Russian Federation
Astrakhan, Russian Federation
The aim of the research was to conduct biogeochemical monitoring of heavy metals composition in the ecosystem of the northwestern part of the Caspian Sea. The objects of the research were the water of the northwestern part of the Caspian Sea, bottom sediments, different types of crustaceans, mollusks, fish, as well as the Caspian seal. As a result of the research, metal concentrating aquatic organisms in the Caspian Sea were identified. Thus, gammarus accumulates Zn, shrimp – Cu, crab – Pb and Ni, balanus – Hg, Pb, Cd; mollusk Didacna accumulates mainly Zn, Cd, and Hg; mytilaster – Cu, Co; cerastoderma – Pb; vobla – Zn and Hg; benthophilus - Pb and Mn; needlefish – Cu, Pb, Cd, and sprat – Zn and Hg. Specific features of metal accumulation by hydrobionts have been found out: Zn, Pb and Cd are accumulated mainly by invertebrates; Cu, Co, Mn are accumulated to the greatest extent by representatives of Crustacea; Ni – by Mollusca species; Hg is accumulated to the greatest extent by vertebrates. There have been revealed the regularities in distribution of chemical elements concentrations in the organs and tissues of aquatic organisms occupying the tops of the trophic pyramids: Zn, Cu, Hg are predominantly accumulated in the liver, Co, Ni, Zn, Pb and Cd are accumulated in the kidneys, Pb, Co, Mn are accumulated in the gills, Hg – in muscle tissues. In Phoca caspica Pb accumulates in the adipose tissue and lungs, Hg, Cu, Zn, Mn, Cr, and Co – in the liver, and Pb, Cd and Ni – in the kidneys. Taking into account the calculated coefficients of chemical elements accumulation, it was inferred that Hg and Zn can accumulate in almost all links of the trophic chain; Cu, Co, Ni, Cd, Pb are accumulated mainly by invertebrates; Cr and Mn accumulate to a greater extent in bottom sediments.
heavy metals, biogeochemical monitoring, Caspian Sea, crustaceans, mollusks, fish, Caspian seal
Введение
В современных экологических условиях оценка глобальных биосферных процессов, а также эволюции биогеохимических циклов в результате антропогенного изменения биосферы становится актуальной задачей [1–5]. Распространение химических элементов в составляющих экосистемы зависит,
в первую очередь, от живых организмов, которые вовлекают их в трофический круговорот, способствуя их биодоступности [6, 7].
В современный период биогеохимическая оценка гидроэкосистем приобретает приоритетное направление в экологии.
Каспийское море выступает как особая биогеохимическая провинция с особым химическим составом морской среды и геохимическими барьерами
в области смешения речных и морских вод [8, 9]. Актуальность работы заключается в исследовании закономерностей миграции химических элементов из абиотической среды в биотическую среду Каспийского моря.
Шельф Каспийского моря является центром активности крупнейших нефтяных компаний многих государств. Вследствие этого экосистема Каспийского моря испытывает высокую экологическую нагрузку, в том числе из-за загрязнения тяжелыми металлами, сопутствующими нефтедобыче (отходы бурения и нефтедобычи) [10, 11].
Морская вода и донные отложения – приоритетные источники химических элементов, в частности и тяжелых металлов, для водных организмов, поэтому концентрации химических элементов в организмах зависят от содержания этих элементов в их среде обитания [12, 13]. В связи с этим выявление гидробионтов – аккумуляторов тяжелых металлов позволяет использовать их в биогеохимическом мониторинге Каспийского моря. Биогеохимический мониторинг уже применяется на фоновых территориях и территориях, подверженных антропогенному воздействию. Многие авторы – Г. А. Лео-
нова [4]; Г. А. Леонова, В. А. Бычинский [14];
Г. А. Леонова, Г. А. Аношин, В. А. Бычинский [5]; Т. И. Моисеенко и др. [15], В. В. Ермаков, С. Ф. Тютиков [16] – указывают на возможность использования живых организмов, в частности гидробионтов, в качестве тест-объектов.
