научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА БИОАККУМУЛЯЦИЮ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ РЫБ Геология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА БИОАККУМУЛЯЦИЮ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ РЫБ»

ГЕОХИМИЯ, 2015, № 3, с. 222-233

ВЛИЯНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА БИОАККУМУЛЯЦИЮ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ РЫБ

© 2015 г. Т. И. Моисеенко

Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19 e-mail: moiseenko.ti@gmail.com Поступила в редакцию 17.02.2014 г.

Принята к печати 02.04.2014 г.

Систематизированы представления о влиянии геохимических факторов на проникающую способность и биоаккумуляцию элементов в организме рыб. Выделено два механизма детоксикации элементов в организме: связывание металлов низкомолекулярными серосодержащими белками (металлоти-онеинами) с последующим выведением и секвестирование в специфических гранулах. Показано, что в низко минерализованных и подкисленных водах проникающая способность выше и аккумуляция большинства металлов происходит активнее. Большая часть элементов более активно проникает в организм рыб в форме ионов, однако Hg в больших концентрациях накапливается в форме метилртути. Приводятся оригинальные данные по содержаниям и распределениям наиболее токсичных элементов (Hg, Cd, Pb) в организмах рыб из водоемов Кольского Севера. Обосновано, что обеспеченность функционально важных органов эссенциальными элементами в случае полиметалического загрязнения вод у рыб может снижаться вследствие патологических нарушений. Выделены техногенные гидрогеохимические аномалии в пределах Кольского региона (медно-никелевые, стронциевые и закис-ленные гидрохимические провинции) на основании содержания элементов в рыбах и развития у них эндемичных патофизиологических нарушений. В пределах Волжского бассейна, исходя из повышенных содержаний ряда элементов, включая токсичные металлы, в организмах рыб, выделены гидрогеохимические провинции: на участке Нижней Волги (Sr—Cd—Al—Cr—Ni), на участке Средней Волги (Hg—Zn) и на участке Верхней Волги (Mn—Pb).

Ключевые слова: биоаккумуляция, металлы, геохимические факторы, проникающая способность, де-токсикация, микроэлементозы.

Б01: 10.7868/80016752515030097

Проблема оценки экологических последствий изменения биогеохимических циклов элементов под воздействием человеческой деятельности является одной из важнейших в современной геохимии и экологии. Извлеченные из недр и обогащенные в технологических циклах многие металлы рассеиваются в природных средах и накапливаются в живых организмах, оказывая на них токсическое действие. Мобилизация металлов из земной коры повышает темпы их поступления в водные объекты, значимо увеличивая концентрацию. Большая часть антропогенной нагрузки относится к точечным источниками загрязнения, однако заметен и глобальный вклад, связанный как с загрязнением и трансграничным переносом металлов в высоких слоях атмосферы, так и с мобилизацией элементов кислотными осадками.

Соотношение концентраций металлов в организмах установилось на протяжении периода эволюции органического мира. Значительные откло-

нения от этих соотношений вызывают отрицательные, часто губительные последствия для живых организмов. Содержание элементов в водной среде является интегральным результатом естественных геохимических процессов и антропогенного обогащения вод металлами. В организмах рыб как верхнего звена водных экосистем, процеживающих через себя большие объемы воды, концентрация аккумулированных металлов значительно выше, чем в водной среде.

На аккумуляцию металлов влияет прежде всего концентрация элемента в водной среде, которая определяется геохимическим фоном и уровнем антропогенной нагрузки. Сопутствующие факторы, такие как рН, солевой состав, концентрации кальция и гумусовых кислот могут усиливать или снижать проникающую способность металлов в организм. Использование рыб для индикации загрязнения вод металлами позволяет установить пролонгированные эффекты малых доз загрязне-

ния, дать оценку экотоксикологическим последствиям образования природно-техногенных гидрогеохимических провинций.

Целью работы было дать оценку влияния геохимических факторов водной среды на проникающую способность и аккумуляцию металлов в организмах рыб, выделить особенности накопления не-эссенциальных и эссенциальных элементов, показать влияние техногенных гидрогеохимических провинций на развитие патофизиологических процессов в организме рыб.

В основу работы легло обобщение обширных исследований автора по накоплению элементов в организмах рыб, служащих индикаторами геохимический условий и антропогенной нагрузки на водные системы европейской части России (Мои-сеенко и Кудрявцева, 1999; Моисеенко и др., 2005; Моисеенко и др., 2006; Moiseenko and Kudryavtseva, 2002). Методы исследований детально изложены в указанных работах. Многочисленные литературные данные, раскрывающие механизмы проникновения, накопления, детоксикации и выведения элементов, использованы в обзоре по ходу изложения проблемы.

