Введение
Рыбинское водохранилище является одним из крупнейших искусственных водоемов России, его площадь составляет 4 550 км2. Водохранилище располагается на территории Ярославской, Тверской и Вологодской областей [1]. Выделяют 4 плеса Рыбинского водохранилища: Волжский, Моложский, Главный, Шекснинский. Последний характеризуется повышенным содержанием тяжелых металлов в воде и донных отложениях. Причина этого – поступление сточных вод с предприятий химической промышленности и черной металлургии промышленного Череповецкого комплекса [2].
Тяжелые металлы бывают биогенными, необходимыми для жизнедеятельности организма, и токсичными, приводящими к его отравлению или гибели. Они могут замещать важные для жизнедеятельности минеральные вещества и блокировать их биологические функции, влиять на физиолого-биохимические показатели рыб [3]. Индивидуальная потребность животных в тяжелых металлах очень мала, поэтому любое фоновое изменение их содержания из-за избыточного поступления из внешней среды приводит к различным токсическим воздействиям на живых существ [4].
В организм рыб тяжелые металлы могут попадать и накапливаться путем хемосорбции, механического захвата взвешенных частиц, поглощения жабрами и в процессе питания гидробионтов [3, 5]. Последний вариант считается наиболее опасным, т. к. токсические свойства веществ могут проявляться не только у добычи, но и у хищников по пищевым сетям [6–9]. Накапливаясь в тканях рыб, тяжелые металлы представляют потенциальную угрозу для здоровья человека [7].
На Рыбинском водохранилище проводились исследования, посвященные преимущественно изучению содержания ртути в тканях рыб разных трофических групп. Концентрации ряда тяжелых металлов определяли лишь в мышцах леща [1, 4]. Информация по содержанию тяжелых металлов для хищных рыб, обитающих на разных плесах Рыбинского водохранилища и представляющих собой последнее звено трофических цепей водоема, отсутствует.
Судак Sander lucioperca – крупный пелагический хищник-мелиоратор, который питается мелкими видами рыб [8]. Мясо судака характеризуется низким содержанием жира, а также хорошим составом белка и жирных кислот, что делает этот вид очень привлекательным для использования в пищевых целях. На Рыбинском водохранилище судак является одним из важнейших объектов коммерческого рыболовства [7, 10, 11].
Цель настоящей работы – изучить содержание тяжелых металлов в мышечной ткани судака из Рыбинского водохранилища и сравнить его с российскими и международными стандартами.
Материал и методика исследования
Объектом исследования был судак, выловленный из двух районов Рыбинского водохранилища, которые отличаются друг от друга уровнем антропогенного загрязнения. Места отлова – в Волжском плесе (58° 05' с. ш., 38° 17' в. д.) и Шекснинском плесе (59° 01' с. ш., 37° 51' в. д). Станция траления в Волжском плесе считается условно-чистой. В район станции траления Шекснинского плеса поступает наибольшее количество сточных вод с предприятий, поэтому данный участок считается самым загрязненным. В донных отложениях Шекснинского плеса аккумулируются тяжелые металлы и стойкие органические загрязнители – полихлорированные бифенилы и полиароматические углеводороды [2].
Рыб отлавливали тралом в нагульный период. Всего было отобрано 26 особей судака.
После поимки рыба проходила акклимацию в контейнерах с речной водой. Затем у каждой особи проводили измерения для биологического анализа, после чего на хладагенте отделяли кожу от костных мышц, вдоль позвоночника иссекали пробу мышечной ткани. Ткань замораживали до проведения химического анализа.
В лаборатории образцы мышц высушивали при температуре 60 °С до достижения их постоянной массы в сушильном шкафу, затем измельчали в лабораторной мельнице. В пробах определяли концентрацию тяжелых металлов: кадмия (Cd), хрома (Cr), свинца (Pb), меди (Cu), марганца (Mn), железа (Fe), алюминия (Al), кобальта (Co), никеля (Ni), ванадия (V). Анализ образцов проводился на оптическом эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой (ОЭС ИСП) Optima 2000 DV (Perkin-Elmer, США). Калибровка прибора проводилась с использованием моно- и мультиэлементных калибровочных стандартов для ОЭС ИСП (Perkin-Elmer, США). Для приготовления образцов и калибровочных растворов использовалась деионизированная вода, полученная с помощью системы Milli-Q Purify System (Millipore, Bedford, MA, США). Полученные результаты выражали в мг/кг сырого веса.