Целью данной работы являлось определение содержания химических элементов в различных компонентах экосистемы Каспийского моря.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования служили морская вода, илистые, ракушечные и песчаные донные отложения Каспийского моря, а также гидробионты, занимающие вершины трофических пирамид в экосистеме Каспийского моря: осетры (Acipenser persicus, Acipenser gueldenstaedtii), сельди (Alosa braschnikowi braschnikowi, Alosa kessleri kessleri), каспийская нерпа Phoca caspica и некоторые объекты их питания: моллюски: моллюски рода Didacna, Cerastoderma lamarcki, Mytilaster lineatus; ракообразные: ракообразные рода Gammarus, Balanus improvisus, Saduria entomon, Rhithropanopeus harrisii, Palaemon adspersus; рыбы-бентофаги: Neogobius fluviatilis, Neogobius caspius, Benthophilus macrocephalus, Rutilus rutilus caspicus, рыбы-планктофаги: Clupeonella caspia, Atherina mochon caspia, Syngnathus abaster caspius.
Сбор материала осуществлялся в северо-западной части Каспийского моря с 2011 по 2020 гг. Количество точек отбора проб составляло 74. В этих точках отбора собрано 1 502 пробы воды, 1 648 проб донных отложений, 5 873 пробы биологических объектов.
Пробы органов каспийской нерпы взяты от погибших животных на Дагестанском побережье Каспийского моря.
Содержание химических элементов в объектах исследования определяли на базе Астраханского государственного технического университета, а в ор-
ганах и тканях погибших тюленей – также и на базе Дагестанского государственного университета методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
Результаты исследований
Геохимическая экология, основоположником которой считается В. В. Ковальский [12, 13], отражает связь между организмами и природно-техногенной средой. Эта связь представлена в виде биогенной миграции химических элементов в биогеохимической трофической цепи.
Согласно биогеохимическим принципам В. И. Вер-
надского [6], живые организмы выполняют определенные функции в биосфере. Так, например, средообразующая функция живых организмов состоит
в формировании геохимических свойств среды обитания [17]. В то же время формирование геохимических свойств среды обитания обусловлено и абиотическими факторами. Главным источником химических элементов для гидробионтов является среда их обитания, а именно донные отложения и вода, поэтому элементный состав организмов отражает содержание этих химических элементов в окружающей среде [12].
Из результатов проведенных исследований следует, что в северо-западной части Каспийского моря содержание изученных химических элементов в воде не превышает предельно допустимых значений, утвержденных Приказом Минсельхоза России № 552 от 13 декабря 2016 г. [18]. По сравнению с 2014 г., по данным Е. В. Островской с соавторами [8], концентрация ртути увеличилась
в 1,5 раза. Концентрации в морской воде Cu, Mn, Zn за последний период времени практически
не изменились. В то же время содержание Ni, Pb, Cd снизилось в 3; 1,5; 2,3 раза соответственно. Отмечено, что концентрации исследованных химических элементов не превышают их кларки для морской воды, определенные А. П. Виноградовым [19]. В то же время концентрации ртути и никеля выше соответствующих кларковых значений примерно в 3 и 2 раза соответственно.
Накопление химических элементов в районе зоны смешения пресных и морских вод является результатом функционирования маргинального фильтра, естественного барьера на пути поступления материковых загрязнений [8]. Здесь происходит осаждение до 80–90 % взвешенных и 35–40 % растворенных форм металлов [19].
Донные отложения северной части Каспийского моря являются аккумуляторами Pb (9 мг/кг сухого вещества), Zn (11 мг/кг сухого вещества),
Ni (15 мг/кг сухого вещества), Cr (14 мг/кг сухого вещества) и Mn (98 мг/кг сухого вещества), а донные отложения средней части – Cd (0,8 мг/кг сухого вещества), Cu (12 мг/кг сухого вещества) и Hg (0,009 мг/кг сырого вещества). Выявленные различия в концентрациях кобальта в донных отложениях исследованных районов Каспийского моря статистически не значимы (р > 0,05). Известно, что основным фактором, влияющим на процесс адсорбции многих химических элементов донными отложениями северной части Каспийского моря, является градиент солености. Из-за речного стока соленость северо-западной части Каспийского моря составляет от 1–2 до 8 ‰, в то время как соленость Среднего Каспия – 10–12 ‰. В связи с этим площадь Северного Каспия является неким барьером, в котором происходит осаждение химических элементов, т. к., по мнению авторов [9, 20, 21], особенно четкое их убывание выявляется на самых ранних стадиях смешения вод (S ≤ 5 ‰).
