Интенсивное развитие нефтедобывающей промышленности в Республике Казахстан приводит к крупномасштабному загрязнению природной среды нефтью и нефтепродуктами. Поэтому особую актуальность приобретает оценка влияния нефтяного загрязнения природной среды на наследственность живых организмов. Последствия воздействия химических загрязнителей окружающей среды проявляются на уровне хромосомной патологии, лежащей в основе злокачественной трансформации клеток, в увеличении специфической заболеваемости и снижении устойчивости организма к факторам окружающей среды. В частности, изучение изменений на хромосомном уровне с помощью цитогенетического метода стало важнейшим индикатором в оценке действия мутагенов на организмы растений и животных, в том числе и человека [1]. Очевидно, при проведении генетического мониторинга необходимо использовать сочетание природных объектов со стандартными лабораторными тест-системами, чтобы выводы относительно генетических изменений в природных популяциях были адекватными.
По данным ряда специалистов компоненты нефти (углеводороды, бенз(а)пирен, фенолы, тяжелые металлы и другие) способны оказывать токсическое, мутагенное, канцерогенное влияние, которое может привести к нарушению генетической структуры популяции [2, 3].
Цель исследования – исследовать динамику накопления нефти и сопутствующих тяжелых металлов в органах и тканях отобранных представителей беспозвоночных и гидробионтов для эколого-генетической оценки последствий.
Материалы и методы исследования
В качестве тест-объектов взяты организмы, обитающие в устье реки Урал, а именно в эстуарии «река-море», то есть средой обитания являются, как речная вода, загрязненная в основном нефтью и сопутствующими тяжелыми металлами, так и морская. Для получения наиболее полной картины загрязнения исследуемого региона отбирали виды, представляющие разные систематические группы и трофические уровни экосистемы. Все выбранные виды относятся к аккумулятивным биоиндикаторам, накапливающие загрязнители без быстро проявляющихся нарушений.
Для определения тяжелых металлов готовили пробы из расчета 1 грамм биосубстрата из тканей тест-объекта. В каждую пробу добавляли по 4 мл концентрированной азотной кислоты и помещали в специальные контейнеры «бомбы», а затем в сухо-жаровой термостат на 4–6 часов. Анализ тяжелых металлов в биосубстратах проводили на атомно-адсорбционом спектрофотометре МГА-915МД. Расчетным методом (математический анализ) определяли содержание тяжелых металлов, а стронция ‒эмиссионным методом анализа [4].
Для определения содержания бенз(а)пирена в организме тест-объектов использовали метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, SYCAM, Германия) [5]. У рыб в органах – жабры, печень, гонады, мышцы; у моллюсков – мягкие ткани; у остальных объектов общую биомассу.
Результаты исследования и их обсуждение
Бентосные организмы характеризуются высокой вариабельностью по накоплению тяжелых металлов. Значительные колебания по содержанию тяжелых металлов в бентосе объясняются, прежде всего, разнообразием химического состава биотопов бентосных популяций и особенностями их образа жизни (наличием у значительного числа представителей малоподвижных форм, а также типом питания). Многие представители бентосных организмов характеризуются исключительно высокой аккумулятивной активностью и способны накапливать в организме большое количество тяжелых металлов. В ряде случаев микроэлементный состав бентоса оказывает большое влияние на химический состав этих групп гидробионтов, в том числе и на организм рыб путем передачи элементов по пищевой цепи.
