Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 17
1.1. Краткие сведения о тяжелых металлах, их распространение в водной среде и основные источники поступления в организм пресноводных рыб и других гидробионтов ртути, свинца и кадмия 17
1.2. Токсикокинетика ртути, свинца и кадмия в организме пресноводных рыб 30
1.3. Токсическое действие тяжелых металлов на живые организмы 37
1.4. Биохимические реакции пресноводных рыб на загрязнение среды обитания тяжелыми металлами 43
1.5. Особенности функционирования биохимических систем пресноводных рыб в условиях загрязнения окружающей среды ртутью, свинцом и кадмием 50
1.5.1. Влияние ртути, свинца и кадмия на биосинтез белка 51
1.5.2. Влияние ртути, свинца и кадмия на общий метаболизм ли-пидов 54
1.6. Влияние термической обработки рыбопродуктов на уровень содержания ртути 59
Глава 2. Материал и методы исследования 63
2.1. Общая характеристика объектов исследования 63
2.2. Условия проведения исследований 69
2.3. Основные биохимические и химико-аналитические методики 71
2.3.1. Определение белка 71
2.3.2. Гель-хроматография белков 72
2.3.3. Определение глутатиона (GSH) 72
2.3.4. Диализ 73
2.3.5. Определение активности глутатион-зависимых ферментов (глутатион-пероксидазы и глутатион-редуктазы) 74
2.3.6. SDS-электрофорез 75
2.3.7. Изоэлектрическое фокусирование 77
2.3.8. Определение общего содержания металлов 79
2.3.9. Статистические методы 81
Глава 3. Содержание соединений ртути, свинца и кадмия в пресно водных системах Якутии 82
3.1. Содержание соединений ртути, свинца и кадмия в пресноводных системах Момского района 87
3.2. Содержание соединений ртути, свинца и кадмия в пресноводных системах Вилюйского района 92
Глава 4. Накопление соединений ртути, свинца и кадмия в органах и тканях пресноводных рыб Якутии 102
4.1. Накопление и распределение соединений ртути в органах и тканях пресноводных рыб Якутии 104
4.2. Накопление и распределение соединений кадмия в органах и тканях пресноводных рыб Якутии 109
4.3. Накопление и распределение соединений свинца в органах и тканях пресноводных рыб Якутии 112
Глава 5. Содержание соединений ртути, свинца и кадмия у плотвы (Rutilus rutilus, L.) из рек различных природно-климати ческих зон России 121
Глава 6. Биохимические системы детоксикации ртути, свинца и кадмия у пресноводных рыб 129
6Л. Металл-связывающие белки пресноводных рыб 129
6.1.2. Исследование металлотионеинов 131
6.1.2.1. Исследования по обнаружению и выделению металл-связывающих белков пресноводных рыб 131
6.1.2.2. Определение выхода SH-содержащих белков 131
6.1.2.3. Определение молекулярной массы белков 132
6.1.2.4. Исследование структуры SH-содержащих низкомолекулярных белков 133
6.1.2.5. Определение содержания металлов во фракциях низкомолекулярных белков 134
6.2. Биохимическое значение глутатионовой системы в аккумуляции и детоксикации ртути, свинца и кадмия у пресноводных рыб 149
6.2.1. Определение содержания глутатиона 151
6.2.2. Определение активности глутатионпероксидазы 151
6.2.3. Определение активности глутатионредуктазы 152
Глава 7. Анализ промысла рыб в водоемах Якутии 167
7.1. Современное состояние рыболовства 167
7.2. Влияние горнорудной промышленности на рыбную популяцию реки Вилюй 176
Глава 8. Влияние термической обработки пресноводной рыбы на общее содержание ртути, свинца и кадмия 179
8.1. Влияние термической обработки пресноводной рыбы на уровень общего содержания ртути 182
8.2. Влияние термической обработки пресноводной рыбы на уровень общего содержания кадмия 184
8.3. Влияние термической обработки пресноводной рыбы на уровень общего содержания свинца 186
Заключение 190
Выводы 216
Практические рекомендации 219
Литература 220
Приложения 268
Список сокращений
ААС - атомно-абсорбционная спектроскопия
ВНИИПРХ - Всероссийский научно-исследовательский институт прудово-
рыбного хозяйства
ДТТ - дитиотрентол
ИСП - метод индуктивно-связанной плазмы
КБ - коэффициент биоконцентрирования
КК- критическая концентрация
ЛПВ - лимитирующий показатель вредности
МС - Масс спектрометрия
МТ - металлотионеин
ОБУВ ориентировочно безопасный уровень воздействия
ПДК - предельно допустимые концентрации
PC (Я) - Республика Саха (Якутия)
ТМ - тяжелые металлы
ТХУ - трихлоруксусная кислота
ФМСФ - фенилметилсульфонил фторид
ЯНЦ СО РАН - Якутский научный центр Сибирского отделения РАН
CF - концентрационный фактор
DTNB - дитионитробензойная кислота
ЕРА - Агентство по охране окружающей среде США
GSH - восстановленная форма глутатиона
GSSG - окисленная форма глутатиона - глутатиондисульфид
LD50 и LC50 - средние летальные доза и концентрация
- Краткие сведения о тяжелых металлах, их распространение в водной среде и основные источники поступления в организм пресноводных рыб и других гидробионтов ртути, свинца и кадмия
- Условия проведения исследований
- Содержание соединений ртути, свинца и кадмия в пресноводных системах Вилюйского района
Введение к работе
Стремительные темпы развития производства, все возрастающая химизация отраслей экономики страны неизбежно ведут к появлению во внешней среде больших количеств разнообразных химических соединений.
