В связи с антропогенным загрязнением окружающей среды все большее внимание уделяется проведению регулярного мониторинга воды, почв, растений, животных, продуктов питания [1, 2, 9, 22, 35–38].

Наибольшее количество потенциально опасных химических веществ, включая тяжелые металлы, поступает в организм с пищевыми продуктами [1, 10, 22, 47]. Это в значительной мере связано с биологической активностью химических элементов [23, 26], которые оказывают влияние не только на интерьер живых организмов [18–20, 32, 45], но и на генетическую структуру популяций [42].

Рыбная промышленность имеет важное значение для обеспечения продовольственной безопасности страны, включая в себя вопросы добычи и переработки рыбы, морского зверя, водорослей, китов, морских беспозвоночных в пищевую, техническую, медицинскую и кормовую продукцию [3, 26]. Рыбы – это важный объект для научных исследований [13, 15, 24, 42]. Сведения о микроэлементном составе органов и тканей рыб показывают направленность биохимических процессов, протекающих в организмах гидробионтов, позволяют судить об экологическом состоянии водной экосистемы и о возможности применения данного вида продукта в пищу людей [4, 44].

Жабры рыб – это орган, непосредственно контактирующий с водой, который является наиболее уязвимым, так как обеспечивает активный транспорт растворенного в воде кислорода. Жабры рыб очень чувствительны к посторонним примесям и токсичным веществам в водной среде [5], что отражается на морфологии жабр [11, 25] и на изменении физико-химического состава [41]. Поэтому определение содержания тяжелых металлов в жабрах судака Новосибирского водохранилища с целью оценки гидрохимического состояния водоема является особенно актуальным.

Материалы и методы исследования

Работа выполнена на базе лаборатории биохимии ГНУ СибНИИЖ. Исследования были проведены на судаке обыкновенном в возрасте 3,3–4,4 года, который был выловлен в Новосибирском водохранилище. Для исследования были взяты 30 проб жабр. Концентрации тяжелых металлов определялись методом атомно-абсорбционной спектрометрии (АСС) на атомно-абсорбционном спектрометре АА-7000 Shimadzu по ГОСТ 30178-96.

Полученные данные обработаны методом вариационной статистики с использованием программы Microsoft Excel. Тестирование соответствия имеющихся распределений нормальным проводили при помощи критерия Колмогорова – Смирнова. Достоверность разности между средними значениями оценивали с помощью критерия Стьюдента (td – критерий) и Фишера F(?).

Результаты исследования и их обсуждение

Данные по содержанию тяжелых металлов в жабрах судака обыкновенного представлены в табл. 1.

Выявлены значительные различия между способностью жабр судака к аккумуляции микроэлементов. Достоверно было доказано, что основной путь поступления Zn, Sr и Cd в организм рыб происходит через жабры [39, 40]. В жабрах в наибольшей степени концентрируется железо в сравнении с другими органами и тканями судака. Повышенная аккумуляция железа в жабрах объясняется тем, что оно стимулирует кроветворение и усиливает процессы дыхания в клетках. Нами также было изучено содержание тяжёлых металлов в чешуе и костной ткани судака Новосибирского водохранилища [12–14, 17]. Исследованиями установлено, что в жабрах судака концентрация меди меньше, чем в костной ткани, в 1,7 раза, марганца – в 1,5 раза. Концентрация железа и цинка превышает содержание данных микроэлементов в чешуе в 1,5 и 1,1 раза соответственно. Основной функцией железа в организме рыб является перенос кислорода и участие в окислительных процессах. Соединения железа в больших дозах вызывают гипоксию вследствие осаждения хлопьев гидроокиси на жабрах и снижения содержания кислорода в воде при окислении закисного железа. Так, при изучении накопления в жабрах железа различными семействами рыб, обитающих в реке Уй, высокая концентрация наблюдалась у представителя семейства окуневые (род судак) [33, 34]. Под воздействием цинка установлено повышение количества эритроцитов и уровня гемоглобина, увеличивается доля больших лимфоцитов и общее количество лейкоцитов. Однако соли цинка в повышенной концентрации вызывают коагуляцию слизи жабр рыб, их гибель от удушья.

Выявлен широкий размах фенотипических изменений в уровне тяжелых металлов в жабрах. Низкая индивидуальная изменчивость характерна для содержания цинка, тогда как вариация других элементов была во много раз выше. Если в жабрах и костной ткани индивидуальная изменчивость уровня Zn была одинаковой и низкой, то в чешуе она выше в 5 раз. Различия в индивидуальной концентрации химических элементов в органах и тканях обусловлены как их функцией, условиями среды, так и наследственными факторами. Это было подтверждено в ряде исследований [6, 8, 21, 23, 46].

