Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЫБ 7
1.1. Понятие «тяжелые металлы» 7
1.2. Биологическая значимость металлов для организма рыб 8
1.3. Факторы, влияющие на биодоступность тяжелых металлов 14
1.4. Пути поступления металлов в организм рыб 19
1.5. Токсичность металлов 21
1.6. Детоксикация металлов в организме рыб 28
1.7. Содержание тяжелых металлов в рыбах 31
1.7.1. Возрастная динамика содержания металлов в рыбах 31
1.7.2. Особенности накопления металлов в органах и тканях рыб 33
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
2.1. Гидрологические и гидрохимические особенности верховьев Оби 42
2.2. Материалы и методы исследования 45
2.2.1. Отбор и хранение проб 45
2.2.2. Подготовка проб и методы анализа содержания тяжелых металлов 47
2.2.3. Статистическая обработка результатов 49
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ МЕТАЛЛОВ В РЫБАХ ВЕРХОВЬЕВ ОБИ 50
3.1. Медь 50
3.3. Железо 57
3.4. Цинк 61
3.5. Свинец 64
3.6. Кадмий 67
3.7. Ртуть 70
ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЫБАХ ВЕРХНЕЙ, СРЕДНЕЙ И НИЖНЕЙ ОБИ 74
4.1. Медь 74
4.2. Марганец 75
4.3. Железо 77
4.4. Цинк 78
4.5. Свинец 79
4.6. Кадмий 81
4.7. Ртуть 82
4.8. Распределение металлов в органах и тканях рыб из различных участков р.Оби 83
ВЫВОДЫ 87
ЛИТЕРАТУРА 88
Введение к работе
Актуальность проблемы. Тяжелые металлы являются неотъемлемой составной частью организма, поскольку многие соединения этих элементов входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и участвуют в биохимических процессах. С другой стороны, тяжелые металлы представляют серьез-ную опасность в качестве загрязнителей водных экосистем. Индивидуальная потребность гидробионтов в металлах очень мала, а поступление из окружающей среды часто избыточно, что приводит к различным токсическим L. эффектам и нарушению жизнедеятельности организмов на всех уровнях раз вития.
Для оценки потенциальной токсичности тяжелых металлов, поступающих в водоемы комплексного назначения, в качестве индикаторов использу ют различные виды рыб. Металлы аккумулируются в организме рыб в количествах, во много раз превышающих их содержание в воде, что приводит к снижению продуктивности водоемов и к потенциальной опасности для человека.
Бассейн верховьев Оби характеризуется интенсивной антропогенной нагрузкой на водные экосистемы, проявляющейся, прежде всего, в увеличении степени загрязнения природных вод, в том числе тяжелыми металлами.
Изучение содержания металлов в рыбах верховьев Оби начато сравнительно недавно, что обусловлено теоретической и практической необходимостью получения достоверной информации о накоплении последних в органах и
Ш тканях рыб.
Цель исследования заключалась в изучении содержания и распределения тяжелых металлов (железа, меди, цинка, марганца, свинца, кадмия, ртути) в органах и тканях промысловых видов рыб верховьев Оби.
Для выполнения намеченной цели были поставлены следующие задачи: 1. Определить содержание тяжелых металлов в организме леща, судака, окуня и серебряного карася.
2. Исследовать особенности распределения тяжелых металлов в органах и тканях рыб. щ 3. Выявить видовую специфику накопления тяжелых металлов.
4. Сравнить содержание металлов в рыбах, обитающих в Верхней, Средней и Нижней Оби.
Научная новизна. Впервые проведена оценка содержания тяжелых металлов в органах и тканях леща, серебряного карася, окуня и судака, оби тающих в верховьях Оби, в районе г. Барнаула. Выявлены особенности распределения металлов в органах и тканях рыб, видовая специфика в аккуму- _ ляции изучаемых элементов. Проведен сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в рыбах, обитающих в верхнем, среднем и нижнем течении реки Оби.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные о содержании и распределении тяжелых металлов в органах и тканях рыб расширят представления о механизмах аккумуляции этих элементов, роли отдельных органов рыб в их накоплении. Информация об уровне содержания металлов в рыбах может быть использована для оценки экологическо т го состояния водных экосистем и степени их загрязнения данными элементами, позволит разрабатывать рекомендации при массовом отлове изученных видов рыб. Результаты работы могут служить основой для проведения био индикационных исследований и ихтиологического мониторинга в водоемах. Теоретические положения могут быть использованы при чтении лекций по экологии, биогеохимии, экологии животных, экологической токсикологии, т ихтиологии в Алтайском государственном университете.
Положения, выносимые на защиту.
1. Содержание тяжелых металлов в организме рыб обусловлено физико-химическими свойствами элементов, типом питания рыб и характером загрязнения мест их обитания.
2. Распределение металлов в организме рыб характеризуется неоднородностью, что зависит от функциональных особенностей органов и тканей.