В число этих соединений входят не только отходы и выбросы промышленных предприятий, порожденные несовершенством технологических операций, но и многочисленные химические вещества, специально созданные человеком: пищевые добавки, лекарства, косметические средства, продукты бытового использования, сельскохозяйственные удобрения, пестициды, промышленные яды и т. д.
Многогранная и интенсивная деятельность человечества способствует появлению в биосфере большого количества веществ, ранее находившихся в земных недрах, а также большого разнообразия индивидуальных химических соединений, выделенных из природных источников или созданных разумом человека.
Длительное время гигантская масса промышленных отходов бесконтрольно сбрасывалась в окружающую среду, попадая в водные системы и в почву. Этому способствовали две причины- первая- отсутствие безотходных технологий и вторая — заблуждение, согласно которому считалось, что природа может эффективно инактивировать опасные отходы с помощью процессов самоочищения.
Ошибочное представление ученых, абсолютизирующих устойчивость природной среды к действию химических веществ, способствовали еще большей недооценке опасности, которую представляют не утилизируемые промышленные отходы.
К этому времени все очевидней становится возникший разрыв между высокой способностью современной цивилизации создавать новый химический потенциал планеты и ограниченными возможностями человека и биосферы в целом воспринять действие этого потенциала с достаточной эффективностью и без серьезных отрицательных последствий.
7 В.И. Вернадский был одним из первых ученых, обративших еще сто лет назад внимание на быстрый рост масштабов антропогенной деятельности -техногенной и химической, которая уже тогда становилась сравнимой с действием самых мощных природных процессов. И только серия экологических катастроф, потрясших мировое сообщество и приведших к невосполнимой утрате ценнейших биологических ресурсов, а также к неисчислимым материальным расходам, коренным образом изменили научное и общественное мнение.
Как следствие этого были сформированы целые научные направления, объединяющие ученых различных специальностей, включая биологов, географов, медиков, ветеринарных врачей.
С начала 70-х годов стали регулярно проводиться научные конференции и симпозиумы по проблемам охраны окружающей среды. Появились десятки новых научных журналов, в которых публиковались статьи, посвященные практическим и теоретическим вопросам влияния загрязнения на окружающую среду, здоровье человека и животных. Существенно стали поддерживаться работы, направленные на разработку новых методических подходов и совершенствование критериев оценки качества окружающей среды.
Разносторонние усилия ученых всего мира способствовали укреплению общественного мнения о необходимости развития экологического направления в науке и координации усилий по предотвращению дальнейшего загрязнения окружающей среды.
Первые практические шаги в этом направлении были сделаны в конце 70-х годов, когда все промышленно развитые страны утвердили правила, регламентирующие использование, хранение и размещение химических отходов.
Между тем стало очевидным, что прогрессирующее антропогенное влияние в виде химического загрязнения, прежде всего, проявляется в функционировании гидросферы. Большая часть быстро увеличивающихся отходов, выбрасываемых в окружающую среду, со стоками, с атмосферными осадками и другими путями попадают в озера, реки, моря и океаны, воздействуя на их флору и фауну, нарушая функционирование водных экосистем.
8 Острота этой проблемы привела к тому, что в 1969 году Генеральная ассамблея ООН, а затем Конференция ООН по окружающей среде в перечне первоочередных экологических проблем, затрагивающих интересы всего человечества, особо выделили проблему загрязнения гидросферы, а 1980 - 1990 гг. официально были объявлены Международным десятилетием улучшения качества природных вод.
Интенсивные отечественные и зарубежные исследования в этом направлении позволили полнее оценить происходящие изменения в гидросфере. Были опровергнуты суждения, что огромный объем Мирового океана (1379 х 106 км3) и процессы естественного самоочищения приведут к уменьшению воздействия загрязняющих веществ на морские экосистемы в связи с разбавлением их морской водой.
