях русского и персидского осетров Далее по накоплению следовали почки и мышечная ткань, замыкали этот ряд жабры рыб. Следует отметить, что у персидского осетра концентрация ртути в печени и мышцах больше, чем у русского. На основании рассчитанных коэффициентов можно предположить, что морская вода представляет собой основной источник поступления ртути в организм рыб (табл. 6). Таблица 6 Коэффициенты накопления ртути Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 465 1 672 2 155 2 052 1,7 6,0 7,8 7,4 1,4 4,9 6,3 6,0 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 207 2 534 4 172 2 000 0,75 9,2 15,0 7,3 0,6 7,4 12,0 5,8 Кроме того, все указанные органы и ткани рыб накапливали ртуть и из грунта, хотя в данном случае КН на порядок меньше, чем аналогичный показатель относительно воды. Рассчитанный коэффициент накопления ртути органами русского и персидского осетров свидетельствует о том, что КН жабр относительно концентрации металла в воде и в грунте у русского осетра в 2 раза выше, чем у персидского. При этом жабры обоих видов осетров являются концентраторами ртути из воды. Таким образом, рассчитанные КН печени и мышечной ткани значительно превышали таковые жабр, что еще раз доказывает – основной путь поступления ртути в организм рыб – алиментарный. У обоих видов осетровых рыб органом-аккумулятором свинца являлись жабры и почки, причем у русского осетра способность накапливать этот химический элемент выше, чем у персидского (рис. 6). Рис. 6. Содержание свинца в органах и тканях русского и персидского осетров На основании рассчитанных коэффициентов накопления свинца относительно воды Каспийского моря органами-мишенями для свинца являются все исследованные органы и ткани, но в большей мере это характерно для жабр и почек (табл. 7). Таблица 7 Коэффициенты накопления свинца Органы Коэффициент накопления относительно воды, КН = Сi/Cвода Коэффициент накопления относительно грунта, КН = Сi/Cгрунт Коэффициент накопления относительно рыб-бентофагов, КН = Сi/Cрыб-бентофагов Русский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 742 469 337 578 0,4 0,3 0,2 0,3 0,5 0,3 0,2 0,4 Персидский осетр Жабры Мышцы Печень Почки 356 232 330 539 0,3 0,1 0,2 0,3 0,4 0,2 0,2 0,4 Рассчитанные коэффициенты накопления свинца в органах русского и персидского осетров относительно объектов их питания (рыб-бентофагов) свидетельствуют об отсутствии пере-хода химического элемента по пищевой цепи. Заключение Таким образом, основным источником исследованных химических элементов для русского и персидского осетров является вода северо-западной части Каспийского моря, при этом лучше всего поступают с водой цинк и ртуть. Хуже всего эта способность выражена у хрома, коэффициенты накопления которого на порядок ниже. Для русского и персидского осетров донные отложения являются источником цинка и ртути. Именно в этих случаях отмечены коэффициенты накопления выше единицы. При этом в отличие от коэффициентов накопления относительно воды диапазон значений показателей относительно донных отложений составляет от 1 до 10. Значения коэффициентов накопления меди, никеля и ртути органами и тканями русского и персидского осетров относительно объектов их питания составляли более единицы, что свидетельствует о способности этих химических элементов переходить по пищевой цепи у обоих видов осетров.
1. Vinogradov A. P. Himicheskiy elementarnyy sostav organizmov morya: monogr. M.: Nauka, 2001. 620 s.
2. Moiseenko T. I., Kudryavceva L. P., Gashkina N. A. Rasseyannye elementy v poverhnostnyh vodah sushi // Tehnofil'nost', bioakkumulyaciya i ekotoksikologiya. M.: Nauka, 2006. 261 s.
3. Vorob'ev V. I., Zaycev V. F., Scherbakova E. N. Biogennaya migraciya tyazhelyh metallov v orga-nizme russkogo osetra. Astrahan': Izd-vo OOO «CNTEP», 2007. S. 116.
4. Kovekovdova L. T., Simokon' M. V. Rtut' v donnyh otlozheniyah i promyslovyh gidrobiontah zaliva Petra Velikogo (Yaponskoe more) // Rtut' v biosfere: ekologo-geohimicheskie aspekty: materialy Mezhdunar. simpoz. M., 2010. S. 233-238.
5. Glazunova I. A. Osobennosti raspredeleniya i nakopleniya tyazhelyh metallov v organah i tkanyah ryb // Izv. Altays. gos. un-ta. Ser.: Himiya. Geografiya. Biologiya. 2005. № 3. S. 90-93.
6. Chaplygin V. A., Ershova T. S., Zaycev V. F. Transformaciya metallov v sisteme «grunt - pische-vye cepi osetrovyh» Kaspiyskogo morya // Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2019. T. 14. № 3. S. 138-143.
7. Tihonova E. Yu. Pitanie osetra raznyh razmernyh grupp v zapadnoy chasti Severnogo Kaspiya letom 2015 g. // Sovremennoe sostoyanie bioresursov vnutrennih vodoemov i puti ih racional'nogo ispol'zovaniya: materialy dokl. Vseros. konf. s mezhdunar. uchastiem, posvyasch. 85-letiyu Tatarskogo otd-niya GOSNIORH (Kazan', 24-29 oktyabrya 2016 g.). SPb.: Izd-vo Gos. NII ozer. i rech. ryb. hoz-va im. L. S. Berga, 2016. S. 1029-1033.
8. Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnyh ob'ektov rybohozyaystvennogo znacheniya, v tom chisle normativov predel'no dopustimyh koncentraciy vrednyh veschestv v vodah vodnyh ob'ektov rybohozyaystvennogo znacheniya: prikaz Minsel'hoza RF ot 13 dekabrya 2016 g. № 552 (v red. ot 10 marta 2020 g.). URL: https://docs.cntd.ru/document/420389120 (data obrascheniya: 15.07.2020).
9. Vinogradov A. P. Himicheskiy elementarnyy sostav planktona Chernogo, Azovskogo i Kaspiyskogo morey // Biohimiya morskih organizmov. Kiev, 1967. S. 70-83.
10. Vinogradov A. P. Geohimiya redkih i rasseyannyh himicheskih elementov v pochvah. M.: Izd-vo AN SSSR, 1957. 298 s.
11. SanPiN № 2.3.2.1078-01. Gigienicheskie trebovaniya bezopasnosti i pischevoy cennosti pro-duktov ot 06.11.2001 k postanovleniyu Glavnogo gosudarstvennogo sanitarnogo vracha RF ot 14 noyabrya 2001 № 36 «O vvedenii v deystvie sanitarnyh pravil». URL: https://base.garant.ru/4178234/ (data ob-rascheniya: 15.07.2020).