3. Изучаемые виды рыб характеризуются специфичностью в отношении накопления исследуемых элементов.
Апробация работы. Основные положения диссертации представлены на IV научно-практической конференции молодых ученых «Молодежь -Барнаулу» (Барнаул, 2002 г.); на VII всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (Томск, 2003 г.); на IV международной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь и наука XXI века» (Красноярск, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Л Структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литера турных данных, описания материала и методов исследования, 2 экспериментальных глав, выводов и списка литературы, включающего 161 источник, в том числе 7 иностранных. Диссертация изложена на 103 страницах текста, содержит 26 таблиц, 4 рисунка.
Автор выражает благодарность доктору биологических наук, профессору В.Б. Журавлеву за помощь в отборе и определении ихтиологического материала, кандидату химических наук, доценту СВ. Темереву за помощь в Ш организации и проведении аналитических работ и ценные замечания в процессе работы над рукописью, заведующему кафедрой аналитической химии доктору химических наук, профессору Б.И. Петрову и заведующей лаборато рией радиологии и токсикологии Федерального государственного учреждения «Центр агрохимической службы "Алтайский"» Г.Н. Ежаковой за предоставление экспериментальной базы для проведения исследований.
Особую признательность автор выражает доктору биологических наук, профессору Галине Геннадьевне Соколовой за научное руководство и помощь в выполнении исследований.
Биологическая значимость металлов для организма рыб
Медь (Си) принимает участие в фенольном, азотистом и нуклеино-вом обменах; является структурным специфическим компонентом ряда оксидаз; играет большую роль в процессах кроветворения, благодаря участию в синтезе гемоглобина и других железопорфиринов (цитохромок сидазы, цитохромов и каталазы). Свыше 90 % всей меди сыворотки крови содержится в церулоплазмине - металлоферменте, участвующем в образовании белков плазмы. Биотические дозы меди повышают иммунобиологическую устойчивость и сопротивляемость организма к неблагоприят ным воздействиям факторов внешней среды; стимулируют деятельность гормона гипофиза и активируют гонадотропные ферменты. Кроме того, медь принимает участие в процессах пигментации чешуйного покрова, влияя на образование меланина и окраску рыб. В период нереста содержа ние меди в печени - депо этого элемента - падает, а в половых органах увеличивается. При дефиците меди нарушается нормальное развитие со единительных тканей и кровеносных сосудов. Цинк (Zn) в качестве специфического незаменимого металлокомпо нента входит в состав фермента карбоангидразы, имеющего большое зна чение для процессов тканевого дыхания; участвует в фосфорном и липид (« ном обменах, в синтезе нуклеиновых кислот; усиливает активность поло вых и гонадотропных ферментов гипофиза рыб. Ионы цинка в зависимости от концентрации активируют щелочную фосфатазу или выступают в роли ее ингибитора. Оптимальные концентрации металла повышают активность пищеварительных ферментов (инвертазы) и фагоцитарную ак й тивность крови рыб. Подсчитано, что 85 % всего цинка крови рыб локали зуется в эритроцитах, 3 % - в лейкоцитах и 12 % - в сыворотке крови. Ста ч рые формы эритроцитов содержат больше этого металла, чем молодые. Цинку в животном организме принадлежит не меньшая роль, чем железу. Он преимущественно концентрируется поджелудочной железой, гипофизом, половыми железами и половыми продуктами. Избыток или недостаток цинка во всех случаях ведет к угнетению функционального состояния различных барьерных аппаратов организма. При низком уровне содержа-ния цинка в окружающей среде активность НАД- и некоторых ФАД-зависимых ферментов резко снижается, что ведет к кислородному голоданию гидробионтов и другим нарушениям обмена веществ. ф Марганец (Мп) участвует в процессах дыхания, обмене азота и желе за, в синтезе жирных кислот, в образовании костной ткани, в окислительно-восстановительных реакциях, в биосинтезе РНК и ДНК; стимулируя белковый, углеводный и жировой обмены, оказывает значительное влияние на рост, размножение и кроветворение рыб; является активато ром процессов окисления некоторых ферментов (фосфатазы, дипептида-зы, аргиназы и др.); связан с витаминами (например, В і); благодаря усилению гидролитических процессов ускоряет спиртовое брожение. При марганцевой недостаточности происходит изменение структуры клеточных мембран. Кадмий (Cd) обладает определенным влиянием на некоторые фер менты и гормоны; вероятно, необходим для углеводного обмена; по сво ему действию напоминает цинк. Свинец (РЬ) выступает биологическим антагонистом между кобаль # том, витамином Вп, фолиевой кислотой. Ртуть (Hg) в малых количествах (0,003 %) стимулирует фагоцитарную активность лейкоцитов, т. е. помогает белым кровяным тельцам бороться с болезнетворными бактериями. Ртуть проявляет себя антагони т стом йода и может вызывать дополнительную йодную недостаточность. Функции металлов в биохимических процессах весьма разнообразны и далеко не исчерпываются указанными важнейшими сторонами их биологической активности.