Оказалось, что, наряду с прибрежными акваториями особенно вблизи промышленных центров и стоков крупных рек, антропогенному прессу подвержены и открытые части Мирового океана. Ежегодно из атмосферы на поверхность Мирового океана выпадает 3 х 105 т нефтяных углеводородов, 2 х 105 - 2 х Юб т свинца, 2 - 3 х Ю3 т ртути, 5 х Ю2 - 1,4 х Ю4 т кадмия, 2 - 3 х 103 т полихлорбифенилов, 1 х Ю3-3 х ю4 т мышьяка. Распространению загрязняющих веществ на большие расстояния способствуют интенсивные течения и дальние атмосферные переносы. Даже в представителях морской фауны Арктики (от ракообразных до млекопитающих) обнаружены заметные количества антропогенных химических соединений (Muir D.C.G. et al., 1992).
Изменения химического состава водной среды, прежде всего, может повлечь за собой серьезные нарушения в жизнедеятельности гидробионтов разных систематических и экологических групп. Поэтому повышенное внимание к проблемам качества водной среды со стороны мирового сообщества резко стимулировали развитие водной токсикологии — комплексной гидробиологической и эколого-физиологической дисциплины, исследующей взаимодействие водных организмов с токсическими факторами среды и с их антропогенно нарушенными биотопами (Патин С.А. и др., 1989).
9 По своему содержанию и по характеру применяемых методов водная токсикология - экспериментальная наука, изучающая не только реакции гидро-бионтов на токсические факторы различной природы (Строганов Н.С., 1972), но также и такие вопросы, которые иногда относят к биогеохимии загрязняющих веществ в гидросфере (Патин С.А., 1979).
Токсикация окружающей среды происходит веществами как органического, так и неорганического происхождения. Кроме 22 радионуклидов имеются 13 металлов (Be, Al, Cr, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Tl, Pb), токсичных во всех своих водо-, щелоче- и кислоторастворимых соединениях. К этому перечню следует добавить многие тысячи органических веществ, преимущественно синтетического происхождения.
Некоторые из этих веществ - целевой продукт человеческой деятельности, обладающий ценными техническими свойствами. Другие - малые, порой ничтожные примеси веществ, образующихся при производстве энергии, материалов, пищи. Эти токсичные вещества попадают в окружающую среду и либо надолго задерживаются в почвах, либо с водотоком и при ветровом движении воздуха распространяются на сотни, тысячи километров от места их возникновения.
С водой, воздухом и пищей токсины попадают в организм животных и человека, а результатом этого являются последствия - от острого отравления со смертельным исходом, до проявляющихся лишь через годы заболеваний. Порой эти последствия проявляются и в следующих поколениях.
Многочисленные статистические данные свидетельствуют об ухудшении генофонда, увеличении доли детей с теми или иными отклонениями от физиологических или психических норм. Не сгущая краски, ученые предупреждают об опасности дегенерации человеческой расы в расу с всевозможными заболеваниями в результате глобальной токсикации окружающей среды.
При этом специфические и неспецифические заболевания, которые прослеживаются сегодня в результате хронической токсикации, приводят как минимум к снижению качества и продолжительности жизни. Выявление в окру-
10 жающей среде токсичных веществ современными методами химико- токсикологического анализа привело к появлению новых терминов - "экотоксины" и "суперэкотоксины" для веществ, токсичность которых проявляется при очень малых концентрациях.
Из этой многочисленной группы загрязняющих гидросферу химических веществ Агентство по охране окружающей среды США выделило как приоритетные и наиболее опасные 129 химических соединений, из которых 114 - органические вещества, цианиды, асбест и 13 металлов.
В общей проблеме загрязнения водной среды одно из ведущих мест принадлежит тяжелым металлам, которые по масштабам поступления в гидросферу уступают только нефтепродуктам. Однако в отличие от органических загрязнителей, подверженных в той или иной степени деструкции и биотрансформации, соединения металлов не способны к подобным превращениям, а лишь перераспределяются между отдельными компонентами водных экосистем: водной взвесью, донными отложениями, биотой.
В этой связи их рассматривают как постоянно присутствующие в экосистеме. Соответственно, соединения металлов способны сохранять токсичность, практически бесконечно, а возможность передачи и накопления в результате пищевых взаимоотношений увеличивает опасность их нахождения в водной среде.
С экотоксикологической точки зрения, ионы тяжелых металлов, активно участвуя в биологических и физико-химических процессах гидросферы, не исчезают из биологического круговорота, их токсичность не снижается, а, напротив, по мере возрастания концентрации увеличивается. Поэтому устойчивые тенденции к росту антропогенного воздействия на биосферу дают основания некоторым экотоксикологам утверждать, что дальнейшая эволюция всех биологических систем различного уровня организованности будет протекать в условиях неизбежного роста минеральных веществ в окружающей среде.
Эти современные представления, по сути, являются естественным продолжением положения, сформулированного еще В.И. Вернадским. Добывая и
перерабатывая в огромных количествах минералы, извлекая из них отдельные химические элементы, которые в природных условиях либо вообще не известны, либо встречаются крайне редко и в ничтожных количествах, человек, вследствие недостаточной изученности проблемы, устанавливает для тяжелых металлов низкие МДУ (максимально допустимые уровни).
