Изучение пространственно-временных особенностей накопления некоторых тяжелых металлов в организмах сига водоемов Северной Фенноскандии

УДК 574.3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НАКОПЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМАХ СИГА ВОДОЕМОВ СЕВЕРНОЙ ФЕННОСКАНДИИ

П.М. Терентьев, Н.А. Кашулин

Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН

Аннотация

Исследованы закономерности накопления тяжелых металлов в организмах сига водоемов Северной Фенноскандии в условиях продолжительного влияния промышленного загрязнения. Установлено, что накопление поллютантов в организмах рыб имеет градиентный характер в отношении приоритетных загрязняющих веществ. Анализ накопления металлов в органах-мишенях рыб, наиболее отчетливо характеризующих интенсивность нагрузки тяжелых металлов на пресноводные экосистемы, показал, что, несмотря на значительное снижение уровня производства предприятия в конце прошлого столетия и последующее сокращение промышленных выбросов в последнее время, состояние пресноводных экосистем региона остается без значительных улучшений. Выявлена тенденция к росту содержания ртути в организмах рыб исследованных водоемов, свидетельствующая о глобальном характере распространения данного элемента в субарктических широтах.

Ключевые слова:

тяжелые металлы, промышленное загрязнение, обыкновенный сиг, Северная Фенноскандия.

Рыбы, являясь ценными биологическими объектами с промысловой точки зрения, широко используются также как индикаторы влияния различного рода токсических агентов на организм и экологического состояния водных экосистем в целом. Особую опасность для рыб водоемов Северной Фенноскандии представляет долговременное разноуровневое воздействие тяжелых металлов [1-2]. Влияние проявляется в изменении химического состава и морфологических характеристик клеток, осмотических функций, приводит к возникновению и образованию патологических форм, мутаций, нарушению дыхания и ориентации гидробионтов в пространстве. Подобные изменения, несомненно, отражаются на популяции в целом, что проявляется в трансформации ее основных характеристик [3-9].

Способность тяжелых металлов переноситься на значительные расстояния за счет воздушного переноса и накапливаться в организмах рыб может отражать уровни нагрузки на водные экосистемы за продолжительный период на достаточно обширной территории.

Приграничные территории Северо-запада России, Севера Норвегии и Финляндии в течение многих десятилетий испытывают негативное влияние тяжелых металлов, связанное с деятельностью крупнейшего в Северной Европе предприятия цветной металлургии «Печенганикель». Приоритетными загрязняющими веществами предприятия являются медь и никель. Несмотря на значительное снижение уровня производства на предприятии в конце прошлого столетия и сокращение промышленных выбросов в последнее время состояние пресноводных экосистем региона остается без значительных улучшений [10]. Известно, что мобилизация тяжелых металлов, накопленных в почвах на территориях водосборов, может привести к тому, что их концентрации в водоемах будут оставаться на значительных уровнях еще в течение нескольких столетий [11]. Кроме того, в настоящее время особое внимание приобретает проблема ртутного загрязнения водоемов Арктики и Субарктики, обусловленная процессами глобального трансграничного переноса [12]. В данной работе оценены пространственно-временные особенности накопления меди, никеля и ртути в отдельных органах сига ряда озер Северной Фенноскандии.

Материал и методы

Работы по изучению уровней накопления тяжелых металлов в организмах рыб проводились в период с 2002 г. по 2007 г. на водоемах, расположенных в северо-западной части Мурманской области в приграничном районе между Россией, Финляндией и Норвегией (табл. 1, рис. 1). Основным объектом исследований был выбран сиг Coregonus \avaretus (рис. 2) как наиболее подходящий индикаторный вид субарктических водоемов [1, 13-14].

