Россия
Астраханская область, Россия
Целью работы было проведение биогеохимического мониторинга содержания тяжелых металлов в экосистеме северо-западной части Каспийского моря. Объектами исследования были морская вода и донные отложения Каспийского моря, различные виды ракообразных, моллюсков, рыб, а также каспийский тюлень. В результате исследований были выявлены металлоконцентрирующие организмы в Каспийском море, например гаммарусы (аккумуляторы цинка), креветки (меди), крабы (свинца и никеля), балянусы (ртути, свинца и кадмия); моллюски рода Didacna накапливают в основном цинк, кадмий и ртуть; митилястер – медь и кобальт; церастодерма – свинец; вобла – концентратор цинка и ртути, пуголовка – свинца и марганца, рыба-игла – меди, свинца и кадмия, килька – цинка и ртути. Выявлены особенности накопления металлов в гидробионтах: цинк, свинец и кадмий накапливаются преимущественно беспозвоночными животными; медь, кобальт и марганец в наибольшей степени накапливают представители класса Crustacea, никель – представители типа Mollusca; ртуть в наибольшей степени накапливается позвоночными животными. Выявлены закономерности в распределении концентраций химических элементов в органах и тканях гидробионтов, занимающих вершины трофических пирамид: цинк, медь и ртуть преимущественно накапливаются в печени; кобальт, никель, цинк, свинец и кадмий – в почках; свинец, кобальт и марганец – в жабрах; в мышечной ткани – ртуть. У Phoca caspica свинец накапливается в жировой ткани и легких, цинк, медь, кобальт, марганец, хром и ртуть – в печени, никель, свинец и кадмий – в почках. На основании рассчитанных коэффициентов накопления химических элементов отмечено, что ртуть и цинк способны накапливаться практически во всех звеньях трофической цепи; медь, кобальт, никель, кадмий и свинец накапливаются в основном беспозвоночными организмами; хром и марганец аккумулируются в большей степени в донных отложениях.
тяжелые металлы, биогеохимический мониторинг, Каспийское море, ракообразные, моллюски, рыбы, каспийский тюлень
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. Безель В. С., Жуйкова Т. В., Гордеева В. А., Голоушкина Е. В. Биогеохимия импактных регионов: роль эдафических и фитоценотических факторов среды // Геохимия. 2020. Т. 65. № 10. С. 998-1008.
2. Ермаков В. В., Тютиков С. Ф., Сафонов В. А. Биогеохимическая индикация микроэлементозов. М.: Наука, 2018. 386 с.
3. Коробова Е. М. Эколого-геохимические про-блемы современной ноосферы. М.: Изд-во РАН, 2019. 122 с.
4. Леонова Г. А. Биогеохимическая индикация загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами // Водные ресурсы. 2004. Т. 31. № 2. С. 215-222.
5. Леонова Г. А., Аношин Г. А., Бычинский В. А. Биогеохимические проблемы антропогенной химической трансформации водных экосистем // Геохимия. 2005. № 2. С. 182-196.
6. Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии // Тр. биогеохим. лаб. 1980. Т. 16. 320 с.
7. Морозов Н. П. Химические элементы в гидробионтах и пищевых цепях // Биогеохимия океана. М.: Наука, 1983. С. 127-165.
8. Островская Е. В., Бреховских В. Ф., Волкова З. В. Загрязняющие вещества в водах Волжско-Каспийского бассейна. Астрахань: Издатель: Сорокин Роман Васильевич, 2017. 408 с.
9. Романкевич Е. А., Айбулатов Н. А. Геохимическое состояние морей России и здоровье человека // Вестн. отд. наук о земле РАН. 2004. № 1 (22). URL: http://geo.web.ru/conf/khitariada/1-2004/scpub-5.pdf (дата обращения: 10.09.2020).
10. Островская Е. В., Колмыков Е. В., Холина О. И. Углеводородное загрязнение северо-западной части Каспийского моря // Юг России: экология, развитие. 2016. № 11 (1). С. 137-148. URL: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2016-1-137-148 (дата обращения: 15.04.2020).
11. Чуйко Е. В., Абдусамадов А. С. Особенности миграции тяжелых металлов в экосистеме Северного Каспия // Юг России: экология, развитие. 2013. № 8 (3). С. 110-116. URL: https://doi.org/10.18470/1992-1098-2013-3-110-116 (дата обращения: 15.04.2020).
12. Ковальский В. В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 420 с.
13. Ковальский В. В. Проблемы биогеохимии микроэлементов и геохимической экологии. Избранные труды. М.: Россельхозакадемия, 2009. 357 с.
14. Леонова Г. А., Бычинский В. А. Гидробионты Братского водохранилища как объекты мониторинга тяжелых металлов // Водные ресурсы. 1998. Т. 25. № 5. С. 603-610.
15. Моисеенко Т. И., Кудрявцева Л. П., Гашкина Н. А. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. М.: Наука, 2006. 261 с.
16. Ермаков В. В., Тютиков С. Ф. Геохимическая экология животных. М.: Наука, 2008. 315 с.
17. Вернадский В. И. Живое вещество и биосфера. М.: Наука, 1994. 671 с.
18. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения: Приказ Минсельхоза России № 552 от 13 декабря 2016 г. URL: https://www.chemanalytica.ru/f/prikaz_minselkhoza_rossii_ot_13122016_n_552_ob_utverzhdenii_pdk.pdf (дата обращения: 10.11.2022).
19. Виноградов А. П. Введение в геохимию океана. М.: Наука, 1967. 213 с.
20. Гордеев В. В. Речной сток в океан и черты его геохимии. М.: Наука, 1983. 160 с.
21. Лисицын А. П. Основные понятия биогеохимии океана // Биогеохимия океана. М.: Наука, 1983. С. 9-32.
22. Зайцев В. Ф., Ершова Т. С., Чаплыгин В. А. Содержание некоторых металлов в звеньях тро-фической сети Каспийского моря // Современные проблемы состояния и биогеохимической эволюции таксонов биосферы: материалы X Междунар. биогеохим. шк., посвящ. 70-летию ГЕОХИ РАН. М.: Изд-во ГЕОХИ РАН, 2017. С. 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. Войнар А. И. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. М.: Высш. шк., 1960. 544 с.
25. Чаплыгин В. А., Хурсанов А. С., Ершова Т. С., Зайцев В. Ф. Коэффициенты накопления химических элементов в органах и тканях русского (Аcipenser guel-denstaedtii, Вrandt, 1833) и персидского (Аcipenser persicus, Вorodin, 1897) осетров Каспийского моря // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Рыбное хозяйство. 2021. № 2. С. 100-106. URL: https://doi.org/10.24143/2073-5529-2021-2-104-115 (дата обращения: 12.09.2022).