При этом за непродолжительное время биологические объекты накапливали токсическое количество металлов с проявлением патологических отклонений. Наиболее известный пример массового отравления ртутью был вызван именно CH3Hg+. В 1956 г. была установлена "болезнь Минамата" в Южной
Японии, вблизи морского залива с таким названием. В 1959 г. было доказано, что болезнь эта вызывается употреблением в пищу рыбы, отравленной ртутью в форме хлорида CH3HgCl, сбрасываемого химическими предприятиями в воды
залива. Концентрация ртути была столь высока, что рыба погибала. Употребляя такую рыбу птицы падали прямо в море, а кошки, отведавшие отравленной пищи передвигались, "кружась и подпрыгивая зигзагами" (Harada М., 1978).
Существуют две категории оценки действия токсических веществ на биологическую систему, которые могут применяться в качестве тестов: первая -определение количества химического вещества в биологическом объекте, подвергнутом воздействию этого соединения; вторая - установление интенсивности биохимических реакций, которые проявляются под влиянием избыточной экспозиции.
В настоящее время вторая категория развита значительно слабее первой, однако, можно ожидать, что она станет доминирующей в современной экоток-сикологии при наличии более глубокого понимания биохимических процессов и усовершенствования аналитических методов.
Тяжелые металлы обладают высокой аккумулирующей способностью, поэтому их опасность заключается в возможных отдаленных (первоначально скрытых) последствиях, которые могут быть инициированы прямым, или спровоцированы опосредованным влиянием накопления металлов. Весьма сложной, но необходимой, представляется задача выявления скрытых сдвигов в организ-
12 ме, которые нередко носят неспецифический характер и реализуются в виде отдаленных эффектов.
Очевидно, что длительное токсическое воздействие малой интенсивности невозможно ни выявить, ни объяснить без знания молекулярных механизмов взаимодействия токсиканта с функциональными системами клетки.
Изучение биохимических реакций при воздействии любого химического вещества позволяет оценить функциональное состояние органов и систем, понять механизмы формирования основного патологического процесса. Поэтому, оценка развития отдаленных проявлений может быть более эффективной, если существуют данные изучения биохимических систем.
Для прояснения негативных тенденций в токсичности тяжелых металлов необходимо всестороннее изучение всего комплекса биохимических систем де-токсикации, наряду с выявлением наиболее чувствительных (уязвимых) к действию тяжелых металлов биологических структур в клетке.
Известно, что организм обладает защитным биохимическим механизмом, который предохраняет его от пагубного воздействия тяжелых металлов, но мы до сих пор далеки от понимания, как эта защитная система функционирует, каковы ее возможности и степень взаимоотношения с другими биохимическими системами.
Иными словами, мы далеки даже от понимания, является ли известная защитная система "детоксикационной", особенно, если учесть, что сами металлы не подвергаются утилизации, и как функционируют ключевые (регулирующие) биохимические системы клетки в условиях увеличивающегося содержания "балластных" элементов.
Между тем под влиянием повышенных концентраций тяжелых металлов, в результате чего активизируются защитные механизмы, в тканях животных происходит усиление затрат важнейших биогенных веществ на поддержание жизнедеятельности. Не исключено, что весь комплекс биохимических систем, обеспечивающий "детоксикацию" и удерживание тяжелых металлов длительное время, может одновременно ослабить другие защитные механизмы орга-
13 низма.
Последнее обстоятельство может быть решающим во взаимоотношениях тяжелых металлов с пресноводными рыбами, жизнедеятельность которых в подверженных флуктуациям условиях обитания во многом определяется пластичностью биохимических систем организма.
При изучении хронического действия вредных веществ установление биохимических показателей является важным методическим принципом. Расшифровка биохимических механизмов, лежащих в основе "скрытых" патологических сдвигов, повышает требования к гигиеническим нормативам, что является необходимым условием для надежного научного прогнозирования экологических последствий загрязнения гидросферы и позволит избежать возможных ошибок при освоении биологических ресурсов Крайнего Севера.
Поэтому изучение биохимических изменений, связанных с аккумуляцией тяжелых металлов в организме пресноводных рыб, можно рассматривать как одно из важнейших направлений исследований, формирующих научную базу экологической оптимизации природопользования. Основное внимание должно быть сосредоточено на решении указанных вопросов по той причине, что в Якутии на долю оленины и рыбы, вместе взятых, приходится около 150 г белка (84%), 146 г жира (71%) и более половины всех калорий (Панин Л.Е. и др., 1983). Такой характер питания они считают сбалансированным, адекватным местным природно-климатическим условиям. Высокое содержание белка и жира в суточном рационе вполне оправдано. В сложившихся изолятах специалисты по гигиене питания рекомендуют сохранить белково-липидный тип питания.
