Bioaccumulation of Chemical Elements and Organic Carbon in the Macrozoobenthic Organisms of the Laptev Sea

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Согласно учению А.П. Лисицына о биодифференциации в океане, морская биота осуществляет производство, переработку и транспорт осадочного материала в виде трехступенчатой системы биофильтров: 1) первичное биопродуцирование фитопланктона в зоне фотосинтеза; 2) вторичное биопродуцирование зоопланктона и вертикальные потоки биогенных частиц; 3) трансформация бентосом осадочного материала в поверхностном слое донных осадков [7–10]. Бентосные организмы преобразуют состав органического вещества и нарушают стратификацию осадков (биотурбация). Сестонофаги поглощают из придонных вод рассеянное осадочное вещество, а детритофаги и грунтоеды — из донных осадков, концентрируя в своих телах химические соединения, включая загрязнители — потенциально токсичные тяжелые металлы и металлоиды [9, 10].

Море Лаптевых относится к числу наиболее ледовитых арктических морей, однако за последние десятилетия площадь ледового покрытия в летний период заметно уменьшилась в связи с возрастанием среднегодовых значений температуры воздуха и объем речного стока [14–16]. Транспорт осадочного материала и загрязняющих веществ в море Лаптевых осуществляется вследствие ледового разноса и трансполярного дрифта льда, при этом взвешенный терригенный материал аккумулируется с последующей разгрузкой в летний период [28]. Важным источником поступления тяжелых металлов в море Лаптевых служит речной сток Лены и Хатанги. Однако сток р. Лены можно отнести к числу наименее загрязненных среди крупных рек на основании того, что растворенные в воде тяжелые металлы (кроме Fe) оказались на уровне самых низких концентраций, а As, Cd и Pb даже ниже, чем в других реках мира [37]. Другим источником загрязнения арктических морей служат аэрозоли дальнего переноса, в субмикронных фракциях которых повышены концентрации тяжелых металлов [6]. Аэрозоли Арктики обогащаются тяжелыми металлами в результате деятельности горно-металлургических комбинатов Норильска, Кольского п-ва, а также вследствие лесных пожаров, а зимой этому способствует дальний перенос частиц из среднеширотных районов Евразии [17]. Очевидно, вследствие этих процессов повышенные содержания As, Cr, Ni, Cu, Cu и Pb установлены в донных осадках наиболее глубоких частей моря Лаптевых [44].

В последние годы Восточно-Сибирский арктический шельф интенсивно исследовался в связи с зарегистрированными в ходе многих экспедиций повышенными концентрациями метана в атмосфере и гидросфере. Метан является «парниковым» газом, эманации которого, обусловленные деградацией многолетнемерзлых пород, могут вызывать потепление климата подобно углекислому газу_. Обобщение большого массива сейсмических данных по зонам подводной мерзлоты на шельфе Восточно-Сибирского, Лаптевых, Чукотского и Бофорта морей позволило сделать вывод о не столь значительном вкладе эмиссии метана при диссоциации газогидратов в потепление климата [22]. В 1993 и 1995 гг. в море Лаптевых экспедициями НИС «Полярштерн» была впервые зарегистрирована фауна сибоглинид, трофически зависимая от метана [13]. Во время экспедиций НИС «Академик Мстислав Келдыш» в 2015–2018 гг. на глубине около 72 м были описаны холодные метановые высачивания с обилием макрофауны, ассоциированной с метанотрофными и хемоавтотрофными бактериями [15, 21, 45, 46, 49]. Ранее подобные явления в Арктике были описаны только на глубинах свыше 200 м [20, 33, 42].

Микробные сообщества, функционирующие в районах метановых высачиваний, нуждаются в ряде микроэлементов, входящих в состав металлоэнзимов, необходимых для катализа важных биохимических реакций [34]. Исследования элементного состава фауны метановых высачиваний впадины Дерюгина в Охотском море [4] и Корякского склона в западной части Берингова моря [30] выявили высокое содержание ряда тяжелых металлов в мягких тканях и жабрах симбиотрофных двустворчатых моллюсков везикомиид, что обусловлено высокими концентрациями элементов в придонной воде этих восстановительных биотопов.

Несмотря на то что море Лаптевых характеризуется значительным разнообразием бентических сообществ, особенности биоаккумуляции металлов остаются пока мало изученными, в частности, не оценено влияние метановых высачиваний на уровни концентраций элементов в донной фауне.

Целями данной работы являются: 1) анализ концентраций и распределения ряда химических элементов в массовых таксонах макрозообентоса моря Лаптевых на полях метановых высачиваний и вне их; 2) выявление влияния факторов окружающей среды на биоаккумуляцию элементов массовыми группами макрозообентоса; 3) оценка биоаккумуляционного потенциала ведущих групп бентоса для химических элементов и органического углерода.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материал для исследования был собран в рамках программы «Морские экосистемы Сибирской Арктики» в экспедициях 69-го и 72-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» (2017 и 2018 гг.) Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН (рис. 1, табл. 1).

 

Рис. 1. Карта-схема пробоотбора фауны и донных осадков в экспедициях 69-го и 72-го рейсов НИС «Академик Мстислав Келдыш» в 2017 и 2018 гг.

 

Таблица 1. Станции пробоотбора макрозообентоса и донных осадков в море Лаптевых

Станция	Глубина моря, м	Координаты касания (для трала Сигсби)
		Широта северная		Долгота восточная
		град	мин	град	мин
5623	63	76	53.677	127	48.157
5624	70	76	50.000	126	39.608
5625	71	76	46.512	125	49.346
5590-2	62	77	10.006	114	40.822
5635	777	78	2.318	115	50.292
5636	225	77	54.238	104	55.174
5947	72	76	46.846	125	49.173
5953	63	76	53.591	127	48.276

 

Для сбора макрофауны использовали трал Сигсби со стальной рамой шириной 2.0 м. Трал был оснащен двойным мешком: наружный мешок сделан из двойной узловой капроновой дели из веревки 3.1 мм с ячеей 45 мм; внутренний — из безузловой дели с ячеей 4.0 мм. Полученную пробу промывали на системе стальных сит с ячеей 5.0 и 1.0 мм. Разборку проб вели по стандартной методике, принятой в экспедициях ИО РАН. В каждой точке отбора траловых проб фиксировали основные характеристики среды обитания (табл. 2). Весь материал, по возможности, определяли до вида. Образцы животных, предназначенных для химических анализов, отбирали непосредственно из непромытой пробы (чтобы избежать контакта с водой из судовой системы). После трехкратной промывки дистиллятом образцы помещали в стеклянные чашки и высушивали в термостате при температуре 55–60°С. Препарирование животных проводили с использованием пластмассовых инструментов. В организмах двустворок раковины и мягкие ткани анализировали раздельно, в случае офиур, морских звезд и голотурий отдельно анализировали тело без кишечника и содержимое кишечника, ракообразных брали как целые тела (тотально, т.е. без препарирования). Анализируемые в данной работе животные представлены четырьмя группами: двустворчатые моллюски (Portlandia arctica, Similepecten greenlandis); иглокожие: морские звезды (Сtenodiscus crispatus); офиуры (Ophiocten sericeum) и голотурии (Myriotrochus rincki.) Следует отметить, что для минимизации воздействия физиологических факторов на биоаккумуляцию химических элементов внутри каждой из четырех групп подбирали особи с близким средним размером.

 

Таблица 2. Ведущие группы макробентоса и характеристика среды обитания в море Лаптевых (по траловым пробам) (анализируемые виды подчеркнуты)

Станция	Глубина, м	Доминирующие группы (определяют облик сообщества)	Руководящие виды (играют заметную роль в сообществе)	Литология поверхностного (0–3 см) слоя донных осадков	Характеристики наддонной воды (горизонт 0–15 см от дна)
					Т, °С	S, psu	O2, мл/л	O2, %
5590-2	60	Ophiocten sericeum	Ophiacantha bidentata, Urasterias lincki, Ciona intestinalis	Алевропелит с тонкозернистым (т/з) песком, текучий, мягкий	–1.68	33.85	7.28	85.7
5635	777	Melinnopsis arctica, Ophiopleura borealis	Epizoanthus erdmanni, Verum striolatum, Bathybiaster vexillifer	Алевропелит однородный вязко-текучий	0.15	34.86	6.69	83.4
5636	225	Ophiopleura borealis	Yoldiella lenticula, Ctenodiscus crispatus	Алевропелит с т/з песком вязко-текучий	Н.д.	Н.д.	Н.д.	Н.д.
5623 поле Оден	63	Ophiocten sericeum	Similipecten greenlandicus, Urasterias lincki, Strongylocentrotus pallidus	Алевропелит с т/з песком. Вязко-текучий, на поверхности и в верхней части многочисленные погонофоры, ходы полихет, заметная примесь песка	–1.80	34.10	7.27	85.5
5624	70	Ophiocten sericeum, Portlandia arctica	Ctenodiscus crispatus, Urasterias lincki, Ampeliscidae	Алевропелит, вязко-текучий, на поверхности зерна песка	Н.д.	Н.д.	Н.д.	Н.д.
5625 поле С 15	71	Ophiocten sericeum	Craniella polyura, Frigidalvania sp., Ctenodiscus crispatus	Алевропелит с т/з песком. Верхний окисленный слой частично смыт, вязко-текучий	–1.77	34.10	7.27	85.5
5947 поле С 15	72	Ophiocten sericeum	Frigidalvania sp., Ctenodiscus crispatus	Алевропелитовый ил с примесью песка	–1.82	34.34	5.76	67.8

 

Поверхностные донные осадки для анализа элементного состава отбирали на станциях пробоотбора макрозообентосных организмов из слоя 0–1 см дночерпателями Ван-Вина, Океан-0.25 или бокскорера. В судовой лаборатории пробы осадков без промывки высушивали в термостате при температуре 55–60°С.

