Содержание к диссертации
Введение
1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ - НЕОБХОДИМЫЕ КОМПОНЕНТЫ ОРГАНИЗМОВ 7
1.1. Основные этапы развития и направления эколого-биогеохимических исследований 7
1.2. Классификация и биологическая роль элементов в жизни организмов 9
2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАІІИЯ 30
2.1. Томская область 30
2.2. Республика Алтай 34
3. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ 38
4. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ОРГАНИЗМЕ НАСЕКОМОЯДНЫХ И ГРЫЗУНОВ 45
4.1. Содержание химических элементов в почках животных 46
4.2. Содержание химических элементов в печени млекопитающих
4.3.Особенности содержания химических элементов в сердце млекопитающих 90
4.4. Содержание химических элементов в тушках мелких млекопитающих 94
4.5. Соотношение химических элементов в организме мелких млекопитающих 110
5. МИГРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЦЕПИ «ПОЧВА - ПИЩА-ОРГАНИЗМ МЛЕКОПИТАЮЩИХ» В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ 113
5.1. Содержание химических элементов в почвах 115
5.2. Содержание химических элементов в растениях 118
5.3. Особенности депонирования химических элементов в . дождевых червях
5.4. Особенности накопления химических элементов в организме млекопитающих 126
6. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЖИВОТНЫХ КАК ИНДИКАТОРЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НЕБЛАГОПОЛУЧИЯ ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ АЛТАЙ 132
ВЫВОДЫ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 142
- Основные этапы развития и направления эколого-биогеохимических исследований
- Содержание химических элементов в почках животных
- Содержание химических элементов в почвах
Введение к работе
Актуальность изучения химических элементов в организмах продиктована их важнейшей ролью в структуре и функционировании живых систем (Войнар, 1960; Ноздрюхина, 1977; Ковальский, 1982, 1983; Москалев, 1985; Agget,1985). Учитывая, что минеральный обмен любого организма тесно связан с геохимическими условиями окружающей его среды и в природе наблюдаются определенные закономерности в проявлении биологических эффектов, вызываемых избытком либо недостатком химических элементов, а также в связи с прогрессом в изучении биологической роли элементов, в том числе и микроэлементов, исследования закономерностей их депонирования различными видами и органами животных стали еще более актуальными (Криволуцкий, Покаржевский, 1996; Стуке, 1997; Апсе 2001).
В условиях возрастающего антропогенного давления увеличиваются техногенные потоки загрязняющих веществ, изменяются биогеохимические циклы элементов, формируются техногенные геохимические провинции и аномалии (Геохимия окружающей среды, 1990). В этих условиях, важнейшее значение имеет всесторонний экологический контроль состояния окружающей природной среды, в том числе и контроль аккумулирования токсических соединений в экосистеме (Израэль, 1984; Бурдин, 1985). Исследование биоты в зонах загрязнения является наиболее методически удобным и показательным при проведении оценки качества окружающей природной среды и степени экологического риска (Криволуцкий, 1990; 1991; Криволуцкий, Покаржевский, 1990; Биоиндикация и мониторинг, 1991). Между тем изучение в природе характера депонирования химических элементов млекопитающими, как модели состояния организма в изменяющихся условиях является тем недостающим звеном, которое выпадает во многих работах, связанных с оценкой состояния окружающей
4природной среды, Большинство же из относительно немногочисленных работ по изучению депонирования элементов млекопитающими построено на анализе ограниченного количества эссенциальных элементов и элементов, оказывающих токсическое воздействие на организм (Безель и др., 1994; Соколов, 2003; Мухачева, Безель, 2004 Сатонкина, 2005 и др.). -
Для Западной Сибири, отличающейся и геохимической спецификой, и особенностями функционирующих предприятий и их комплексов, имеются данные, относящиеся, главным образом, к косным и биокосным средам (Рихванов и др., 1993; Рихванов, 1997; Ильченко, 2000; Сухорукое и др., 2000; Ильин и др., 2000; Гусев, 2002; Летувнинкас, 2002; и др.), в меньшей степени - к растительности и животным (Бабенко, 2000; Изерская и др., 2002; Бурлакова и др.,2002; Островерхова, 2004; Kuranova et al, 2005 и др.). Материалы по содержанию химических элементов в организме млекопитающих фрагментарны (Москвитина, Кохонов, 2000, 2004; Москвитина и др., 2000, 2002; 2003).