Значение рыболовства в Якутии обусловливается и тем, что, наряду с ролью рыбы как продукта питания, она используется как корм для содержания большого количества транспортных собак, широко применяемых на песцовом промысле. Корме того, она находит широкое применение на зверофермах республики.
По мнению многих авторов, рыба является идеальным объектом исследо-
14 ваний, позволяющих установить степень влияния на живой организм различных токсикантов (Лукьяненко В.И., 1985). Среди живых организмов, обитающих в загрязненных водоемах, рыбы в силу биологических особенностей являются наиболее подходящими объектами исследования, позволяющими оценить процессы трансформации водоемов (Black J.D., 1949; Patrick R., 1950; Cairns J.J., 1979;KarrJ.R.etal, 1981; Weber С, 1981).
Показатели состояния популяций и организмов рыб отражают состояние окружающей среды и могут быть использованы для ее оценки (Строганов Н.С., 1962; Никольский Г.В., 1961, 1974; Метелев В.В. и др. 1971; Аршаница Н.М., 1987,1988,1991; Лесников Л.А., 1979; Лукьяненко В.И., 1983, 1987; Решетников Ю.С., 1988; Моисеенко Т.Н., 1997; Моисеенко Т.Н. и др., 1990, 1991; Сидоров B.C. и др., 1990, 1993; Юровицкий Ю.Г. и др., 1993; Кашулин Н.А. и др., 1992, 1999; Шатуновский М.И. и др., 1996; Шатуновский М.И., 1997; Решетников Ю.С. и др., 1997; Adams S.M. et al., 1992, 1993; Rosseland B.O. et al., 1979; Roch M. et al., 1982; Dallinger R. et al., 1985; Larsson A. et al., 1985; Rosseland B.O., 1986; Dunn M.A. et al., 1987; Haux С et al., 1988; Ramm A.E., 1988; Munkittrick K.R. etal., 1989a и др.).
По нескольким причинам рыб считают наиболее удобными объектами мониторинга состояния водных экосистем и, в конечном итоге, их водосборов (Karr J.R., 1981, 1987; Karr J.R. et al, 1981, 1986).
Поскольку, рыбы чувствительны к широкому множеству прямых воздействий, они интегрируют неблагоприятные эффекты всего комплекса различных воздействий, включая и воздействие на другие компоненты водной экосистемы (среда обитания, макробеспозвоночные, первичная продукция и т.д.), на основании их зависимости от этих компонентов в процессах воспроизводства.
Кроме того, рыбы относительно долгоживущие организмы, поэтому изменения популяционных и организменных показателей позволяют регистрировать обусловленные или кратковременными, или долговременными хроническими воздействиями неблагоприятных условий окружающей среды.
Наконец, рыбы по сравнению с другими таксонами, могут быть использо-
15 ваны для оценки социального ущерба деградации окружающей среды, поскольку их экономические и эстетические ценности широко известны. К этим критериям можно добавить:
рыбы доступны для отбора проб статистически достаточного объема;
имеют достаточно большие размеры, позволяющие отбирать необходимое количество тканей для различного рода исследований (биохимические, токсико-химические и т.д.), удобны для оценки физиологического состояния;
обладают определенной резистентностью к сублетальному воздействию загрязняющих веществ и обитают в районах с различной степенью загрязнения;
могут быть использованы для прогноза последствий данного типа загрязнений для человека, так как многие фундаментальные биохимические процессы схожи.
В рамках этих представлений дальнейшей целью является охарактеризовать с токсикологической и биохимической точки зрения процесс аккумуляции токсических химических элементов (тяжелых металлов) и обосновать экотоксикологические последствия этого явления для биологических систем на примере пресноводных рыб, обитающих в реках и озерах Якутии; выяснить взаимосвязь между уровнем накопившихся тяжелых металлов и сдвигами в биохимических системах рыб и на этой основе оценить диагностическое и прогностическое значение биоаккумуляции.
Защищаемые положения.
Распределение соединений ртути, свинца и кадмия в органах и тканях пресноводных рыб в Якутии в зависимости от вида, возраста, времени года и среды обитания.
Особенности поведения ртути, свинца и кадмия в пресноводных системах Якутии за последнее десятилетие.
Сравнительный анализ распределения ртути, свинца и кадмия в органах и тканях у плотвы в зависимости от природно-климатических условий обитания.
4. Особенности функционирования металлотионеина и GSH у пресноводных
- рыб Якутии.
5. Изучение влияния термической обработки на остаточные количества соединений ртути, свинца и кадмия при изготовлении различных рыбопродуктов.