В стационарной лаборатории перед анализом каждый образец тщательно растирали в агатовой ступке. Полное разложение высушенных и растертых образцов (масса в среднем составляла 60 мг) проводили в смеси 2 мл концентрированной перегнанной азотной кислоты (69% HNO₃) и 1 мл перекиси водорода (30% H₂O₂) в тефлоновых сосудах на нагревательной платформе при 80–90°С. При наличии достаточной массы (более 60 мг сухого вещества) для каждой отдельной пробы проводили параллельные анализы. После выпаривания анализируемых образцов до влажных солей конечный объем раствора (20 мл) устанавливали 5% раствором HNO₃. На каждые 7 образцов проводился один бланковый анализ. Концентрации химических элементов в образцах определяли в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСМ-МС) на приборе «Agilent 7500a» (США). Точность определения концентрации для всей группы анализируемых элементов варьировала 0.3 до 7.8%, определяемой из двух повторностей. Правильность анализа контролировалась сертифицированными эталонными образцами Национального института стандартов Канады NIST 2976 (ткань мидий) с отклонением от референтного значения от 0.7 до 9.5%. В донных осадках содержание Si, Al, Ca, Fe, Mn, V, Cr, Co, Ni, Co, Cu, Zn, Zr, Ba, As, Mo определяли методом рентгено-флуоресцентного анализа (РФА) на приборе «Спектроскан МАКС-GVM» (НПО Спектрон, Россия). Правильность анализа контролировали одновременным анализом отечественных и международных стандартных образцов СДО-1и NIST 2702 (морские донные отложения).

Содержание общего углерода и неорганического углерода измеряли в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН на приборе Shimadzu TOC-L-CPN (Япония); содержание органического углерода рассчитывали по разности между общим и неорганическим углеродом. Гранулометрический состав донных осадков определяли в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН с использованием лазерного дифракционного анализатора размеров частиц Shimadzu SALD2300 (Япония). Статистическую обработку данных осуществляли с помощью программного пакета Statistica-10.0. Корреляции между исследуемыми элементами в организмах и осадках рассчитаны с использованием коэффициентов ранговой корреляции Спирмена (корреляция Спирмена).

РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ

Море Лаптевых представляет собой шельфовый арктический бассейн с суровым климатом, ледовым покровом до 10 месяцев в году, отрицательными температурами воды и средней соленостью ниже 30‰. Гидрохимическая структура морских вод находится под влиянием речного стока Лены [11]. Море Лаптевых характеризуется невысокой первичной продукцией, резко падающей от дельты р. Лены до внешнего шельфа (от 720 до менее 100 мгC/м² в день соответственно) [47], а также низкими концентрациями С_орг в воде, взвеси и донных осадках [12].

В 2017 и 2018 гг. в экспедициях НИС «Академик Мстислав Келдыш» по программе «Морские экосистемы Сибирской Арктики» на внешнем шельфе моря Лаптевых были изучены два поля холодных метановых высачиваний C-15 и Оден, сконцентрированных на участках поперечником до 5 км и отстоящих друг от друга на 50 км [15, 16]. По результатам гидролокационной съемки зафиксированы газовые «факелы», визуально обнаружены многочисленные бактериальные маты и установлены участки наибольшей активности метановых сочений, которые на поле С-15 оказались более интенсивными, чем на поле Оден [21, 49]. Оба поля расположены на сегменте, который протягивается с юго-запада на северо-восток вдоль рифтовой системы моря Лаптевых, зоны разлома Хатанга–Ломоносов и соединения с хребтом Гаккеля. Неглубокие разломы связаны с прогибанием внешнего шельфа, разрезающим толщу многолетнемерзлых пород и газогидратов, способствуя миграции газа к поверхности осадочной толщи, начиная с периода последней дегляциации [21]. Содержание метана в поверхностных осадках этих полей, а также скорости анаэробного метанокисления и сульфатредукции значительно ниже, чем в зонах активной разгрузки углеводородов, таких как Хаакон Мосби, Мексиканский залив и др. [46].

В море Лаптевых донная фауна была собрана на шести станциях, расположенных вдоль Хатангского разреза на внешней кромке шельфа (ст. 5590-2), континентальном склоне (ст. 5635), в проливе Вилькицкого (ст. 5636), а также на двух полях метановых высачиваний (ст. 5623, поле Оден, ст. 5625, поле С-15) и фоновом районе (ст. 5624) (см. табл. 2).

Гидрохимические исследования установили, что в море Лаптевых влияние речного стока Хатанги прослеживается на значительном расстоянии (до 500 км) от устья реки [11]. Состав организмов на ст. 5590-2 соответствует характерному для этого района сообществу с доминированием офиур Ophiocten sericeum и Ophiopleura borealis. Значительное количество видов сестонофагов, таких как офиуры Gorgonocephalus arcticus, Ophiacantha bidentata и асцидии Ciona intestinalis косвенно свидетельствует о наличии достаточно активной придонной гидродинамики в данном районе. Суммарно в пробе найдено не менее 30 видов организмов макробентоса. На ст. 5635 доминировали офиуры Ophiopleura borealis и глубоководные арктические полихеты Melinnopsis arctica.

Согласно литературным данным, это сообщество широким поясом охватывает почти весь склон арктических морей от Карского до Восточно-Сибирского морей на глубинах 510–1580 м [13]. Кроме батиальных видов, в трале обнаружены эврибатные виды, характерные также для шельфовых глубин (офиуры Ophiocten sericeum). На ст. 5636 (пролив Вилькицкого, глубина 225 м) трал был взят в широко распространенном на нижне-сублиторальных и верхне-батиальных глубинах сообществе с доминированием офиур Ophiopleura borealis. Несколько менее многочисленны двустворчатые моллюски Yoldiella lenticula и морские звезды Ctenodiscus crispatus. В пробе обнаружено не менее 25 видов макробентоса.

В районе метановых высачиваний (поля С-15 и Oден) на станциях 5623 и 5625 температура и соленость придонной воды (15 см от дна) составили –1.8°С и 34.1‰ соответственно, концентрация и насыщаемость О₂ – 7.27 мл/л и 85.5% соответственно. Отметим, что на поле С-15 (ст. 5947) последние два параметра заметно понижены — 5.76 мл/л и 56.8% (см. табл. 2). Под тонким слоем слабо окисленного поверхностного слоя осадков серовато-коричневатого цвета залегают темно-серые до черного восстановленные алевропелиты с примесью тонкозернистого песка. На полях разгрузки метана в море Лаптевых установлены высокие скорости анаэробного метанокисления метанотрофными бактериями, что обусловливает восстановительную среду в осадках (Eh от −50 до −160 мВ) за исключением тонкого поверхностного слоя (1–2 см), слабо окисленного и биотурбированного симбиотрофными трубчатыми червями [45, 46]. Качественный и количественный состав траловой пробы свидетельствует о том, что в районе метановых выходов обитает сообщество с доминированием офиур Ophiocten sericeum, типичное для шельфовых глубин всех сибирских морей. Наличие большого количества трубок погонофор Oligobrachia haakonmosbiensis свидетельствует об однозначной реакции фауны на метановые высачивания в этом районе. Примерно в двух милях к западу от сиповой ст. 5623 взята ст. 5624 (глубина 70 м) в фоновом сообществе с доминированием детритофагов офиур Ophiocten sericeum, также в число доминантов входит двустворчатый моллюск Portlandia arctica. Интересно в целом меньшее разнообразие макробентоса на фоновой станции в сравнении с сиповой — обнаружено лишь 34 вида. Ст. 5625 (глубина 71 м) взята на поле метановых высачиваний Оден, здесь доминирует офиура Ophiocten sericeum. Крайне многочисленны губки Craniella polyura, морские звезды Ctenodiscus crispatus. Кроме того, как и на ст. 5623, в пробе ст. 5625 обнаружено большое количество трубок симбиотрофных погонофор Oligobrachia haakonmosbiensis, свидетельствующих об отклике макрофауны на наличие метановых сочений. Донное сообщество полей метановых выходов в целом сохраняет свою структуру, при этом обилие макрофауны значительно выше, чем на фоновых станциях: общая численность макрозообентоса составляла от 2500 до 10000 экз./м², а биомасса от 50 до 150 г/м² [49]. Явным доминантом зон метановых высачиваний являются офиуры Ophiocten sericeum. Это сообщество широко распространено на шельфе арктических морей. Биологическим следствием высачиваний в исследованном районе является массовое развитие симбиотрофов погонофор Oligobrachia haakonmosbiensis, образующих сплошные «ковры» площадью до нескольких квадратных метров. Однако такие поселения часто сменяются безжизненными участками «фонового» осадка, в силу чего определить их общую площадь затруднительно. По нашим наблюдениям, поселения погонофор служат удобным местообитанием для мелких животных, прежде всего молоди Ophiocten, находящих здесь убежище.

