Накопление тяжелых металлов в рыбах Ладожского озера и в их паразитах

УДК 574.58:504.5

НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В РЫБАХ ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА И В ИХ ПАРАЗИТАХ

С.А. Салтыкова

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН

Аннотация

Изучено накопление тяжелых металлов в тканях характерных представителей ихтиофауны Ладожского озера (лосось, форель, окунь, налим, щука) и в паразитах этих рыб. Выявленные зависимости могут быть использованы для разработки новых методов биоиндикации состояния конкретного водоема.

Ключевые слова:

загрязнение тяжелыми металлами, рыбы, паразиты рыб, Ладожское озеро, методы биотестирования.

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.

Экосистема Ладожского озера в течение многих лет подвергалась загрязнению через различные антропогенные источники. Наиболее опасными загрязнителями являются соли тяжелых металлов. Многие химические элементы, относящиеся к группе тяжелых металлов (ТМ), являются необходимыми для живых организмов микроэлементами; однако при превышении пороговых концентраций они становятся высокотоксичными. В связи с этим большую важность приобретают биологические показатели различного уровня, отражающие состояния окружающей среды.

Интерес к содержанию ТМ 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. 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.

Рыбы широко используются для оценки изменений, происходящих в водных экосистемах. Состояние рыб, как на популяционном, так и на организменном уровнях, используют в качестве индикаторов загрязнения водоемов тяжелыми металлами [1-7].

Целью данной работы являлось изучение особенностей накопления тяжелых металлов организмом рыб и их паразитами, обитающими в условиях долговременного аэротехногенного загрязнения Ладожского озера, и использование полученных данных для прогноза экологического состояния пресноводных экосистем региона.

Для выполнения работы были поставлены следующие задачи:

• оценить характер накопления тяжелых металлов в организмах рыб и их паразитах исследованного водоема;

• выявить особенности распределения содержаний тяжелых металлов в органах и тканях различных видов рыб;

• дать сравнительный анализ и оценить особенности накопления тяжелых металлов в паразитах в зависимости от вида, стадии развития и вида хозяина;

• сделать попытку оценить уровень антропогенной нагрузки на Ладожское озеро.

Материалы и методы

В основу работы легли результаты паразитологических и ихтиологических исследований, проводимых на территории Ладожского озера Республики Карелия в течение полевых сезонов 20032005 гг. Представлены и обобщены результаты собственных исследований и многочисленные литературные данные по накоплению загрязнения водоемов тяжелыми металлами и их влиянию на рыб. Объектами были рыбы и их кишечные паразиты, обитающие в Ладожском озере, а также тяжелые металлы, содержащиеся в этих объектах.

Основными ТМ, которые мы определяли в работе, были: медь, цинк, кадмий, никель, железо, свинец.

Сбор материала проводился летом 2003-2005 гг. на рыболовецких участках южной части Ладожского озера: в Олонецком районе, пос. Усть-Обжанка. Рыбу отбирали в основном из промысловых уловов рыбаков.

Сбор ихтиологического материала осуществлялся с помощью пассивных орудий лова (сети различной ячеи), обработка проводилась по общепринятой методике (Правдин, 1966). Сбор и обработка материала по паразитам рыб проводилась методом полного паразитологического вскрытия (Догель, 1935, Быховская-Павловская, 1985).

В соответствии с методикой методом полного паразитологического вскрытия исследовано 56 экземпляров рыб (табл. 1); из них: лосося (Salmo salar L.) - 12 экз., озерной форели (Salmo trutta morpha lacustris L.) - 9 экз., окуня (Perca fluviatilis) - 15 экз., налима (Lota lota L.) - 10 экз., щуки (Esox lucius L.) - 10 экз. Все они были препарированы, а извлеченный кишечник и печень изучены бинокуляром компрессорным методом с целью выявления гельминтов. Полученные результаты были оценены по трем показателям: встречаемость, индекс обилия и лимиты (пределы) численности. Основным пособием для определения паразитов служил «Определитель паразитов пресноводных рыб фауны СССР» (1984, 1985, 1987).