Установлена способность многих биометаллов взаимодействовать с протеинами, липидами, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами и их фрагментами, а также ферментами, витаминами, гормонами и другими орга-ническими веществами. Причем образование комплексов металлов с перечисленными веществами является необходимым условием протекания таких жизненно важных физиологических процессов, как биологическое окисление кислородом, кровеобразование, пигментообразование, тканевое дыхание, оп лодотворение и др. Металлы участвуют в водном, белковом, углеводном, ли-пидном обмене в организме (Морозов, Петухов, 1986; Крамаренко, 1994).
Медь
Печень является одним из основных органов, аккумулирующих медь в большом количестве. Повышенный уровень содержания меди в печени объясняется тем, что в этом органе происходят процессы кроветворения, активное участие в протекании которых принимает указанный металл.
Второе место по содержанию меди занимают жабры и сердце; досто верных отличий в накоплении металла между ними не обнаружено. Сравни % тельно высокие количества изучаемого элемента в жабрах подтверждают фи зиологическую роль жаберного аппарата, участвующего в обмене химиче скими элементами между водной средой и организмом рыб. В сердце медь накапливается в количествах от 1,26 до 3,18 мкг/г (табл. 5). Содержание дан ного металла в мышцах незначительно (0,70 - 1,12 мкг/г сырой массы). Кор реляционный анализ выявил значимые связи между накоплением меди в жабрах и печени (к=0,38; р 0,05), в печени и мышцах (к=0,60; р 0,05). ф Существуют видовые различия в особенностях кумуляции меди у изу чаемых рыб, что отражает представленный ниже ряд: лещ (3,35 мкг/г) судак (2,25 мкг/г) серебряный карась (2,06 мкг/г) окунь (1,70 мкг/г) Максимальное количество меди накапливается у леща, наименьшее - в организме окуня. Промежуточное положение по способности концентриро вать металл занимают судак и серебряный карась, но при этом достоверных отличий по накоплению меди между ними не выявлено. Высокое содержание меди в организме леща и серебряного карася объясняется их пищевым пове дением и образом жизни. По характеру питания оба вида относятся к эврифа гам с наличием возрастных и сезонных изменений в потреблении кормов. В составе объектов питания леща и карася обнаружена некоторая идентич ность. Ведущими группами кормовых организмов для данных рыб, помимо всего прочего, являются личинки хирономид, а также детрит (Журавлев, 2003). Детрит, как правило, концентрирует на себе самое большое количест во металлов среди остальных компонентов экосистемы. Таким образом, мирные рыбы аккумулируют в себе значительные количества металлов, что является результатом суммарного эффекта их накопления из воды, донных от-ложений и поедаемого ими корма.
Марганец
На основе собственных и литературных данных по содержанию и распределению исследуемых элементов в органах и тканях рыб р. Оби построены убывающие ряды ранжирования (табл. 26). Концентрационные ряды металлов выглядят практически идентично с небольшими вариациями. В целом, во всех рассмотренных органах и тканях преобладают по концентрации железо (Fe), цинк (Zn), марганец (Мп), медь (Си), минималь 84 ные концентрации характерны для свинца (РЬ), кадмия (Cd) и ртути (Hg), что подтверждается имеющимися в литературе сведениями. Достаточно интерес ным является наличие в одних и тех же органах различных видов рыб опре деленной повторяющейся последовательности металлов, что можно объяснить функциональными особенностями органов и физико-химическими свойствами элементов. Однако, строгая последовательность в отношении биофильных металлов (Fe, Zn, Мп, Си) наблюдается не всегда. Как правило, содержание железа в органах рыб на несколько порядков превышает содержание остальных металлов, но в жабрах лещей из Нижней Оби железо сме % щается в середину ряда. Аналогичная ситуация, т.е. изменение местоположе ния того или иного металла в ряду ранжирования, вследствие повышенного или пониженного содержания в рассматриваемых органах и тканях, характерна для цинка, марганца и меди.
Накопление токсичных элементов (Pb, Cd, Hg) в органах и тканях рыб также имеет дифференцированный характер. Токсичные металлы, как правило, замыкают убывающие концентрационные ряды, поскольку содержатся в организме рыб в незначительных количествах, но иногда они перемещаются в середину ряда. Например, в Новосибирском водохранилище, Средней и Нижней Оби ртуть накапливается в организме рыб в количествах, превышающих содержание кадмия, что в большей степени прослеживается для хищных видов рыб (судак). Содержание свинца в мышцах лещей и судаков Средней Оби превышает содержание меди (табл. 26). Повышенный уровень накопления обозначенных элементов в организме рыб обусловлен, возможно, aболее высоким их содержанием в абиотических компонентах (донных осад ках, воде), что свидетельствует о загрязнении данного участка реки.