По данным наблюдений с видеомодуля, рельеф зоны метановых высачиваний сглаженный, дно полностью покрыто осадками светло-коричневого цвета с темными пятнами осадка (от нескольких квадратных сантиметров до метра). Пятна ассоциированы с бактериальными матами слабой плотности. Наиболее многочисленные представители эпифауны — офиуры Ophiocten sericeum. Их численность на поле С-15 составляет в среднем до 15 экз./м², а на поле Оден достигает 50–70 экз./м². На обоих полях многочисленны морские гребешки Similipecten greenlandicus, особенно на поле Оден, где они входят в число руководящих групп. Заметную роль в сообществе обоих полей играют морские звезды Ctenodiscus crispatus и Urasterias lincki (см. табл. 2).

РЕЗУЛЬТАТЫ

В донной фауне моря Лаптевых мы анализировали массовые таксоны макрозообентоса, обладающие разным типом питания: детритофаги и сестонофаги (двустворчатые моллюски), детритофаги (офиуры, голотурии) и грунтоеды (морские звезды). В двустворчатых моллюсках помимо тотальных проб (без препарирования) анализировались раздельно раковины и мягкие ткани, в морских звездах, офиурах и голотуриях − тело без кишечника и содержимое кишечника (раздельно). Исследуемые нами таксоны приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Исследуемые виды макрозообентоса

Станция	Группа	Вид	Анализируемый объект (количество экземпляров)	Тип питания
5623*	Asteroidea	Ctenodiscus crispatus	Тело (3), содержимое желудка (3)	Грунтоед
	Holothuroidea	Myriotrochus rincki	Тело без кишечника (8), содержимое кишечника (8)	Грунтоед
	Ophiuroidea	Ophiocten sericeum	Тело без кишечника (12), содержимое кишечника (8)	Детритофаг
	Bivalvia	Similipecten greenlandicus	Мягкие ткани (4), раковина (4)	Сестонофаг
5624	Asteroidea	Ctenodiscus crispatus	Тело (5), содержимое желудка (8)	Грунтоед
	Ophiuroidea	Ophiocten sericeum	Тотально (12)	Детритофаг
5625**	Asteroidea	Ctenodiscus crispatus	Тело (3), содержимое желудка (3)	Грунтоед
	Holothuroidea	Myriotrochus rincki	Тело без кишечника (4), содержимое кишечника (4)	Грунтоед
	Ophiuroidea	Ophiocten sericeum	Тотально (10)	Детритофаг
5947**	Bivalvia	Portlandia arctica	Мягкие ткани (22), раковина (22)	Детритофаг
5635	Asteroidea	Bathybiaster vexillifer	Тело (3), содержимое желудка (3)	Грунтоед
	Ophiuroidea	Ophiopleura borealis	Тело без кишечника (7), содержимое кишечника (3)	Детритофаг
5636	Asteroidea	Ctenodiscus crispatus	Тело (4), содержимое желудка (4)	Грунтоед
	Ophiuroidea	Ophiopleura borealis	Тотально (4)	Детритофаг
5590-2	Asteroidea	Ctenodiscus crispatus	Тело (3), содержимое желудка (3)	Грунтоед

Примечание. * поле Оден, ** поле С-15.

 

Рассмотрим распределение элементов в четырех группах организмов и их органах/тканях.

Bivalvia Similipecten greenlandicus (сестонофаг) и Portlandia аrctica (детритофаг). В табл. 4 представлены средние концентрации элементов в мягких тканях и раковинах двустворчатых моллюсков Similipecten greenlandicus и Portlandia аrctica, доминирующих на метановых полях Оден (ст. 5623) и С-15 (ст. 5947), а также для сравнения — P. аrctica из Восточно-Сибирского моря (ст. 5615, неопубликованные данные авторов). Отметим, что в обоих случаях среда обитания животных характеризуется близкими значениями температуры придонного слоя, содержания кислорода и солености (см. табл. 2).

 

Таблица 4. Средние концентрации химических элементов (мкг/г сух.в.) в организмах двустворок Similipecten greenlandicus и Portlandia arctica

Ст.	Bivalvia	Орган/ ткань	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Сo	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Mo	Ag	Ba	Tl	Pb	Bi	Th	U
5623	Similipecten greenlandicus	1	0.22	18.2	3.5	0.7	56	0.64	18.3	7.5	55	41	9.25	1	0.12	1.8	0.007	0.67	0.006	0.09	0.16
		2	0.12	3.6	1	0.1	44	0.23	4	3.1	7	1.7	0.18	0.29	0.015	1.6	0.0005	0.27	0.001	0.02	0.03
5947	Portlandia arctica	1	0.37	46	7.6	2.2	207	1.81	5.8	8.9	153	17.7	1.60	3.91	Н.д.	24.1	0.032	0.96	0.020	0.54	0.27
		2	0.19	8.3	1.5	0.22	40	0.57	3.5	16.8	11.3	0.93	2.18	0.13	Н.д.	18.5	0.003	0.21	0.006	0.053	0.027
		Тотально	0.21	12	2.1	0.24	57	0.7	3.73	16.1	16.3	2.6	2.2	0.51	Н.д.	19.1	0.003	0.12	0.001	0.11	0.054
5615	Portlandia arctica	1	0.17	28	2.4	0.6	156	1.7	4.0	7.4	31	13.8	8.4	1.5	0.1	19.6	0.023	2.57	0.044	0.14	0.17
		2	0.2	6.4	2.9	0.15	100	2.3	4.2	9.5	7.4	1.05	0.27	4.0	0.02	28.4	0.017	1.23	0.005	0.03	0.051

Примечание. 1 – мягкие ткани, 2 – раковина; н.д. — нет данных.

 

Вариабельность концентраций всех исследуемых элементов в мягких тканях морского гребешка S. greenlandicus очень высока: от менее 0.01 до 56 мкг/г сух.в., то есть составляет около четырех порядков десятичных величин. В диапазоне концентраций менее 1 мкг/г сух.в. находятся потенциально токсичные Ag, Bi, Pb, Th, Tl, эссенциальные Co и Cr, а также литогенный рассеянный элемент Sc. Мягкие ткани демонстрируют преимущественное по сравнению с раковинами накопление большинства микроэлементов, наиболее выраженное для As, Zn, Cd, V, Мо, Ni, Cr и Ag (см. табл. 4). Сравнение с двустворчатыми моллюсками, собранными вне полей метановых высачиваний, показывает почти трехкратное превышение концентрации As и Cd в мягких тканях морского гребешка S. greenlandicus по сравнению с таковыми для P. аrctica, что возможно связано с антропогенным фактором (см. ниже).

Для количественной оценки распределения элементов между мягкими тканями и карбонатными раковинами Bivalvia был предложен коэффициент Kd (С_{эл. мяг. тк}./ С_{эл. раков}.) [4]. Значения Kd, превышающие 1, свидетельствуют о преимущественном накоплении элементов в мягких тканях, обогащенных органическим углеродом, по сравнению с раковинами. На рис. 2 показаны средние значения Kd для двустворчатых моллюсков S. greenlandicus и P. arctica, обитающих на полях метановых выходов Оден и С-15, а также P. аrctica из Восточно-Сибирского моря (cт. 5615). Значение Kd для большинства элементов превышает 1.5, то есть они накапливаются в мягких тканях относительно раковин, при этом значения Kd сильно варьируют — от 1.5 (Sc, Mn, Сu, Ba) до 51 (Cd). Отметим, что различия между Kd Sc, Ti, Cr, Co, Сu, Ba и Pb во всех трех случаях весьма незначительны.