Илистые донные отложения Каспийского моря являются накопителями Mn (144 мг/кг сухого вещества), Zn (12,9 мг/кг сухого вещества), Ni (16 мг/кг сухого вещества), Cu (12 мг/кг сухого вещества),
Pb (10,8 мг/кг сухого вещества), Cd (0,9 мг/кг сухого вещества), а ракушечные – Cr (15,7 мг/кг сухого вещества), Co (11 мг/кг сухого вещества), Hg (0,01мг/кг сырого вещества) [22, 23].
Живые организмы, обладая определенным химическим составом, участвуют в миграции химических элементов, тем самым выполняя свою роль: рассеивают или концентрируют их в своем организме [17]. Химические элементы попадают в организм через биогеохимические пищевые цепи
и выполняют в нем различные функции. При этом происходит их частичная трансформация в процессе обмена веществ, и в дальнейшем либо они аккумулируются тканями, либо выводятся с экскрементами [12, 24]. Таким образом, биохимическая функция живых организмов заключается в синтезе органических веществ, в который они вовлекают макро- и микроэлементы, концентрируя их или рассеивая [17]. Выявление гидробионтов – концентратов химических элементов позволяет использовать их в биогеохимическом мониторинге состояния экосистемы Каспийского моря.
Морская вода является основным источником микроэлементов для всех исследованных гидробионтов. В организм рыб химические элементы могут проникать осмотически – через жабры и кожу. Муцин слизи активно связывает тяжелые металлы, накапливая их на поверхности тела [15].
У рыб пищевой путь накопления химических элементов является основным. Кроме того, на основании рассчитанных коэффициентов накопления показано, что для изученных гидробионтов Каспийского моря донные отложения также являются источником химических элементов [25].
В таблице представлены организмы – концентраторы химических элементов.
Организмы – концентраторы химических элементов
Aquatic organisms - concentrators of chemical elements
Гидробионт |
Химический элемент |
Концентрация химических элементов, |
Ракообразные |
||
Gammarus sp. |
Zn |
103,9 ± 4,96 |
Palaemon adspersus |
Сu |
104,16 ± 5,84 |
Rhithropanopeus harrisii |
Pb |
40,77 ± 1,6 |
Zn |
79,92 ± 2,11 |
|
Co |
52 ± 4 |
|
Mn |
74 ± 21 |
|
Balanus improvisus |
Pb |
44 ± 1,5 |
Моллюски |
||
Didacna sp. |
Ni |
59,88 ± 10,12 |
Cd |
3 ± 0,2 |
|
Mytilaster lineatus |
Pb |
42 ± 2 |
Cerastoderma lamarcki |
Pb |
43,75 ± 2,35 |
Рыбы |
||
Rutilus rutilus caspicus |
Zn |
190,05 ± 8,13 |
Syngnathus abaster caspius |
Cu |
7,68 ± 1,1 |
Pb |
26,16 ± 4,05 |
|
Co |
33,99 ± 5,17 |
|
Mn |
36,7 ± 8,3 |
|
Cd |
0,9 ± 0,16 |
|
Clupeonella caspia |
Zn |
194,7 ± 4,25 |
Hg |
0,18 ± 0,001 мг/кг сырого вещества |
Ранее Т. И. Моисеенко с соавторами [15] отмечала, что эссенциальные химические элементы имеют определенные особенности распределения
в живом организме, которые зависят от совокупности экологических факторов. Большинство катионов металлов слабо всасывается в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Однако, несмотря на низкую всасываемость ряда соединений металлов
в ЖКТ животных, их высокое сродство к SH-, -S-S-, аминогруппам и особенности циркуляции приводят к длительному пребыванию металлов в организме животных [24].