Цель исследования: изуение особенностей депонирования и закономерностей поведения химических элементов в организме мелких млекопитающих в различных районах юга Западной Сибири, в том числе и при техногенном загрязнении.
В задачи исследования входило: выявление видовых отличий в накоплении химических элементов животными разных трофических уровней ~ насекомоядными и грызунами; изучение характера депонирования химических элементов в различных органах у животных разного пола и возраста; исследование закономерностей миграции химических элементов в системе «почва - пища - организм млекопитающих» в условиях влияния действующего золотодобывающего предприятия; изучение взаимосвязи депонирования химических элементов и некоторых физиологических показателей состояния животных.
Научная новизна. Впервые у животных разного вида, возраста и пола выявлены особенности аккумулирования широкого спектра химических элементов, включая макроэлементы - К, Na, Mg, микроэлементы - Fe, Zn, Sr, Mo, Cu, Br, Cs, Mn, Al, Pb, Cd, B, Rb и ультрамикроэлементы - Se, Co, V, Cr, Ni, Li, Ba, Ті, Ag, Sn, Be, Ga, Hg, Sc, Bi, Sb, U (на примере модельных видов насекомоядных и грызунов в различных районах юга Западной Сибири). Проведено изучение особенностей депонирования элементов в зоне действующего золотодобывающего предприятия и изучена специфика их миграции в системе - почва - биота (растения, беспозвоночные, млекопитающие). Выявлена связь депонирования некоторых элементов с состоянием ряда внутренних органов.
Практическая значимость. Создана электронная база данных по депонированию химических элементов мелкими млекопитающими юга Западной Сибири включенная в зоологическую базу данных кафедры зоологии позвоночных и экологии 11 У. Материалы исследования могут быть использованы в системе экологического мониторинга и контроля состояния природной среды региона. Полученные материалы находят применение при чтении университетских курсов по экологии и прикладной териологии.
Положения, выносимые на защиту.
В пределах территории Томской области большим уровнем депонирования многих химических элементов выделяются животные северного пригорода г. Томска.
Характер депонирования химических элементов мелкими млекопитающими имеет видовую и трофическую специфику и сопряжен с полом и возрастом животных.
По мере удаления от источника эмиссии депонирование элементов млекопитающими изменяется непропорционально их содержанию в среде.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации были доложены на междисциплинарном совещании биологов и геохимиков ТГУ (Томск, 2000, 2001), на международной научной конференции «Экология и рациональное природопользование на рубеже веков: Итоги и перспективы» (Томск, 2000), на региональной научной конференции «Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии гтриродно-территориальных комплексов Западной Сибири» (Горно-Алтайск, 2000), на II международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, Казахстан, 2002), на чтениях памяти А.Д. Строителева (Томск, 2002), на международном совещании (Москва, 2003), на III международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, Казахстан, 2004).
Материалы диссертации изложены в 6 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, изложенных на 169 страницах машинописного текста, иллюстрированных 9 таблицами, 38 рисунками. Список литературы включает 267 источников, в том числе 25 на иностранных языках.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 98-05-03183. Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.б.н. профессору Н.С. Москвитиной за осуществление научного руководства и предоставления материалов кафедры, д.б.н. профессору Л.П. Агуловой, д. г-м.н, Рихванову Л.П., к.м.н. Падерову Ю.М. за помощь в работе. Автор с глубокой благодарностью хранит память о |А.Д. Строителеве| и [Ю.А Козлове!, оказавшим значительную поддержку при выполнении исследований.
Основные этапы развития и направления эколого-биогеохимических исследований
Изучение современных тенденций в эволюции биосферы, особенно биогенных циклов химических элементов является одной из основных задач экологии.