 

Рис. 2. Сопоставление средних значений Kd для двустворчатых моллюсков S. greenlandicus и P. аrctica, обитающих на полях метановых выходов Оден и С-15 соответственно, и P. аrctica (ст. 5615, Восточно-Сибирское море)

 

В одном и том же виде P. аrctica, но из двух разных районов, значения Kd V, Cr, Mn, Co, As, Tl, Th, U и особенно Сd значительно выше в организмах из поля метанового выхода С-15, чем в Восточно-Сибирском море. Сравнение двух разных видов двустворчатого моллюска S. greenlandicus (поле Оден) и P. arctica (поле С-15), показывает, что в последнем случае Kd тяжелых металлов V, Cr, Mn, Zn, Th и U заметно выше. В то же время Cd, Tl и металлоид As в фильтраторе-сестонофаге морском гребешке S. greenlandicus показывают пиковые значения Kd (от 10 до 51), где они накапливаются в значительно большей степени, чем в P. arctica.

Ophiuroidea Ophiocten sericeum (детритофаг). В табл. 5 приведены концентрации элементов в организмах офиур (в тотальных пробах, теле и содержимом желудков).

 

Таблица 5. Средние концентрации химических элементов (мкг/г сух.в.) в организмах офиуры Ophiochten sericium

Станция	Орган/ткань	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Co	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Mo	Ag	Ba	Tl	Pb	Bi	Th	U
5623	1	0.14	8	1.3	0.3	27	0.35	64	13.1	38	4.2	0.25	0.24	0.04	5.7	0.003	0.27	0.001	0.03	0.21
	2	1.3	88	22	15	152	4.59	79	17.8	46	20	1.15	1.1	0.07	87	0.06	8	0.03	0.64	0.3
5625	Тотально	0.16	18	19	0.5	24	0.32	2.6	12.5	40	4.9	0.45	0.22	0.02	6.1	0.002	0.17	0.001	0.05	0.24
5624	Тотально	0.10	16	9	0.3	25	0.21	3.5	11.4	42	7.9	0.45	0.17	0.02	5	0.001	0.05	0.001	0.02	0.24
5635	1	0.06	10	1.2	1	32	0.3	2.5	2	24	6.3	0.31	0.11	0.11	7.7	0.005	0.55	0.001	0.02	0.21
	2	0.10	84	9	8	124	1.07	13	3.3	35	9.2	1.01	0.4	0.22	24.7	0.03	1.3	0.01	0.06	0.2
5636	Тотально	0.14	48	0.7	0.6	25	0.21	2.6	1.8	96	37	1.27	0.16	0.44	6	0.001	0.11	0.001	0.02	0.45

Примечание. 1 – тело без кишечника, 2 – содержимое кишечника.

 

Концентрации всех исследованных элементов в содержимом желудка офиуры намного (до 10 раз) больше, чем в ее теле (без желудка). Наименее контрастное распределение между этими органами показывают Ni, Cu, Zn, Cd, Mo, Ag и U. В содержимом желудка офиур, обитающих на полях метановых выходов, выявлены наиболее высокие концентрации большинства элементов: Sc, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Cd, Mo, Ba, Tl, Pb, Bi и Th. Следует отметить, что максимальная концентрация Zn обнаружена в содержимом желудка офиуры с континентального склона (ст. 5635), тогда как As, Cd и U — в тотальных пробах из пролива Вилькицкого (ст. 5636) (см. табл. 5).

Нами рассчитан коэффициент Kd, характеризующий накопление микроэлементов в мягком теле офиуры относительно содержимого желудка (рис. 3). Все элементы показали отсутствие накопления в мягких тканях относительно содержимого желудка (Kd < 1) офиур Ophiocten sericeum, обитающих на поле метановых выходов Оден (ст. 5623) и на континентальном склоне (ст. 5635). При этом Kd тяжелых металлов Ni, Cu, Zn и Ag в организмах поля Оден существенно выше, чем в фоновом районе (ст. 5635), а для литогенных элементов Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ba, Pb, Bi, Th и U — наоборот.

 

Рис. 3. Сопоставление средних значений Kd для офиур Ophiocten sericeum, обитающих на поле метановых выходов Оден (ст. 5623) и континентальном склоне (ст.5635) моря Лаптевых

 

На рис. 4 представлены средние концентрации элементов в тотальных пробах офиуры из поля метановых высачиваний в сравнении с фоновыми станциями — мелководной ст. 5624 и глубоководной ст. 5636 из пролива Вилькицкого. Из всех исследованных элементов только V, Co, Mo, Tl и Pb показали незначительное превышение концентраций (до двух раз) в тотальных пробах офиур из метановых выходов на поле С-15 (ст. 5625) по сравнению с фоновой станцией 5624. В тотальных пробах офиур из пролива Вилькицкого (ст. 5636) значительно повышены содержания Zn, As, Cd, Ag и U, что возможно связано с влиянием антропогенного фактора.

 

Рис. 4. Сопоставление средних концентраций микроэлементов в тотальных пробах офиур Ophiocten sericeum, обитающих на полях метановых высачиваний С-15 (ст. 5625) с фоновыми станциями 5636 и 5624

 

Asteroidea Сtenodiscus crispatus (грунтоед). Микроэлементы в теле и желудке морской звезды Ctenodiscus crispatus исследованы на четырех фоновых станциях 5624, 5635, 5636, 5590-2 и двух станциях на полях метановых высачиваний Оден и С-15 (табл. 6).

 

Таблица 6. Средние концентрации химических элементов (мкг/г сух.в.) в организмах морской звезды Ctenodiscus crispatus

Станция	Орган/ ткань	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Co	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Mo	Ag	Ba	Tl	Pb	Bi	Th	U
5623	1	0.04	5	0.6	0.2	169	0.35	1.6	25.1	32	10	9.63	0.84	0.53	6.3	0.001	0.06	0.01	0.02	0.33
	2	11.7	2909	117	46	1296	9.43	18.8	12.6	19	15	0.11	2.9	0.05	338	0.27	6.7	0.09	6.79	1.4
5625	1	0.05	3.5	0.6	0.3	180	0.34	1.9	25.4	41	11	7.03	0.34	0.42	5.8	0.004	0.05	0.01	0.02	0.32
	2	10.2	2049	123	49	1690	10.91	21.9	15.1	23	16	0.23	2.7	0.04	272	0.25	6.6	0.10	5.22	0.8
5624	1	0.06	2.9	0.7	0.3	208	0.33	1.9	30.9	32	11.5	8.8	0.27	0.6	6.8	0.005	0.04	0.01	0.02	0.31
	2	16.4	3234	172	57	2021	12.7	60.2	18.6	25	20	0.37	3.4	0.05	311	0.29	7.7	0.13	9.11	1.2
5590-2	1	0.08	4.9	0.9	2.1	171	0.43	3.1	13.7	76	3.8	13.3	0.53	0.13	8.5	0.003	0.36	0.01	0.02	0.26
	2	18.9	3138	145	72	1199	13.2	30.9	22.5	36	19	0.26	2.1	0.04	347	0.29	7.2	0.12	8.33	1.2
5635	1	0.12	8.4	2.6	0.5	49	0.45	2.5	2.8	33	25	0.79	0.27	0.02	9.2	0.003	0.83	0.01	0.05	0.42
	2	8.1	1780	124	37	1434	12.1	27	19.3	60	34	0.11	1.1	0.04	239	0.28	8.5	0.13	3.91	0.90
5636	1	0.09	7.5	1.3	0.4	255	0.3	2.9	27.9	47	16	8.96	0.2	1.07	8.6	0.009	0.05	0.001	0.29	0.25
	2	9.2	3026	139	55	3151	14.4	32.8	19.9	24	31	0.35	5	0.05	244	0.34	6.9	0.12	4.34	1.0

Примечание. 1 – тело без кишечника, 2 – содержимое кишечника.

 

Большинство исследованных элементов показывает значительно более высокие концентрации в содержимом желудка по сравнению с остальным телом. Особенно выражен этот контраст для литогенных элементов Ti, V, Cr, Mn, Ni, Tl, Bi, Th. Существенного различия между концентрациями большинства элементов в органах морской звезды из полей Оден и С-15 и вне их не выявлено (табл. 6). Отметим высокие концентрации Cd и Mo в теле морской звезды на поле Оден (ст. 5623). Повышенные содержания Mn и Ag определены в теле и содержимом желудка Сtenodiscus crispatus из пролива Вилькицкого (ст. 5636). Мышьяк, Pb и Zn выделяются повышенными содержаниями в теле и содержимом желудка морской звезды, обитающей на континентальном склоне (ст. 5635).

