Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса (Обзор литературы) 11
Глава 2. Экологическая характеристика Ладожского озера 32
Глава 3. Характеристика тяжелых металлов, их происхождение и эффект 43
Глава 4. Материалы и методы исследования 51
4.1. Основные объекты исследований 51
4.1.1. Рыбы 52
4.1.2.Паразиты 55
4.2. Полевые методы ихтиопаразитологической обработки 58
4.3. Методы определения тяжелых металлов в тканях рыб
и их паразитах 59
Глава 5. Результаты исследований 63
5.1. Содержание тяжелых металлов в органах различных видов рыб Ладожского озера 63
5.2. Содержание тяжелых металлов в тканях цестод -специфичных паразитов рыб 70
5.3. Сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в водных гидробионтах 78
Заключение 86
Выводы 89
Список литературы 90
- Экологическая характеристика Ладожского озера
- Характеристика тяжелых металлов, их происхождение и эффект
- Содержание тяжелых металлов в органах различных видов рыб Ладожского озера
Введение к работе
Ладожское озеро - самый крупный внутренний водоем Европы. Современное состояние его экосистемы является результатом сложного взаимодействия процессов, которые проходят на водосборе и в самом водоеме под воздействием природных и антропогенных факторов. Ладожское озеро в настоящее время является одним из наиболее изученных озер России. Оно привлекает внимание со стороны многих исследователей. За последние десятилетия в экосистеме этого водоема были отмечены заметные изменения, вызванные человеческой деятельностью. В основном они были связаны с антропогенным эвтрофированием и загрязнением.
Данное исследование посвящено изучению особенностей накопления тяжелых металлов в рыбах и их паразитах. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами является одной из глобальных проблем современности. Хотя увеличивающиеся загрязнения окружающей среды металлами прослеживается еще со времен Римской империи, именно в XX веке произошло скачкообразное увеличение извлечения этих элементов из земной коры. Объемы извлечения человеком различных металлов из земной коры значительно превосходят их поступление в результате естественных геологических процессов (например, меди и цинка более чем в 10 раз). Безусловно, не все извлеченные из геологических структур человеком элементы представляют непосредственную угрозу для водных экосистем, но эта опасность увеличивается пропорционально увеличению объемов их извлечения, так как все (или значительная часть) загрязняющие вещества в конечном итоге оказываются в водных экосистемах. Учитывая многочисленные источники, широкое распространение, множественные эффекты воздействия металлов на биологические системы, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами справедливо считают одним из самых опасных последствий деятельности человека. Тяжелые металлы
обладают высокой токсичностью, потенциальной способностью накапливаться в живых организмах, не разлагаются и способны длительное время циркулировать в биологических системах (Мур, Раммурти, 1987; Sorensen,1992).
Актуальность темы.
Серьезность и актуальность экологических проблем, стоящих как перед человечеством в целом, так и перед отдельно взятыми регионами, в том числе и северными, в настоящее время совершенно очевидна. Исследования проблемы антропогенного загрязнения Карелии ведутся уже долгое время. Влияние промышленного производства, как на наземные, так и на водные экосистемы в этом регионе носит длительный характер, насчитывающий десятилетия. В предыдущие годы основное внимание исследователей проблем загрязнения окружающей среды было сосредоточенной на так называемых районах "экологического неблагополучия", расположенных вблизи крупных промышленных центров (Израэль и др., 1981; Кашулин и др., 1999; Перевозников, Богданова, Пономаренко, 1990; Богданова, 1995; Моисеенко, 1997). Остается малоизученной проблема функционирования пресноводных экосистем в так называемых фоновых районах, где антропогенная нагрузка, несмотря на относительно невысокие уровни, носит продолжительный кумулятивный характер.
Необходимость рационализации природопользования усиливает значение научных разработок по оценки состояния природной среды, определению её экологического резерва и критических нагрузок, прогнозированию последствий антропогенных воздействий. Использование химико-аналитических методов контроля качества окружающей среды не дает полного представления о биологических последствиях загрязнения. А нормирование нагрузок только по показателям содержания веществ-загрязнителей в среде (ПДК, ПДВ), без знаний их поведения в реальных
экосистемах и ответных реакций биоты, не дает возможности избежать деградации биологических систем.