ПРОНИКНОВЕНИЕ, ДЕТОКСИКАЦИЯ И ВЫВЕДЕНИЕ

Биодоступность и проникающая способность. В научной литературе доказано, что для большинства металлов наиболее биодоступны и токсичны их ионные формы (Campbell, 1995; McDonald and Wood, 2001; Heath, 2002). Концентрация свободных ионов металлов, которые могут быть доступны, часто ниже общего уровня металлов в естественных водоемах и заметно варьирует в зависимости от pH, содержания органических лигандов и минерализации воды. Если в водоеме имеется значительное количество органического вещества, то количество ионов металлов, которые более легко проникают в организм рыб, значительно ниже по сравнению с общим содержанием элемента в воде благодаря инактивации элементов органическими лигандами (McGeer et al., 2002). Эта тенденция к образованию комплексов с органическими (гумусовыми кислотами) и неорганическими лигандами (в основном, хлоридами, карбонатами, гидрокси-дами) зависит от свойств самого металла. Например, медь обладает более высокой комплексообра-зующей способностью с органическими лигандами по сравнению с кадмием (McDonald and Wood, 2001). Однако это правило не распространяется на все элементы. Метилированные формы соединений ртути, обладающие липофильными свойствами, более активно накапливаются в водных организмах (Watras et al., 1998; Haines, et al., 1995; Ко-мов и др., 2004).

K. Simkiss (1996) на основе анализа результатов многочисленных исследований, выделили возможные пути поглощения металлов водными организмами: проникновение ионов через липидный слой; опосредованный транспорт в междуклеточном пространстве и эндоцитоз. Принято считать, что микроэлементы поглощаются водной биотой в пассивном процессе прохождения через ткани. Это возможно несмотря на гораздо большие концентрации элементов в тканях, чем в окружающей среде. В некоторых случаях поглощение может происходить через ионные насосы, и в этих случаях существует энергетическая зависимость (Wright, 1995).

Проникновение металлов через жабры определяется комплексной микросредой, создаваемой на поверхности жабр, поскольку она включает в себя мембраны клеток эпителия, а также слой слизи со смесью гликопротеидов, монополисахаридов, низкомолекулярных белков и воды. Не все металлы одинаково соединяются с поверхностью жабр. В работе A.G. Heath (2002) показано, что интенсивность связывания металлов на поверхности жабр соответствует соотношению: La > Ca = Cd > Cu. Соединение с внешней поверхностью эпителиальных тканей жабр не означает более быстрого проникновения металлов внутрь организма. Установлено, что вопреки ожидаемому, проникновение металлов в клетки жабр обратно пропорционально сродству элемента к поверхностному связыванию (Spry and Wiener, 1991).

На проницаемость жабр для ионов металлов большое влияние оказывает ионный состав и концентрация солей в воде. Ион кальция как основной катион, формирующий "жесткость" вод, определяет положительный электрический заряд на внешней поверхности жабр. Это способствует отталкиванию положительно заряженных металлов и снижает темп их поглощения жабрами. Поэтому, чем выше жесткость воды, тем темп поглощения металлов ниже (Hollis et al., 2000). Для примера, темп потока цинка в мягкой воде по сравнению с жесткой может различаться в 40 раз (Spry and Wiener, 1991).

Рядом исследований доказано, что в закислен-ной водной среде проникновение металлов в организм усиливается благодаря крайне низкому содержанию кальция в кислых водах (Spry and Wiener, 1991; Nelson and Campbell, 1991). В экспериментах радужная форель тестировалась на поглощение алюминия при прохождении через жабры воды с рН 5.1, 4.7 и 4.1. Установлено, что наибольшая степень поглощения алюминия была при рН воды 4.1 (Poleo et al., 1997). Наблюдался более быстрый темп поглощения метиловой ртути жабрами и клетками крови гольца при рН 6, чем в водах с рН 9 (Heath, 2002).

Наряду с проникновением металлов из воды через жаберный аппарат элементы поглощаются и с

пищей. В экспериментах с радужной форелью, которая получала метилированную ртуть через пищу и из воды, показано, что накопление токсикантов происходило линейно. Метилированная ртуть, полученная из одного источника, не оказывала никакого влияния на темп поглощения ртути из другого источника. Иными словами, они дополняли друг друга. Коэффициенты извлечения ртути, однако, были различными. Приблизительно 70% метилированной ртути было усвоено с проглоченной пищей, и лишь 10% накоплено в организме при поступлении через жабры (Heath, 2002).

Регуляция содержания и детоксикация. У водных организмов существует как минимум два механизма инактивации проникающих в организм металлов. Первый из них, названный "регуляцией", основан на способности к связыванию элементов специфическими белками и их выведению (Perez-Coll et al., 1997; Hodson, 1988; Olsson et al., 1990; George and Olsson, 1994; Linde et al., 2001). Второй связан с процессами секвестерования металлов в специфических внутриклеточных образованиях (Phillips and Rainbow, 1989).

Первый механизм связывания проникающих в организм металлов, направленный на регуляцию микроэлементного состава организмов, осуществляется посредством индукции синтеза специфических белков — металлотионеинов (МТ), удаление металлов — путем экзоцитоза в мембранны

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геология»