Long-term dynamics of trace elements concentrations in the food and live of herb field mouse (Sylvaemus uralensis) during high and reduced emissions periods from the сopper smelter

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The long-term (1990–2023) dynamics of accumulation of essential (Cu, Zn) and toxic (Cd, Pb) trace elements (TEs) was analyzed in the stomach’ contents (n = 428) and liver (n = 561) of the herb field mouse (Sylvaemus uralensis) in the vicinity of the Middle Ural Copper Smelter (Russia, Revda) during periods of its high, reduced, and almost ceased emissions. The tested hypotheses about the directed spatiotemporal changes in the concentrations of TEs in the diet and body of S. uralensis were partially confirmed. The minimum concentrations of all studied elements in the diet, as well as toxic ones (Cd, Pb) in the liver, were noted in unpolluted areas (background zone), the maximum – in the immediate vicinity of the plant (impact zone). The content of essential elements (Cu, Zn) in the liver did not depend on the level of contamination of the areas. Multiple (50-fold) reductions of plant emissions during the observation period did not lead to an equivalent decrease in element concentrations either in the feed or in the body of S. uralensis. Over 34 years in the vicinity of the plant, the content of Cu and Cd in the diet and liver did not change, Pb decreased by 2–3 times; in the background areas, a clear time trend was observed only for Cd in the liver, the concentration of which decreased by half.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. V. Mukhacheva

Institute of Plant and Animal Ecology of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: msv@ipae.uran.ru
Russian Federation, 202, March 8 St., Yekaterinburg, 620144

References

  1. Kozlov M.V., Zvereva E.L., Zverev V.E. Impacts of point polluters on terrestrial biota: Comparative analysis of 18 contaminated areas. Dordrecht: Springer, 2009. 466 p.
  2. Fritsch C., Coeurdassier M., Giraudoux P. et al. Spatially explicit analysis of metal transfer to biota: influence of soil contamination and landscape // PLoS ONE. 2011. V. 6. № 5. Art. e 20682
  3. Petkovšek S., Kopušar N., Tome D. et al. Risk assessment of metals and PAHs for receptor organisms in differently polluted areas in Slovenia // Sci. Tot. Environ. 2015. V. 532. P. 404–414.
  4. Mammals and birds as bioindicators of trace element contaminations in terrestrial environments: an ecotoxicological assessment of the Northern Hemisphere // Ed. Kalisińska E. Springer Nature Switzerland AG, 2019. 229 p.
  5. Воробейчик Е.Л. Естественное восстановление наземных экосистем после прекращения промышленного загрязнения. 1. Обзор современного состояния исследований // Экология. 2022. № 1. С. 3–41. https: //doi.org/10.31857/S0367059722010115
  6. Dudka S., Adriano D.C. Environmental impacts of metal ore mining and processing: A review // J. Environ. Qual. 1997. V. 26. № 3. P. 590–602.
  7. Douay F., Pruvot C., Waterlot C. et al. Contamination of woody habitat soils around a former lead smelter in the North of France // Sci. Tot. Environ. 2009. V. 407. № 21. P. 5564–5577.
  8. Gall J.E., Boyd R.S., Rajakaruna N. Transfer of heavy metals through terrestrial food webs: a review // Environ. Monit. Asses. 2015. V. 187. № 4. P. 1–21.
  9. Ettler V. Soil contamination near non-ferrous metal smelters: A review // Applied Geochemistry. 2016. V. 64. P. 56–74.
  10. Milton A., Johnson M.S., Cooke J.A. Lead within ecosystems on metalliferous mine tailings in Wales and Ireland // Sci. Tot. Environ. 2002. V. 299. P. 177–190.
  11. Pereira R., Pereira M., Ribeiro R. et al. Tissues and hair residues and histopathology in wild rats (Rattus rattus L.) and Algerian mice (Mus spretus Lataste) from an abandoned mine area (Southeast Portugal) // Environ. Pollut. 2006. V. 139. P. 561–575.
  12. Andráš P., Križáni I., Stanko M. The contamination of internal tissues of small mammals at the Banská Štiavnica mining area // Ekologia. 2008. V. 27. № 1. P. 1–12.