На рис. 5 показано распределение средних значений коэффициента Kd для морской звезды, обитающей на полях Оден и С-15 (ст. 5623 и 5625), фоновой мелководной станции 5624 (глуб. 70 м), а также фоновых, но более глубоководных станций на континентальном склоне (ст. 5635) и в проливе Вилькицкого (ст. 5636). На всех этих станциях из исследуемых элементов только тяжелые металлы Cu, Zn, Cd и Ag показали обогащение (Kd >1) в теле звезды, причем Cd и Ag — значительное (Kd = 10 и более соответственно), на метановых полях это особенно четко выражено для Cd, среднее значение Kd которого достигает 60 (см. рис. 5). Концентрации других тяжелых металлов, металлоидов и литогенных элементов многократно ниже в теле морской звезды по сравнению с ее желудком: Kd варьирует от менее 1 до 0.01 и менее. Примечательно, что во всех случаях Kd для Sc, Ti, V, Cr, Ni, Ba, Pb, Th и U (т.е. преимущественно литогенных элементов) заметно выше в морской звезде на более глубоководных станциях вне полей метанового высачивания (см. рис. 5).

 

Рис. 5. Сопоставление средних значений Kd для морских звезд Ctenodiscus crispatus, обитающих на полях метановых выходов Оден и С-15, с фоном — мелководной ст. 5624 и более глубоководными ст. 5635 и 5636

 

Holothuroidea Myriotrochus rincki (грунтоед). В табл. 7 приведены концентрации элементов в теле и содержимом кишечника голотурии Myriotrochus rincki, обитающих на полях метановых высачиваний Оден и С-15, а на ст. 5615 из фонового района Восточно-Сибирского моря (ст. 5615).

 

Таблица 7. Средние концентрации химических элементов (мкг/г сух.в.) в организмах голотурии Myriotrochus rincki

Станция	Орган/ткань	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Co	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Mo	Ag	Ba	Tl	Pb	Bi	Th	U
5623	1	0.22	13.3	2.7	0.4	84	0.57	8.4	5.1	105	43.7	0.4	2	0.09	2.8	0.005	0.43	0.02	0.07	0.46
	2	12.9	3002	123	39	2075	10.7	22.4	14.6	35	23	0.24	3.5	0.06	329	0.28	7.1	0.11	7.15	2.0
5625	1	0.16	11.8	1.7	3.8	46	0.4	1.9	5.8	95	33.7	0.25	1.3	0.11	2.5	0.005	6.6	0.012	0.02	0.46
	2	6.6	1577	88	28	1147	7.71	15.7	13.1	44	17	0.21	2.1	0.04	198	0.17	5.1	0.08	3.46	0.8
5615	1	1.0	44.3	5.3	1.2	311	1.2	3.9	6.5	151	22.9	1.8	2.1	0.19	7.8	0.01	1.32	0.02	0.33	1.81
	2	12.6	3006	82	35	259	6.81	15.0	13.3	38	11	0.54	0.6	0.08	313	0.28	6.8	0.13	6.72	1.4

Примечание. 1 – тело без кишечника, 2 – содержимое кишечника.

 

В содержимом кишечника голотурии с полей метановых выходов определены максимальные концентрации Cr, V, Mn, Ni, Mo и Ba, а также более намного более высокие концентрации большинства элементов, чем в ее теле. Исключением являются Zn, As, Cd и Ag, которые показывают максимальные концентрации в теле голотурии, причем это справедливо не только для полей Оден и С-15, но и для фоновой ст. 5615, где также заметно повышены концентрации Th и U.

Коэффициент распределения элементов Kd в голотурии Myriotrochus rincki для большинства элементов многократно ниже 1, то есть концентрация их в (мягком) теле существенно ниже, чем в содержимом кишечника (рис. 6). Только тяжелые металлы Zn, Cd, Ag, а также металлоид As показывают заметное обогащение (Kd 2 –3) на полях Оден и С-15, а также на фоновой станции Восточно-Сибирского моря.

 

Рис. 6. Сопоставление средних значений Kd для голотурий Myriotrochus rincki, обитающих на полях метановых выходов Оден и С-15 с фоновой станцией 5615 (Восточно-Сибирское море)

 

Органический и карбонатный углерод в донных организмах. Результаты анализа представлены в табл. 8.

 

Таблица 8. Содержание органического (С_орг) и карбонатного (С_карб) углерода в донных организмах и вмещающих осадках моря Лаптевых

Станция	Род, вид	Объект анализа	Сорг, %	Скарб, %
5615	Bivalvia Portlandia arctica	Мягкие ткани	42.38	1.08
		Раковина	2.2	10.5
5623	Bivalvia Similipecten greenlandicus	Мягкие ткани	37.80	2.56
		Раковина	2.90	11.64
5623	Ohiuroidea Ophiocten sericeum	Тело без кишечника	10.06	10.72
5624	Ohiuroidea Ophiocten sericeum	Тотально	13.20	9.04
5625	Ohiuroidea Ophiocten sericeum	Тотально	11.29	9.58
5623	Holothuroidea Myriotrochus rincki	Тело без кишечника	35.15	1.42
		Содержимое кишечника	7.96	0.00
5625	Holothuroidea Myriotrochus rincki	Тело без кишечника	32.40	0.72
		Содержимое кишечника	10.16	0.00
5624	Asteroidea Ctenodiscus crispatus	Тело без кишечника	18.14	8.61
		Содержимое кишечника	4.07	0.00
5625	Asteroidea Ctenodiscus crispatus	Тело без кишечника	23.3	6.83
		Содержимое кишечника	4.34	0.00
5590-2	Asteroidea Ctenodiscus crispatus	Тело без кишечника	18.85	8.33
		Содержимое кишечника	4.27	0.00
5636	Asteroidea Ctenodiscus crispatus	Тело без кишечника	7.87	17.25
		Содержимое кишечника	3.30	0.00

 

Высокие концентрации органического углерода установлены в мягких тканях двустворок и телах без кишечника остальных организмов (см. табл. 8). Мягкие ткани Bivalvia и тело Нolothuroidea без кишечника характеризуются наибольшими концентрациями С_орг (до 37.8%). Самые низкие содержания С_орг определены в органо-минеральных компонентах содержимого кишечника морской звезды и раковины Bivalvia (3.3 и 2.9% соответственно). Раковина двустворки содержит в среднем 11.64% С_карб, т.е. почти нацело состоит из карбоната кальция — 97% (пересчет умножением на коэффициент 8.33 = СаСО₃/С_карб). Целое тело офиуры также является в значительной степени карбонатным — до 80% СаСО₃. Тела без кишечников Ophiuroidea и Asteroidea также обогащены карбонатом кальция (89.3 и 65.7% соответственно). В содержимом кишечника детритофагов и грунтоедов не обнаружено С_карб, что отражает обедненный карбонатами состав вмещающих осадков (см. табл. 8).

Гранулометрический и элементный состав поверхностных донных осадков. По нашим данным, поверхностные донные осадки исследуемых районов моря Лаптевых на 80–97% представлены алевритопелитовыми илами, причем в среднем более 60% приходится на алевритовую фракцию (табл. 9). Пелитовая фракция варьирует от 16.3 до 27.54%. Песчаная фракция либо отсутствует, либо составляет от первых процентов до 6.6% (ст. 5636 в проливе Вилькицкого). Интересно отметить, что на поле Оден (ст. 5623) содержание песка весьма значительно (20.46%), как и было отмечено при литологическом описании на борту судна (см. табл. 2), и намного больше, чем на поле С-15 (3.32%); последнее остается трудно объяснимым фактом. Эти поля отстоят друг от друга примерно на 50 км, и на поле Оден можно предположить более высокие скорости придонных течений, что приводит к вымыванию из осадка более тонкозернистых фракций.

 

Таблица 9. Содержание основных гранулометрических фракций (%), органического углерода (С_орг) и карбонатного углерода (С_карб) в поверхностных донных осадках моря Лаптевых

Гранулометрические фракции, Сорг и Скарб (%)	Станции
	5590-2	5623*	5624	5625*	5635	5636	5953*
Целит (< 2 мкм)	16.30	19.37	21.43	19.34	27.54	16.45	21.83
Алеврит (2–63 мкм)	80.72	60.17	77.41	77.34	72.46	76.96	75.46
Песок (63–2000 мкм)	2.99	20.46	1.17	3.32	0.00	6.59	2.68
Сорг	1.40	0.67	1.2	0.81	1.27	1.34	0.77
Скарб	0.00	0.00	0.00	0.00	0.01	0.01	0.00

Примечание. * – станции с метановыми высачиваниями.

 

Содержание С_орг в осадках с поля Оден (ст. 5623) понижено в 2–3 раза по сравнению с фоновыми станциями.

Элементный состав донных осадков представлен в табл. 10.