В результате исследования определены органы – аккумуляторы металлов, на которые также необходимо обращать внимание при биохимическом мониторинге морской экосистемы. Так, на примере рыб (русский осетр, персидский осетр, сельдь-черноспинка и долгинская сельдь) показано, что
в печени преимущественно аккумулируются цинк, медь и ртуть, в почках – кобальт, никель, цинк, хром, свинец и кадмий, а в жабрах – свинец, кобальт и марганец, в мышечной ткани – ртуть.
У каспийской нерпы свинец накапливается в жировой ткани и легких, цинк, медь, кобальт, марганец, хром и ртуть – в большей мере в печени,
а свинец, кадмий, никель – в почках животных.
Отмечены видовые особенности в накоплении химических элементов в органах и тканях исследованных видов осетров. Видовая особенность персидского осетра, в отличие от русского, заключается в его способности к большему накоплению металлов (преимущественно цинка и ртути) в органах и тканях. Это связано, прежде всего, с его биологическими особенностями. Персидский осетр обладает высоким темпом роста, условия его нагула несколько отличаются от русского. У обоих исследованных видов осетров значения концентраций ртути, марганца, меди в органах и тканях выше
у самок (р < 0,05), а содержание цинка и кадмия выше у самцов (р < 0,05). С возрастом в жабрах увеличивается накопление меди и кобальта; в почках – кобальта; в печени – железа, цинка, кадмия
и ртути у обоих видов рыб (р < 0,05).
У самок каспийской нерпы отмечены более высокие коэффициенты накопления некоторых химических элементов, чем у самцов. Например, самки исследованного животного, по сравнению с самцами, аккумулируют больше медь, кадмий и ртуть. В то же время выявленные половые различия
в накоплении таких металлов, как Pb, Zn, Co, Ni, органами и тканями у нерпы не являются достоверными (р > 0,05). Отмечено, что с возрастом животного происходит повышение уровня накопления Zn, Cd, Hg, Cu, а значения концентраций Pb, Cr, Co снижается (р < 0,05).
Транспортная функция живых организмов связана с массопереносом вещества и биогенной миграцией химических элементов [17]. Коэффициенты накопления химических элементов представляют собой результат их биогеохимической миграции по уровням пищевых цепей.
Отмечено, что лучше всего по цепи питания исследованных видов осетров мигрируют цинк
и ртуть. Для осетров рыбы-бентофаги являются источниками меди и никеля, рыбы-планктофаги – меди, а донные отложения – цинка, ртути и меди [25]. Поступление в организм осетров из кормовых организмов таких химических элементов, как марганец, хром, кобальт, кадмий и свинец, несущественно. Марганец и хром аккумулируются преимущественно донными отложениями. Свинец, никель, кобальт и кадмий выше уровня беспозвоночных по трофической цепи не переходят.
Так же, как и у осетров, у сельдей отмечена миграция по пищевым звеньям цинка и ртути, причем для сельдевых видов рыб доля цинка, привносимая рыбами – объектами питания, мала. В связи с этим здесь его миграция практически не замечена. Отмечено, что как кормовые объекты рыбы-планктофаги и бентофаги для сельдевых рыб являются источником ртути, причем интенсивнее всего аккумулируют сельдевые рыбы этот металл из рыб-планктофагов. Переход свинца, кадмия и кобальта выше уровня беспозвоночных животных незначителен. Несмотря на то, что донные отложения не являются источником марганца для моллюсков, отмечен переход этого химического элемента в организм рыб-бентофагов.
Отмечена миграция ртути по всем звеньям трофической цепи каспийского тюленя. Так же, как
и у осетровых и сельдевых рыб, миграция цинка относительно рыб не происходит, исключение составляют долгинская сельдь и сельдь-черноспинка, которые являются источником этого химического элемента в организме млекопитающего. Кадмий способен мигрировать в организм тюленя относительно всех объектов исследования. Свинец и никель выше уровня беспозвоночных животных не переходят. Медь, кобальт и хром поставляют в организм каспийского тюленя лишь исследованные позвоночные животные. Марганец достаточно сложно переходит по цепи питания млекопитающего: источником этого химического элемента для тюленя являются сельдь-черноспинка и долгинская сельдь.
