Особенности накопления тяжелых металлов промысловыми видами рыб Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Т.А. Лобанова

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРОМЫСЛОВЫМИ ВИДАМИ РЫБ

Бассейн Горьковского водохранилища характеризуется интенсивной антропогенной нагрузкой на водные экосистемы, проявляющейся, прежде всего, в увеличении степени загрязнения природных вод, в том числе такими токсикантами, как тяжелые металлы.

Гидробионты, в особенности ихтиофауна, способны накапливать в органах и тканях тела загрязняющие вещества из окружающей их среды и могут служить в качестве биоиндикатора распространения токсических веществ в водоеме. Медь, кадмий, ртуть и другие металлы аккумулируются в тканях гидробионтов, изменяя функцию крови, сердца, оказывают повреждающее влияние на жабры, нарушают биохимические процессы. Под воздействием токсических веществ резко снижается естественный иммунитет и специфический иммуногенез, что может иметь важное значение в развитии многих инфекционных и инвазионных заболеваний.

Изучение микроэлементного состава рыб необходимо для обеспечения нормального функционирования гидробионтов на различных уровнях трофической цепи и экосистемы в целом. Микроэлементы и тяжелые металлы даже в незначительных концентрациях оказывают отрицательное действие на фито- и зоопланктон, аккумулируются в донных отложениях, воздействуя на бентосные организмы. Кумуляция вредных веществ тканями рыб создает угрозу влияния на организм человека через рыбные продукты, употребляемые в пищу.

Цель исследования заключается в изучении содержания и распределения тяжелых металлов (меди, цинка, хрома, свинца, кадмия, ртути, никеля) в органах и тканях промысловых видов рыб, выловленных в безледный период на семи стан-

циях Горьковского водохранилища. Для исследования были выбраны такие виды рыб, как плотва (Rutilus rntilus L), лещ (Abramis brama L), судак (Stizostedion lucioperca L) и щука (Esox lucius L). За ПДК исследуемых металлов взяты допустимые остаточные количества в рыбных продуктах.

Изучаемые виды рыб характеризуются их специфичностью в отношении накопления исследуемых элементов. Содержание тяжелых металлов в органах и тканях рыб различных экологических групп зависит от характера их питания, а также интенсивности обменных процессов. Плотва относится к планктонному мирному виду рыб, основу питания которой составляет фито-, зоопланктон и детрит. В то же время лещ обитает в основном у дна, это бентосоядная рыба, основу питания составляют олигохеты, личинки хорономид и детрит. А судак и щука стоят на вершине трофической цепи как типичные хищные виды.

Количество отловленных и исследованных особей составило: 247 особей леща, 285 - плотвы, 162 - судака и 136 щук.

Неравномерность накопления тяжелых металлов различными по трофическим уровням видами рыб приводится в таблице 1.

Таким образом, в организме рыб Горьковского водохранилища наблюдается повышенное содержание меди (до 17,96 мг/кг), цинка (до 58,80 мг/кг) и кадмия (до 0,28 мг/кг), что является следствием накопления тяжелых металлов в экосистеме в течение длительного периода.

Сравнительный анализ содержания металлов в мирных и хищных рыбах позволил установить, что медь и хром в большей степени накапливаются в мирных рыбах (лещ, плотва), а свинец, кадмий и цинк - в хищных. Достоверных отличий по содержанию остальных изучаемых металлов в ор-

Таблица1

Содержание тяжелых металлов различными видами рыб (мг/кг)

Вид рыб Cu Zn Ni Cr Cd Pb Hg

Плотва 17,96 58,80 н/о 0,001 0,28 0,82 н/о

Лещ 17,15 61, 45 н/о 0,004 0,34 0,93 0,001

Судак 14,65 63,45 н/о н/о 0,34 1,01 0,001

Щука 14,61 63,93 н/о н/о 0,33 0,91 0,001

ПДК 10,0 40,0 20,0 0,2 0,2 1,0 0,3-0,6

18

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2008

© Т.А. Лобанова, 2008

Таблица2

Содержание меди в рыбах, мг/кг сырой массы (ПДК-10 мг/кг)

Вид Содержание в органах и тканях

рыб жабры мышцы печень почки гонады костная ткань

Плотва 25,4 10,8 27,3 21,2 13,3 9,8

Лещ 21,6 11,6 25,5 19,8 14,1 10,3

Судак 18,6 9,9 21,4 15,4 12,6 10,0

Щука 19,1 10,0 22,5 14,8 12,1 9,2

Таблица3

Содержание цинка в рыбах, мг/кг сырой массы (ПДК-40 мг/кг)

Вид Содержание в органах и тканях

рыб жабры мышцы печень почки гонады костная ткань

Плотва 85,2 34,5 91,1 49,2 62,8 30,2

Лещ 87,5 38,4 94,1 50,2 66,7 31,8

Судак 90,7 40,2 95,5 52,1 70,0 32,2

Щука 90,5 42,1 96,2 51,8 68,5 34,5

Таблица 4

Содержание кадмия в рыбах, мг/кг сырой массы (ПДК-0,2 мг/кг)

