Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Токсичные металлы в водной экосистеме. Обзор литературы. 8
1.1. Поступление, миграция и аккумуляция токсичных металлов в водной экосистеме 8
1.1.1. Поведение тяжелых металлов в водной фазе 8
1.1.2. Эколого-токсикологическое значение различных форм металлов в природных водах 23
1.1.3. Воздействие солей тяжелых металлов на рыб 30
1.2. Содержание тяжелых металлов в различных компонентах Куйбышевского водохранилища 33
1.3. Критерии оценки воздействия металлов на объекты окружающей среды. 42
Глава 2. Объект исследования. Материалы и методы. 47
2.1. Характеристика района исследования 47
2.2. Отбор проб при натурном обследовании акватории Куйбышевского водохранилища 50
2.3. Методика ихтиологического исследования 52
2.4. Методы химического исследования 53
2.5. Статистическая обработка результатов 54
Глава 3, Результаты и их обсуждение. 58
3.1. Содержание металлов в воде 58
3.2. Содержание тяжелых металлов в тканях и органах леща. 59
3.2.1. Содержание металлов в мышцах 68
3.2.2. Содержание металлов в жабрах 84
3.2.3. Содержание металлов в печени 100
Выводы. 109
Список сокращений 111
Список литературы 112
Приложение 128
- Поступление, миграция и аккумуляция токсичных металлов в водной экосистеме
- Характеристика района исследования
- Содержание металлов в воде
Введение к работе
В последние десятилетия значительно усилилось влияние разносторонней деятельности человека на природу. Среди экологических факторов, определяющих закономерности функционирования экосистем, важнейшее место принадлежит химическому загрязнению. Масштабы действия данного фактора вызвали появление комплекса научных дисциплин, целенаправленно исследующих влияние токсичных антропогенных веществ на экосистемы и биосферу Земли. К наиболее опасным загрязнениям окружающей среды относятся ионы тяжелых металлов. Поступление их в рыбохозяйственные водоемы обусловлено в значительной степени антропогенным воздействием. Устойчивость тяжелых' металлов к процессам самоочищения приводит к постоянному накоплению их в водных экосистемах. Сохраняясь в течение длительного времени, тяжелые металлы мигрируют по звеньям цепи циркуляции веществ в водоеме и в конечном итоге аккумулируются в ее завершающих звеньях - бентосе, рыбах, водных млекопитающих и др. (Перевозников, 1999).
В настоящее время практически все рыбохозяйственные водоемы в той или иной степени загрязнены тяжелыми металлами. Рыба способна аккумулировать их даже в тех случаях, когда содержание их в водной среде не превышает установленных предельно допустимых норм. Попадая в организм различных гидробионтов (в том числе и рыб) в количествах, превышающих определенные дозы, эти токсиканты могут вызвать не только множество различных заболеваний непосредственно данного индивида, но и отрицательно влиять на его потомство (Перевозников, 2000). В связи с этим возникает серьезная проблема - выбор способов оценки неопасного для нормального существования рыбы содержания металлов в их тканях и органах. До настоящего времени существует только один вид нормативов, использующихся для оценки качественного состава рыбной продукции -санитарно-гигиенические нормативы, которые служат для защиты человека от поступления опасного количества токсикантов с пищей. Такого типа нормативы не могут считаться экологическими и не являются критерием благополучия с точки зрения нормального исполнения физиологических функций рыбы.
Куйбышевское водохранилище является составной, частью развитого в хозяйственном отношении региона, поэтому антропогенный фактор стал одним из важных факторов формирования качества воды и влияния на гидробионтов. В связи с уменьшением объемов производства в период с 1992-2004 гг. качество воды Куйбышевского водохранилища, оцененное по интегральному показателю ИЗВ6, улучшилось по сравнению с предыдущим периодом и характеризуется ныне как умеренно-загрязненная (Степанова и др., 2004). Что касается ихтиофауны, то по данным Л.К. Говорковой (2004) с 1985 г. отмечается относительная стабилизация запасов основных промысловых видов рыбы (леща, судака и стерляди). Актуальная задача удвоения ВВП, связанная с развитием промышленности Волжского региона повлечет повышение уровня загрязнения Куйбышевского водохранилища, что может представлять опасность для нормального функционирования сообществ живых организмов.