Для выяснения особенностей ответов рыб и их паразитов на загрязнение ТМ нами был выбран методический подход, заключающийся в сравнительном изучении накопления ТМ в рыбах и их паразитах. Для определения содержания ТМ в органах и тканях отбиралось 10 экз. рыб одинакового размера. Проводился анализ гомотогената кишечника, мышц, жабр, гонад (окунь); внутренних органов (лосось) и кишечника (щука, налим, форель) на содержание в них Cu, Zn, Cd, Pb, Mn и Ni. Отбор проб производили при помощи скальпеля и ножа из нержавеющей стали. Параллельно проводился аналогичный анализ гомогената кишечных гельминтов вышеуказанных рыб: Triaenophorus nodulosus, Triaenophorus crassus, Proteocephalus percae, Eubothrium crassus, Eubothrium rugosum. Стандартные растворы Cu, Zn, Fe и Mn были приготовлены из промышленных основных стандартных растворов (Merck) с концентрацией 1 тыс. мг/л. Везде использовалась двойная деминерализованная вода. Рабочие стандартные растворы были приготовлены путем разбавления основного стандартного раствора с добавлением соляной кислоты с тем, чтобы концентрация кислоты в рабочих стандартных растворах соответствовала концентрации кислоты в перевариваемых растворах. Все использованные реагенты представляли собой марку аналитического реагента.

Определение содержания ТМ в полученных пробах проводилось методом пламенной атомноадсорбционной спектрофотомерии с использованием прибора С-115-М I сотрудниками аналитической лаборатории Института леса КарНЦ РАН.

Для статистической оценки данных для образцов использовался t-тест. Значение p ниже, чем

0.05, считалось значительным. Если концентрация металла была ниже предела чувствительности, использовалось значение половины предела чувствительности, чтобы облегчить статистические сравнения.

Результаты исследований

Полученные нами данные о распределении металлов в различных органах исследованных видов рыб представлены в табл. 1. 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.

Сравнительное изучение содержания меди (Cu) в кишечнике исследованных рыб показывает, что максимальная концентрация регистрируется у окуня, а лосось и форель имели близкие и более низкие значения (рис. 1). Эти данные не совпадают с исследованиями других авторов, показавших,

что содержание меди в органах лососевых рыб достоверно превышало количества, обнаруженные у других видов рыб.

Рис. 1 Содержание тяжелых металлов в кишечнике разных видов рыб

Содержание марганца в кишечнике исследованных рыб варьировало в значительных пределах, и достоверно было максимальным у форели (рис. 1). Показано, что никель, медь и кадмий в максимальных концентрациях регистрировался у окуня. Установлено, что кишечник всех исследованных рыб характеризуется высокими показателями накопления хрома (рис. 1).

Нами было установлено, что не только лососевые рыбы могут иметь высокие концентрации металлов (табл. 1), что ранее было показано [8], но и окунь по ряду элементов отличался максимальными значениями.

Таблица 1

Распределение и особенности накопления тяжелых металлов в органах и тканях различных видов рыб

Вид рыбы Исследуемый материал Кол- во проб Fe Мп Ni Сг Со 2п Си РЬ Cd

Лосось кишечник 12 43.1± 1.1 1.6± 0.07 1.3± 0.06 13.1± 0.4 0.6± 0.006 3630± 112.6 1.6± 0.07 3.1± 0.1 0.3± 0.003

гонады 244± 10.4 1± 0.04 ± 7 гл о ^ч О 9.8± 0.4 ± 4 40 О °. V О 1040± 89.8 2.3± 0.09 2± 0.08 0.3± 0.004

мезентерий 47.2± 1.2 0.8± 0.003 1.4± 0.08 10.1± 0.5 1.2± 0.06 5510± 231.4 2± 0.09 3.2± 0.1 0.4± 0.003