 

Таблица 10. Среднее содержание химических элементов (мкг/г сух.в.) в поверхностных донных осадках моря Лаптевых в сравнении с верхней частью континентальной коры

	Ti	Mn	V	Cr	Co	Ni	Cu	Zn	Ba	Pb	As	Mo
Метановые поля (n = 3)	3850	1700	148	52	23	25	25	70	528	21	22	7.4
Фоновые станции (n = 6)	4950	3550	177	79	35	45	27	95	487	28	38	7.8
Верхняя часть континентальной коры (UUC)*	3800	770	97	92	17	56	28	67	628	17	4.8	1.1

Примечание. * См. [41].

 

По порядку десятичных величин среднее содержание Ti, Сr, Cu, Zn и Ba не показывает существенных различий между осадками метанового высачивания и фоновыми, а также верхней континентальной корой. При этом среднее содержание Mn, Cr, Co, Ni, Pb, Zn и As в фоновых осадках на 20–50% превышает таковое на полях метанового высачивания.

Для количественной оценки обогащения осадков химическими элементами относительно верхней части континентальной коры (UCC) обычно используется фактор обогащения EF_x [43]. Он рассчитывается по формуле EF_x= (C_x/C_Al)_осадок/(C_x/C_Al)_UCC, где С_x и C_Al — содержание элемента x и Al в изучаемых пробах и в верхней части континентальной коры соответственно [41] (см. табл. 10). Величина EF_x <1 означает отсутствие обогащения (или обеднение), EF_x 1–3 показывает заметное и EF_x >3 – значимое обогащение исследуемых осадков [19]. Можно видеть, что на метановых полях и на фоновых станциях значения EF_x для Ti, Cr, Ni, Cu и Ba не превышают 1, для Zn и Pb чуть больше 1 (1.25 и 1.5 соответственно) (рис. 7).

 

Рис. 7. Сравнение среднего фактора обогащения EF_x осадков для метановых полей и фоновых станций

 

ДИСКУССИЯ

Морские беспозвоночные поглощают микроэлементы из воды и пищи через проницаемые мембраны, концентрируясь в тканях организма, фиксируясь в биоминеральной структуре экзоскелетов и/или адсорбируясь на них [32, 35]. На биоаккумуляцию металлов влияют как биотические (видовая специфика, возраст, репродуктивное состояние и др.), так и абиотические факторы (концентрации элементов и формы их нахождения в биотопе, окислительно-восстановительные свойства осадков, соленость и температура воды) [23, 32, 40]. Биодоступность химических элементов связана с их усвояемой формой, способной связываться с покровом организма, жаберным эпителием, эпителием кишечника и клеточной мембраной, вызывая тем самым различные биологические реакции; биодоступность металлов для донных организмов возрастает по мере увеличения содержания их лабильных форм нахождения во вмещающих осадках [26, 39].

Рассматриваемые в данной работе микроэлементы, в первую очередь Mn, Zn, Co, Ni, Cu, Мо, являются ключевыми в химической структуре металлоэнзимов и коферментов, катализирующих важные метаболические процессы (синтез хлорофилла, перенос электронов во время дыхания, лизис клеток, ферментативная деятельность и т.д.) [24, 38]. Однако при превышении определенных пороговых концентраций в биотопе эти микроэлементы могут оказывать токсичное воздействие на организмы. Другая группа микроэлементов (As, Cd, Pb, Bi, Tl, Th, U) относится к числу потенциально токсичных, содержание которых регламентируется протоколами качества компонентов экосистемы (воды, грунтов и морепродуктов) [27]. Распределение 19 элементов в Bivalvia, Ophiuroidea, Asteroidea, Holothuroidea показали значительную вариабельность концентраций (см. табл. 4–7). Исследуемые элементы могут быть разделены на четыре группы по уровню их концентраций в организмах (мкг/г сух. в.): 1) Mn, Ti, Ni, Cu, Zn, Ba, As (10–100); 2) V, Co, Cd, Mo, Pb (1–10); 3) Cr, Sc, Th, U (0.1–1); 4) Tl, Bi (0.01–0.1). Следует отметить изменчивость концентрации одного и того же элемента в разных таксонах, что отражает, по-видимому, разные способности организмов к усвоению тех или иных форм нахождения элементов, то есть определяется степенью их биодоступности. Отметим, что токсичные элементы Ag, Bi, Pb, Th, Tl, а также литогенные Sc и Cr, находятся в диапазоне низких концентраций — менее 1 мкг/г сух. в. Для потенциально токсичных элементов Cd (9.2 мкг/г) и As (41 мкг/г) (см. табл. 4) значительное превышение концентрации над предельно допустимым значением 2 мкг/г для обоих элементов [27] установлено в мягких тканях морского гребешка Similipecten greenlandicus на поле метанового высачивания Оден. Однако мы измеряли общее содержание As в организмах, где доля наиболее токсичной неорганической формы As не превышает 1% [18]. Высокие концентрации кадмия в мягких тканях S. greenlandicus могут быть обусловлены несколькими причинами. Во-первых, в отличие от других таксонов, S. greenlandicus является фильтратором-сестонофагом, поглощающим наиболее биодоступные растворенные элементы и взвешенные микрочастицы из придонной воды, концентрация которых в восстановительных биотопах обычно повышена благодаря диффузионным потокам из осадков. Мы предполагаем, что в придонной воде поля Оден концентрации элементов многократно выше, подобно полям метанового высачивания на Корякском склоне, чем в фоновой морской воде [30]. Кроме того, в жабрах фильтраторов и сестонофагов могут задерживаться сульфидные микрочастицы, образующиеся при сульфатредукции, при этом Cd способен к изоморфному замещению Zn в структуре вюртцита ZnS [51]. Кроме того, Cd заменяет Zn в качестве кофактора фермента карбоангидразы, необходимого для метаболизма организмов [36].

Мягкие ткани Bivalvia, как видно из сопоставления данных табл. 4 и рис. 2, характеризуются наибольшими концентрациями изученных элементов. Коэффициент Kd характеризует накопление элементов в процессе метаболизма в мягких тканях двустворчатых моллюсков относительно их раковин, которые напрямую контактируют с водой биотопа. Для разных элементов значения Kd разные: наиболее высокие значения Kd (>10) определены для Cd, As, Zn, Tl и Bi, наиболее низкие (<2) – для литогенных элементов Sc, Mn и Ba. В мягких тканях Bivalvia P. arctica и S. greenlandicus с метановых полей С-15 и Оден накапливается до десяти раз больше Cd, As, Zn, Tl и Bi, чем в P. arctica из Восточно-Сибирского моря. Аналогичное повышенное накопление металлов в двустворках метановых полей впадины Дерюгина (Охотское море) отмечалось ранее при сравнении с их аналогами из Енисейского залива Карского моря, что обусловливалось различиями в мутности воды, концентрациями микроэлементов и их биодоступных форм в восстановительных и окислительных биотопах [34].

Ткани без содержимого кишечника детритофага офиуры Ophiocten sericeum на поле метановых выходов Оден (ст. 5623) и на континентальном склоне (ст. 5635) существенно обеднены всеми микроэлементами относительно содержимого кишечника (Kd <1). Однако, как и в случае с двустворками, Kd тяжелых металлов Ni, Cu, Zn и Ag в офиурах поля Оден заметно выше, чем в фоновом районе континентального склона (см. рис. 3). В проливе Вилькицкого в тотальных пробах офиур повышены содержания Zn, As, Cd, Ag и U (см. табл. 5). Это может быть обусловлено влиянием антропогенного фактора, который отражается в высоких концентрациях и индексах загрязнения As, Zn, Cd и U в поверхностных донных осадках пролива Вилькицкого [25].

На всех станциях содержимое кишечника грунтоеда морской звезды Сtenodiscus crispatus значительно обогащено большинством исследованных элементов относительно мягкого тела, подобно детритофагу офиуре. Это особенно выражено для литогенных элементов Ti, V, Cr, Mn, Ni, Tl, Bi и Th, у которых Kd <0.1. Тело морской звезды обогащено органическим веществом по сравнению с содержимым кишечника (в среднем 17.1 и 4% С_орг соответственно). Этим можно объяснить повышенные концентрации в теле звезды тяжелых металлов Cu, Zn, Cd и Ag, образующих устойчивые комплексные соединения с органическими лигандами [38]. На метановых полях наибольшие значения Kd показали Ag и Cd (10 и 60 соответственно) (см. рис. 5). В районах вне метановых полей повышенные содержания Mn, Ag, As, Pb и Zn определены в морской звезде из пролива Вилькицкого (ст. 5636) и на континентальном склоне (ст. 5635), что возможно связано с антропогенным влиянием через атмосферный перенос микрочастиц в более глубоководные районы Арктики [2, 17]. Это может быть справедливым не только для Mn, Ag, As, Pb и Zn, но и для литогенных элементов Sc, Ti, V, Cr, Ni, Ba, Pb, Th и U, заметно обогащающих мягкое тело звезды на более глубоководных станциях вне полей метанового высачивания (см. рис. 5).