Таблица 1

Г еографическое положение и удаленность исследованных водоемов от источника загрязнения

Название озера Удаленность от комбината «Печенганикель», км Координаты

1. Куэтсъярви 2 69°26.052'; 30°09.447'

2. Виртуовошъяур 92 68°45.894'; 28°47.548'

3. Кочеяур 109 68°35.853'; 28°40.250'

Обловы проводились стандартным набором донных сетей длиной 25 м и высотой 1.5 м с размерами ячеи: 16, 20, 31, 36, 40 мм из нейлонового монофиламента с диаметром нити 0.15 мм для сетей с малой ячеей и 0.17 мм для сетей с большой ячеей. Это позволяло вылавливать рыб всех возрастных групп с размерами 8-10 см и более. Только что выловленную рыбу в течение короткого времени подвергали ихтиологической обработке, заключающейся в описании состояния основных показателей. Обработка ихтиологического материала проводилась согласно методикам, описанным ранее [1, 15-18]. Для определения содержания тяжелых металлов в органах и тканях рыб, отбиралось 10-15 экземпляров одинакового размера. Из этих особей отбирались пробы печени, почек, жабр, кусочки ткани и скелета (позвоночник). Отбор проб производили при помощи скальпеля и ножа из нержавеющей стали. Отобранные органы и ткани замораживали для дальнейшего определения содержания уровня тяжелых металлов в лаборатории. Определение проводилось в ЦКП физико-химических методов анализа Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН (Аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.517126). Навеска ткани высушивалась до постоянного веса в сушильном шкафу при температуре 1050С. Пробы разлагались в микроволновой печи Multiwave 3000 (Anton Paar, AUSTRIA) в тефлоновых автоклавах по программе разложения мягких тканей рыбы, указанной в руководстве: навеска 0.5-0.7 г, 2 мл воды, 4 мл HNO3, 0.5 мл HCl; 13 минут при мощности 600 Вт, 10 минут при мощности 400, 20 минут - охлаждение. После разложения объем пробы доводился до 15 мл. Определение Cu и Ni проводилось на атомноабсорбционном спектрофотометре Perkin-Elmer 5000, с графитовым атомизатором HGA-400 после разбавления исходных проб в 5-50 раз. Определение Hg проводилось с помощью атомной абсорбции методом холодного пара на FIMS (Perkin-Elmer) с разбавлением проб от 5 до 500 раз в зависимости от органа.

—Yiv.l. г\

4 . /•  Печенгант^ль 'f Н-*- JJ г Беренцево море

\ * ч \

\

#4 1Я /• 1 \ \ Кольский полуостров \ \ | 1 ' - ' I

I 1 \ \ '_./•< Карелия Vx| ш/

Рис. 1. Карта-схема района исследований

Особенностью поведения тяжелых металлов в живых организмах является то, что их накопление в органах и тканях происходит неравномерно. Органы, в которых накопления того или иного металла происходит наиболее интенсивно, называют «органом-мишенью». В данной работе рассматриваются особенности накопления меди в печени, а никеля в почках сига. Известно, что ртуть наиболее интенсивно концентрируется в почках. Однако в силу высокой токсичности металла и возможном употреблении рыб в пищу человеком, в данном исследовании основное внимание уделено накоплению ртути в мышечной ткани сига.

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования показали, что медь в наиболее высоких концентрациях накапливается в печени сига всех исследованных водоемов. Для никеля аналогичным органом являлась почка. Максимальные содержания металла в почках сига озера Куэтсъярви достигают 74 мкг/г сух. веса. Кроме того, было обнаружено, что накопление никеля в организмах рыб ряда водоемов, в особенности в малых лесных озерах (Кочеяур, Витруовошъяур), также интенсивно происходит в скелете (до 8.87 мкг/г сух. веса). Интенсивность накопления рассматриваемых металлов в организмах сига исследованных водоемов имеет следующую последовательность (по мере уменьшения концентрации): медь - печень>почки>

жабры>мышцы; никель - почки>жабры>печень>мышцы); ртуть - печень/почки>мышцы>жабры.

Полученные за период 2002-2007 гг. результаты по оценке содержаний тяжелых металлов в органах сига исследованных водоемов показали, что для озера Куэтъярви как наиболее интенсивно загрязняемого водоема характерна высокая вариабельность в накоплении приоритетных загрязняющих веществ, имеющая тенденцию к росту в организмах сига в последние годы (рис. 3).

