Россия
Россия
Одной из причин снижения численности осетровых видов рыб является сложная экологическая обстановка в Волго-Каспийском бассейне. Изменения гидрохимического состава воды Волго-Каспийского бассейна сопровождаются критическими нарушениями микроэлементарного баланса организма рыб и приводят к необратимым патологическим последствиям в популяциях ценных видов рыб. Для сохранения популяции и осуществления мониторинга за состоянием осетровых видов рыб необходимо детальное изучение микроэлементного состава их органов и тканей. Определение концентрации химических элементов в костных лучах плавников русского осетра Acipenser gueldenstaedtii (Brandt, 1833) разной половой принадлежности и возрастного состава (3–10 лет) производили с помощью атомно-абсорбционного метода согласно ГОСТ 30178-96. В каждой пробе определяли концентрации железа, меди, марганца, цинка, никеля, кобальта, хрома, свинца и кадмия. Отмечено, что все девять исследуемых металлов в той или иной мере способны аккумулироваться в костных лучах осетра. Железо в костных лучах плавников осетровых рыб присутствовало в больших количествах относительно других химических элементов. Второе место по содержанию в лучах занимал свинец и далее в порядке убывания цинк и кобальт, а в наименьших концентрациях обнаружен кадмий. Показано, что медь, цинк, марганец имеют более высокие концентрации в лучах самцов, а никель, хром, кобальт, свинец и кадмий – в лучах самок русского осетра. Выявленные различия между средними концентрациями железа в изученных органах самок и самцов всех исследованных возрастных групп статистически не значимы. Отмечено, что с увеличением возраста, массы и длины в костных лучах плавников как самцов, так и самок содержание металлов возрастало.
химические элементы, концентрация, костные лучи плавников, русский осетр, возраст, пол
Введение
Осетрообразные – одна из наиболее древних групп рыб, сохранившаяся до настоящего времени с мелового периода. Основные запасы осетровых сосредоточены в Каспийском бассейне. Здесь обитает 6 видов из 11, встречающихся на территории России [1].
Одной из причин снижения численности этих ценных видов рыб является сложная экологическая обстановка в Волго-Каспийском бассейне, а именно загрязнение рек и моря промышленными и сельскохозяйственными стоками [1]. Резкие изменения гидрохимического состава воды Волго-Каспийского бассейна сопровождаются критическими нарушениями микроэлементарного баланса организма рыб и приводят к необратимым патологическим последствиям в популяциях осетровых видов рыб [2].
Тяжелые металлы накапливаются в различных органах и тканях гидробионтов, вызывая патологические изменения на клеточном и внутриклеточном уровнях [3].
По мнению Т. И. Моисеенко с соавторами [4, 5], на аккумуляцию и динамику накопления тяжелых металлов в органах и тканях рыб оказывают влияние гидрохимические показатели воды, пол, возраст и занимаемая экологическая ниша.
Для сохранения популяции и осуществления мониторинга за состоянием осетровых видов рыб необходимо детальное изучение микроэлементного состава их органов и тканей, а также способности
к аккумуляции и распространению наиболее опасных токсических веществ в их организме.
В связи с этим целью исследования являлось определение концентрации химических элементов в костных лучах плавников русского осетра Acipenser gueldenstaedtii (Brandt, 1833).
Материалы и методы исследования
Объектом исследования являлись особи русского осетра Acipenser gueldenstaedtii (Brandt, 1833) в возрасте 3–9 лет. Материалом для исследования служили костные лучи плавников.
Работу проводили на базе кафедры «Гидробиология и общая экология» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет». Определение концентрации химических элементов в костных лучах плавников производили у особей разной половой принадлежности и возрастного состава с помощью атомно-абсорбционного метода определения химических элементов согласно ГОСТ 30178-96. Результаты исследования обработаны статистически при помощи программного продукта Microsoft® Excel™.
Результаты исследований и их обсуждение
На основании результатов исследования отмечено, что железо в костных лучах плавников осетров присутствовало в больших количествах относительно других химических элементов. Его значения варьировали от 21,23 до 72,55 мг/кг у самок и от 22,77 до 74,12 мг/кг сухого вещества у самцов (рис. 1).
Рис. 1. Содержание железа в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 1. Content of iron in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Второе место по содержанию в лучах занимал свинец, далее в порядке убывания цинк, кобальт и т. д. (рис. 2–4).
Рис. 2. Содержание свинца в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 2. Content of lead in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Рис. 3. Содержание цинка в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 3. Zinc content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Рис. 4. Содержание кобальта в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 4. Сobalt content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Концентрации железа и свинца в исследованных органах рыб в возрастной период 3–4 года вполне сопоставимы, и выявленные различия статистически не значимы (р > 0,05). Аналогичная ситуация про-
слеживалась и в отношении цинка и кобальта: в возрасте с 3 до 7 лет значения этих химических элементов изменялись одинаково (р > 0,05).