Гидробионты, как правило, хорошо отражают химический элементный состав донных отложений в местах их обитания. Методом атомно-адсорбционной спектрофотометрии нами проведен анализ содержания тяжелых металлов в органах и тканях одного вида рыб -Аbramis brama, двух видов моллюсков – Dreisena polymorha, Unio pictorum. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в органах и тканях двух видов рыб и моллюсков
|
Название пробы |
Навески, г |
Cu, мг/кг |
Cd, мг/кг |
Pb, мг/кг |
Zn, мг/кг |
Fe, мг/кг |
Ni, мг/кг |
Sr, мг/кг |
|
Печень (Аbramis brama) в формалине |
0,43 |
2,57 ± 0,02 |
0 |
66,36 ± 0,6 |
8,9 ± 0,3 |
149,8 ± 0,8 |
0,55 ± 0,06 |
5,45 ± 0,01 |
|
Мышцы (Abramis brama) в формалине |
0,81 |
3,0 ± 0,09 |
0 |
18,61 ± 0,55 |
3,93 ± 0,11 |
34,44 ± 1,03 |
1,4 ± 0,04 |
8,34 ± 0,02 |
|
Жабры (Abramis brama) в формалине |
1,105 |
0,5 ± 0,01 |
0 |
58,47 ± 0,62 |
10,99 ± 0,32 |
174,15 ± 1,4 |
1,14 ± 0,03 |
6,216 ± 0,01 |
|
Гонады (Abramis brama) в формалине |
0,54 |
0 |
0 |
33,44 ± 0,05 |
5,59 ± 0,01 |
76,19 ± 0,67 |
1,47 ± 0,05 |
4,64 ± 0,01 |
|
Dreisena polymorha (мяг. ткани) |
0,16 |
0,0288 ± 0,001 |
0,0045 ± 0,001 |
0,504 ± 0,01 |
4,096 ± 0,12 |
0,8 ± 0,02 |
0,08 ± 0,002 |
1,0 ± 0,03 |
|
Dreisena polymorha (раковина) |
0,6 |
1,188 ± 0,004 |
0,26 ± 0,001 |
9,72 ± 0,28 |
1,56 ± 0,05 |
40,0 ± 1,3 |
4,56 ± 0,02 |
1,0 ± 0,04 |
|
Unio pictorum (мяг. ткани) |
0,95 |
0,96 ± 0,02 |
0,46 ± 0,01 |
16,18 ± 0,48 |
14,49 ± 0,43 |
226,67 ± 6,80 |
1,91 ± 0,05 |
1,67 ± 0,05 |
|
Unio pictorum (раковина) |
0,79 |
3,408 ± 0,11 |
0,71 ± 0,02 |
18,46 ± 0,6 |
2,15 ± 0,1 |
22,57 ± 0,73 |
11,97 ± 0,3 |
2,33 ± 0,05 |
Как видно из данных табл. 1 максимальное количество содержания тяжелых металлов в пределах обследованных органов рыбы (вида Аbramis brama) наблюдается в жабрах, затем печени и мышцах. Причем наибольшую способность к аккумуляции проявляют железо, свинец, цинк, медь, а стронций накапливается примерно в одинаковом количестве во всех органах. Отмечается также отсутствие аккумуляции кадмия во всех исследованных органах. Причем все эти элементы значительно превышают установленные гигиенические нормативы (ПДК) для рыбопродуктов (1 мг/кг).
Из данных, полученных на двух видах моллюсков, следует, что у вида Dreisena polymorha отмечается максимальное накопление тяжелых металлов в раковине, в частности это относится к железу, свинцу и никелю. У второго вида Unio pictorum содержание железа, свинца и кадмия примерно в одинаковых количествах, как в мягких тканях так и в раковине, а цинк в больших количествах обнаружен в мягких тканях, содержание никеля и меди выше в раковине. В отдельных исследованиях показано, что в моллюсках по сравнению с другими гидробионтами отмечается наибольшее накопление большинства тяжелых металлов. Моллюски как бентосные организмы обладают повышенной восприимчивостью на загрязнение водных экосистем и, прежде всего, донных отложений. Так, в этих исследованиях установлено, что тяжелые металлы активно аккумулируются протеинами морских моллюсков и ракообразных. Выявлена роль тяжелых металлов в активации металлотионинов, а также изменение потребности в них организма моллюска в процессе нормального его функционирования [6, 7]. Данные этого положения подтверждаются исследованиями по кинетике усвоения кадмия у пресноводных моллюсков, в которых показано, что аккумуляция кадмия в органах и тканях моллюска идет линейно до определенной концентрации его в воде (в пределах 5 мкг/л). При повышении концентрации (до 25 мкг/л) накопление кадмия происходит интенсивно, а затем наступает предел насыщения организма кадмием и прекращается его поступление [8]. При сравнении с результатами ранее проведенных исследований, характеризующих содержание тяжелых металлов в мягких тканях исследуемых видов моллюсков, наши данные свидетельствуют о меньшей величине накопления тяжелых металлов по сравнению с органами рыб.
Содержание бенз(а)пирена в организме тест-объектов. В результате проведенных исследований установлено, что происходит накопление бенз(а)пирена в тканях гидробионтов, это указывает на включение ПАУ в процессы метаболизма водных организмов (табл. 2). Обнаружена видовая специфичность аккумуляции данного нефтепроизводного.