Краткие сведения о тяжелых металлах, их распространение в водной среде и основные источники поступления в организм пресноводных рыб и других гидробионтов ртути, свинца и кадмия
Соединения металлов оказывают двойное влияние на микроорганизмы, растения и животные организмы. Если какие-либо металлосодержащие вещества распространены в окружающей среде, то они становятся токсичными при сравнительно низких концентрациях. В водной среде именно эта токсичность оказывает основное влияние на биообъекты. С другой стороны, недостаток отдельных металлов рассматривается обычно как некоторый фактор, ограничивающий первичную продукцию живых организмов. Таким образом, загрязнение окружающей водной среды можно рассматривать в двух направлениях: с одной стороны, устранить ограничения в доступности необходимых металлов, с другой - не допускать поступление металлов до их токсических уровней (Мартин Р., 1993).
Что касается баланса соединений металлов и их экологического влияния, то загрязнение бытовыми и промышленными отходами производится четырьмя главными путями: собственно металлами, питательными веществами для фото-трофных и питательными веществами для гетеротрофных организмов, органическими веществами, способными взаимодействовать с металлами, и тем самым влиять на их биодоступность (Эйхенбергер Э., 1993).
Экотоксикологический эффект действия тяжелых металлов зависит от ряда факторов: биологической особенности объекта, качества среды (концентрация, температура, жесткость, рН и др.), типа соединений, в котором находится металл, продолжительности воздействия, путей поступления металла (вода - поверхность, донные осадки, пищи), физиологического состояния рыб, синергетического эффекта с другими стрессовыми факторами, в том числе и другими металлами, способности рыб перемещаться в незагрязненные участки и др. (Сукачев В.А. и др., 1989; Brustle J., 1990).
На рис. 1 систематизированы факторы, потенцильно влияющие на токсичность и биодоступность тяжелых металлов в природном водоеме по классификации Hakanson L. (1984).
Поступление соединений металлов. Большинство водных организмов сорбирует соединения металлов из растворов, омывающих их поверхность, а животные получают их дополнительно из пищи. В затопленных растениях корни играют малую роль в питании растений, поскольку минеральные компоненты поступают в растения, в основном, через листья (Waisel J. et al., 1983).
Поступление соединений металлов зависит от перепада градиента концентрации через клеточные мембраны. Это было установлено при аккумуляции лигандов с металлами на клеточной поверхности, перенос через клеточную мембрану лигандами-носителями и проникновении металлоиона внутрь клетки специфическими биомолекулами. При этом, синтез различных лигандов осуществляется за счет метаболизма (Wood J.M., 1984).
Скорость поступления металлов в организм животных и растений обычно пропорциональна концентрации свободного иона, а не общей концентрации металла (Borgmann U., 1983). Образующиеся комплексы обычно не поглощаются организмом, однако существует некоторое несоответствие между судьбой связанного металла на поверхности клетки и распадом органических хелатооб-разующих соединений.
Механизм поступления металлов быстр и эффективен. В общем соотношении концентраций металла внутри организма и вне его, так называемый концентрационный фактор CF, имеет величину порядка 103 - 104. Истинное значение зависит от типа металла и от его свойств, от организма, условий окружающей среды и варьирует при известных ограничениях примерно на 2 — 3 порядка (Steeman Nielsen Е. et al., 1970).
Особые условия для поступления веществ в поверхностные пленки на границе воздух - вода были показаны в работе Fuhs G. W. (1982). Хелатирова-ние и образование белковых соединений преобразует токсичные ионы металлов в нетоксичные связанные формы, подходящие для проникновения металла, его транспорта и накопления (George S. G., 1982). Соединения разного функционального назначения включают сидерохромы для поступления металла путем его изоляции, белки для внутриклеточного транспорта, запасающие белки, подобные металлотионеинам.
Время полужизни такого рода белков составляет несколько дней, таким образом, поддержание гомеостаза по отношению к металлам есть процесс динамичный.
Ртуть. В земной коре ртуть содержится в количестве 0,5 мг/кг, в морской воде - около 0,03 мкг/л. В организме взрослого человека содержится около 13 мг ртути, причем около 70% - в жировой и мышечной ткани (Ершов Ю. А. и др., 1989). У всех гидробионтов ртуть в различных концентрациях обнаруживают во всех тканях.
Элемент не является необходимым для человека и животных. Вместе с тем, при низких концентрациях (1 мкг/г) в питьевой воде она стимулирует, а при высоких (5 мкг/г) задерживает рост мышей (Schtoeder Н. А., 1973).
Основным источником поступления ртути в окружающую среду является процесс ее испарения из земной коры в количестве 25 - 125 тыс. тонн ежегодно. Около 0,1 % этого количества остается в океанах в растворенном виде (табл. 1). Океаны, содержащие 97% поверхностных вод, являются самыми большими аккумуляторами растворенной ртути. Она поступает в атмосферу и в результате эрозии земной коры, причем для континентальных шельфов составляет 49x10"6 г/м2 год, а для океанов и полярных районов 4,6x10"6 г/м2 год (Nriagu J. О., 1979).