Одним из перспективных методов оценки антропогенного воздействия является биоиндикация, когда степень воздействия оценивается по ответным реакциям самих биологических систем. Изучение биологических систем различного уровня организации в условиях их естественной и измененной под воздействием антропогенного фактора среды обитания позволяет непосредственно выявить эффекты, обусловленные воздействием всего комплекса загрязняющих веществ и природных абиотических факторов за продолжительный период времени, определить пороговые уровни нагрузок и дать наиболее реалистичный прогноз ее развития.
В то же время установление причинно-следственных связей между определенным видом загрязнений и биотой водоема часто затруднено в силу ряда обстоятельств. Как правило, в реальных экосистемах антропогенное воздействие носит сложный комплексный характер, и изучаемое загрязнение сопровождается разнообразными другими загрязнениями и иными видами антропогенной активности. Различные «нормальные» экологические факторы могут также изменять или влиять на ответ организмов к средовому стрессу. Кроме того, для биологических систем высокого уровня организации (популяция, сообщество и т.д.) имеется ограниченное число путей, по которым стрессоры могут влиять на их структуру, и часто ответы на их воздействие имеют неспецифический характер. Многочисленные лабораторные и полевые эксперименты показали взаимосвязи между индукцией определенных биохимических ответов и воздействием различных классов загрязняющих веществ. Однако на их основании трудно делать прогнозы изменений в биологических системах более высоких уровней. Поэтому при биоиндикации тех или иных видов техногенного загрязнения окружающей среды необходимо проводить комплексные исследования,
включающие изучение ответов систем различного уровня: от субклеточного до популяции и сообществ (Кашулин, 2004).
Экосистема Ладожского озера в течение многих лет подвергалась загрязнению от различных антропогенных источников. Наиболее опасными загрязнителями являются соли тяжелых металлов. Большинство химических элементов, относящихся к группе тяжелых металлов являются необходимыми для живых организмов микроэлементами. Однако при превышении пороговых концентраций они становятся высокотоксичными.
Изначально поступая в воду и донные отложения, тяжелые металлы постоянно мигрируют по трофическим цепям водоема, вовлекая практически все группы гидробионтов в круговорот этих токсикантов (Морозов и др., 1986). Загрязняющие вещества в фоновых регионах выпадают в относительно небольших количествах и в момент выпадения не могут существенно нарушить биологические процессы. Некоторые из них могут трансформироваться в относительно безвредные для окружающей среды соединения. Однако такие вещества как тяжелые металлы, радионуклиды и др., не разлагаются и способны мигрировать, накапливаться и длительное время циркулировать в различных экосистемах (Мур, Рамамурти, 1987; Никель..., 1984). При этом ежегодно выпадающие небольшие количества этих загрязняющих веществ накапливаются, и, в конце концов, их суммарная доза может превысить критический уровень и вызвать необратимые изменения в экосистемах. В силу особенностей аэротехногенного загрязнения, наиболее уязвимыми являются пресноводные экосистемы. Загрязняющие вещества, выпадающие не только на их поверхности, но и на территории всего их водосбора, в конечном итоге оказываются в этом водоеме, накапливаются, могут включаться в пищевые цепи и оказывают сублетальное токсическое воздействие на биологические системы. При этом рыбы, являющиеся конечным звеном пищевых цепей в северных водоемах, интегрируют весь комплекс прямых и опосредованных воздействий
загрязняющих веществ (Кашулин, 1999; 2004). Эти процессы протекают
относительно медленно и необходима разработка специальных методов для
их регистрации. Трудности обусловлены как особенностями
распространения, выпадения, миграций, трансформации веществ,
сложностью аналитического определения долгосрочных изменений их низких уровней в природных средах, так и неопределенностью ответов биологических систем на продолжительное воздействие малых сублетальных доз. Ситуация осложняется большой вариабельностью "нормальных" показателей и отсутствием достоверной информации о состояние тех или иных компонентов фоновых пресноводных экосистем в "доиндустриальный период". Поэтому химические показатели среды не всегда могут дать полное представление о ее токсичности. Они характеризуют состояние среды лишь в конкретный момент с определенной привязкой к точке отбора, и не учитывают процессы аккумуляции и миграции веществ в системе водосбор -водоем - биота, а также влияние нескольких поллютантов, продуктов их превращений и взаимодействия с природными веществами (Кашулин, 2004). Кроме того, они не позволяют определить суммарную дозу воздействия загрязняющих веществ на биологические системы за продолжительный период. Это обусловливает необходимость поиска новых показателей состояния и степени их деградации под воздействием антропогенных факторов.