Цель настоящей работы - определение фонового содержания тяжелых металлов в тканях и органах леща {Abramis brama L.) как наиболее важного в промысловом отношении вида и выявление зависимостей между повышенным содержанием металлов в тканях и органах и их сверхнормативным содержанием в воде Куйбышевского водохранилища на современном этапе его развития. Задачи исследования:
Определить и проанализировать содержание металлов (Cd, Си, РЬ, Мп, Zn, Ni, Fe, Со, Сг, Hg) в тканях и органах основного промыслового вида Куйбышевского водохранилища леща (Abramis brama L.).
Оценить степень загрязнения воды Куйбышевского водохранилища тяжелыми металлами (Cd, Си, Pb, Mn, Zn, Ni, Fe, Со, Cr, Hg).
Методами описательной статистики обосновать биогеохимический фон содержания металлов в тканях и органах леща, обитающего в Куйбышевском водохранилище, и оценить уровень их содержания относительно фоновьк значений.
Выявить зависимость повышенного содержания металлов в тканях и органах леща (Abramis brama L.) от их морфометрических показателей и сверхнормативного содержания металлов в воде Куйбышевского водохранилища.
Данная работа выполнена на кафедре зоологии Федерального государственного образовательного учреждения высшего и профессионального образования «Ульяновский государственный педагогический университет».
Научная новизна. С использованием единой методической базы оценен уровень содержания металлов в мышцах, жабрах, печени основного промыслового вида Куйбышевского водохранилища леща (Abramis brama L.). Определен биогеохимический фон содержания металлов в тканях и органах леща, обитающего в Куйбышевском водохранилище, которое на современном этапе его развития характеризуется относительной стабилизацией качества воды и запасов основных промысловых видов рыб. Оценено превышение фоновых значений содержания металлов в мышцах, жабрах, печени леща. Методами математической статистики охарактеризовано влияние сверхнормативного содержания металлов в воде на повышенное (сверх фона) содержание элементов в отдельных органах и тканях леща.
Практическая значимость. Результаты данной работы могут использоваться для сравнения биогеохимических характеристик Куйбышевского водохранилища с аналогичными характеристиками других регионов страны и мира, а также для прогнозирования изменения уровня содержания металлов при увеличении антропогенной нагрузки на водоем. Результаты данной работы положены в основу разработки практических рекомендаций по ихтиомониторингу Куйбышевского водохранилища, используются при чтении общепрофессиональных курсов «Экологический мониторинг», «Прикладная экология», «Методы математической статистики в биологии» для студентов УлПТУ.
На защиту выносятся следующие положения:
Содержание металлов в тканях и органах леща {Abramis Ьгата L.) можно использовать как биогеохимический фон для Куйбышевского водохранилища на современном этапе его развития, характеризующемся улучшением качества воды и стабилизацией запасов леща.
Для 39% проанализированных образцов мышц леща характерно содержание металлов на уровне биогеохимического фона, самые значительные превышения отмечены для ртути, свинца, хрома, никеля и кадмия в 6,6, 4,8, 3,9, 1,9 и 1,5 соответственно; для жабр 31% образцов рыб не превышают фон, повышенное содержание выявлено по свинцу, хрому,, ртути, никелю и кадмию, которое составило 4,4, 2,1, 2,0, 1,7 и 1,5 раз соответственно; для печени соответствуют фону 60% проб, превышение отмечено по кобальту (7,3 раза), по никелю (2,0 раза), по меди (1,5 раза).
3; В мышцах главным фактором, влияющим на превышение фонового содержания РЬ (прямая связь) и Fe (обратная связь), является масса леща; в жабрах главным фактором, влияющим на превышение фонового содержания Hg, Znn Ni, является масса леща, Cd и Fe - возраст рыбы, для^п1 и Fe выявлена обратная зависимость.
4, Для большинства исследованных металлов отсутствует достоверная связь их повышенного содержания в рыбе от сверхнормативного содержания металлов в воде; существуют положительные связи повышенного содержания Hg в мышцах от сверхнормативного содержания Сг и Си в воде и повышенного содержания Ni'B печени от сверхнормативного содержания в воде РЬ указывают на ассоциативные связи этих элементов, поступление которых в водные объекты имеет техногенный характер.