почки 340± 11.3 ± 7 тг о ^ч О 1.3± 0.07 6.6± 0.2 2± 0.09 97± 1.7 8.2± 0.4 2± 0.09 0.1± 0.001

сердце 256± 10.5 1.7± 0.08 1.6± 0.08 6.4± 0.2 1.2± 0.04 146± 8.6 18.7± 0.6 <1.0± 0.004 0.1± 0.002

Окунь гонады 15 40.9± 0.9 0.7± 0.003 1.6± 0.07 10.6± 0.8 0.4± 0.005 1110± 94.1 0.6± 0.006 1.1± 0.05 0.3± 0.003

жабры 98.2± 1.6 9.1± 0.4 3.4± 0.1 44.6± 1.2 2.1± 0.1 181± 8.7 1.9± 0.09 9.1± 0.7 1.4± 0.03

кишечник 208± 10.1 3.4± 0.1 1.6± 0.09 7.9± 0.3 1.1± 0.04 120± 7.6 3.5± 0.1 2.4± 0.09 0.3± 0.003

мышцы 16.5± 0.5 1.3± 0.07 2.5± 0.1 4.2± 0.2 1.5± 0.08 34± 0.9 1.8± 0.09 4± 0.3 0.2± 0.001

Налим мышцы 10 13.5± 0.4 1.1± 0.05 1.6± 0.07 6.3± 0.3 1.4± 0.07 74± 1.1 0.9± 0.007 1.9± 0.09 0.3± 0.002

Форель кишечник 9 90.2± 1.4 5.4± 0.2 1.6± 0.07 9.7± 0.4 1.2± 0.05 3110± 99.7 1.4± 0.06 <1.0± 0.005 0.3± 0.002

Лососевые рыбы из загрязненных рек центральной Европы содержат от 200 до 300 мг Си/кг сыр. веса [9]. В наших исследованиях максимальное содержание меди у лосося составило 18.7 мг/кг.

В ряде работ показано, что концентрация цинка выше у рыб, питающихся беспозвоночными, по сравнению с хищными видами [9]. Наши результаты не подтверждают эти наблюдения, так как у лосося, типичного хищника, установлены более высокие концентрации цинка, чем у окуня. Однако у окуня уровень накопления марганца был выше, чем в тканях лососевых рыб [8].

Паразиты рыб, особенно цестоды, являются весьма перспективными объектами мониторинга экологического состояния водных сообществ. Учитывая тот факт, что исследованные паразиты преимущественно обитают в кишечнике, содержание ТМ в цестодах сравнивается главным образом с данными по этому органу рыб. Проведенные исследования позволили определить концентрации всех металлов, которые были обнаружены нами у рыб (табл. 2).

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в цестодах некоторых видов рыб