Как и в случае других исследованных грунтоедов, в содержимом кишечника голотурий Myriotrochus rincki, концентрации большинства элементов намного выше, чем в их мягком теле (см. табл. 7 и рис. 6). Исключение составляют Zn, As, Cd и Ag, показывающие заметное обогащение мягких тканей (Kd = 2–3) как на полях Оден и С-15, так и на фоновой станции Восточно-Сибирского моря.

Коэффицент Kd отражает распределение элементов между органической и органо-минеральной составляющими тела донных животных. В этом нас убеждают данные табл. 8: мягкие ткани двустворок обогащены органическим углеродом в 15–20 раз относительно их раковин, а тела морских звезд и голотурий — в 3–5 раз относительно содержимого их кишечников. Мы допускаем, что на повышенную аккумуляцию элементов в мягких тканях (и соответственно более высокие значения Kd), наряду с общим содержанием С_орг, влияет и качественный состав органики в биотопе. По данным [46], органическое вещество в осадках метановых полей имеет облегченный изотопный состав углерода δ¹³C–CH₄ (−83.3‰), что свидетельствует о его биогенном продуцировании консорциумом архей. По-видимому, на метановых полях, покрытых бактериальными матами, автохтонные соединения С_орг легче усваиваются донными организмами, способствуя повышенному накоплению ряда тяжелых металлов и мышьяка. При этом следует иметь в виду, что значимых различий между содержанием общего С_орг в тканях организмов с метановых полей и вне их не отмечается (см. табл. 8). Исключение составляет морская звезда по поле С-15, в теле которой в среднем примерно в полтора раза больше С_орг, чем из фонового таксона (23.13 и 15.1% соответственно).

Для исследованных организмов намечается общая тенденция: в двустворках с наиболее высоким содержанием С_орг в мягких тканях (в среднем 40%, см. табл. 8), обитающих на метановых полях, фиксируются и высокие значения Kd, особенно для Zn, As, Cd и Tl (10–51). Подобным образом для офиур, морских звезд и голотурий повышенная биоаккумуляция тяжелых металлов Ag, Cu, Мо, Zn, Ni (хотя и со значительно более низкими значениями Kd) также отмечена на метановых полях. В большинстве случаев наименьшее накопление в мягких тканях (Kd <1) таксонов метановых полей показывают преимущественно литогенные элементы Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ba, Pb, Th. Остальные элементы примерно пропорционально распределяются между мягкими и твердыми тканями. В соответствии с этим можно выделить две группы микроэлементов. В первую группу входят Ag, As, Cd, Cu, Mo, Ni, Zn и Tl, которые в значительно большей степени накапливаются в мягких тканях, обогащенных C_орг. Большинство из этих элементов способны образовывать комплексные соединения с органическими соединениями. Во вторую группу входят Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ba, Pb, Th, это литогенные элементы, Kd которых очень низок в таксонах метановых полей, но повышен на станциях фоновых районов.

Детритофаги и грунтоеды поглощают органические и минеральные частицы из поверхностных донных осадков, а также растворимые формы элементов из иловых вод и бентических диффузионных потоков на границе вода–дно [31], наиболее интенсивных в восстановительных биотопах. В кишечнике грунтоедов как правило преобладают алевритопелитовые частицы мельче 63 мкм [48]. Исследованные нами осадки представлены алевритопелитовыми илами с 16.3–27.54% пелита с преобладанием алевритовой фракции (в среднем более 60%) (см. табл. 9). Это соответствует среднему гранулометрическому составу осадков моря Лаптевых: 22% пелита и 62% алеврита [44]. Незначительное на всех станциях содержание песка (0–6%) оказалось резко повышенным на поле Оден (до 20.46%). По-видимому, этот факт может отрицательно влиять на биоаккумуляцию химических элементов детритофагами и грунтоедами из осадков на поле Оден, поскольку доля пелитовой фракции, как правило, обогащенной органическим веществом и потому наиболее усваиваемой, здесь уменьшена наряду с пониженным содержанием С_орг в осадке (0.67%). Содержание тяжелых металлов и металлоида мышьяка в поверхностных осадках моря Лаптевых (см. табл. 10) соответствуют средним значениям, полученным для большого числа станций в море Лаптевых [44] (мкг/г): Cr 69.11, Ni 33.99, Cu 18.41, Zn 86.0, As 23.85, Cd 0.11 и Pb 24.02.

Низкие коэффициенты обогащения EF_x осадков большинством элементов, кроме Mn, As и Mo, характерны для метановых полей (см. рис. 8). Аналогичным образом, в восстановленных осадках полей метановых выходов на Корякском склоне Берингова моря также не выявлено обогащение большинством элементов (EF_x <1), и лишь незначительные величины EF_x получены для Мо (2.18) и As (1.45) [30]. В фоновых осадках более высокие значения EF_x Mn и As можно объяснить повышенным содержанием пелитовой фракции и С_орг по сравнению с осадками метановых выходов (см. табл. 9). Судя по низким значениям фактора обогащения, дополнительное поступление большинства элементов в результате антропогенного влияния в этом районе моря Лаптевых отсутствует. С другой стороны, значимые факторы обогащения EF_x Mn, As и Mo (от 3 до 10) позволяют предполагать влияние природных процессов диагенетического перераспределения и преобладания в осадках мелкодисперсного вещества, а кроме того, для As — вследствие антропогенного загрязнения. Повышенные по сравнению с доиндустриальным уровнем содержания As, Cr, Ni, Cu, Zn, и Pb установлены в поверхностных донных осадках наиболее глубоких частей (севернее 85^о с.ш.) моря Лаптевых; причем предполагается, что обогащение мышьяком (EF_x 1.9–2.2) имеет преимущественно природное происхождение [44]. Наряду с этим, высокое значение EF_x As (4.2) в поверхностных осадках пролива Вилькицкого и его высокое содержание (18 мкг/г) в осадках моря Лаптевых очевидно связано с антропогенным фактором — атмосферным переносом продуктов сжигания торфа и угля, как правило, обогащенных мышьяком, из районов восточной Сибири [25, 29]. Особенно значимую роль атмосферный перенос и осаждение тяжелых металлов может играть в тех удаленных частях арктических морей, где влияние стока крупнейших сибирских рек незначительно [2].

Сопоставление уровней концентраций элементов в исследованных организмах (см. табл. 4–7) с таковыми в донных осадках (см. табл. 10) показывает, что в осадках они существенно выше, чем в донных организмах. С другой стороны, в содержимом кишечников грунтоедов (морских звезд и голотурий) содержание различных микроэлементов (см. табл. 6 и 7) от 1.5 до 5 раз меньше, чем во вмещающих донных осадках (см. табл. 10). При этом корреляция между осадками и содержимым кишечника для Ti, Cr, V, Ni, Cu, Zn и Ba либо отсутствует, либо она слабая (R²<0.3). Это может свидетельствовать о преобладающем нахождении данных элементов в терригенных осадках моря Лаптевых в литогенной форме, мало доступной для усвоения животными. В случае As, Со, Mn, Pb и Mo корреляция между осадками и содержимым кишечника более заметна и значима (R² от 0.40 до 0.78), что позволяет предположить преобладание в осадках геохимически лабильных (более биодоступных) форм этих элементов, таких как сорбированный и/или связанный с органикой комплекс. Последнее ранее указывалось для осадков арктических морей [1, 5, 29]. В отличие от микроэлементов, содержимое кишечника детритофагов и грунтоедов с концентрацией С_орг от 3.3 до 10.2% (см. табл. 8) обогащено органикой в 2.5–12.6 раз относительно донных осадков. Это служит количественной характеристикой взаимодействия макрозообентоса с донными осадками. Организмы в процессе метаболизма перерабатывают осадки, обогащая содержимое своих кишечников органическим веществом, которое затем поступает обратно в осадки и также обогащает их.

В осадках метановых полей среднее содержание С_орг (0.75%) оказалось ниже, чем в фоновых (1.35%) (см. табл. 9). Это подтверждает литературные данные о пониженном среднем содержании в осадках С_орг (0.5 и 0.81%) по сравнению с фоном (1.25%), что обусловлено процессами метанокисления и сульфатредукции, которые активизируют разложение аллохтонного и автохтонного органического вещества [46].

Для количественной оценки накопления элементов биотой авторами предложено использовать биоаккумуляционный потенциал (БП) [3], который характеризует главное свойство живого вещества — продуцирование биомассы. БП оценивает способность организмов аккумулировать элементы, исходя из их содержания в целом организме, умноженном на его биомассу; он рассчитывается по формуле: БП = С_элем(мкг/г) × Биомасса (г/м² биотопа). Принимая во внимание, что функционирование макробентоса влияет на трансформацию органического вещества в осадках, мы рассчитали БП наиболее массовых бентосных организмов Bivalvia и Ophiuroidea на полях метановых высачиваний и фоновых станций не только для микроэлементов, но и для С_орг (табл. 11).