7 5. Существуют ассоциации элементов Си — Со и Zn - Fe, повышенное содержание первых в мышцах обусловлено их бионакоплением, а вторых — усилением метаболической активности; в жабрах подобные ассоциации имеются для Zn - Си, которые аккумулируются по механизму пассивной сорбции и N1— Со, проникающих в жабры в растворенной форме.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 151 странице, включает 30 рисунок, 39 таблиц. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Список цитируемой литературы содержит 145 источников, из них 40 - на иностранном языке.
Поступление, миграция и аккумуляция токсичных металлов в водной экосистеме
Загрязняющие химические вещества классифицируют по источникам поступления, областям применения и характеру воздействия. Другим типом классификации химических продуктов является их деление на природные и несвойственные окружающей среде (ксенобиотики). Степень «несвойственности» таких химических веществ природе различна, т.к. по своей структуре они могут быть совсем близкими к природным веществам или полностью отличаться от них (например, идентичные природным ароматические вещества, выпускаемы промышленностью; близкие к природным инсектициды - синтетические пиретроиды, в противоположность соединениям с новой структурой, созданной человеком) (Тинсли, 1982; Никаноров и др., 1985; Никаноров и др., 1988; Никаноров и Жулидов, 1991; Жмур, 1998).
Среди множества химических веществ выделяют те, которые производят в крупных масштабах (больше 1000 кг/год) и которые представляют особую опасность для различных экосистем. Эту группу веществ называют приоритетными загрязняющими веществами окружающей среды.
Для обоснованного выбора приоритетных химических веществ обычно придерживаются определенных требований, изложенных в Международной Программе по Химической Безопасности. Приоритетными считают вещества, имеющие следующие характеристики:
Широкое распространение вещества в окружающих человека микросредах и уровни его воздействия, способные вызвать неблагоприятные изменения в состоянии здоровья населения; Устойчивость токсичного вещества к воздействию факторов окружающей среды, его накопление в организме, включение в пищевые цепи или в природные процессы циркуляции веществ;
Частота и тяжесть неблагоприятных эффектов, наблюдаемых в состоянии здоровья населения при воздействии токсического агента, при этом особенно важны необратимые или длительно протекающие изменения в организме, приводящие к генетическим дефектам, или другие нарушения развития у потомства;
Постоянный характер действия;
Изменение (трансформация) химического вещества в окружающей среде или организме человека, приводящее к образованию продуктов, имеющих большую, чем исходное вещество, токсичность для человека;
Большая величина популяции населения, подверженного действию химического вещества (вся популяция, профессиональные контингенты или подгруппы, имеющие повышенную чувствительность к воздействию данного токсиканта).
В 1980-х годах Агентством по охране окружающей среды США (ЕРА) и ответственными органами стран Европейского сообщества был составлен список приоритетных загрязняющих веществ, включавших около 180 химических соединений (Technical..., 1991).
Анализ этого списка показывает, что около 60% приоритетных загрязняющих веществ относится к хлор- и бромсодержащим соединениям.
Странами ООН, участвующим в мероприятиях по улучшению и охране окружающей среды, согласован общий перечень наиболее важных (приоритетных) веществ, загрязняющих биосферу (Water..., 1989; Beurskens et al., 1994; Adriaanse et al., 1995; Loon and Hermens, 1995). К их числу обычно относят соединения тяжелых металлов, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), нефтепродукты, фенолы, детергенты, нитраты (Duke, 1970; Panel..., 1972; Nibset, 1972; Jensen, 1972; Gardner, 1973; Kaiser, 1974; Тонкопий, 1979; Luster, 1982; Matsumura, 1983; Donnely, 1985; Parkinson, 1987; Kalf, 1997). Из этого перечня приоритетных загрязняющих веществ наиболее опасными являются тяжелые металлы, полиароматические углеводороды, и хлорорганические соединения (Оксенгендлер, 1991; Крятов и др., 1991; Sodergren, 1992, 1993; Майстренко и др., 1996; Committee ..., 2000; Дмитриев и Фрумин, 2004).