Вид Содержание в органах и тканях

рыб жабры мышцы печень почки гонады костная ткань

Плотва 0,35 0,18 0,30 0,34 0,29 0,22

Лещ 0,40 0,21 0,42 0,42 0,36 0,25

Судак 0,42 0,25 0,41 0,40 0,32 0,25

Щука 0,40 0,27 0,38 0,39 0,30 0,27

ганизме обозначенных групп рыб не выявлено. Хищные виды (щука, судак) имеют более развитый локомоторный аппарат и их латентный период двигательной реакции меньше, значит и устойчивость к токсикантам меньше. Бентосоядные рыбы также характеризуются аккумуляцией тяжелых металлов вследствие суммарного эффекта их накопления из воды, донных отложений и поедаемого ими корма. Максимальное содержание токсикантов у растительноядных рыб совпадает по времени с интенсивным развитием фитопланктона. Выявлено, что из исследуемых видов рыб самые высокие концентрации металлов накапливает в своем организме лещ, особенно цинк (61,45 мг/кг), хром (0,004 мг/кг) и свинец (0,93 мг/кг). Это объясняется придонным образом жизни данного вида. Исключением является медь, которая в большей степени накапливается плотвой (17,96 мг/кг).

Попадая в организм, металлы-токсиканты чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, а, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его. Следует отметить, что прочность химических связей белков и других биологически

важных компонентов крови с ионами любого металла достаточна для того, чтобы значительную часть времени своего пребывания в организме металл находился в виде комплекса с белками, аминокислотами и другими биологически активными соединениями. Поэтому при попадании в организм избытка металлов последние могут вызвать нарушение его функций, отравление или гибель. Степень такого воздействия зависит не только от концентрации, превышающей некоторый уровень, но и от природы металла, прежде всего его комплексообразующей способности. Так, если комплексообразующая способность металла-токсиканта достаточно велика, то он может вытеснить биогенный металл-катализатор из активного центра в результате конкурентного взаимодействия или же связать с собой подавляющую часть биологически активных соединений, используемых для синтеза того или иного жизненно важного фермента. Депонирование металлов в виде плохо растворимых соединений, прочных альбуминатов, создает предпосылки для длительной задержки их в организме.

Значительный интерес представляет изучение степени аккумуляции тяжелых металлов отдель-

ными органами и тканями рыб. Имеющиеся в литературе данные по этому вопросу являются разноречивыми. Нами были получены следующие результаты (табл. 2, 3, 4).

Превышение ПДК составляет для ^ в 2 раза, для Zn-1,5, для Cd-в 1,6 раза.

Таким образом, анализ содержания элементов в органах и тканях (жабры, печень, почки, мышцы, гонады, костная ткань и внутренний жир) исследуемых видов рыб позволил выявить следующие закономерности. Так, металлы, как правило, накапливаются во всех тканях организма, но их распределение по большей части неравномерно, а в ряде случаев избирательно. Для печени свойственно накопление меди (22,5-27,3 мг/кг) и цинка (91,1-96,2 мг/кг) в более высоких концентрациях по сравнению с другими органами, что подтверждает важную обменно-депонирующую функцию этого органа. В жабрах рыб обнаружен повышенный уровень свинца (0,93-1,04 мг/кг) и кадмия (0,35-0,42 мг/кг). Жаберный эпителий по сравнению с другими покровами рыб имеет значительно большую поверхность и активно взаимодействует с внешней средой, поэтому жабры фактически лишены защиты от действия различных веществ, присутствующих в воде, в том числе и металлов.

Выявлено высокое содержание исследованных металлов в почках, так как этот орган богат рети-куло-эндотелиальными клетками. Незначительные количества изучаемых элементов наблюдаются, как правило, в мышечной ткани (за исключением ^). Однако, учитывая, что мышцы составляют большой процент от массы тела, их, как и печень, следует отнести к депонирующим органам.

Гонады являются ежегодно обновляемыми органами, поэтому здесь невозможно проследить кумуляцию токсических элементов за определенный период времени. Характерно, что цинк и кадмий активнее всего ассимилируются гонадами в преднерестовый период, в то время как содержание тяжелых металлов во всех органах и тканях значительно уменьшается. В посленерестовый период в организме наблюдается перераспределение микроэлементов.

При исследовании внутреннего жира данные металлы были обнаружены в незначительных количествах, но тем не менее жировая ткань также является аккумулятором изучаемых тяжелых металлов.

Отмечено высокое содержание металлов в костной ткани рыб, что является результатом на-

копления их с возрастом. Особенно это характерно для свинца.