Заключение
Полученные результаты исследования позволяют оценить способность гидробионтов Каспийского моря к накоплению в организме химических элементов и выявить организмы – концентраторы определенных металлов, в том числе и токсичных. Результаты исследования позволяют выявить особенности миграции химических элементов по трофическим цепям гидробионтов Каспийского моря.
На основании вышесказанного отмечено:
- В донных отложениях северной части Каспийского моря происходит осаждение свинца, цинка, никеля, хрома и марганца, а в средней части – кадмия, меди и ртути. Отмечено, что среди исследованных видов донных отложений аккумуляторами хрома, кобальта и ртути являлись ракушечные,
а остальных изученных химических элементов (кадмий, свинец, никель, цинк, марганец и медь) – илистые донные отложения. - Выявлены организмы – концентраторы химических элементов в экосистеме Каспийского моря: гаммарусы являются аккумуляторами цинка, креветки – меди, а крабы – свинца, цинка, кобальта
и марганца, балянусы – свинца; моллюски рода Didacna накапливают преимущественно никель
и кадмий; митилястер и церастодерма – свинец; вобла является концентратором цинка; рыба-игла является аккумулятором меди, кобальта, марганца, свинца и кадмия, а килька – цинка и ртути. - Выявлены следующие особенности аккумуляции металлов в гидробионтах: цинк, свинец и кадмий накапливают преимущественно беспозвоночные животные; медь, кобальт и марганец в наибольшей степени аккумулируют представители класса Crustacea; никель концентрируется в представителях типа Mollusca; ртуть в наибольшей степени аккумулируется исследованными позвоночными животными; цинк и кадмий способны накапливаться с возрастом у исследованных видов рыб.
- Выявлены особенности распределения концентраций металлов в органах и тканях гидробионтов, находящихся на вершинах трофических пирамид: в печени русского и персидского осетров преимущественно накапливаются цинк, медь и ртуть, в почках – кобальт, никель, свинец и кадмий,
а в жабрах – свинец, кобальт и марганец, в мышечной ткани – ртуть. Долгинская сельдь и сельдь-чер-
носпинка способны аккумулировать марганец, свинец и кадмий в жабрах, а цинк – в печени.
У каспийской нерпы свинец аккумулируется в жировой ткани и легких, цинк, медь, кобальт, марганец, хром и ртуть – преимущественно в печени,
а никель, свинец и кадмий – в почках.
Отмечено, что ртуть и цинк аккумулируются практически всеми звеньями трофической цепи; медь, кобальт, никель, кадмий и свинец накапливаются преимущественно беспозвоночными животными; хром и марганец в большей мере накапливаются донными отложениями.
1. Bezel' V. S., Zhuykova T. V., Gordeeva V. A., Goloushkina E. V. Biogeohimiya impaktnyh regionov: rol' edaficheskih i fitocenoticheskih faktorov sredy // Geohimiya. 2020. T. 65. № 10. S. 998-1008.
2. Ermakov V. V., Tyutikov S. F., Safonov V. A. Biogeohimicheskaya indikaciya mikroelementozov. M.: Nauka, 2018. 386 s.
3. Korobova E. M. Ekologo-geohimicheskie pro-blemy sovremennoy noosfery. M.: Izd-vo RAN, 2019. 122 s.
4. Leonova G. A. Biogeohimicheskaya indikaciya zagryazneniya vodnyh ekosistem tyazhelymi metallami // Vodnye resursy. 2004. T. 31. № 2. S. 215-222.
5. Leonova G. A., Anoshin G. A., Bychinskiy V. A. Biogeohimicheskie problemy antropogennoy himicheskoy transformacii vodnyh ekosistem // Geohimiya. 2005. № 2. S. 182-196.
6. Vernadskiy V. I. Problemy biogeohimii // Tr. biogeohim. lab. 1980. T. 16. 320 s.
7. Morozov N. P. Himicheskie elementy v gidrobiontah i pischevyh cepyah // Biogeohimiya okeana. M.: Nauka, 1983. S. 127-165.
8. Ostrovskaya E. V., Brehovskih V. F., Volkova Z. V. Zagryaznyayuschie veschestva v vodah Volzhsko-Kaspiyskogo basseyna. Astrahan': Izdatel': Sorokin Roman Vasil'evich, 2017. 408 s.