Особое место среди приоритетных химических веществ занимают металлы (Hart, 1983; Нахшина, 1985; Гапеева и Цельмович, 1993; Zwart, 1995; Ward, 1995; Allen, Hansen 1996; Даувальтер и др., 2000; Тяжелые..., 2000). Это обусловлено следующими причинами.
Характеристика района исследования
Водохранилища относятся к особой категории внутренних водоемов, отличающихся от рек рядом: черт: замедленным водообменом, специфическим гидрологическим режимом, составом ихтиофауны и кормовой базы.
Объектом исследования явилось Куйбышевское водохранилище. Оно расположено в центральной части Среднего Поволжья, вытянутое в меридиональном направлении, тянется от лесной ландшафтной зоны на севере до степной на юге, пересекая всю лесостепную зону. Водохранилище возникло вследствие перекрытия р. Волги гидротехническими сооружениями Куйбышевского гидроузла в районе Жигулевских гор. Наполнение водохранилища происходило с конца октября 1955 г. по май 1957 г., когда горизонт воды достиг нормального подпорного уровня. Общая емкость водохранилища составила 58 км3, а площадь - 560 тыс. га (Буторин, 1968). Обычно, после весеннего наполнения в течение 2-3 месяцев уровень удерживается на отметке, близкой к НПУ (53,00 м), затем постепенно понижается к началу ледостава до отметки 49,0 м, а в зимний период до отметки 46,2 м. Сработка уровня сопровождается большими изменениями параметров водохранилища, прежде всего.в мелководных зонах, которые располагаются главным образом вдоль левого берега.
Куйбышевское водохранилище имеет довольно сложную конфигурацию и большую протяженность - около 600 км. Максимальные глубины - более 40 м - отмечены в приплотинной части водохранилища, а средняя глубина водоема 9 м. Наибольшую ширину - до 40 км - водохранилище имеет в районе слияния рек Волги и Камы. Длина береговой линии составляет около 2130 км. Процесс осадкообразования в, водохранилище ведет, в конечном счете, к выравниванию первоначально затопленного рельефа и постепенному занесению и заилению дна. Вся левобережная зона представляет собой заиленную почву, по правому берегу, на русловой части идет чередование песчаного и суглинистого грунта.
От верховьев водохранилища Волга течет преимущественно с запада на восток, а притоки ее на этом участке имеют направление с севера на юг (Большая и Малая Кокшаги, Илеть) и с юга на север (Цивиль и Свияга). У Казани Волга круто поворачивает на юг и течет в этом направлении до Жигулевских гор. Течения притоков, впадающих в Волгу ниже г. Казани, имеют преимущественно широтное направление (Казанка, Большой Черемшан). Большинство притоков Волги по характеру течения принадлежат к равнинным рекам, для которых типичны плоский и довольно однообразный рельеф бассейна, малый уклон основного русла, значительная извилистость и широкие поймы (Буторин, 1968).
Общая площадь водосбора водохранилища составляет 1 200 200 км2, из которых на долю основных притоков - Волги, Камы, Вятки - приходится 1 098 000 км2, т. е. 91,5%. Общая площадь водосбора боковых притоков водохранилища составляет 102 200 км2(Гидрометеорологический ..., 1978).
Волга, Кама и Вятка относятся к рекам с преобладающим снеговым питанием, но значительную роль играет дождевое и грунтовое питание. Наибольшее количество воды в водохранилище поступает в период весеннего половодья. В это время Волга дает около 62% годового стока, а Кама примерно 45%. На летне-осенний период падает 26% общего стока Волги, а на зимний -только 12% (Куйбышевское..., 1962).
Общая протяженность водоема составляет более 600 км. Наибольшую ширину - до 40 км2- водохранилище имеет в районе слияния Волги и Камы. Максимальные глубины - более 40 м - отмечены в приплотинной части водохранилища. Средняя глубина водоема 9 м.
Водохранилище представляет собой ряд озеровидных расширений (плесов), соединенных между собой узкостями (О районировании..., 1960). Отдельные его участки отличаются друг от друга условиями существования:водных животных и процессы формирования запасов рыб в них также происходят неодинаково.