Установлено, что наиболее активное участие в обмене и депонировании тяжелых металлов принимают печень, почки, жаберные лепестки, гонады и мышцы.

Так, среди определяемых металлов превышение ПДК наблюдалось для меди и цинка повсеместно, для кадмия в отдельных образцах органов и тканей исследуемых видов рыб. Никель, ртуть, хром и свинец обнаружены в незначительных количествах.

Таким образом, в организме рыб, в первую очередь, интенсивно аккумулируются элементы, принимающие активное участие в протекании физиологических процессов. Однако, в случае антропогенного загрязнения водной среды содержание токсических элементов (Cd, РЬ, Сг, ^, №) в организме рыб повышается до уровня, сопоставимого иногда с концентрациями биофильных металлов (Си, 2п).

Если рассматривать зависимость концентраций токсикантов с возрастом, то обнаруживается, что самые высокие концентрации тяжелых металлов характерны для осевого скелета (особенно это касается свинца), значительно меньшие- во внутренних органах, наименьшее количество их чаще содержится в единице массы мышечной ткани. Вместе с тем, основное количество микроэлементов по абсолютной величине приходится на мышечные ткани, создавая опасность отрицательного влияния при употреблении в пищу рыбной продукции.

На исследуемом участке водохранилища также проведена биологическая оценка состояния рыб на наличие патологии, гематологическим и морфологическим показателям крови в качестве индикаторов воздействия на них исследуемых тяжелых металлов в различных биотопах водотока. Так, у рыб, обитающих в условиях повышенной концентрации металлов, развиваются определенные морфологические изменения в органах и тканях. На начальной стадии преобладают расстройства кровообращения, дистрофические изменения клеток печени, почек, жаберных лепестков, сердца, желудочно-кишечного тракта и мышц туловища. Под действием дополнительных факторов, таких как заболевания, изменение температурного режима и концентрации растворенного кислорода, у рыб происходит нарушение различных функций органов. Так, при повы-

20

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 1, 2008

Таблица 5

Наличие тяжелых металлов в средних пробах исследуемых рыб различных биотопов

Места отлова рыбы Исследуемые элементы, мг/кг

Zn № & Cd Pb

Слободка 18,1 64,9 0,001 0,004 0,48 0,91 0,001

Тихий уголок 17,2 58,1 н/о н/о 0,32 0,73 н/о

Лагерная 10,2 45,3 н/о н/о 0,18 0,47 н/о

Кузнецово 17,8 55,1 0,002 0,006 0,35 0,85 0,001

Соколово 9,7 39,1 н/о н/о 0,11 н/о н/о

Николо-Мера 10,5 40,5 0,001 0,002 0,21 0,79 0,001

Хмельничное 8,8 35,6 н/о н/о 0,03 0,02 н/о

ПДК 10,0 40,0 20,0 0,2 0,2 1,0 0,3-0,6

шенных концентрациях меди наблюдается некроз клеток жабр, почек и печени, нарушение ферментативных процессов. Кадмий вызывает анемию гипохромного характера, а при влиянии цинка развивается асфиксия. Реакция крови рыб на эти токсиканты в основном напоминает ответ на температурные и газовые воздействия, причем изменения гематологических показателей оказались одинаковы, несмотря на различную химическую природу исследуемых металлов. Токсичность тяжелых металлов обусловлена также их совместным действием. Установлен синергизм кадмия и меди, суммарное действие кадмия и меди, поэтому выделить токсическое действие определенного элемента на организм рыб, обитающих в водоемах, затруднительно.

Нами были проанализированы концентрации тяжелых металлов в организме рыб по участкам их отлова. Результаты представлены в таблице 5.

Пристань Слободка расположена по течению ниже г. Костромы. Содержание тяжелых металлов в рыбе здесь повышено (Си - 18,1 мг/кг, 2п -64,9 мг/кг, Cd - 0,48 мг/кг), что является след-

ствием отрицательного влияния промышленного центра и стоков очистных сооружений на данный участок Горьковского водохранилища. Высокие концентрации токсикантов обнаружены также по течению реки ниже городов Красное-на-Волге, Кинешма, Заволжск (д. Кузнецово, п. Николо-Мера). Город Кострома и Красное-на-Волге являются крупными центрами ювелирного производства, в котором широко используются такие металлы, как Си, 2п, №, Cd, РЬ. К устью р. Унжа (п. Хмельничное) наблюдается снижение содержания исследуемых в промысловой рыбе металлов (Си - 8,8 мг/кг, 2п - 35,6 мг/кг, Cd - 0,03 мг/кг) вследствие впадения в этот участок наименее загрязненных левобережных притоков водохранилища.

Повышенный уровень накопления указанных выше элементов в организме рыб обусловлен избыточным поступлением последних в водоем как с промышленными стоками, так и со всей водосборной площади, что свидетельствует о загрязнении исследуемого участка Горьковского водохранилища тяжелыми металлами.