Условия проведения исследований
При отборе проб воды, донных отложений, водорослей и рыб учитывалось их количество с тем, чтобы пробы были достаточными для последующего осуществления количественного анализа уровня валового содержания тяжелых металлов в изучаемых природных объектах.
Отбор проб изучаемых материалов осуществлялся без использования металлических предметов. Собранные пробы помещались в пластиковые емкости, предварительно промытые азотной кислотой (1:1), а затем промытые дистиллированной водой.
Перед помещением проб объектов водной среды в пластиковые емкости, их смачивали природной водой из биотопа исследований, после чего упаковывали во вторые полиэтиленовые пакеты и проводили глубокую заморозку при температуре не выше -18С. В замороженном состоянии пробы органов и тканей рыб, воды, водорослей и донных отложений хранились до начала исследований в морозильных камерах химико- токсикологической лаборатории.
Ввиду того, что качество воды, водорослей и донных отложений в большинстве случаев с течением времени изменяется как в разных местах рек и озер, так и в различные периоды времени, применялся серийный отбор проб объектов водной биоты, при котором каждая проба берется в определенной пространственно-временной связи и с целью исследования. Таким образом, каждая проба воды, водорослей и донных отложений характеризует содержание тяжелых металлов в точке в момент отбора исследуемых рыб.
Для исследования концентрации ртути, свинца и кадмия у пресноводных рыб отбирались мышцы, печень, кишечник, жабры и кости. Металлы определялись у двух возрастных групп: у мелких особей в возрасте до 2 лет и у крупных рыб (размером соответствующих для употребления в пищу), имеющих возраст от 5 до 7 лет.
Определение возраста рыб производилось по чешуе, взятой под спинным плавником выше боковой линии или над анальным плавником у его основания. Данные по определению возраста некоторых рыб дублировались материалами изучения его по жаберным крышкам (окуневые, карповые). Регистрируемые структуры просматривались под бинокулярным микроскопом МБС-1. При определении возраста были использованы общепринятые методики (Правдин И.Ф., 1966; Чугунова Н.И., 1959; Мина М.В., 1973; Мина М.В. и др., 1976).
Для санитарно-токсикологического исследования готовых рыбопродуктов использовались кулинарные рецепты местных жителей, с тем, чтобы оценить изменения содержания ртути, свинца и кадмия в готовых рыбопродуктах при традиционных способах кулинарной обработки населением Якутии. При отборе проб и рыбопродуктов руководствовались ГОСТ 7631-85 "Рыба, продукты из рыбы, морских млекопитающих и беспозвоночных. Правила приемки. Методы органолептической оценки качества. Методы отбора проб для лабораторных испытаний", переизданны в 1991 г. В местах отлова рыб проводилась ветеринарно-санитарная экспертиза по органолептическим показателям. У всех отобранных рыб были: хорошо выраженное окоченение мышц (при надавливании пальцем ямка в области спинных мышц быстро исчезала), чешуя блестящая или слегка побледневшая с перламутровым отливом, плотно прилегала к телу, слизь прозрачная, без примесей крови и постороннего запаха.
Новообразования на теле отсутствовали. Кожа упругая, без посторонних пятен, имела естественную для каждого вида рыб окраску, плотно прилегала к тушке. Плавники цельные, естественной окраски. Жаберные крышки плотно закрывали жаберную полость. Брюшки имели характерные для соответствующего вида рыб форму, не вздутые. Анальное отверстие плотно закрыто, не выпячено, без истечения слизи. На разрезе мышечная ткань упругая, плотно прилегала к костям, на поперечном разрезе спинные мышцы имели характерный цвет для каждого вида рыб. Внутренние органы хорошо выражены, естественной окраски и структуры, без наличия новообразований. Все особи визуально были клинически здоровыми.
Содержание соединений ртути, свинца и кадмия в пресноводных системах Вилюйского района
Река Вилюй - один из наиболее мощных притоков Лены. Она берет начало на восточном склоне Ханаанских гор, ее длина 2435 км. В границах Сунтар-ского района Вилюй протекает вначале по заболоченной низменности и носит характер равнинной реки, а затем, входя трапповых даек, образует ряд перекатов и порогов. На этих участках Вилюй становится типичной горной рекой, а скорость его течения на отдельных перекатах достигает 15 км/час. В дальнейшем образует много островов, удобных для организации неводного лова и заводей, где молодь карповых, окуневых, а иногда и нельмы находит для себя прекрасные пастбища. Уровень воды, как в реках, так и в озерах этого региона, зависит от количества осадков и характерен резко выраженными двумя пиками: весенним и осенним. Температура воды в Вилюе становится положительной только во второй половине мая, достигая к этому времени лишь 0,1 С. Повышение температуры воды идет чрезвычайно медленно. Хотя период открытой воды для всех водоемов бассейна Вилюя крайне ограничен, продолжительный день и высокие летние температуры воздуха способствуют хорошему прогреванию воды (особенно в заливах, курьях и озерах) и быстрому развитию фито- и зоопланктона. Все это обеспечивает нормальное развитие и рост молоди рыб Вилюя.