Содержание металлов в воде
Традиционный подход в оценке качества воды - использование коэффициента опасности, который представляет собой превышение фактического содержания относительно ПДК. Куйбышевское водохранилище является водоемом рыбохозяйственного назначения, что диктует необходимость использования соответствующих нормативов.
Превышения чаще фиксировались на станциях Волжского, Камского и Ульяновского плесов, где расположены наиболее крупные промышленные предприятия.
На первом этапе для обобщения полученных результатов химического анализа по содержанию ТМ в тканях и органах леща был использован метод описательной статистики, заложенный в программный пакет «Statistica 6,0». Он позволяет помимо стандартного набора характеристик получить диапазон наиболее часто встречающихся значений (нижний и верхний квартиль), а также характеристику «Мода» - наиболее часто встречающееся в массиве данных значение. Полученные данные были разделены по тканям и органам и сгруппированы в табл. 3.1.-3.3.
Сравнение средних характеристик содержания ТМ в тканях.и органах леща, медиан и значений моды показали (рис. 3.2.-3.4), что практически для всех элементов значение моды является наиболее приемлемым для дальнейшего использования. Исключение составляет небольшая: выборка данных и те случаи, когда наиболее часто повторяющееся значение представляет величину большую, чем медиана, в этих случаях последняя была использована как критерий для сравнения содержания ТМ в тканях и органах леща.
Данное распределение не противоречит литературным данным (Говоркова, 2004) и биохимической роли эссенциальных металлов. По степени накопления во всех тканях леща первое место занимает железо, что неудивительно, принимая во внимание большую роль этого элемента в дыхательной и кроветворной системах: оно необходимо для жизнедеятельности организма, железо является фундаментальным фактором для многих процессов метаболизма кислорода, участвует в синтезе порфирита в гемоглобине и миоглобине. Цинк также является жизненно важным элементом, входящим в состав многих ферментов; что касается меди, то этот металл, хотя и относится к группе микроэлементов, однако играет важную роль в организме и следует за железом по активности в качестве катализатора окислительно-восстановительных процессов (Иванов, 1994).
Наибольшее количество цинка и марганца было обнаружено в жабрах. Не исключено, что процесс поглощения и концентрирования этих металлов в жабрах обусловлен проникновением через дыхательные пути. Отмеченный факт согласуется с литературными данными о преимущественных путях поглощения металлов рыбой (Ергалиев, 1988, Евтушенко, 1988).
Обращает на себя внимание тот факт, что практически все металлы (кадмий, медь, свинец, железо, никель, хром, кобальт и ртуть) содержатся в печени леща в большем количестве по сравнению с мышцами и жабрами. Преобладание железа в печени очевидно и известно из литературы (Иванов, 1994). Большая часть поступившего в организм железа идет на выработку гемоглобина, а остальная откладывается в печени, костном мозге и селезенке. Преимущественное же накопление в печени других металлов может быть обусловлено как. внешними (пищевым путем их поступления), так и внутренними факторами (специфической функцией печени, особым аминокислотным составом ее белков, либо особыми условиями существования данных ТМ в тканях печени, способствующими их накоплению). В литературе отмечается большая роль меди и цинка в ферментативной деятельности организма (Иванов, 1994) и преимущественный путь их поступления в организм с пищевым субстратом. Для кадмия, в отличие от меди и цинка, более характерна аккумуляция в тканях почек, однако кадмий во многих случаях способен замещать цинк в цинксодержащих ферментах (Иванов, 1994), что также может приводить к его накоплению в печени.
Таким образом, анализ среднего содержания элементов и выявленные закономерности их распределения в тканях и органах исследуемых рыб. согласуются с биохимической ролью металлов в жизнедеятельности организма, а также с путями поступления и выведения их из организма.
В отсутствие экологически значимых нормативов содержания металлов в тканях и органах рыб для обобщения полученных данных первоочередной задачей является поиск критерия оценки нормального, «благополучного» их содержания. Использование среднего значения не представляется целесообразным в силу того, что для большинства переменных, включенных в базу данных, оно находится ближе к верхней квартили. Более логичным приемом является использование моды как значения, характеризующее фоновое, а, следовательно, типичное для данных биогеохимических условий содержание ТМ в биологических образцах или медианы.