Вид паразита Хозяин (кол-во проб) Fe Мп № Сг Со 2п Си РЬ Cd

ЕиЬоЛпит Форель 75.6± 15.9± 1.4± 13.8± 1.2± 680± 14.5± 2.1± 0.1±

crassum (9) 1.4 0.8 0.06 0.7 0.05 27.8 0.6 0.9 0.002

ЕиЬоЛпит Налим 34.7± 1± 3.6± 4± 0.9± 410± 6± 1± 0.4±

rugosum (10) 1.1 0.03 0.1 0.1 0.008 18.1 0.3 0.04 0.005

ЕиЬоЛпит Лосось 88.2± 4.15± 1.7± 8.4± 1.05± 5450± 27.95± 2.6± 0.45±

crassum (12) 1.6 0.2 0.07 0.6 0.03 147.6 1.1 1.0 0.006

ТпаепорЫгш Налим 47.6± 6.2± 6.6± 4± 1.1± 201± 6.3± 1± 0.9±

nodulosus (1агуа) (10) 1.2 0.3 0.3 0.1 0.05 9.8 0.4 0.5 0.04

ТпаепорЫгш Щука 60± 10± 10± 4± 0.4± 362± 5± 1± 5.8±

crassus (10) 1.4 0.6 0.8 0.2 0.004 6.9 0.3 0.6 0.4

Proteocephalus Окунь 83.4± 23.2± 3± 8.4± 1.5± 331± 8.4± 2.5± 1.1±

регсае (15) 1.5 1.0 0.1 0.5 0.06 16.3 0.5 1.0 0.6

Среди исследованных паразитов высокие концентрации железа, цинка, меди и свинца были отмечены для Eubothrium crassus, специфичного паразита лососевых рыб. Видимо, в силу видовых особенностей питания хозяина тот же вид E. crassus, имел более высокие концентрации хрома у форели. Цестоды - Proteocephalus percae, обитающие в кишечнике окуня, отличались максимальным содержанием марганца и кобальта. Паразиты щуки - Triaenophorus crassus - имели максимальные концентрации никеля и кадмия.

Исследованные цестоды были представлены разными фазами онтогенеза. Плероцеркоиды цестод рода Triaenophorus паразитируют в планктоядных рыбах, а завершают свое развитие в щуке. Таким образом, оценка накопления металлов в личинках и имаго дает возможность оценить динамику накопления ТМ в онтогенезе паразита. Было показано, что цинк достоверно преобладает во взрослых червях, тогда как различия в накоплении железа не достоверны (рис. 2). В отношении других элементов более высокие концентрации для зрелых червей отмечались для марганца, никеля и кадмия, содержание хрома, кобальта, меди и свинца было практически одинаковым для обеих групп цестод (рис. 3).

Сравнительное изучение характера накопления ТМ паразитом (Р. percae - специфичным паразитом окуня) и хозяином показало, что по уровню содержания цинка паразит явно превосходит хозяина (рис. 4), тогда как по концентрации железа хозяин несколько превосходил паразитов, хотя различия были не достоверны. Содержание других ТМ показало выраженную тенденцию в более высоком накоплении металлов паразитом (Мп, Сг, Си, РЬ, Cd), только содержание никеля и кобальта было равным как в хозяине, так и паразите (рис. 5).

Рис. 2. Накопление цинка и железа в личинках

Мп 1\Н Сг Со Си РЬ Сс1

Рис. 3. Содержание ТМ в личинках

Ре гп

Рис. 4. Содержание цинка и железа в паразитах и кишечнике окуня

Мп ГчП Сг Со Си РЬ Сс1

Рис. 5. Содержание тяжелых металлов в кишечнике и паразитах окуня

Полученные результаты показали, что накопление ТМ паразитами происходит в большинстве случаев более активно, чем органами и тканями хозяев, что подтверждается и другими исследователями [10-12]. Однако, учитывая тесное метаболическое взаимодействие между паразитом и хозяином, следовало ожидать, что характер и динамика накопления ТМ должен иметь выраженную

связь в данной системе. Проведенный анализ позволил показать, что накопление ТМ в специфичном паразите и органе хозяина, в котором обитает цестода, имеют высокую и достоверную связь.

Повышенное содержание металлов в организме рыб и других гидробионтов свидетельствует о значительной их концентрации в водной среде, аккумуляции последних в пищевых цепях, функциональном нарушении во всех звеньях экосистемы [13]. Знания о составе и количестве металлов в тканях промысловых рыб, планктонных и бентосных организмов имеют важное практическое значение. Через бентос и зоопланктон ТМ проникают в организм рыб, которые, кроме того, способны усваивать металлы непосредственно из воды, через жабры и кожные покровы. Накопление ТМ в рыбах, и особенно в хищниках, является серьезной проблемой загрязняемого водоема.