Становление эколого-биогеохимических исследований связано с именем выдающегося российского ученого И.В. Вернадского. В многочисленных работах И.В. Вернадским (1944, 1965, 1977, 1980, 1989 и др.) показана важнейшая, планетарная роль живого вещества в геохимических процессах и связь этих процессов с эволюцией всего органического мира. По инициативе В.И. Вернадского в 1923 году в Академии СССР был создан отдел «БИОГЕЛ», позднее преобразованный в Биогеохимическую лабораторию. В течение длительного периода времени Биогеохимическая лаборатория являлась ведущим центром и координатором биогеохимических исследований.
Идеи В.И. Вернадского нашли отражение и получили дальнейшие развитие в работах А.П. Виноградова (1935, 1937, 1944 и др.). На основе многолетних исследований элементного состава различных видов организмов и среды их обитания А.П. Виноградовым сформулирован ряд основополагающих выводов. Один из них - концентрация химических элементов в живом веществе прямо пропорциональна их содержанию в среде обитания с учетом растворимости соединений элементов. Сопоставляя обширный фактический материал об элементном составе организмов различных систематических таксонов, А.П. Виноградов установил, что химический состав организмов является признаком систематическим -видовым, родовым и так далее.
Заметное место в развитие биогеохимии занимает изучение биогеохимических провинций и эндемических заболеваний организмов, основа изучения которых была заложена А.П. Виноградовым (1938, 1949). В течение длительного времени в изучении биогеохимических провинций и эндемий превалировал интерес к провинциям природного происхождения. Однако в настоящее время большее внимание уделяется аномалиям антропогенного, техногенного происхождения.
Учение о биогеохимических провинциях получило дальнейшее развитие в работах В.В. Ковальского (1974а, б, 1978, 1979, 1982). В.В. Ковальский не только описал характерные отклонения в состоянии и патологии организмов, связанных со специфичными особенностями условий биогеохимических провинций, но и сформулировал основные положения нового направления исследований - геохимической экологии. Геохимическая экология изучает взаимодействие организмов и их сообществ с естественной и техногенной средой, процессы приспособления организмов и сообществ к изменяющимся условиям окружающей природной среды. В.В. Ковальским показано, что организмы активно реагируют как на недостаток, так и на избыток химических элементов в среде, установлены пороговые концентрации ряда элементов в почвах.
Другим направлением эколого-биогеохимических исследований является экологическая геохимия элементов, изучающая распределение химических элементов в различных природных средах, в том числе и в живых организмах, исходя из особенностей строения атомов элементов и их химических свойств. Развитие данного направления во многом связано с поиском рудных месторождений и загрязнением окружающей среды. К этому направлению относятся работы Д.П. Малюги (1963), В.В. Добровольского (1983), А.Л. Ковалевского (1984), В.А. Ковды (1985), P.P. Брукса (1986), В.А. Алексеенко (1989, 2000) и других исследователей.
Активно развивающимся в настоящее время направлением стала экотоксикология, изучающая источники поступления химических экотоксикантов в окружающую природную среду, их распространение и действие на живые организмы (Jenssen, Syversen, 1991; Wrigtht, Welbourn, 1994; Лукьяненко 1989; Лебедева, 1999; Зеленин, 2000; Давыдова, Тагасов, 2002). В 1969 году, при международном научном комитете по проблемам окружающей среды (СКОПЕ) была организована специальная Рабочая комиссия, что можно считать началом активного формирования экотоксикологии. Традиционно экотоксикология концентрирует свое внимание на тяжелых металлах: свинце, кадмии, ртути и т.д. (Израэль, 1984; Lebedeva et al., 1985; Лебедева, 1999; Сорокина, 2002; Савицкий, 2003). Экотоксикологии млекопитающих посвящены работы B.C. Безеля (1987, 1994, 2004), Н.В. Медведева (2004) СВ. Мухачевой (2004) и других исследователей.
Таким образом, усилиями специалистов различных профилей накоплен обширный материал по элементному составу различных сред, в том числе и живых организмов.