В наименьших концентрациях в лучах обнаружен кадмий с концентрацией в диапазоне от 0,41 до 1,26 мг/кг у самок и от 0,23 до 1,15 мг/кг сухого вещества у самцов (рис. 5).
Рис. 5. Содержание кадмия в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 5. Cadmium content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
В работе [6] И. С. Миллер с соавторами, изучая особенности накопления и корреляции тяжелых металлов в костной ткани судака Новосибирского водохранилища, отмечали, что по количеству доминируют цинк и железо, а в наименьшем количестве встречается кадмий. Выявленные средние популяционные значения тяжелых металлов в костной ткани судака они рекомендовали использовать в экологии, ветеринарии и зоотехнии при оценке элементного состава судака.
В зависимости от возраста рыб химические элементы по концентрации в костных лучах плавников русского осетра составляли следующие убывающие ряды:
– 3–4 года: Fe ≥ Pb > Zn ≥ Co > Ni > Mn ≥ Cu ≥ ≥ Cr > Cd;
– 5 лет: Fe > Pb ≥ Zn ≥ Co > Ni > Cu ≥ Mn ≥ Cr > Cd;
– 6 лет: Fe > Pb ≥ Zn ≥ Co > Ni ≥ Cu > Mn ≥ Cr > Cd;
– 7 лет: Fe > Zn ≥ Pb ≥ Co > Ni > Cu > Mn ≥ Cr > Cd;
– 8–9 лет: Fe > Zn > Pb ≥ Co > Cu ≥ Ni > Mn ≥ Cr > Cd.
Динамика количественного содержания химических элементов в костных лучах плавников русского осетра, которую отражают убывающие ряды, свидетельствует о становлении костного состава лучей рыб. Показано, что в более ранний возрастной период, с 3 до 6 лет, достаточно велика концентрация свинца. В 7 лет на вторую позицию перемещается цинк, на третью – свинец. Возможно, это объясняется тем, что цинк значительно влияет на рост и развитие организма, является активатором ряда ферментов, включая щелочную фосфатазу костной ткани [7].
Сравнительный анализ накопления меди (рис. 6), цинка, марганца (рис. 7) в костной ткани русского осетра показал более высокие концентрации металлов в лучах плавников самцов всех исследованных возрастных групп.
Рис. 6. Содержание меди в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 6. Copper content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Рис. 7. Содержание марганца в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 7. Manganese content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Аккумуляция никеля (рис. 8), хрома (рис. 9), кобальта, свинца и кадмия в объектах изучения в большей мере происходила в костных лучах плавников самок.
Рис. 8. Содержание никеля в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 8. Nickel content in the bony fin rays of Acipenser gueldenstaedtii
Рис. 9. Содержание хрома в костных лучах плавников Acipenser gueldenstaedtii
Fig. 9. Chromium content in the bony rays of the fins of Acipenser gueldenstaedtii
Выявленные различия между средними концентрациями железа в изученных органах самок и самцов всех исследованных возрастных групп статистически не значимы (р > 0,05).
С увеличением возраста, массы и длины в костной ткани как самцов, так и самок содержание металлов в лучах плавников возрастало. Так, в период с 3 до 9 лет концентрация меди в ткани увеличивалась в 10 раз, цинка – в 5 раз, железа, никеля и кадмия – более чем в 4 раза, марганца, хрома и кобальта – в 3 раза, свинца – в 2 раза.
Корреляционный анализ полученных данных показал тесную связь между содержанием всех исследованных химических элементов в костных лучах русского осетра и морфологическими показателями (длина и масса рыб) как у самок, так и у самцов. Значения корреляции варьировали от 0,90 до 0,99 (табл.).
Значения корреляционного анализа данных*
The values of correlation analysis of data
Показатель |
Fe |
Zn |
Cu |
Mn |
Ni |
Cr |
Co |
Cd |
Pb |
Длина |
0,99/0,98 |
0,99/0,99 |
0,96/0,99 |
0,93/0,91 |
0,99/0,95 |
0,90/0,96 |
0,94/0,95 |
0,98/0,99 |
0,95/0,99 |
Масса |
0,97/0,98 |
0,98/0,98 |
0,99/0,96 |
0,98/0,98 |
0,97/0,99 |
0,97/0,92 |
0,99/0,99 |
0,98/0,97 |
0,98/0,99 |
* Самка/самец.
В работе [8] А. А. Чемагин с соавторами ранее отмечали аналогичную закономерность в костной ткани стерляди, только в отношении кадмия: для скелета концентрация кадмия возрастала в зависимости от массы и длины рыб. Кроме того, эти же авторы, анализируя концентрации свинца в осевом скелете стерляди, выявили зависимость как от массы, так и от длины рыб: чем крупнее организм, тем больше концентрация. При этом в нашем случае диапазон концентраций свинца в костных лучах плавников русского осетра составил у самок от 21,23 мг/кг (3 года) до 43,11 мг/кг сухого вещества (9 лет), у самцов от 19,24 мг/кг (3 года) до 39,45 мг/кг сухого вещества (9 лет).