У особей рассчитывали коэффициенты упитанности по Фультону и Кларк [12].
Статистическая обработка производилась в программе MS Excel 2007 и с помощью программы анализа данных AtteStat. Так как у исследуемых показателей не соблюдались условия нормальности распределения по критерию Шапиро – Уилка, для оценки достоверности различий использовали непараметрический критерий U Манна – Уитни для парных сравнений. Данные представлены в виде средних значений и их стандартных ошибок (M ± m).
Результаты и их обсуждение
Данные по размеру и упитанности особей судака из Волжского и Шекснинского плесов достоверно не различались (табл. 1).
Таблица 1
Table 1
Морфофизиологические показатели исследованных особей судака
из разных плесов Рыбинского водохранилища
Morphophysiological parameters of the studied pikeperch species
from different reaches of the Rybinsk Reservoir
|
Плес |
Морфофизиологический показатель |
|||||
|
n |
Длина тела, мм |
Масса тела, г |
Масса тела |
Упитанность |
Упитанность |
|
|
Шекснинский |
13 |
365 ± 43,5 |
723 ± 177 |
647 ± 159 |
1,45 ± 0,14 |
1,29 ± 0,11 |
|
Волжский |
13 |
381 ± 4,15 |
796 ± 34,3 |
722 ± 30,0 |
1,36 ± 0,01 |
1,24 ± 0,01 |
Упитанность рыб зависит от многих факторов внешней среды и может использоваться для оценки как условий обитания, так и состояния популяции. Коэффициенты упитанности по Фультону и по Кларк у исследованных особей соответствовали средним значениям показателя судака из водоемов этой рыбоводной зоны [10]. Данный факт косвенно свидетельствует о благоприятном состоянии популяции судака Рыбинского водохранилища.
В мышцах рыб, обитающих в Шекснинском плесе, выявлено повышенное содержание Al, Mn и Fe. Различия в содержании Cd, Cu, Pb, Co, Cr в мышечной ткани судака из плесов, различающихся уровнем антропогенной нагрузки, не были статистически значимыми. Содержание Ni и V было ниже предела обнаружения (табл. 2).
Таблица 2
Table 2
Содержание тяжелых металлов в мышцах судака из разных плесов Рыбинского водохранилища
Content of heavy metals in the muscle tissues of pikeperch from different reaches of the Rybinsk Reservoir
|
Содержание |
Плес |
|
|
Шекснинский |
Волжский |
|
|
n |
13 |
13 |
|
Cd |
0,002 ± 0,001 |
0,006 ± 0,001 |
|
Pb |
0,020 ± 0,005 |
0,032 ± 0,004 |
|
Ni |
НПО* |
НПО |
|
V |
НПО |
НПО |
|
Al |
9,637 ± 2,388 |
4,382 ± 0,349** |
|
Co |
0,001 ± 0,000 |
0,002 ± 0,001 |
|
Cr |
0,101 ± 0,014 |
0,092 ± 0,006 |
|
Cu |
0,666 ± 0,096 |
0,775 ± 0,034 |
|
Fe |
9,78 4 ± 3,686 |
2,108 ± 0,204** |
|
Mn |
0,288 ± 0,090 |
0,155 ± 0,005** |
* НПО – ниже пределов обнаружения; ** достоверно различаются между плесами.
Вне зависимости от плесов выявлена следующая закономерность интенсивности накопления металлов в мышечной ткани судака: Ni = V < Co < Cd < Pb < Cr < Mn < Cu < Al < Fe. Наши результаты относительно интенсивности аккумуляции тяжелых металлов в мышцах исследованных особей отличаются от подобных исследований судака из других водоемов [5, 13]. Однако полученные данные по преобладанию содержания Pb над Cd в мышцах судака были сопоставимы с рядом исследований [12, 14].
Известно, что группа неэссенциальных металлов (Cd, Pb) наиболее опасна для живых организмов [15]. Хронический токсический эффект от этих веществ может быть вызван даже при низких концентрациях [14]. Ионы Cd изменяют поведение рыб, влияют на темпы роста и упитанность, эффективность усвоения пищи [3]. Чрезмерное поступление Pb в организм рыб нарушает обмен веществ, снижает темпы роста и развития особей и их выживаемость [7]. У человека отравление Pb приводит к нарушению слуха, анемии, почечной недостаточности, ослаблению иммунитета, преждевременным родам, мертворождениям и выкидышам; Cd может вызывать дисфункцию почек, повреждение скелета и репродуктивную недостаточность [16].