Содержание химических элементов в почках животных
Почки - чрезвычайно сложный орган как в плане морфологии, так и физиологии. С деятельностью этого органа связана биотрансформация, фильтрация, секреция, экскреция многих химических элементов, в результате чего происходит длительный контакт между элементами и почечными структурами. Результатом указанных контактов нередко являются непосредственное повреждение почек, развитие аллергических и патохимических реакций. Высокая чувствительность почек к действию химических элементов, в частности экотоксикантов, определяется рядом особенностей: высокая интенсивность почечного кровотока (почки получают около 25% минутного сердечного выброса крови), способность концентрировать элементы в процессе образования мочи, обратная резорбция части экскретируемых элементов в клетки эпителия почечных канальцев и другие особенности.
В ходе многочисленных исследований изучено и доказано нефротоксическое действие таких элементов как ртуть, висмут, уран, кадмий, свинец, железо, сурьма, медь, бериллий, мышьяк, хром и других элементов (Авцын и др., 1991; Куценко, 2002).
Данные о содержание химических элементов в почках мелких млекопитающих Томской области представлены в таблице 4.1. Наибольшее варьирование содержания в почках (коэффициент вариации больше 100%) отмечалось для Sc, Сг, Мп, Си, Se, Sb, Се, одной из причин которого может быть неоднородность геохимической обстановки территории.
Содержание ряда элементов в почках исследованных животных отличается от данных, имеющихся в литературе. Так, например, содержание О в почках млекопитающих по литературным источникам составляет 0,05-4,7 мг/кг (Кист,1987; Иванов, 1995), Си — 1,6-7,62 мг/кг (Ковальчук и др., 2002), Се - 2,1 мг/кг (Кист, 1987), что ниже полученных нами показателей. Верхнему порогу, приводимому в литературе, соответствует содержание Мп
— 1-3 мг/кг (Hurliu et al,, 1987). Таким образом, из семи элементов с высоким коэффициентом вариации в почках млекопитающих исследуемого района для четырех отмечается превышение показателя содержания в сравнении с литературными данными. Повышенное содержание в почках млекопитающих (относительно литературных данных) отмечается также для Со и Hg.
Содержание химических элементов в почках млекопитающих разного возраста. Литературные данные о возрастных особенностях накопления химических элементов, в том числе и обладающих токсическим действием, в различных органах мелких млекопитающих противоречивы. ї 1о все же большинство работ свидетельствует о том, что взрослые животные имеют большее содержание многих химических элементов, по крайней мере
- токсических, чем молодые. Так, например, это показано в работе B.C. Безеля (1987) на примере накопления свинца несколькими видами грызунов.
При изучении возрастных особенностей накопления токсических элементов мелкими млекопитающими целесообразно выделять три функциональные группы животных: неполовозрелые и половозрелые сеголетки, перезимовавшие особи. Целесообразность подобного выделения определяется тем, что в популяции мелкие млекопитающие разного возраста чрезвычайно сильно различаются по скорости роста, времени наступления половозрел ости и другим эколого-физиологическим особенностям. Данные особенности обусловлены не только возрастом животных, но и принадлежностью к разным генерациям. Так, животные летних генераций отличаются интенсивным ростом и половозрелыми становятся в возрасте 1 — 1,5 месяца. Животные, которые родились в конце лета либо осенью, растут очень медленно и половозрелыми становятся лишь весной следующего года, то есть в возрасте 8-9 месяцев, перезимовавшие особи характеризуются бурным весенним ростом и активным вступлением в размножение (Шварц, 1969; Оленев 1981). Следует учитывать, что поступление химических элементов в развивающийся плод происходит за счет материнского организма. Однако ограниченная проницаемость плацентарного барьера для большинства токсических веществ приводит к тому, что в период внутриутробного развития уровни содержания загрязнителей в тканях плода далеко не достигает уровней, соответствующих организму матери. Так, например, в работе М. Гольдман и Р. Дж Оселла (1977) показано, что содержание стронция в скелете новорожденных лабораторных крысят может быть в 4-10 раз ниже соответствующего уровня этого элемента в организме матери. Подобная ситуация наблюдается и для ряда других элементов. Это обстоятельство - низкий начальный уровень техногенных элементов в скелете и других тканях - является одной из причин последующего роста концентрации элемента с возрастом (Безель, 1987).