9. Romankevich E. A., Aybulatov N. A. Geohimicheskoe sostoyanie morey Rossii i zdorov'e cheloveka // Vestn. otd. nauk o zemle RAN. 2004. № 1 (22). URL: http://geo.web.ru/conf/khitariada/1-2004/scpub-5.pdf (data obrascheniya: 10.09.2020).
10. Ostrovskaya E. V., Kolmykov E. V., Holina O. I. Uglevodorodnoe zagryaznenie severo-zapadnoy chasti Kaspiyskogo morya // Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2016. № 11 (1). S. 137-148. URL: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2016-1-137-148 (data obrascheniya: 15.04.2020).
11. Chuyko E. V., Abdusamadov A. S. Osobennosti migracii tyazhelyh metallov v ekosisteme Severnogo Kaspiya // Yug Rossii: ekologiya, razvitie. 2013. № 8 (3). S. 110-116. URL: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2013-3-110-116 (data obrascheniya: 15.04.2020).
12. Koval'skiy V. V. Geohimicheskaya ekologiya. M.: Nauka, 1974. 420 s.
13. Koval'skiy V. V. Problemy biogeohimii mikroelementov i geohimicheskoy ekologii. Izbrannye trudy. M.: Rossel'hozakademiya, 2009. 357 s.
14. Leonova G. A., Bychinskiy V. A. Gidrobionty Bratskogo vodohranilischa kak ob'ekty monitoringa tyazhelyh metallov // Vodnye resursy. 1998. T. 25. № 5. S. 603-610.
15. 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.
16. Ermakov V. V., Tyutikov S. F. Geohimicheskaya ekologiya zhivotnyh. M.: Nauka, 2008. 315 s.
17. Vernadskiy V. I. Zhivoe veschestvo i biosfera. M.: Nauka, 1994. 671 s.
18. 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 Rossii № 552 ot 13 dekabrya 2016 g. URL: https://www.chemanalytica.ru/f/prikaz_minselkhoza_rossii_ot_13122016_n_552_ob_utverzhdenii_pdk.pdf (data obrascheniya: 10.11.2022).
19. Vinogradov A. P. Vvedenie v geohimiyu okeana. M.: Nauka, 1967. 213 s.
20. Gordeev V. V. Rechnoy stok v okean i cherty ego geohimii. M.: Nauka, 1983. 160 s.
21. Lisicyn A. P. Osnovnye ponyatiya biogeohimii okeana // Biogeohimiya okeana. M.: Nauka, 1983. S. 9-32.
22. Zaycev V. F., Ershova T. S., Chaplygin V. A. Soderzhanie nekotoryh metallov v zven'yah tro-ficheskoy seti Kaspiyskogo morya // Sovremennye problemy sostoyaniya i biogeohimicheskoy evolyucii taksonov biosfery: materialy X Mezhdunar. biogeohim. shk., posvyasch. 70-letiyu GEOHI RAN. M.: Izd-vo GEOHI RAN, 2017. S. 198-205.
23. Chaplygin V. A., Ershova T. S., Zaitsev V. F. Trace elements in the body of sturgeon in the Caspian Sea // 3rd International Symposium of Benthological Society of Asia (Vladivostok, Russian Federation, August 24-27, 2016): Abstract Book. Vladivostok: Dalnauka, 2016. P. 42.
24. Voynar A. I. Biologicheskaya rol' mikroelementov v organizme zhivotnyh i cheloveka. M.: Vyssh. shk., 1960. 544 s.
25. Chaplygin V. A., Hursanov A. S., Ershova T. S., Zaycev V. F. Koefficienty nakopleniya himicheskih elementov v organah i tkanyah russkogo (Acipenser guel-denstaedtii, Vrandt, 1833) i persidskogo (Acipenser persicus, Vorodin, 1897) osetrov Kaspiyskogo morya // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Rybnoe hozyaystvo. 2021. № 2. S. 100-106. URL: https://doi.org/10.24143/2073-5529-2021-2-104-115 (data obrascheniya: 12.09.2022).