Поступление металлов этой группы во внутренние водоемы неразрывно связано с увеличением промышленных стоков, при этом они не поддаются биологическому разложению [7, 8]. Предельно допустимая концентрация (ПДК) Cd для рыбохозяйственных водоемов составляет 0,005 мг/дм3; ПДК Pb – 0,006 мг/ дм3 [17]. Отметим, что концентрация Cd и Pb в воде на всех исследованных участках была ниже порога токсического действия данных элементов [2]. Низкое содержание Cd и Pb в мышечной ткани судака может свидетельствовать о том, что мышцы не являются активным участком процесса накопления этих элементов. В литературе отмечают, что Cd и Pb интенсивнее аккумулируются в органах активного метаболизма, таких как почки и печень [14, 18], так, Cd накапливается в среднем до десяти раз больше в почках, чем в мышечной ткани [19].
К условно-эссенциальным элементам относятся Ni и V, они необходимы для нормального роста и размножения живых существ, но проявляют токсичный эффект при поступлении в организм в больших количествах [6, 11]. Как правило, интенсивная аккумуляция данных металлов происходит в метаболически-активных тканях рыб, например в печени и почках [9, 15, 20]. Характеризующийся канцерогенными и кумулятивными свойствами Ni техногенного происхождения наиболее токсичен для гонад и эмбрионов [9]. К опасным эффектам
V относят окислительное повреждение, перекисное окисление липидов и нарушения гематологической, репродуктивной и дыхательной систем. У человека высокие концентрации Ni могут вызывать ряд проблем со здоровьем, таких как эмфизема, фиброз, кожные заболевания и различные поражения роговицы [9, 15].
В рыбохозяйственных водоемах ПДК Ni составляет 0,01 мг/дм3; ПДК V – 0,001 мг/дм3 [17]. Концентрация Ni в воде Рыбинского водохранилища составила 0,2 мкг/л, V – 1,0 мкг/л и была ниже порога токсического действия данных элементов [21]. Возможно, концентрация данных металлов в воде в совокупности со спецификой аккумуляции Ni и V в тканях определенных типов обусловило низкое содержание Ni и V в мышечной ткани судака вне зависимости от исследуемых участков водоема.
Неэссенциальным микроэлементом, токсичным для живых организмов, является Al. Высокая доза Al негативно влияет на метаболизм (особенно минеральный), а также на рост и деление клеток [9]. У человека избыточное количество Al может вызывать рак молочной железы, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз [15]. Высокая концентрация Al в окружающей среде обеспечивает его интенсивное накопление в первую очередь в жабрах, оседая на их поверхности. В мягких тканях концентрация Al намного
ниже [9, 11]. Следует отметить, что концентрация Al, наряду с Fe, по сравнению с другими исследуемыми элементами в мышечной ткани судака была наибольшей. Интенсивность накопления Al в мышцах судака Шекснинского плеса была выше. Для рыбохозяйственных водоемов ПДК Al составляет 0,04 мг/дм3 [17]. К сожалению, нам не удалось найти данных в открытой печати по концентрации Al в плесах Рыбинского водохранилища. В среднем в водохранилищах верхней Волги концентрация Al варьирует от 190 до 400 мг/дм3, что многократно превышает ПДК для данных металлов [9]. Данный факт свидетельствует о синхронности биоаккумуляции этого металла с его концентрацией в соответствующем водоеме. Большая интенсивность накопления Al в мышцах судака Шекснинского плеса по сравнению с другими металлами, вероятно, связана со спецификой сточных вод, поступающих в Рыбинское водохранилище.
Со, Cr, Cu, Fe очень важны для жизнедеятельности организмов и обладают синергическим эффектом, поэтому их концентрация и распределение в рыбе анализируются вместе [9]. Co жизненно необходим для многих ферментативных систем и для образования витаминов; Cr – незаменимый элемент и важный кофактор ферментов, влияющий на углеводный, липидный и белковый обмен; Cu является компонентом нескольких ферментов, участвует в тканевом дыхании, кроветворении, обменных процессах с участием минеральных веществ и азота, а также необходима для синтеза гемоглобина [9, 16, 18]; Fe участвует в переносе кислорода, респираторных цепных реакциях, синтезе ДНК
и работе иммунной системы [7, 18]. Высокая концентрация этих металлов в водной среде токсична для рыб. Ионы Cu оказывают негативное влияние на морфологические и физиолого-биохимические показатели рыб, в том числе на активность пищеварительных ферментов. Избыток Cu приводит к атрофии отдельных органов и тканей, эндемической анемии, нарушению кроветворения. Шестивалентный Cr обладает высокой канцерогенностью, активно вмешивается в метаболические процессы, регулирующие ионный транспорт [3, 9, 16]. Избыточное количество Co может вызвать гипотиреоз, гиперпродукцию эритроцитов [15]. Повышенное содержание Fe оказывает общетоксическое действие, разрушая антиоксидантную систему организма [22].