Предыдущие исследования влияния промышленного загрязнения на территории Карелии касались в основном определенных территорий крупных водоемов (Ладожское озеро, Онежское), расположенных в непосредственной близости от деревообрабатывающих предприятий и крупных населенных пунктов. В ходе детального изучения влияния атмосферных выпадений серы и тяжелых металлов на почвы, леса, водоемы и живые организмы были выявлены серьезные изменения, касающиеся состояний экосистем в зоне непосредственной близости от предприятий промышленности. Изучены
динамика и состав атмосферных выпадений, миграция и аккумуляция элементов в различных компонентах природной среды (Расплетина с соавт., 1967; Петрова, Расплетина, 1987).
В то же время подобные процессы в водных экосистемах значительно удаленных от крупных предприятий (так называемых фоновых районах) изучены недостаточно. В экологических исследованиях участки, расположенные на удалении 15 - 30 км от предприятий на основании визуальной оценки принимаются за контрольные, полагая, что здесь отсутствует техногенное влияние. Это связано с тем, что процессы аэротехногенного загрязнения в таких районах трудно зарегистрировать, вследствие относительно невысоких концентраций загрязняющих веществ в природных средах и целого ряда особенностей их протекания, включая геоморфологические факторы, геологическое строение пород, ландшафтные особенности районов, сезонную изменчивость и пр. В природоохранной деятельности контролирующих организаций не учитывается влияние промышленных предприятий на так называемы «фоновые районы». Даже самые удаленные районы Карелии испытывают нарастающий уровень антропогенной нагрузки. Уровень содержания вредных веществ в пресноводных экосистемах фоновых регионов постоянно и медленно возрастает за счет процессов их постоянного притока и накопления. Их медленная деградация в условиях продолжающейся аэротехногенной нагрузки может привести к катастрофическим последствиям.
Поэтому в настоящее время появилась настоятельная необходимость изучения водоема фоновых районов, с целью оценки динамики процессов, обусловленных аэротехногенным загрязнением, как научной основы нормирования нагрузок, разработки и планирования природоохранных мероприятий.
С учетом того, что при аэротехногенном типе загрязнения водоема фоновых районов, величина непосредственной на него нагрузки
загрязняющих веществ во многом определяется не столько удаленностью его от источника загрязнения, но особенностями строения и функционирования как самого водоема, так и его водосборной территории, для изучения нами была выбрана определенная территория самого крупного озера Карелии, отличающихся от других происхождением, территориальным и ландшафтным расположением и другими природными особенностями.
Целью данной работы являлось изучение состояния организмов рыб и их паразитов, обитающих в Ладожском озере в условиях их долговременного аэротехногенного загрязнения тяжелыми металлами, как научной основы нормирования нагрузок и прогноза развития пресноводных экосистем региона.
Так же целью этой работы явилось выявление закономерностей накопления ТМ в паразитирующих организмах и сопоставление их с содержанием ТМ в органах рыб, депонирующих эти токсиканты.
Задачи исследований:
1. Оценить уровни аэротехногенной нагрузки на Ладожское озеро и
условия формирования качества воды.
Оценить степень накопления тяжелых металлов в организмах рыб и их паразитах исследованного водоема с применением специальных методов.
Выявить особенности распределения содержаний тяжелых металлов в органах и тканях рыб Ладожского озера, а также паразитах этих рыб.
Дать сравнительный анализ и оценить особенности тяжелых металлов в системе «паразит-хозяин».
Выявить закономерности накопления тяжелых металлов в некоторых ихтиопаразитах.
Проследить возможность использования этих показателей для оценки степени техногенной нагрузки на водоем.