  13. Camizuli E., Scheifler R., Garnier S. et al. Trace metals from historical mining sites and past metallurgical activity remain bioavailable to wildlife today // Scientific Rep. 2018. V. 8. P. 3436–3448.
  14. Воробейчик Е.Л., Кайгородова С.Ю. Многолетняя динамика содержания тяжелых металлов в верхних горизонтах почв в районе воздействия медеплавильного завода в период снижения его выбросов // Почвоведение. 2017. № 8. С. 1009–1024. https://doi.org/10.7868/S0032180X17080135
  15. Swiergosz-Kowalewska R. Cadmium distribution and toxicity in tissues of small rodents // Microsc. Res. Tech. 2001. V. 55. P. 208–222.
  16. Chwelatiuk E., Wlostowski T., Krasowska A. et al. Melatonin increases tissue accumulation and toxicity of cadmium in the bank vole (Clethrionomys glareolus) // BioMetals. 2005. V. 18. P. 283–291.
  17. Beernaert J., Scheirs J., Leirs H. et al. Non-destructive pollution exposure assessment by means of wood mice hair // Environ. Pollut. 2007. V. 145. P. 443–451.
  18. Rogival D., Scheirs J., Blust R. Transfer and accumulation of metals in a soil-diet-wood mouse food chain along a metal pollution gradient // Environ. Pollut. 2007. V. 145. P. 516–528.
  19. Tete N., Durfort M., Rieffel D. et al. Histopathology related to cadmium and lead bioaccumulation in chronically exposed wood mice, Apodemus sylvaticus, around a former smelter // Sci. Tot. Environ. 2014. V. 481. № 1. P. 167–177.
  20. Palmer M.A., Ambrose R.F., Poff N.L. Ecological theory and community restoration ecology // Restoration Ecology. 1997. V. 5. № 4. P. 291–300.
  21. Suding K.N. Toward an era of restoration in ecology: Successes, failures, and opportunities ahead //Ann. Rev. Ecol., Evolut., System. 2011. V. 42. № 1. P. 465–487.
  22. Мухачева С.В. Многолетняя динамика сообществ мелких млекопитающих в период снижения выбросов медеплавильного завода. I. Состав, обилие и разнообразие // Экология. 2021. № 1. С. 66–76. https:// doi.org/10.31857/S0367059721010108
  23. Мухачева С.В. Многолетняя динамика концентрации тяжелых металлов в организме землероек р. Sorex в период снижения выбросов медеплавильного завода // Экология. 2022. № 5. С. 370–384. https:// doi.org/10.31857/S0367059722050092
  24. Talmage S.S., Walton B.T. Small mammals as monitors of environmental Contaminants // Rev. Environ. Contam. Toxicol. 1991. V. 19. P. 47–145.
  25. Sheffield S.R., Sawicka-Kapusta K., Cohen J.B. et al. Rodentia and Lagomorpha // Ecotoxicology of Wild Mammals / Eds. Shore R.F., Rattner B.A. Wiley: Chichester., 2001. P. 215–314.
  26. Мухачева С.В. Особенности питания рыжей полевки в условиях техногенного загрязнения среды обитания // Сиб. эколог. журн. 2005. № 3. С. 523–533.
  27. Мухачева С.В. Многолетняя динамика концентрации тяжелых металлов в корме и организме рыжей полевки (Myodes glareolus) в период снижения выбросов медеплавильного завода // Экология. 2017. № 6. С. 461–471. https://doi.org/10.31857/S0367059721010108
  28. Sánchez-Chardi A., Lopez-Fuster M., Nadal J. Bioaccumulation of lead, mercury, and cadmium in the greater white-toothed shrew, Crocidura russula, from the Erba Delta (NE Spain): sex- and age-dependent variation // Environ. Pollut. 2007. V. 145. P. 7–14.
  29. Nieder R., Benbi D.K. Potentially toxic elements in the environment – A review of sources, sinks, pathways and mitigation measures // Rev. Environ. Health. 2023. V. 39. P. 561–575.
  30. Zhang H., Zhao Y., Wang Z. et al. Distribution characteristics, bioaccumulation and trophic transfer of heavy metals in the food web of grassland ecosystems // Chemosphere. 2021. V. 278. Art. 130407.