Для озер лесной зоны (Кочеяур, Виртуовошъяур), несмотря на достаточное их удаление от источника загрязнения (табл. 1) и близкое расположение относительно друг друга, характер накопления приоритетных загрязнителей имеет противоположную направленность (рис. 3). Концентрации меди в печени и никеля в почках сига озера Виртуовошъяур были значительно ниже в 2007 г. по сравнению с данными за предшествующий период. Тем не менее, абсолютные показатели никеля в почках сига данного водоема были выше по сравнению с рыбами озера Кочеяур (рис. 3, 4).

Особо следует отметить значительный рост содержаний ртути в мышечной ткани сига исследованных водоемов за весь период наблюдений. Помимо мышечной ткани, аналогичная тенденция отмечена и в других анализируемых органах рыб, включая хищные виды.

Регистрируемые различия в накоплении меди и никеля в органах рыб озер Виртуовошъяур и Кочеяур, расположенных на значительном удалении от источников промышленного загрязнения, очевидно, связаны с их природными особенностями. Малые размеры водоемов при атмосферном типе их питания и значительных площадях водосборной поверхности влияют на поступление загрязняющих веществ в водоемы и аккумуляцию их в биологических системах и донных отложениях.

Накопление меди в печени, а никеля в почках и костной ткани рыб малых лесных озер свидетельствует о постоянной долговременной нагрузке тяжелых металлов на водоем и рыбную часть сообщества, связанной с деятельностью предприятий медно-никелевого производства.

Содержание ртути во всех органах рыб исследованных водоемов демонстрирует в последние годы тенденцию к неуклонному росту. Депонирование избытка металлов в мышечной ткани согласуется с общепринятыми представлениями о накоплении ртути по трофическим цепям. Следует отметить, что уровни накопления ртути в организмах сига могут отражать процессы глобального загрязнения природных экосистем, поскольку они не согласуются с уровнями нагрузки на водоемы и их удаленностью от источников промышленного загрязнения (рис. 4).

Избыточное поступление меди и никеля, являющихся приоритетными загрязняющими веществами северо-западной части Фенноскандии, способно оказывать серьезное токсическое воздействие на функционирование биологической части сообществ. Установлено, что токсическое влияние тяжелых металлов на организмы сига наиболее отчетливо прослеживаются у рыб, обитающих вблизи промышленного предприятия. Известно, что у сигов, подвергаемых в лабораторных условиях действию никеля, поступающего в организм с пищей, наблюдалось схожие поведенческие реакции, что и у сигов в контрольных аквариумах. Было установлено, что распределение никеля в тканях рыб в лабораторных условиях происходит аналогично естественным условиям [19]. В водоемах, подверженных интенсивному влиянию металлургических предприятий, в популяциях рыб наблюдаются структурные изменения, выражающиеся в их омоложении, сокращении числа возрастных классов, раннем половом созревании особей. На организменном уровне в качестве ответа на стресс у рыб развиваются патологические изменения органов и тканей, развитие новообразований, некоторые из которых являются специфическими на воздействие тяжелыми металлами [1, 20-23].

Си

2004 2005 2007

2004 2007

2002

2005

2007

50

40

30

20

10

0

ІЧІ

2004 2005 2007

Куэтсъярви

2005 2007

Виртуовошъяур

2002 2005 2007

Кочеяур

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

Нд

2004

2007

2004 2007

Г~=~!

2002 2005 2007

° Среднее  Ст. ошиб.

I Ст. откл.

Рис. 3. Динамика содержания меди, никеля и ртути в органах-мишенях сига исследованных водоемов

Си

ІЧІ

Нд

Рис. 4. Содержание тяжелых металлов в органах-мишенях рыб исследованных водоемов относительно градиента нагрузки: 1- Куэтсъярви, 2 - Виртуовошъяур, 3- Кочеяур

Пространственные особенности накопления рассматриваемых металлов (Си и №) в организмах сига подчинены градиентной зависимости относительно источника загрязнения - предприятия Печенганикель. В особенности это касается никеля. Содержание ртути в тканях сига демонстрирует обратную картину, что доказывает глобальный характер распространения и поступления токсиканта на водосборные площади исследованных водоемов (рис. 4).

