Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технический прогресс и рост экономики в большинстве стран привели к изменению экологической ситуации не только в локальном, но и в глобальном масштабе. В сложившихся условиях необходима достоверная, максимально полная и своевременная информация о наличии и состоянии природных ресурсов, о качестве окружающей среды, а также о причинах и следствиях возникающих экологических ситуаций.
Современное состояние прибрежных морских акваторий Дальнего Востока России (особенно Японского моря) определяется значительным антропогенным и техногенным прессом, что приводит к нарушению природного фона многих элементов в среде и организмах. В моря и океаны поступает огромное количество разнообразных химических соединений, произведенных человеком. Наиболее опасным является длительное воздействие токсичных металлов и металлоидов в малых дозах, приводящее к постепенному накоплению в среде загрязняющих веществ и в конечном итоге к деградации экосистем (Израэль, Цыбань, 1989; Riget et al. 2000; Gibert et al., 2009; и др.).
К настоящему времени накоплен огромный материал о химическом составе морских организмов. Тем не менее, остаются актуальными вопросы о распределении и накоплении ряда элементов в органах и тканях гидробионтов разных трофических уровней, а также в компонентах морской среды, изменённой под влиянием человека.
За полувековой срок, прошедший после выхода в свет монографии А.П. Виноградова «Химический элементарный состав организмов моря» (1937–1944), которая и в настоящее время является источником новых направлений изучения морской биоты, были выделены основные факторы, определяющие содержание химических элементов в гидробионтах. Это, прежде всего, физико-химические свойства элементов, такие как атомный номер, ионный потенциал (Виноградов, 1935; Урбах, 1964; Патин, Морозов, 1981).
Результаты исследований микроэлементного состава морских гидробионтов в основном были получены на организмах океанической пелагиали.
Однако организмы, обитающие в прибрежных акваториях и эстуариях рек, мало исследованы в этом плане, хотя именно здесь колебания концентраций токсичных элементов в силу поступления загрязняющих веществ значительно варьируют и непостоянны в компонентах среды по сравнению с океаническими водами. Поэтому количественная оценка содержания элементов в морских организмах в сравнительном аспекте важна как для практических целей, так и для фундаментальной проблемы – выяснения причин, их определяющих.
К основным факторам, влияющим на формирование элементного состава, относят также биологическую значимость и функции элементов в организмах гидробионтов. Живое вещество является пластичным, изменяется, приспосабливаясь к изменениям среды, но, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды (Вернадский, 1988).
Благодаря концентрационной функции двустворчатые моллюски и макрофиты способны аккумулировать микроэлементы в 103–105 раз больше, чем их содержится в среде. Поэтому токсичные элементы накапливаются в тканях морских организмов, что сказывается на формировании их микроэлементного состава и приводит к ухудшению качества биоресурсов. Качество же пищевых продуктов, получаемых из гидробионтов, предопределяет здоровье и продолжительность жизни человека. Более того, решение поставленных вопросов необходимо не только на современном этапе развития общества, но особенно важно в грядущем времени, в связи с разработкой и внедрением новых продуктов из морского сырья. Безопасность пищевых продуктов гарантируется установлением и соблюдением регламентированного уровня содержания (предельно допустимых уровней – ПДУ) загрязнителей химической и биологической природы, а также природных токсичных веществ, характерных для конкретного продукта и представляющих опасность для здоровья. В нашей стране разработаны гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. Этими требованиями ограничивается содержание свинца, мышьяка, кадмия, ртути, меди и цинка в съедобных тканях рыб, моллюсков, ракообразных и содержание свинца и ртути в морских водорослях.
Актуальность темы работы связана с необходимостью выяснения микроэлементного состава морских организмов и получения современной информации об уровнях содержания ряда элементов в промысловых рыбах, беспозвоночных и растениях.
В работе обсуждаются уровни концентраций 14 микроэлементов, которые представлены группой тяжелых металлов (Fe, Mn, Co, Ni, Cu, Pb, Cd, Cr, Zn, Hg), а также щелочными металлами (Li, Rb), металлоидом (As) и неметаллом (Se). Выбор элементов обусловлен их биологической значимостью (Fe, Mn, Co, Zn, Cu, Ni, Cr), недостаточной изученностью концентраций в морских организмах (Li, Rb, Se), токсичностью (Hg, Pb, Cd, As).
Цель: определить уровни содержания микроэлементов в морских растениях, моллюсках и рыбах и показать причины, их определяющие.
Задачи:
1. Определить уровни содержания элементов в морских макрофитах и выявить зависимость концентраций микроэлементов в морских травах, бурых, зелёных и красных водорослях от условий существования и специфики видов.
2. Показать зависимость концентраций элементов в органах промысловых моллюсков от условий среды и биологических особенностей видов.
3. Выяснить особенности распределения и уровни содержания элементов в органах и тканях рыб.
4. Рассмотреть формирование микроэлементного состава морских организмов в процессе эволюции биосферы.