 

Таблица 11. Биоаккумуляционный потенциал организмов Bivalvia и Ophiuroidea для органического углерода и микроэлементов (мкг/м²)

Таксон, станция	Cорг., г/м2	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Со	Ni	Cu	Zn	As	Cd	Mo	Ag	Ba	Tl	Pb	Bi	Th	U
Portlandia arctica, ст. 5947, поле С-15	0.44	0.1	8.4	1.5	0.17	40	0.5	1.61	11.2	11.2	1.82	1.54	0.36	Н.д.	13.4	0.023	0.08	0.0008	0.07	0.038
Ophiocten sericeum, ст. 5625, поле С-15	0.72	1.15	130	137	3.6	173	2.3	18.7	90	288	35.3	3.24	1.58	0.14	44	0.014	1.22	0.007	0.36	1.7
Ophiocten sericeum, ст. 5624, фон	0.08	0.06	9.7	56	0.18	15	0.1	2.1	6.84	25	4.8	0.27	0.1	0.009	3	0.0006	0.03	0.006	0.012	0.14

Примечание. Н.д. — нет данных.

 

Данные по биомассе этих животных, поднятых со дна дночерпателем Ван-Вина, взяты из работы [49]. Согласно этим данным, на поле С-15 биомасса Portlandia arctica составляет 0.7 г/м², Ophiocten sericeum — 7.2 г/м², а на фоновой станции 5624 биомасса O. sericeum в десять раз меньше (0.6 г/м²). На метановом поле С-15 O. sericeum обладает значительно большим БП по сравнению с P. arctica для всех элементов (см. табл. 11). При этом офиуры аккумулируют каждый из микроэлементов на поле С-15 значительно больше (до 40 раз), чем на фоновой станции. Среди элементов значения БП варьируют в широких пределах: 5–288 мкг/м² для Ni, As, Ba, Cu, Ti, V, Mn и Zn. Максимальный БП определен для цинка (до 300 мкг/м²). Для остальных элементов, в том числе токсичных Ag, Cd, Pb, Bi, Th и U, БП значительно более низкий — от <0.01 до 2 мкг/м².

Биоаккумуляция органического углерода двустворчатыми моллюсками и офиурами в сотни и тысячи раз выше, чем микроэлементов (см. табл. 11). На метановом поле С-15 в соответствии с почти двукратным превышением среднего содержания С_орг в тотальной пробе офиур (12.15%) над таковым в двустворках (6.22%, см. табл. 8), БП офиур составляет 0.72 г С_орг/м², двустворок — 0.44 г С_орг/м². На фоновой станции 5624 офиуры накапливают существенно меньшее количество С_орг в своей биомассе — 0.08 г С_орг/м². Эти данные позволяют оценить роль бентосных организмов в аккумуляции органического вещества, а также сделать вывод о важном вкладе донных биосообществ в цикл углерода в арктических морях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таргетным органом — накопителем большинства изученных элементов являются мягкие ткани Bivalvia Portlandia arctica (детритофаг) и Semilipecten greenlandicus (фильтратор-сестонофаг) с высоким содержанием С_орг (38–42%), где концентрации Cd, As, Zn, Tl и Bi в 10–50 выше, чем в раковине. На метановых полях С-15 и Оден выявлены повышенные концентрации элементов в мягких тканях этих двух видов Bivalvia по сравнению с фоновой портландией из Восточно-Сибирского моря. Тело (без кишечника) детритофага Ophiocten sericeum, а также грунтоедов — морской звезды Сtenodiscus crispatus и голотурии Myriotrochus rincki, обеднено большинством элементов относительно содержимого кишечника. При этом, по аналогии с Bivalvia, накопление тяжелых металлов Ag, Cu, Ni и Zn в офиуре, морской звезде и голотурии на метановых полях заметно выше, чем в фоновых районах. Литогенные элементы Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ba и Th показывают минимальные концентрации в мягких тканях Bivalvia и значительно более высокие в содержимом кишечников детритофагов и грунтоедов.

Влияние биотического фактора проявляется во взаимосвязи между концентрациями С_орг и микроэлементов в тканях организмов. Элементы первой группы (Ag, As, Cd, Cu, Mo, Ni, Zn и Tl) в значительно большей степени накапливаются в мягких тканях, обогащенных C_орг. Соответственно наиболее высокие значения Kd для Zn, As, Cd и Tl фиксируются на метановых полях (10–51). Общим геохимическим свойством большинства этих элементов является их способность образовывать комплексные соединения с органическими лигандами. Во вторую группу входят преимущественно литогенные элементы (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Ba, Pb, Th), значение Kd которых очень низко в организмах на метановых полях, но повышено на станциях фоновых районов.

В донных осадках концентрация большинства элементов существенно выше, чем в исследованных организмах. В кишечниках грунтоедов (морских звезд и голотурий) содержание большинства элементов до 5 раз меньше, чем во вмещающих донных осадках. Слабая корреляция или ее отсутствие между осадками и содержимым кишечников грунтоедов для Ti, Cr, V, Ni, Cu, Zn и Ba может означать их нахождение в литогенной форме, мало доступной для усвоения животными. Напротив, более заметная и значимая корреляция в случае As, Mo, Pb, Mn и Со позволяет предположить преобладание в осадках более биодоступных форм этих элементов, таких как сорбированные и связанные с органическим веществом. Кроме того, преобладание в осадках бактериогенного С_орг, произведенного археями в процессах анаэробного окисления метана и сульфатредукции на метановых полях моря Лаптевых [46] и обладающего большей питательной ценностью, может способствовать повышенной биодоступности органики и соответственно повышенному накоплению элементов на полях Оден и С-15 по сравнению с фоновыми станциями.

Установленное нами впервые значительное превышение концентрации С_орг в содержимом кишечника относительно донных осадков свидетельствует о важной седиментологической функции детритофагов и грунтоедов. Биохимическая переработка осадков организмами приводит к обогащению содержимого кишечника органическим веществом, которое затем возвращается в осадки. Очевидно, в этом состоит вклад организмов в биогеохимические циклы на дне моря Лаптевых.

Оценка биоаккумуляционного потенциала (БП) массовых таксонов Portlandia arctica и Ophiocten sericeum, который учитывает основное свойство живого вещества — способность к биопродуцированию — показала следующее. На метановом поле С-15 в соответствии с содержанием элементов в целом теле и биомассой таксонов, популяция офиур аккумулирует каждый из микроэлементов многократно (до 40 раз) больше, чем на фоновой станции. При этом офиуры обладают значительно большим БП для всех элементов по сравнению с двустворками. Среди элементов оба таксона демонстрируют наиболее высокую биоаккумуляцию Ni, As, Ba, Cu, Ti, V, Mn и Zn. Наиболее масштабную биоаккумуляцию два упомянутых таксона производят в отношении органического углерода, особенно выраженную на метановом поле С-15. Здесь БП популяции офиур составляет 0.72 г С_орг/м² и портландии — 0.44 г С_орг/м², что соответствует почти двукратному превышению среднего содержания С_орг в офиурах (12.15% в среднем) над таковым в портландии. На фоновой ст. 5624 офиуры накапливают существенно меньшее (почти в 10 раз) количество углерода в своей биомассе.

Наши данные позволяют впервые оценить роль бентосных организмов в аккумуляции не только химических элементов, но и органического углерода, а также сделать вывод о важном вкладе морских донных биосообществ в цикл углерода в морях Арктики. Таким образом, в соответствии с учением А.П. Лисицына о биодифференциации осадочного материала, донная фауна даже в суровом море Лаптевых выполняет функцию биологического фильтра, который задерживает и трансформирует химические элементы, включая потенциально токсичные тяжелые металлы.

Благoдарности. Авторы выражают глубокую благодарность Маккавееву П.Н. и Полухину А.А. — за предоставление данных по гидрохимии придонной воды. Мы искренне благодарим Беляева Н.А., Мирошникова А.Ю. за предоставление данных по литологии осадков, Борисова Д.Г. за выполнение гранулометрического анализа и Удалова А.А. за консультацию по биомассе бентосных организмов на полях метановых выходов.

Источники финансирования. Работа выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки РФ (тема № FMWE-2024-0020); обработка материала и анализ данных выполнены при финансовой поддержке РНФ (грант № 19-17-00234-П).

作者简介

L. Demina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: l_demina@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

S. Galkin

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: l_demina@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Solomatina

Shirshov Institute of Oceanology, Russian Academy of Sciences

Email: l_demina@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件