Повышенная концентрация ТМ в окружающей среде оказывает на рыб непосредственное токсическое воздействие, и кроме этого способствует их
кумуляции в органах и тканях рыб. Однако имеющиеся литературные данные свидетельствуют так же и о возможной аккумуляции ТМ паразитами рыб, локализующимися в ее различных органах. (Давыдов, 1972; Слюсарев, 1978; Богданова, 1995; Sures,1994; Overstreet, 1993).
Научная новизна работы. Проведен сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в органах окуня, лосося и щуки, а так же их кишечных паразитов. Показана значимость такого интегрированного показателя, как содержание тяжелых металлов в паразите. Выявлены некоторые закономерности накопления тяжелых металлов в паразитах Triaenophorus nodulosus, Triaenophorus crassus Proteocephalus percae, Eubothrium rugosum, Eubothrium crassus в органах и тканях рыб - их хозяев: лосося (Salmo salar L.), озерная форель (Salmo trutta morpha lacustris L.), окунь (Perca fluviatilis), налим (Lota lota L.), щука (Esox lucius L.).
Объекты исследования. Сбор материала проводился по паразитологическому исследованию рыб и собран материал для сравнительного изучения накопления тяжелых металлов в рыбе и паразитах Ладожского озера. В качестве объектов исследования использовались гельминты рыб (Triaenophorus nodulosus, Triaenophorus crassus Proteocephalus percae, Eubothrium rugosum, Eubothrium crassus). Материалом для исследования служили их хозяева щука, окунь, налим, форель и лосось.
Практическая ценность. Научно обоснована важность эколого-паразитологического мониторинга Ладожского озера, для оценки состояния данной водной экосистемы. Анализ некоторых ихтиопаразитов на содержание в них таких токсических веществ как тяжелые металлы, позволяет рекомендовать их использование в качестве способа биологического тестирования водоема.
Экологическая характеристика Ладожского озера
Ладожское озеро - крупнейший пресноводным водоем Европы. Оно является одним из самых северных среди великих озер Мира. Располагается между 60-62и с.ш. и 30-32 в.д. Площадь озера составляет 18135 км , длина береговой линии более 1500 км, протяженность с юга на север превышает 200 км, наибольшая ширина-130 км. Наибольшая глубина-260 м, средняя глубина-51 м. Наиболее глубокая - северная часть озера, тогда как в южной его части большинство мелководий растянуто на десятки километров. (Рыжков, 1999). Объем воды-902 м . Над уровнем моря высота озера составляет примерно 4 м. Полный водообмен озера происходит один раз за 12 лет (Калесник, 1968). Сток воды из Ладожского озера осуществляется через реку Неву.
Акватория Ладожского озера административно поделена на две части-северную и южную. Эти части различаются по физическим и биологическим признакам, продуктивности и промыслу (Петрова, 1968; Расплетина, 1982). Граница оформлена по линии, проходящей чуть севернее от г.Приозерска в направлении на юго-восток - м.Габанов. Северная часть озера, расположенная на Балтийском кристаллическом щите, находится в ведении Республики Карелия (7802 км или 44.1 % от общей площади зеркала), а южная, расположенная на Русской платформе, - в ведении Ленинградской области (9875 км или 55.9%). Традиционно сложилось, что в северной (карельской) части рыбохозяйственную деятельность проводит в основном Республика Карелия (РК), а южная и западная часть используется ленинградскими промысловиками. Соответственно и управлением рыбными ресурсами в карельской части занимается ФГУ "Карелрыбвод", а в южной - ФГУ «Севзапрыбвод". В последние годы стали прилагаться усилия к разработке единого режима управления рыбными запасами. Климат на Ладожском озере умеренный, но большие размеры водоема, и особенно его бассейна, являются причиной некоторых его различий в разных регионах (самое холодное - восточное побережье, самое теплое - южное побережье). Средняя годовая температура воздуха колеблется в разных районах бассейна Ладожского озера от +2,6 до +3,8 С. Средняя продолжительность теплого периода на Ладоге составляет примерно 103-180 дням. Ледостав начинается в ноябре, но озеро не каждый год замерзает полностью. Центральная часть озера, как правило, остается открытой. Ледяной покров обычно разрушается во второй половине марта - начале апреля. Годовая сумма осадков составляет около 600 мм. (Рыжков, 1999). Осадки на территории бассейна распределяются неравномерно. Основное количество атмосферной влаги выпадает в северо-восточной части озера. Это обусловлено тем, что теплые воздушные массы, проникающие с юга, встречают на своем пути отроги Онежско- Ладожского водораздела, где перед возвышенностью осадки концентрируются и выпадают на землю (Рыжков, 1999).