5. Провести санитарно-гигиеническую оценку промысловых гидробионтов по содержанию в них токсичных элементов.
Научная новизна
В работе впервые проведён сравнительный анализ распределения ряда микроэлементов в морских растениях, органах моллюсков и рыб, который показал содержание каждого из элементов (мкг/г сух. массы) в пределах десятичного порядка величин. Выяснено, что:
1. В современных условиях железо занимает ведущую позицию в микроэлементном составе всех исследованных организмов.
2. Высокие концентрации железа и марганца во всех растениях обусловлены геохимическими условиями среды в момент их распространения в биосфере и обеспечением протекания важнейших окислительно-восстановительных реакций – дыхания и фотосинтеза.
3. В моллюсках и рыбах в наибольших количествах находятся Fe и Zn. Более низкие концентрации Mn в животных организмах, чем в растениях, связаны с их гетеротрофным способом питания и регуляцией содержания этого элемента, имеющего высокий окислительно-восстановительный потенциал.
Как в растениях, так и в животных последние места в ряду концентраций элементов занимают Co, Cd, Hg.
4. Между концентрациями Mn, Cr и Co в мягких тканях мидии Грея, Zn, As, Pb, Co, Cu в тканях модиолуса, Se, Cu, Li в тканях устрицы и содержанием этих элементов в донных отложениях наблюдается положительная корреляционная зависимость. Между концентрациями Cd, As, Co, Rb в мягких тканях устрицы, Fe в тканях модиолуса, Cd в тканях мидии Грея и донных отложениях с мест сбора моллюсков связь отрицательная.
В головоногих моллюсках медь по содержанию занимает третью позицию после цинка и железа. Головоногие, как и устрицы, являются «медно-цинковыми» организмами.
5. Распределение элементов по органам рыб не зависит от их видовой принадлежности. Уровни содержания элементов определяются многими факторами, прежде всего условиями существования и трофическим статусом.
6. Формирование микроэлементного состава морских организмов обусловлено физиологической потребностью в элементах, предопределённой окислительно-восстановительными условиями среды в ходе эволюции биосферы и современными условиями обитания – речным стоком, антропогенным прессом (зал. Петра Великого), вулканизмом и апвеллингами (Авачинский залив).
Методология, материал и методы исследования
В работе использована методология комплексного подхода. Концентрации элементов в органах гидробионтов рассматривались во взаимосвязи со средой обитания. Отбор, пробоподготовка и анализ образцов проводились по единому плану и единообразным полевым и лабораторным методикам с использованием современных приборов, что является основой для корректного сопоставления полученных результатов.
В основу диссертации положены данные, полученные автором в результате многолетних (начиная с 1981 по 2010 г.) исследований. Научные материалы собраны в экспедициях на научно-исследовательских судах ТИНРО-Центра. Анализируемый материал включал 120 проб донных отложений; 2550 проб рыб (включая отдельные органы), 900 проб беспозвоночных; 180 проб макрофитов. В сумме выполнено свыше 37 тысяч элемент-определений. Для анализа проб использовались современные высокочувствительные методы: атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) (пламенный и электротермический варианты), атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) с индуктивно связанной плазмой.
Достоверность результатов основана на метрологическом контроле определений с помощью международных стандартных образцов морской воды, тканей рыб, беспозвоночных и донных отложений. Автор неоднократно участвовала в межлабораторных интеркалибрациях. Результаты анализа представительных выборок получены с применением государственных стандартных образцов элементов и подтверждены математической оценкой достоверности.
Теоретическая ценность и практическая значимость работы. Изучение элементного состава организмов диктовалось научно-практическими соображениями. Сделанное научное обобщение вносит вклад в развитие фундаментальной и прикладной экологии.
Рассмотрено и обосновано формирование микроэлементного состава групп морских организмов прибрежной зоны в новых экологических условиях.
Результаты изучения уровней содержания элементов As, Hg, Pb, Cd, Zn, Cu, Ni, Co, Cr, Fe, Mn, Li, Rb, Se в тканях рыб, моллюсков и морских растений используются для оценки загрязнения и состояния прибрежных районов при проведении экологического мониторинга.
Выявленная зависимость концентраций тяжёлых металлов в макрофитах от их удаления от источников загрязнения позволяет проследить пространственное распространение поллютантов. Информация о концентрациях Mn, Cr и Co в мягких тканях мидии Грея; Zn, As, Pb, Co и Cu в тканях модиолуса, Se, Cu, Li в тканях устрицы может быть использована для биоиндикации степени загрязнения акваторий этими элементами.
Установленные уровни физиологически значимых элементов в промысловых рыбах, моллюсках и морских растениях учитываются при производстве продуктов питания и биологически активных добавок.
Информация о содержании токсичных элементов (As, Hg, Pb, Cd) в гидробионтах из районов, испытывающих различную антропогенную нагрузку, а также из районов с проявлением апвеллингов и вулканизма применяется для оценки и прогноза изменения качества промысловых организмов потребляемых человеком.