Наиболее серьезные патологические изменения в организмах сига закономерно отмечены у рыб наиболее интенсивно загрязняемого водоема (оз. Куэтсъярви) и затрагивают практически все органы и ткани (рис. 5). Следует отметить, что в озерах Кочеяур и Bиртуовошъяур, несмотря на удаленность от источников аэротехногенного загрязнения, регистрировалась достаточно высокая численность рыб с поражениями почек, печени и жабр (рис. 6). Однако степень данных изменений можно охарактеризовать как начальную. Характер и частота встречаемости патологий сига исследованных озер также отражает градиентную зависимость (рис. 6), подтверждая негативное влияние сублетального продолжительного влияния тяжелых металлов на организмы рыб субарктических водоемов. Необходимо отметить, что аналогичные процессы у представителей рыбной части сообществ зарегистрированы и в других водоемах Северной Фенноскандии. Таким образом, отрицательные последствия аэротехногенного загрязнения пресноводных экосистем могут проявляться на достаточно обширной территории.

Рис. 5. Патологические изменения в организмах сига: а - соединительно-тканные перерождения почек; б -почечнокаменная болезнь; в - патологии гонад; г - серьезные патологические изменения органов

100 и

Куэтсъярви Виртуовошъяур Кочеяур

патологии гонад  патологии жабр  патологии почек

патологии печени  нефрокальцитоз

Рис. 6. Частота встречаемости патологических изменений внутренних органов сига исследованных

водоемов относительно градиента нагрузки, %

Заключение

Анализ пространственно-временных особенностей накопления тяжелых металлов в организмах рыб Северной Фенноскандии на примере озер северо-западной части Мурманской области показал, что снижение объемов выбросов предприятием «Печенганикель» за прошедшее десятилетие не привело к значительному улучшению состояния рыбной части сообществ. В частности, для приоритетных загрязняющих веществ - меди и никеля - отмечается тенденция к росту их содержания в организмах сига озер, расположенных как в непосредственной близости от источника загрязнения, так и расположенных в пределах 90-100 км от предприятия. Помимо существующей нагрузки тяжелых металлов на водоемы, расположенные даже на большом удалении от источников загрязнения, значительный вклад в поступление поллютантов в водоемы и биологические объекты вносят водосборные поверхности водоемов, а также донные отложения, в которых депонируются значительные количества загрязняющих веществ. В исследованных водоемах, подверженных разноуровневому загрязнению тяжелыми металлами, отмечена градиентная зависимость в накоплении меди и никеля в органах-мишенях сига, согласующаяся с интенсивностью развития патологических трансформаций в организмах рыб.