Таблица 1

Содержание химических элементов в жабрах, мг/кг

Значительная тенденция к накоплению свинца отмечена у хищников: щуки, судака и окуня [33]. В жабрах судака в сравнении с костной тканью в 3,8 раза больше железа, а свинца – в 4,7 раза. Остальные химические элементы по концентрации преобладают в костной ткани. Н.А. Кашулиным с соавт. (1999) при изучении содержания марганца в рыбах из ряда водоемов Кольского полуострова был сделан вывод о том, что данный металл концентрируется преимущественно в жабрах, почках и скелете, в меньшей степени – в мышцах [9].

Содержание микроэлементов в жабрах судака Новосибирского водохранилища уменьшается в ряду: Fe > Zn > Mn > Cu и Pb ? Сd в соотношении соответственно 38,5:30,8:4,1:1 и 28:1. Этот ранжированный ряд по некоторым элементам совпадает с содержанием химических элементов в жабрах леща Куйбышевского водохранилища [5]. По данным А.Р. Таировой с соавт. [33], в жабрах судака реки Уй ранжированный ряд тяжелых металлов можно представить следующим образом: Fe > Mn и Рb > Cd. В жабрах судака Новосибирского водохранилища ранжированный ряд распределения тяжелых металлов существенно отличался от такового же в чешуе: Zn > Fe > Mn > Cu в соотношении 77:67:19:1 [14, 17]. По количеству тяжелых металлов в жабрах и костной ткани доминируют железо и цинк, в чешуе – цинк и железо.

Таким образом, распределение тяжелых металлов в органах и тканях рыб характеризуется неоднородностью, что определяется физико-химическими свойствами химических элементов, физиологическими особенностями организма, эколого-биологическими характеристиками изучаемого вида рыб.

Цинк является незаменимым микроэлементом для живых организмов. Он необходим для функционирования большого числа ферментов. Этот элемент требуется для синтеза белка, играет важнейшую роль в процессах регенерации кожи, секреции сальных желез, в формировании Т-клеточного иммунитета [26]. Медь является жизненно важным элементом, входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, участвует в процессах обмена веществ, в тканевом дыхании [34]. Известно, что производные кожи (волос, перо, щетина) могут быть использованы как прижизненные биомаркеры накопления тяжелых металлов в органах и тканях животных [27–31].

В табл. 2 показано, что между содержанием некоторых химических элементов в жабрах судака существуют высокие и средние положительные связи.

Высокая положительная корреляция наблюдалась в жабрах между концентрацией железа и марганца. В чешуе между этими элементами также выявлена высокая взаимосвязь. Средняя положительная сопряженность в жабрах была между Сu и Mn. В чешуе этих же рыб взаимосвязь этих элементов была в 2 раза выше (r = 0,822). Если между уровнем железа в чешуе существует тесная взаимосвязь (r = 0,726), то в жабрах она отсутствовала. Выявлено, что увеличение содержания кадмия в жабрах ведет к уменьшению концентрации железа в молоках (r = –0,522), тогда как повышение уровня меди в жабрах связано с повышением концентрации железа в молоках (r = 0,560). Таким образом, в наиболее соприкасающихся с водной средой жабрах и чешуе наблюдаются во многих случаях различия как по концентрации некоторых тяжелых металлов, так и по величине корреляции одних и тех же элементов.

Таблица 2

Корреляция между уровнями тяжелых металлов в жабрах

Выводы

Установлены средние популяционные значения тяжелых металлов в жабрах судака Новосибирского водохранилища, которые могут быть использованы при оценке интерьера судака по элементному составу, а также использоваться в экологии и ветеринарии. Содержание микроэлементов в жабрах судака Новосибирского водохранилища уменьшается в ряду: Fe > Zn > Mn > Cu и Pb > Сd в соотношении соответственно 39:31:4:1 и 28:1. Высокие положительные корреляции наблюдались между содержанием железа и марганца, также кадмия и свинца.

По уровню содержания тяжелых металлов в жабрах судака доминируют железо и цинк. Концентрация меди в жабрах меньше, чем в костной ткани, в 1,7 раза, марганца – в 1,5 раза. Концентрация железа и цинка превышает содержание данных микроэлементов в чешуе в 1,5 и 1,1 раза соответственно.

Исследования выполнены за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-16-30003).

Рецензенты:

Пичугин А.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой теоретической и прикладной физики, Новосибирский государственный аграрный университет, г. Новосибирск;

Викулов С.В., д.т.н., профессор кафедры сопротивления материалов и подъемно-транспортных машин, Сибирский государственный университет водного транспорта, г. Новосибирск.