Рельеф дна Ладоги характеризуется уклоном с юга на север с обширными мелководьями на юге и глубокими ямами на севере. На мелководной части грунты песчаные, а глубоководной илистые. Ладожское озеро относится к холодноводным водоемам, хотя в летний период поверхностный слой воды может прогреваться до 18 -25С.
Северная часть озера представлена большим числом островов (более 600). Большая их часть находится у северо-западного берега, где они образуют сложные шхеры (Попов, 1961). В южной части островов мало и вдоль побережья находятся места наибольших концентраций карповых рыб.
Гидрографическая сеть бассейна северной Ладоги представлена огромным числом рек и озер. Только на территории Карелии в Ладожское озеро впадает 368 рек. Притокам северной Ладоги свойственны небольшая длина (16-144 км) и, как правило, небольшие площади водосбора. По химическому составу воды озерно-речных систем бассейна относятся к классу маломинерализованных.
Ладожское озеро принимает сток с водосборного бассейна площадью 258 тыс. км2, включающего четыре вторичных бассейна: частный бассейн Ладожского озера (28,4 тыс.км.); Онежско - Свирский (83,2 тыс.км.); Ильмень - Волховский (80,2 тыс.км.) и Саймо - Вуоксинский (66,7 тыс. км.).
Водосборный бассейн озера расположен на территории трех государств - России (80%), Финляндии (19,9%), Белоруссии (0,1%).
Морфология берегов различна. Северные берега высокие и скалистые; их образуют кристаллические породы. Северные участки Ладоги представляют собой сильно изрезанную береговую линию. Вдоль берега расположены бесчисленные заливы и бухты. Берег южной половины Ладоги, наоборот, мало изрезан и на многие десятки километров сохраняется его однообразие. Восточное побережье более низкое и пологое. Оно образовано послеледниковыми отложениями - песком, глиной и суглинком. Этот район отличается малым количеством островов. В пределах данного района в Ладожское озеро впадают реки Обжанка, Олонка, Тулокса, Миноланйоки, Тулемайоки.
Характеристика тяжелых металлов, их происхождение и эффект
Попадания в окружающую среду их эколого-токсикологический эффект понижается и таким образом их потенциальная определяется в основном физико-химическими формами. Биодоступность зависит также от форм их нахождения в водной среде. Наиболее опасны с этой точки подвижные формы - ионы и растворенные комплексы. В силу этих особенностей определение суммарной концентрации тяжелых металлов обеспечивает достаточно полную информацию о возможном токсичном влиянии, взаимодействии с донными отложениями, суспензиями и др. Установлено, что, поступая в водоемы, они включаются в круговорот веществ и подвергаются различным л. Неорганические соединения быстро связываются буферной системой воды в слаборастворимые гидроокиси, карбонаты, сульфаты, фосфаты, адсорбируются донными осадками, взвесями.
Некоторые соли металлов, например, меди, цинка, хрома в слегка щелочной среде выпадают в осадок и таким образом обогащают иловые отложения водоема токсикантами и отрицательно влияют на процессы их самоочищения.
В настоящее время кадмий - один из самых широко распространенных и наиболее токсичных загрязнителей природной среды. Основной вклад в загрязнение биосферы этим элементом вносят цветная металлургия, лакокрасочное производство, аккумуляторная промышленность, где этот металл интенсивно используется (Никаноров и др., 1985; Эйхлер, 1985).
Производство и использование кадмия особенно возросло во второй половине текущего столетия. В настоящее время в мире ежегодно производится более 12 тыс. тонн кадмия (Page, Bingham, 1973). Мировое производство этого металла в 70-80-е годы двадцатого столетия по сравнению с 50-ми годами возросло вдвое (Гавриленко, Сорокина, 1988; Бурцева и др., 1991).