С возрастом рыб скорость аккумуляции костными лучами плавников кадмия выше в 2 раза, чем свинца. Это можно объяснить тем, что в водоемах свинец может быть прочно адсорбирован частицами донных отложений и поэтому в основном неусвояем, тогда как ионы кадмия могут непосредственно поглощаться из воды [9]. Опасность накопления Cd для организма рыб показана в работах зарубежных исследователей [3]. Кадмий активно замещает кальций в клеточных механизмах регулирования концентрации кальция (через кальциевые каналы). Данный механизм проникновения Cd установлен для рыб [10].
В работах [11, 12] C. P. McCahon и D. Pascoe, а также J. Arce-Funck с соавторами отмечали, что в период линьки гидробионты, имеющие экзоскелет, наиболее чувствительны к накоплению токсикантов, включая Cd. В [8] А. А. Чемагин с соавторами сделали предположение, что ряды костных пластинок стерляди также способствуют поверхностному проникновению кадмия в их организм. Частичная замена ионов кальция кадмием обусловливает его достаточно высокую концентрацию в скелетных образованиях, поэтому он способен накапливаться в организме. Это находит подтверждение и в нашем исследовании.
Заключение
Таким образом, в результате исследования выявлены особенности накопления химических элементов в костной ткани лучей плавников русского осетра в зависимости от возраста и морфологических показателей, а также половой принадлежности. Отмечено, что все девять исследованных металлов в той или иной мере способны аккумулироваться в костных лучах плавников осетра. В связи с этим с целью осуществления мониторинга за состоянием осетровых видов рыб необходимо учитывать содержание химических элементов в их органах и тканях, в том числе и в костных лучах плавников.
1. Иванов В. П., Комарова Г. В. Рыбы Каспийского моря (систематика, биология, промысел). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2008. 256 с.
2. Гераскин П. П. Нарушение обмена веществ у русского осетра в современных условиях Волго-Каспия. Волгоград, 1986. 54 с.
3. Mohanty B. P., Mahananda M. R., Pradhan S. Cadmium induced toxicity and antioxidant activities in Labeo rohita (Hamilton) // Environment and Ecology Research. 2013. V. 1. Iss. 2. Р. 41–47. DOI: 10.13189/ eer.2013.010203.
4. Моисеенко Т. И., Кудрявцева Л. П., Гашкина Н. А. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. М.: Наука, 2006. 261 с.
5. Моисеенко Т. И., Гашев С. Н. Биогеохимическая индикация загрязнения металлами и радионуклидами в регионах нефтедобычи // Докл. Акад. наук. 2012. T. 441. № 12. С. 1338–1341.
6. Миллер И. С., Короткевич О. С., Петухов В. Л., Себежко О. И., Петухов В. Л. Особенности накопления и корреляции тяжелых металлов в костной ткани судака Новосибирского водохранилища // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=18106 (дата обращения: 26.07.2024).
7. Войнар А. И. Биологическая роль микроэлемен-тов в организме животных и человека. М.: Высш. шк., 1960. 544 с.
8. Чемагин А. А., Волосников Г. И., Кыров Д. Н., Либерман Е. Л. Тяжелые металлы Hg, Cd, Pb в организме стерляди (Acipenser ruthenus L.), Нижний Иртыш // Вестн. МГТУ. Тр. Мурм. гос. техн. ун-та. 2019. Т. 22. № 2. С. 225–233. DOI:https://doi.org/10.21443/1560-9278-2019-22-2-225-233.
9. Мур Дж. В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния: пер. с англ. Д. В. Гричука и др. М.: Мир, 1987. 288 с.
10. Reader J. P., Morris R. Effects of aluminium and pH on calcium fluxes, and effects of cadmium and manganese on calcium and sodium fluxes in brown trout (Salmo trutta L.) // Comparative Biochemistry and Physiology Part C: Comparative Pharmacology. 1988. V. 91. Iss. 2. P. 449–457. DOI: https://doi.org/10.1016/ 0742-8413(88)90058-8.
11. Иванченко Т. В. Патологические изменения тканей и органов русского осетра под действием тяжелых металлов // Физиология и токсикология гидробионтов: сб. науч. тр. Ярославль: Изд-во ЯрГУ, 1989. С. 89–98.
12. McCahon C. P., Pascoe D. Cadmium toxicity to the freshwater amphipod Gammarus pulex (L.) during the moult cycle // Freshwater Biology. 1988. V. 19. Iss. 2. Р. 197–203. DOI: https://doi.org/10.1111/ j.1365-2427.1988.tb00342.x.
13. Arce-Funck J., Crenier C., Danger M., Billoir E. High stoichiometric food quality increases moulting organ-ism vulnerability to pollutant impacts: An experimental test with Gammarus fossarum (Crustacea: Amphipoda) // Sci-ence of the Total Environment. 2018. V. 645. P. 1484–1495. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.scitotenv.2018.07.227.