Содержание химических элементов в почвах
Почвенный покров как среда, аккумулирующая все загрязнения, является важным объектом экологического мониторинга. Вследствие высокой способности сорбировать тяжелые металлы, радионуклиды и другие элементы почва заслуживает названия «экологического щита биосферы» (Гончарук, Сидоренко, 1986; Spurgeon, Morkin, 1999).
Уровень содержания в почвах V, Ті, Со существенно уменьшается только на удалении 3 км от технологического отстойника. На основе результатов анализа ранжированный ряд содержания большинства исследуемых химических элементов в почве можно представить в следующем виде: площадка 1 площадка 3 площадка 4.
Для характеристики статуса наблюдаемой геохимической обстановки, сформированной природными факторами либо техногенным воздействием, принято проводить сравнение содержания химических элементов в исследуемых почвах с кларками ноосферы, средними значениями содержания элементов в почвах мира, фоновых показателей почв регионов (Комплексная ..., 1997; Ильин, 2002). Данные ряды наглядно показывают превышение уровня содержания элементов в почвах ЗИФ и ее окрестностей относительно кларковых значений ноосферы и почв России, а также позволяют проследить динамику изменения концентрации элементов по мере удаления от источника зафязнения. При этом следует обратить внимание на то, что повышенное содержание Bi, Zn, Pb, Мл и других элементов сохраняется на удалении 10 км от технологического отстойника ЗИФ. О загрязнении почвенного покрова района исследования можно судить и сопоставляя полученные данные с значениями предельно допустимых концентраций (ПДК) для почв (Предельно-допустимые..., 1985; Гончарук, Сидоренко, 1986; Ильин, 1991). В почвах площадки 4 уровень содержания РЬ и Zn составляет 1,4 ПДК, в почвах площадок 1 и 3 превышение ПДК отмечается для РЬ (2,4 и 2 ПДК соответственно), Си (2,6 и 1,7 ПДК), Zn (2,2 и 1,9 ПДК), Мп (1,5 и 1,2 ПДК). По степени воздействия на б йоту перечисленные элементы относятся к первому (РЬ и Zn), второму (Си) и третьему (Мп) классам опасности. Все это указывает на негативное влияние горнорудного производства, экологически неблагоприятное влияние которого прослеживается даже на удалении 10 км.
Полученные нами данные соответствуют данным других авторов, проводивших экологические исследования в районе п. Сейка (Кац, 2000, 2001; Ларина и др., 2000; Летувнинкас и др., 2000). Так, например, по данным В.Е. Кац (2000, 2001) среднесуточная пылевая нагрузка на территории рудника и поселка Сейка варьирует от 16 до 409мг/м , составляя в среднем по промышленной зоне 32 мг/м , по поселку — 24мг/м при среднем значении по Республике Алтай 12,6 мг/м . Техногенный ореол тяжелых металлов в почвах по СПЗ (показатель суммарного загрязнения) 8-32 (низкий и средний уровень загрязнения) прослеживается на расстоянии более 5 км — от ЗИФ до южного окончания поселка. При этом ниже ЗИФ и отстойников величина СПЗ (по 24 элементам) варьирует от 8 до 188, на площадках около поселка -от 8 до 38. Показатели СПЗ донных илов увеличиваются в ряду: вверх от края поселка - территория поселка - ниже отстойника - отстойник — ЗИФ и составляют соответственно 8 — 18 - 200 - 253 — 214. Наиболее высокие Кс (коэффициент концентрирования) имеют токсиканты в донных илах: медь до 1000 мг/кг, свинец до 200 мг/кг, сурьма, висмут, мышьяк, селен, теллур, молибден, олово, ванадий, хром, марганец, никель - на уровне Кс = 2 - 10. По данным Г.В. Лариной и соавторов (2000) на территории поселка Сейка и прилегающих территориях имеются очаговые аномалии, где содержание РЬ составляет 74 ПДК, Cd - 2 - З ПДК.