Кадмий попадает в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, мазута и дизельного топлива. Каждая тонна угля содержит до 2 г этого элемента. Сжигание бытовых отходов, в первую очередь, пластмасс -дополнительный источник поступления в биосферу кадмия. Кадмий может загрязнять сельскохозяйственные поля, если содержащий кадмий ил из городских очистных сооружений вывозится на поля для "улучшения" почвы (Winger et al, 2000). То же самое происходит и при попытках удобрять лесные земли илом из отстойников (Hegstrom, West, 1989).
Кадмий, наряду с другими тяжелыми металлами, поступает в биосферу и в результате различных природных явлений. Лесные пожары, вулканические извержения, ветровой разнос почв, жизнедеятельность растений способствуют поступлению в биосферу Земли ежегодно до 843 т кадмия. Это количество, однако, составляет лишь 10% от того, что приходится на долю промышленности (Гавриленко, Сорокина, 1988).
Из атмосферы тяжелые металлы выпадают при осаждении паров, аэрозолей, пыли или в виде растворимых соединений с дождем и снегом. В то же время значительная часть тонкодисперсных аэрозолей и газов, несущих тяжелые металлы, остается в атмосфере и переносится на расстояния в сотни и тысячи километров, вступая в глобальный круговорот веществ на Земле (Добровольский, 1983). Фоновые концентрации кадмия в атмосферном воздухе Европы колеблются от 0,17 до 1,33 нг/м, в атмосферных осадках - от 0,07 до 5,7 мкг/л (Аналитический обзор..., 1989), в почвах - от 0,25 до 1,25 мг/кг сухого вещества (Бурцева и др., 1991).
Включаясь в пищевые цепи и поступая в избыточном количестве в организм животных, кадмий оказывает негативное влияние на клеточном и тканевом уровнях на системы органов и организм в целом.
Исследования, проведенные на различных видах позвоночных животных из природных популяций, продемонстрировали глобальный характер загрязнения кадмием птиц и млекопитающих из различных регионов мира. Этот токсикант был обнаружен в органах и тканях животных - обитателей наземных и водных экосистем (Медведев, 1990).
В различных органах и тканях животных кадмий накапливается в разной степени. При изучении особенностей его распределения у представителей различных систематических групп птиц и млекопитающих установлено, что главными органами-накопителями кадмия являются почки и печень является органом, обеспечивающим барьерную функцию между организмом и средой, накапливающим и нейтрализующим природные токсиканты. Одна из отличительных особенностей в характере накопления кадмия организмом - ярко выраженная зависимость в увеличении концентрации этого металла в органах с увеличением возраста животных.
Содержание тяжелых металлов в органах различных видов рыб Ладожского озера
Интерес к содержанию тяжелых металлов в рыбах Ладожского озера резко возрос сравнительно недавно и связан с увеличением антропогенной нагрузки на водные экосистемы этого региона, нарушающей естественный круговорот химических элементов. Экологические последствия таких геохимических изменений не могут не привлекать пристального внимания, так как в отличие от других веществ, загрязняющих среду, металлы в естественных условиях не разрушаются, а лишь меняют форму нахождения.
Тяжелые металлы являются неотъемлемой составной частью организма, поскольку многие соединения данных элементов входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Без их участия невозможны дыхание, образование крови, белковый, углеводный и жировой обмены. Опасность изменения фонового содержания металлов объясняется тем, что индивидуальная потребность гидробионтов в данных элементах очень мала, а поступление из внешней среды их избыточных количеств приводит к различным токсическим эффектам и нарушению жизнедеятельности (Патин, Морозов, 1981; Ветров, Кузнецова, 1997; Попов, 2002).
Полученные данные о распределении металлов в различных органах исследованных видов рыб представлены в табл. 3. Исследования позволили установить, что у всех видов рыб отмечаются высокие концентрации железа и цинка, тогда как содержание других элементов имеет заметно более низкие значения концентраций. При этом было показано, что варьирование значений концентраций ТМ наблюдается в широких пределах в зависимости как от вида рыб, так и исследованного органа.