Таблица 2
Содержание бенз(а)пирена в тест-объектах
|
Органы и название вида |
Место сбора |
Год сбора |
Содержание бенз(а)пирена, мкг/г |
|
Мышцы леща Abramis brama |
Устье р. Урал |
2010 |
0,0066 ± 0,0002 |
|
2011 |
0,015 ± 0,0005 |
||
|
Жабры леща Abramis brama |
Устье р. Урал |
2010 |
0,0264 ± 0,0007 |
|
2011 |
0,037 ± 0,0011 |
||
|
Мышцы берша Sander volgensis |
Устье р. Урал |
2010 |
0,2597 ± 0,0077 |
|
Жабры берша Sander volgensis |
Устье р. Урал |
2011 |
0,2042 ± 0,0061 |
|
Мышцы судака Sander lucioperca |
Устье р. Урал |
2010 |
0 |
|
Жабры судака Sander lucioperca |
Устье р. Урал |
2011 |
0,0974 ± 0,0029 |
|
Моллюск Unio pictorum |
Устье р. Урал |
2010 |
0 |
|
2011 |
0,0131 ± 0,0003 |
||
|
Моллюск Dreissena polymorpha |
Устье р. Урал |
2010 |
0 |
|
2011 |
0,375 ± 0,0112 |
||
|
Полихеты, Nereis diversicolor |
Сев. Каспий |
2010 |
0 |
|
2011 |
0,1125 ± 0,0033 |
При сравнении результатов содержания бенз(а)пирена в объектах 2010 и 2011 гг. сбора отмечено достоверное повышение концентрации данного поллютанта, что указывает на увеличение объема промышленных выбросов (нефтепроизводных) в исследуемом регионе. При общем сравнении концентрации бенз(а)пирена в тест-объектах все полученные результаты значительно превышают уровень ПДК, что говорит о высокой степени загрязнения исследуемого региона нефтепродуктами по сравнению с допустимыми уровнями (ПДК для мясо- и рыбопродуктов – 0,001 мг/кг, в водной среде – 0,000005 мг/л, атмосферный воздух – 0,1 мкг/100 м3, почва – 0,02 мг/кг, донные отложения – 0,02 мг/кг).
Содержание бенз(а)пирена в органах рыб имеет видовую специфичность. Так, у леща и судака концентрация бенз(а)пирена в жабрах выше, чем в мышцах. У вида берш помимо того, что общее количество бенз(а)пирена достаточно высокое, большая его часть находится в мышцах, а не в жабрах. Можно полагать, неблагоприятным экологическим условиям судак и лещ более устойчивы. Об этом свидетельствуют усиление морфо-физиологических показателей изученных видов рыб, как продуктивность и другие, что способствует накоплению ПАУ в мышцах.
Таким образом, использованные нами виды гидробионтов могут служить достаточно информативными биоиндикаторами степени загрязнения водной среды нефтепродуктами и позволяют оценить реальную экологическую опасность для биоты и населения.
Выводы
Исследованиями на гидробионтах установлено:
– максимальное количество содержания тяжелых металлов в пределах обследованных органов рыбы (вида Аbramis brama) наблюдается в жабрах, затем печени и мышцах; наибольшую способность к аккумуляции проявляют железо, свинец, цинк, медь, а стронций накапливается примерно в одинаковом количестве во всех органах; отмечается также отсутствие аккумуляции кадмия во всех исследованных органах; все эти элементы значительно превышают установленные гигиенические нормативы (ПДК) для рыбопродуктов (1 мг/кг);
– на двух видах моллюсков следует, что у вида Dreissena polymorha отмечается максимальное накопление тяжелых металлов в раковине, в частности это относится к железу, свинцу и никелю. У второго вида Unio pictorum содержание железа, свинца и кадмия примерно в одинаковых количествах, как в мягких тканях, так и в раковине. Отмечается, тканеспецифическое и видовое накопление отдельных элементов в организме исследованных тяжелых металлов;
– содержание бенз(а)пирена в органах рыб имеет видовую специфичность. Так, у леща и судака концентрация бенз(а)пирена в жабрах выше, чем в мышцах, У вида берш помимо того, что общее количество бенз(а)пирена достаточно высокое, большая его часть находится в мышцах, а не в жабрах;
– при сравнении результатов содержания бенз(а)пирена в объектах 2010 и 2011 гг. сбора отмечено достоверное повышение концентрации данного поллютанта, что указывает на увеличение объема промышленных выбросов (нефтепроизводных) в исследуемом регионе. При общем сравнении концентрации бенз(а)пирена в тест-объектах все полученные результаты значительно превышают уровень ПДК, что говорит о высокой степени загрязнения исследуемого региона нефтепродуктами по сравнению с допустимыми уровнями (ПДК для мясо- и рыбопродуктов – 0,001 мг/кг, в водной среде – 0,000005 мг/л, атмосферный воздух – 0,1 мкг/100 м3, почва – 0,02 мг/кг, донные отложения – 0,02 мг/кг).
Рецензенты:
Мукашева Т.Д., д.б.н., профессор, кафедра биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби Министерства образования и науки РК, г. Алматы;
Нуржанова А.А., д.б.н., профессор, Институт биологии и биотехнологии растений Министерства образования и науки РК, г. Алматы.
Работа поступила в редакцию 28.01.2015