Ртутному загрязнению пресноводных экосистем в мире в настоящее время посвящено значительное количество исследований [12, 24-25]. Однако в условиях интенсивного загрязнения водоемов Северной Фенноскандии тяжелыми металлами и кислотообразующими веществами локальных источников -предприятий цветной металлургии, данной проблеме не уделяется должного внимания. Вместе с тем, имеющиеся данные свидетельствуют о постоянном росте содержания данного металла в природных средах, особенно в рыбах - ценных биологических объектах. Регистрируемая практически повсеместно тенденция к увеличению уровня накопления ртути в органах и тканях рыб в настоящее время требует усиления внимания к изучению и постоянному контролю содержания данного элемента в природных средах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кашулин НА, Лукин АА, Амундсен ПА. Рыбы пресных вод субарктики как биоиндикаторы техногенного загрязнения. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1999. 142 с. 2. Терентьев П.М. Особенности динамики популяций рыб в водоемах Кольского севера в условиях их аэротехногенного загрязнения: автореф. дисс. ... соиск. уч. степ. канд. биол. наук. Петрозводск, 2005. 28 с. 3. Христофорова Н.К. Биоиндикация и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами. Л.: Наука, 1989. 152 с. 4. Couillard Y. Technical evaluation of metallothionein as a biomarker for the mining industry. AETE Project 2.2.1 // Natural resource Canada, Ottawa, Ontario. 1997. 364 p. 5. Cooley H.M, Evans R.E, Klavercamp J.F. Baseline measurements of indicators for sublethal effects of metals in lake whitefish (Coregonus clupeaformis) // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2002. Vol. 43. P. 418-424. 6. Handy R.D. The effect of acute exposure to dietary Cd and Cu on organ toxicant concentrations in rainbow trout, Oncorhynchus mykiss // Aquatic Toxicology. 1993. 27. (1-2). P. 1-14. 7. Hansen J.A., Lipton J, Welsh P.G., Morris J, Cacela D, Suedkamp M.J. Relationship between exposure duration, tissue residues, growth, and mortality in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) juveniles sub-chronically exposed to copper // Aquatic Toxicology. 2002. V. 58. P. 175-188. 8. Hollis L, McGeer J.C, McDonald D.G., Wood C.M. Effects of long term sublethal Cd exposure in rainbow trout during soft water exposure: implications for biotic ligand modelling // Aquatic Toxicology. 2000. 51. (1). P. 93-105. 9. Sorensen E.M. Metal poisoning in fish. U.S.A. Texas: CRC Press, 1992. 362 p. 10. State of the Environment in the Norwegian, Finnish and Russian Border Area (K. Stebel, G.N. Christensen, J. Derome and I. Grekela (editors). The Finnish Environment. 2007. Vol. 6. 88 р. 11. Nriagu J.O, Wong H.K. T, Lawson G, Daniel P. Saturation of ecosystems with toxic metals in the Sudbury basin, Ont., Canada // Sci. Total Environ. 1998. Vol. 223. P. 99-117. 12. AMAP. Assessment 2002: Heavy Metals in the Arctic. Oslo, Norway, 2005. 652 p. 13. Моисеенко Т.И., Лукин АА, Кашулин НА. Сиг - как тест-объект для биоиндикации качества вод озер Крайнего Севера // Современные проблемы сиговых рыб. Владивосток, 1991. С. 213-224. 14. Решетников Ю.С. Экология и систематика сиговых рыб. М.: Наука, 1980. 300 с. 15. Аршаница Н.М, Лесников Л.А. Патологоморфологический анализ состояния рыб в полевых и экспериментальных токсикологических исследованиях // Методы ихтиотокси-кологических исследований. Л.: ГосНИОРХ НПО Промрыбвод, 1987. С. 7-9. 16. Известия всесоюзного научно-исследовательского института озерного и речного рыбного хозяйства, т. XLVI. Ленинград, 1956. 65 с. 17. Мина М.В. Задачи и методы изучения роста в природных условиях // Современные проблемы ихтиологии. М.: Наука, 1981. С. 177-195. 18. Правдин И.Ф. Руководство по изучению рыб. М.: Пищевая промышленность, 1966. 456 с. 19. Ptashynski M.D, Kleverkamp J.F. Accumulation and distribution of dietary nickel in lake whitefish (Coregonus clupeaformis) // Aquat. Toxicol. 2002. Vol. 58. P. 249-256. 20. Моисеенко Т.И. Изменение стратегии жизненного цикла рыб под воздействием хронического загрязнения вод // Экология. 2002. № 1. С. 50-60. 21. Triebleskorn R, Adam S, Casper H., Honnen W, Pawert M, Schramm M, Schwaiger J., Kohler H. Biomarkers as a diagnostic tools for evaluating effects of unknown Past Water quality conditions on stream organisms // Ecotoxicology. 2002. Vol. 11. P. 451465. 22. Weber L.P., Dube M.G., Rickwood C.J., Driedger K, Portt C, Brereton C, Janz D.M. Effects of multiple effluents on resident fish from Junction Creek, Sudbury, Ontario // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2008. Vol. 70 (3) P. 433-445. 23. Berg T., Bartnicki J., Munthe J., Lattila H., Hrehoruk J., Mazur A. Atmospheric mercury species in the Arctic: measurements and modelling. Atmospheric Environment 35. 2001. P. 2569-2582. 24. Hakanson L., Nilsson A, Andersson T. Mercury in fish in Swedish lakes. Environmental Pollution, 1988. 49. P. 145-162. 25. Pacyna E.G., Pacyna J.M. Global emission of mercury from anthropogenic sources in 1995 // Water Air Soil Pollut. 2002. 137 (1-4). P. 149-165.

Сведения об авторах

Терентьев Петр Михайлович - к.б.н., старший научный сотрудник, е-mail: masloboev@inep.ksc.ru Кашулин Николай Александрович - д.б.н., зам. директора института, е-mail: nikolay@inep.ksc.ru