Большой экологотоксикологический интерес представляет создание Ви-люйского водохранилища и его функционирование в течение 20 лет. Производственная деятельность предприятий алмазодобывающей промышленности вызвали существенные изменения в структуре и жизни экосистем долины реки Вилюй и прилегающих территорий. Резко снизилась биологическая продуктивность водных биоценозов и пойменных лугов. Произошло резкое негативное изменение химического состава речной воды, вызванное затоплением ложа водохранилища без предварительной лесосводки и лесоочистки, а также огромных объемов залповых сбросов высокоминерализованных вод от предприятий алмазодобывающей промышленности. Это стало причиной катастрофического ухудшения экологической ситуации в этом регионе: заметно увеличилась заболеваемость населения вилюйской группы районов кишечными, инфекционными, онкологическими и другими заболеваниями (Саввинов Д.Д., 1992).
Известно, что одними из решающих факторов, определяющим величину и состояние запасов рыбного населения, стоящего в верхнем звене трофической пирамиды пресноводной экосистемы, является гидрохимический режим воды.
Результаты исследований показывают (табл. 9), что в воде содержание ртути составляет 0,00002±0,000009 мг/л, что превышает ПДК для рыбохозяйст-венных водоемов в 2 раза (0,00001 мг/л), и не прослеживается сезонной динамики изменения в течение года. Это, возможно, связано с десорбцией ртути из донных отложений. При этом содержание свинца и кадмия в воде в момент исследований были в пределах ПДК для пресноводных рыбохозяйственных водоемов.
Литературные сведения о накоплении тяжелых металлов водорослями весьма противоречивы. Чтобы представить трудности, связанные с их отбором, следует обратить внимание на один пример. Так, Cladophora fracta накапливает цинк от 0,031 до 0,800 моль/кг сухой массы, а коэффициент накопления варьирует в пределах 8-310. Еще более значительные колебания коэффициента в накоплении кадмия (8 - 3400). Это зависит от количества химических элементов в воде (для цинка - 10"1 - Ю-4 моль/л, для кадмия - 10"1 - 10 6), а также других элементов: калия, кальция и др. (Гилева Э.А., 1965).
Высокие уровни содержания свинца бывают у прикрепленных растений, обитающих в загрязненных водах. Так, общее содержание свинца в 6 макровидах, собранных из водотоков индустриальных районов ФРГ, колебалось в пределах 100 - 5300 мг/кг сухой массы (Dietz F., 1973).
Содержание свинца в высших водных растениях реки Вилюй составляет 0,094±0,007 мг/кг в летний период исследования, а в зимнее время- 0,082±0,001 мг/кг. Незначительное уменьшение в зимний период, связано с прекращением вегетации и значительным уменьшением всей общей растительной массы в ре 95 ке.
Содержание кадмия в летний период в высших водных растениях составляет 0,09±0,008 мг/кг, а в холодное время года- 0,064±0,002 мг/кг. Низкие температуры препятствуют поглощению кадмия, что связано с понижением метаболизма тканей (HartB.A.etal., 1979).
Высокие уровни содержания ртути характерны для морских видов водорослей, возраст которых более одного года. Как правило, содержание выше в старой основной ткани прикрепленных растений, нежели в молодых листьях (Sarkka J.M. et al., 1978). Содержание ртути в водорослях составляет в летний период 0,0068±0,0006 мг/кг, в зимнее время- 0,005±0,0002 мг/кг, что является незначительно высоким содержанием относительно фонового содержания ртути в озерных высших растениях того же района.
Анализ литературных данных (Иванов А.А. и др., 1976; Кузнецов В.А., 1986; Дзюба А.А. и др., 1987; Aston S.R. et al., 1975, 1977) показывают, что взаимосвязи состава речных вод и осадков сложны и многообразны. С одной стороны, речные осадки могут концентрировать токсичные вещества, поступающие с загрязненными водами, а с другой, вследствие изменений условий, могут стать очагами вторичного загрязнения воды.
Содержание свинца, кадмия и ртути в донных отложениях реки, находятся на верхних границах фонового уровня. Незначительное увеличение содержания тяжелых металлов в зимний период связано с осаждением взвешенных частиц в течение зимы на донные отложения.
Озеро Эбэ Вилюйского района также относится к термокарстовому типу. Такие типы озер наиболее распространены в Колымо- Индигирской низменности, в Яно- Индигирском междуречье и в Вилюйской низменности. Есть они также в бассейне рек Оленек, Анабар и в Центральной Якутии. Глубина их до 6 м. Озеро Эбэ Вилюйского района заселено карасем и озерным гольяном. Уровень воды в озере поддерживается стабильно за счет притока поверхностных вод во время весеннего половодья или дождей.