Результаты изучения концентраций токсичных элементов в морских растениях, рыбах и моллюсках целесообразно использовать при научном обосновании предельно допустимых уровней их содержания в гидробионтах, используемых в пищу.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Ведущими элементами по уровню содержания в растениях являются железо и марганец. Третий элемент в ряду убывания концентраций, как правило, - цинк, в бурых водорослях его позицию может занимать мышьяк. В животных концентрации марганца существенно ниже, чем в растениях, и регулируются организмами из-за его высокого окислительно-восстановительного потенциала.
Как правило, в ряду концентраций элементов в моллюсках и рыбах за железом следует цинк, а не марганец.
2. Концентрации элементов в мягких тканях двустворчатых моллюсков коррелируют с их содержанием в среде – донных отложениях. Положительная корреляция характерна для Mn, Cr и Co в мидии Грея, Zn, As, Pb, Co и Cu в модиолусе длиннощетинистом, Se, Cu, Li в устрице тихоокеанской.
Микроэлементный состав головоногих моллюсков менее связан со средой, чем двустворчатых моллюсков. В наибольших количествах в головоногих содержатся Zn, Fe и Cu.
3. Распределение элементов по органам рыб не зависит от их видовой принадлежности. Уровни содержания элементов определяются условиями существования организмов и их трофическим статусом.
4. Современные условия существования отражаются на уровнях содержания элементов в гидробионтах, проявляясь в воздействии речного стока, антропогенного пресса, что наиболее характерно для северо-западного побережья Японского моря, а также вулканизма и апвеллингов, типичных для прикамчатско-тихоокеанских вод.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является законченным исследованием, выполненным автором в течение 1981–2010 гг. Материалы диссертационной работы были получены при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, проектов федеральных и региональных целевых программ, по которым соискатель являлась ответственным исполнителем разделов и научным руководителем тем. Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований, участии в морских экспедиционных работах по отбору гидробионтов, выборе методов, определении элементов в органах гидробионтов, анализе и обобщении полученных материалов.
Апробация работы. Научные результаты по теме исследования ежегодно (начиная с 1981 г.) докладывались на отчётных сессиях ТИНРО-Центра.
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных и российских научных конференциях, симпозиумах: «III съезде советских океанологов», Ленинград. 1987; «New rational use off the natural resources of the ocean» Second Pacific Symposium on Marine Sciences USSR, Nakhodka, 1988; «III Всесоюзной конференции по морской биологии», Севастополь, 1988; «Всесоюзной конференции по сырьевым ресурсам и биологическим основам рационального использования промысловых беспозвоночных», Владивосток, 1988; «Всесоюзной конференции по научно-техническим проблемам марикультуры», Владивосток, 1989; «Всесоюзной конференции по экологическим проблемам охраны живой природы», Москва, 1990; «II Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии», Санкт-Петербург, 1991; Всероссийской конференции «Экосистемы морей России в условиях антропогенного стресса», Астрахань, 1994; II российской школы «Геохимия, экология и районирование биосферы», Москва, 1999; 1-й Международной конференции «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки», Москва-Голицыно, 2002; VII Международной конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», Новосибирск, 2004; Международной научной конференции «Современные проблемы водной токсикологии», Борок, 2005; PICES North Pacific Marine Science Organization. Fourteenth Annual Meeting, Vladivostok, 2005. VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика–2006», Самара, 2006; 3-й Международной конференции «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки», Владивосток, 2008; PICES 17th Annual Meeting, China, Dalian, 2008; PICES XVIII Annual meeting, Republic of Korea, Jeju, 2009; 17th International Environmental Bioindicators Conference, Moscow, 2009; Международном симпозиуме «Ртуть в окружающей среде», Москва, 2010.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 75 печатных работах: в монографии (в соавторстве), 57 научных статьях и материалах конференций, в том числе 23 статьях в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 306 стр. Состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего 504 источника, в том числе 248 на иностранных языках, приложения. Работа содержит 83 таблиц, 30 рисунков. В приложении приведены карты, таблицы с данными о содержании элементов в объектах исследования.
Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту и первому научному наставнику д-ру биол. наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Надежде Константиновне Христофоровой за приобщение к научной деятельности, ценные замечания и советы при обсуждении, анализе и обобщении материалов работы.
Очень признательна коллегам по ТИНРО-Центру и кафедре общей экологии ДВФУ: Н.Н. Ковалеву, Т.Н. Слуцкой, О.Н. Лукьяновой, М.В. Симоконю, Е.Л. Вейдеману, Г.С. Борисенко, С.А. Черкашину, Л.В. Нигматулиной, Д.П. Кику, М.Г. Блохину, А.П. Черняеву, – за помощь в анализах, всестороннюю поддержку, конструктивные замечания и советы в процессе многолетних исследований.