Предельно допустимая концентрация Со для рыбохозяйственных водоемов составляет 0,01 мг/дм3; Cr – 0,07 мг/дм3; Cu – 0,001 мг/дм3; Fe – 0,1 мг/дм3 [17]. Концентрации Co и Cr в Рыбинском водохранилище были ниже ПДК, Cu и Fe – выше. К сожалению, нам не удалось найти данных в открытой печати по концентрации Cu и Fe в плесах Рыбинского водохранилища. В среднем в Рыбинском водохранилище концентрация Cu составляет 0,03 мг/дм3, Fe – 0,33 мг/дм3, что превышает ПДК для данных металлов [21, 23]. Показано, что среди Cu и Fe наибольшей изменчивостью обладает Fe, т. к. наблюдается значимое увеличение его концентрации в мышечной ткани судака Шекснинского плеса по сравнению с Волжским.
Mn характеризуется высокой биологической активностью, в большей степени он накапливается в печени, чем в мышечной ткани, т. к. играет роль кофактора для активации ряда ферментов [3, 18]. Дефицит Mn может привести к серьезным скелетным и репродуктивным нарушениям, а избыток вызывает окислительный стресс [15]. В международной практике Mn считается малотоксичным. Ранее было показано, что при комплексном загрязнении Mn обладает антагонистическими свойствами по отношению к таким металлам, как Cu и Al [9]. Возможно, с этим связано более интенсивное накопление Mn в мышечной ткани судака Шекснинского плеса по сравнению с Волжским при отсутствии данной закономерности для Cu и Al. Предельно допустимая концентрация Mn для рыбохозяйственных водоемов составляет 0,01 мг/дм3 [17]. Концентрация данных элементов в воде на всех исследованных участках Рыбинского водохранилища была ниже порога токсического действия [2].
В целом результаты мониторинговых исследований воды и донных отложений Рыбинского водохранилища позволяют сделать вывод, что водоем постепенно очищается от тяжелых металлов за последние десятилетия [21]. Результаты биотестирования воды и вытяжки донных отложений Рыбинского водохранилища указывают на то, что в пробах отсутствует острое токсическое воздействие [2]. Экосистема водоема находится в относительно устойчивом состоянии и не подвержена существенным воздействиям изменения внешней среды [1]. Возможно, по этой причине содержание многих исследованных тяжелых металлов в мышцах судака из плесов водохранилища достоверно не отличалось и соответствовало требованиям российских и международных стандартов (см. табл. 2, 3).
Таблица 3
Table 3
Российские и международные стандарты содержания тяжелых металлов в мышцах рыб*
Russian and international standards for the content of heavy metals in fish muscles*
|
Стандарт |
Содержание тяжелых металлов, мг/кг |
Источник |
||||||||
|
Cd |
Cr |
Pb |
Cu |
Mn |
Fe |
Co |
Ni |
V |
||
|
ПДК (Россия) |
0,1 |
– |
1,0 |
10,0 |
– |
30,0 |
– |
0,5 |
– |
[17] |
|
Европейский Союз |
0,050 |
– |
0,3 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
[11] |
|
Китай |
– |
2,0 |
0,5 |
50,0 |
– |
– |
– |
– |
– |
[18] |
|
Турция |
0,05 |
– |
0,2 |
20,0 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
Всемирная организация здравоохранения |
1,0 |
1,3 |
0,5 |
10,0 |
4,0 |
150,0 |
– |
10,0 |
– |
[15] |
|
Продовольственная |
0,5 |
1,0 |
2,0 |
30,0 |
– |
180,0 |
0,5 |
55,0 |
– |
|
|
FDA (США) |
4,0 |
– |
1,7 |
– |
– |
– |
1,7 |
70,0 |
– |
|
* Примечание: прочерками обозначено отсутствие сведений по нормам содержания элемента в стандарте.
