Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Исследуется влияние аккумуляции тяжелых металлов бентосными организмами озера Балхаш на их биомассу. Анализ результатов многолетнего мониторинга свидетельствует, что накопление токсикантов в бентонтах тесно связано с вариабельностью их концентрации в воде и донном субстрате. Микроэлементы накапливаются в хитинизированных покровах высших ракообразных в большей степени, чем в ракушечнике. 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. Приводится сравнительная динамика суммарного накопления микроэлементов бентосными организмами по пяти водным бассейнам Казахстана. Выявлена отрицательная корреляционная связь между биомассой грунтовых форм бентоса и кумуляцией микроэлементов в них. Установлена характерная тесная положительная связь между биомассой нектобентосных организмов и содержанием в них тяжелых металлов. Количественное развитие высших ракообразных имеет прямую зависимость - чем выше биомасса, тем выше содержание металлов в организмах.

Ключевые слова:
озеро Балхаш, бентосные организмы, биомасса, микроэлементы, биоаккумуляция, корреляционная зависимость
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

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.
Список литературы

1. Кожахметова А. Н. Биоиндикационное исследование аккумуляции нефтепроизводных, тяжелых металлов в организме гидробионтов казахстанской зоны Каспия / А. Н. Кожахметова, А. Б. Бигалиев, А. К. Шаметов // Фундаментальные исследования. 2015. № 2. С. 58-62.

2. Биоэкологические основы функционирования водных экосистем главных рыбопромысловых водоемов и рекомендации по рациональному использованию их биоресурсов. Раздел: оз. Балхаш, дельта р. Или: отчет о НИР / Балхаш. отд-ние КазНИИРХ. Балхаш, 1999. С. 33-64.

3. Белоногова Ю. В. Токсикологическое влияние ионов свинца, кадмия и ртути на некоторые виды гидробионтов / Ю. В. Белоногова, Г. В. Шляхтин // Фундаментальные и прикладные аспекты функционирования водных экосистем. Саратов: Изд-во Саратов. гос. техн. ун-та, 2001. С. 16-19.

4. Воробьева Н. Б. Влияние антропических факторов на кормовую базу оз. Балхаш / Н. Б. Воробьева // Прогноз комплексного и рационального использования природных ресурсов, их охрана и перспективы развития производительных сил бассейна оз. Балхаш в период до 1990-2000 гг. Алма-Ата: Наука, 1983. С. 202-203.

5. Асылбекова С. Ж. Влияние техногенного загрязнения на эколого-биологическое состояние оз. Балхаш / С. Ж. Асылбекова, Т. Я. Лопарева, Н. Б. Воробьева, А. Н. Анурьева, Н. Н. Садырбаева, Л. П. Пономарева // Науч. тр. Южно-Казахстан. гос. ун-та им. М. Ауэзова. 2010. № 3 (21). С. 20-26.

6. Анурьева А. Н. Влияние тяжелых металлов на количественное развитие макрозообентоса оз. Балхаш в зоне действия выбросов ПО «Балхашцветмет» / А. Н. Анурьева, Н. Б. Воробьева // Проблемы биогеохимии и геохимическая экология. Семей: Тенгри. 2012. № 2 (19). С. 44-50.

7. Крупа Е. Г. Многолетняя динамика гидробионтов озера Балхаш и ее связь с факторами среды / Е. Г. Крупа, В. Н. Цой, Т. Я. Лопарёва, Л. П. Пономарёва, А. Н. Анурьева, Н. Н. Садырбаева, С. Ж. Асылбекова, К. Б. Исбеков // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. 2013. № 2. С. 85-96.

8. Клерман А. К. Влияние минерализации среды на токсичность меди и кадмия для пресноводных гидробионтов / А. К. Клерман, И. В. Чалова, С. А. Курбатова, Н. П. Клайн // Биология внутренних вод. Борок, 2004. № 2. С. 84-88.

9. Мур Дж. В. Тяжелые металлы в природных водах / Дж. В. Мур, С. Рамамурти. М.: Мир, 1987. 288 с.

10. Патин С. А. Влияние загрязнения на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана / С. А. Патин. М.: Пищепромиздат, 1979. 305 с.

11. Методическое пособие при гидробиологических исследованиях водоемов Казахстана (планктон, зообентос). Алматы, 2006. 27 с.

12. Спектрометрическое определение тяжелых металлов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических материалах (Методические указания). Алматы, 1999. 41 с.

13. Макарова Н. В. Статистика в Excel / Н. В. Макарова, В. Я. Трофимец. М.: Финансы и статистика, 2002. 368 с.

14. Исследование степени накопления токсикантов в тканях промысловых видов рыб и кормовых объектов рыбохозяйственных водоемов Республики Казахстан и разработка рекомендаций по сохранению качества и воспроизводственного потенциала рыб. Раздел: оз. Балхаш, р. Или: отчет о НИР / Балхаш. филиал ТОО «КазНИИРХ». Балхаш, 2015. 84 с.