Выводы:

• получены сравнительные данные о накоплении ТМ (медь, цинк, кадмий, никель, железо, свинец) в органах и тканях рыб (лосось, форель, окунь, налим, щука) и паразитических цестод, обитающих в этих рыбах (Triaenophorus nodulosus, Triaenophorus crassus Proteocephalus percae, Eubothrium rugosum);

• установлено превышение предельно допустимых концентраций практически для всех анализируемых металлов в органах и паразитах рыб Ладожского озера;

• распределение металлов в организме рыб характеризуется неоднородностью, что зависит от физико-химических свойств самих элементов и функциональных особенностей органов и тканей;

• концентрации ТМ в тканях окуней и налимов свидетельствуют о нарастании промышленного загрязнения Ладожского озера;

• показано, что накопление ТМ в специфичных паразитах имеет выраженную связь с характером накопления металлов в органах рыб, в которых обитают данные паразиты;

• установлено, что накопление ТМ различными видами цестод, паразитирующих на одном хозяине, имеют сходный характер, не зависящий от локализации паразита;

• полученные данные позволяют оценить современную экологическую ситуацию в Ладожском озере как достаточно серьезную и требующую реализации государственных программ по контролю состояния окружающей среды и сокращению объемов загрязнения озера;

• данные о накоплении ТМ в органах и паразитах рыб позволяют судить об их фоновом содержании в водоемах и антропогенной нагрузке на них в целом, а также могут использоваться при разработке новых методов биоиндикации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кашулин Н.А. Подходы к биоиндикации долговременных изменений качества вод озер Субарктики // Север-2003: Проблемы и решения. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2004. С. 124-135. 2. Влияние аэротехногенного загрязнения на водосборный бассейн озер Субарктики и рыб / А.А. Лукин, В.А. Даувальтер, Н.А. Кашулин, Н.Е. Раткин // Экология. 1998. № 2. С. 109-115. 3. Антропогенные преобразования водных экосистем Кольского Севера / Т.И. Моисеенко, В.А. Яковлев. СПб.: Наука, 1990. 221 с. 4. Тяжелые металлы в природных водах: Контроль и оценка влияния / Дж. Мур, С. Рамамурти. М.: Мир, 1987. 288 с. 5. Effects of metals on fish behavior: a review / G.J. Atchison, M.G. Henry., M.B. Sandheinrich // Env. Biol. Fish. 1987. Vol. 18. P. 11-25. 6. Relationship between concentrations of copper and zinc in water, sediment, benthic invertebrates, and tissues of white sucker (Catostomus commersoni) at metal-contaminated sites / P.A. Miller, K.R. Munkittrick, D.G. Dixon // Can. J. Fish. Aquat. Sci., 1992. Vol. 49. P. 978-984. 7. Trace metals accumulation and fish pathologies in areas affected by mining and metallurgical enterprises in the Kola region, Russia / T.I. Moiseenko, L.P. Kudryavtseva // Environmental pollution, 2001. Vol. 114. P. 295-297. 8. Karadede H. Concentrations of some heavy metals in the water, sediment and fish species from the Atatbrk Dam Lake (Euphrates), Turkey. Chemosphere. 2000. 41. Р. 1371-6. 9. Invasion of vendace Coregonus albula in a subarctic watercourse / P.A. Amundsen, F.J. Staldvik, Y.S. Reshetnikov, N. Kashulin, A. Lukin, T. Bohn. 10. Многофакторное загрязнение Ладожского озера и его эпизоотическое состояние / М.А. Перевозников, Е.А. Богданова // Крупные озера Европы - Ладожское и Онежское. Петрозаводск, 1996. С. 61-62. 11. Рыбы -биоиндикаторы ионов тяжелых металлов / М.А. Перевозников, Т.И. Лащевская // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. 2000. С. 41-45. 12. Экологические аспекты контроля тяжелых металлов в водной среде / М.А. Перевозников, А.М. Пономаренко // Тез. междунар. конф. «Акватерра». СПб., 2000. С. 27-28. 13. Руднева Н.А. Тяжелые металлы и микроэлементы в гидробионтах Байкальского региона. Улан-Удэ, 2001. 136 с.

Сведения об авторе

Салтыкова Светлана Александровна - к.б.н., научный сотрудник; e-mail: sveta_sherbakova@mail.ru