Таким образом, мясо исследованных нами особей судака потенциально безопасно для использования в пищу.
В среднем в мышцах судака из Рыбинского водохранилища содержалось 0,004 мг/кг Cd, 0,095 мг/кг Cr, 0,028 мг/кг Pb, 0,734 мг/кг Cu, 0,205 мг/кг Mn, 4,986 мг/кг Fe, 7,234 мг/кг Al, 0,002 мг/кг Co.
Известно, что на содержание тяжелых металлов в теле гидробионтов оказывает влияние не только антропогенная нагрузка на водоем, концентрация и продолжительность воздействия элементов, но и гидрохимические факторы водной среды, т. к. растворимость ряда микроэлементов, находящихся в труднодоступных соединениях в илах, зависит от количества кислорода, pH и других условий [2, 3, 9, 15, 18]. Так, по содержанию Cd и Pb в мышцах исследованные особи из Рыбинского водохранилища превосходили судака из рек Франции и Чехии, но уступали сородичам из озер Словении и Турции, рек Дунай (Болгария), Жайык и Кигаш (Казахстан), Каспийского моря [6, 7, 12, 13, 15, 22]. В мышечной ткани судака из р. Мулуя (Марокко) Cd оказалось меньше, Pb больше, чем у особей из Рыбинского водохранилища [14]. У судака из Рыбинского водохранилища Cr содержалось больше, чем у сородичей из оз. Бейшехир (Турция) и Волгоградского водохранилища, но меньше, чем в Горганском заливе Каспийского моря [5, 7, 18]. Содержание Cu в мышцах судака из Рыбинского водохранилища было больше, чем в мышцах судака из р. Сырдарья (Казахстан) и оз. Бейшехир (Турция) и Каспийского моря [18, 22, 24], и меньше по сравнению с сородичами из рек Жайык и Кигаш (Казахстан) и Волгоградского водохранилища [5, 13]. Исследованные нами особи судака характеризовались более низкими концентрациями Mn и Fe в мышцах по сравнению с рыбами из Бованского (Сербия), Сиди-Салем (Тунис), Новосибирского и Волгоградского водохранилищ, Каспийского моря [5, 8, 11, 15, 22, 25]. Исключение – судак из оз. Бейшехир, у которого содержание Mn в мышцах было ниже предела обнаружения [18].
В мышечной ткани судака из Рыбинского водохранилища содержание Al было выше, чем у его сородичей из Бованского водохранилища, а Co – ниже [11]. Также более высокая концентрация Co, по сравнению с нашим исследованием, обнаружена в мышцах судака из р. Нитра (Словакия) [19].
По содержанию Ni и V в мышцах судак из Рыбинского водохранилища уступал сородичам из водоемов Турции и Казахстана, болгарской части р. Дунай, Дубэссарского и Кучурганского водохранилищ Молдавии [6, 13, 16, 20, 24].
Зная, что биоаккумуляция тяжелых металлов может различаться в зависимости от времени года, пола, возраста, размера тела рыб [1, 8, 9, 20], следует продолжать дальнейшее изучение судака, увеличивая количество исследуемых особей и учитывая их пол, возраст, размер и сезон отбора проб. Кроме этого, для оценки состояния популяции и водной среды необходимо дополнительно проводить исследования в других органах и тканях гидробионтов, аккумулирующих тяжелые металлы.
Заключение
Исследования содержания тяжелых металлов в мышечной ткани судака из Рыбинского водохранилища ранее не проводились. Упитанность особей судака из Рыбинского водохранилища, вне зависимости от уровня локального антропогенного загрязнения, соответствовала средним значениям, характерным для вида в данной рыбоводной зоне.
В мышцах особей содержание Ni и V было ниже предела обнаружения. В среднем в ткани судака содержалось в мг/кг влажного веса Cd 0,004,
Cr 0,095, Pb 0,028, Cu 0,734, Mn 0,205, Fe 4,986, Al 12,538, Co 0,002. Обнаружены достоверные различия в содержании Fe и Mn в мышечной ткани судака из Шекснинского и Волжского плесов. Потребление мяса судака из Рыбинского водохранилища не является потенциально опасным для здоровья человека, т. к. концентрации тяжелых металлов в мышечной ткани исследованных особей не превышают допустимые уровни элементов по российским и международным стандартам. Следует продолжать исследования содержания тяжелых металлов в теле судака разных половозрастных групп, в том числе в метаболически-активных тканях.