  31. Canova L., Maraschi F., Profumo A. et al. Analysis of environmental contamination by metals using wood mouse Apodemus sylvaticus hair as a biomonitor: an appraisal // Environments. 2024. V. 11. № 281. P. 2–13.
  32. Jota B.C., Seixas F., Gonzalo-Orden J.M. et al. Biomonitoring metals and metalloids in wild mammals: invasive versus non-invasive sampling // Environ. Sci. Pollut. Res Int. 2022. V. 29. № 13. P. 18398–18407.
  33. Turna D.F., Yavuz M. Heavy metal accumulation and genotoxic effects in levant vole (Microtus guentheri) collected from contaminated areas due to mining activities // Environ. Pollut. 2020. V. 256. Art. 11348.
  34. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург: УИФ “Наука”, 1994. 280 с.
  35. Мухачева С.В., Давыдова Ю.А., Воробейчик Е.Л. Роль гетерогенности среды в сохранении разно- образия мелких млекопитающих в условиях сильного промышленного загрязнения // Доклады РАН. Серия биологич. 2012. T. 447. № 1. С. 106–109.
  36. Воробейчик Е.Л., Нестеркова Д.В. Техногенная граница распространения крота в районе воздействия медеплавильного завода: смещение в период сокращения выбросов // Экология. 2015. № 4. C. 308–312.
  37. Трубина М.Р., Нестеркова Д.В. Роль гетерогенности среды в распространении видов сосудистых растений в период высоких и низких выбросов медеплавильного завода // Сиб. эколог. журн. 2024. № 1. С. 170–185.
  38. Большаков В.Н., Бердюгин К.И., Кузнецова И.А. Млекопитающие Среднего Урала: Справочник-определитель. Екатеринбург: Сократ, 2006. 224 с.
  39. Zemánek M. Food and feeding habits of rodents in a deciduous forest // Acta Theriol. 1997. V. 17. P. 315–325.
  40. Butet A., Delettre Y.R. Diet differentiation between European arvicolinae and murinae rodents // Acta Theriol. 2011. V. 56. № 4. Р. 297–304.
  41. Григоркина Е.Б., Оленев Г.В. Дальние перемещения малой лесной мыши (Sylvaemus uralensis, Muridae): скорость и дистанция, выявленные при групповом мечении // Зоологич. журн. 2022. Т. 101. Вып 11. С. 1300–1304.
  42. Carver R. Practical data analysis with JMP. Cary, NC: SAS Institute, 2014. 232 p.
  43. Ma W.C., Denneman W., Faber J. Hazardous exposure of ground-living small mammals to Cd and Pb in contaminated terrestrial ecosystems // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1991. V. 20. P. 266–270.
  44. Безель B.С., Мухачева С.В., Трубина М.Р. и др. Продукция природных экосистем в пищевых рационах населения Свердловской области // Аграрный вестник Урала. 2010. Т. 72. № 6. С. 61–65.
  45. Трубина М.Р., Мухачева С.В., Безель В.С. и др. Содержание тяжелых металлов в плодах дикорастущих растений в зоне аэротехногенного воздействия Среднеуральского медеплавильного завода (Свердловская область) // Растит. ресурсы. 2014. Т.50. № 1. С. 67–83.
  46. Мухачева С.В. Поллютанты в рационах мелких млекопитающих, обитающих в градиенте техногенного загрязнения среды // Современные проблемы популяционной, исторической и прикладной экологии. Екатеринбург, 1998. С. 193–198.
  47. Мухачева С.В., Давыдова А.Н. Мелкие млекопитающие в системе экологического мониторинга Южного Прибайкалья // Исследования природы растительных сообществ на заповедных территориях Урала: Мат-лы межрег. науч.-практ. конф. Екатеринбург, 2012. С. 78–89.
  48. Davydova Yu.A., Nesterkova D.V., Mukhacheva S.V. Morphological parameters of hepatocytes in the European mole (Talpa europaea) and herb field mouse (Sylvaemus uralensis) under industrial pollution // Environ. Monit. Assess. 2023. V. 195. Art. 300. doi.org/10.1007/s10661-022-10810-5
  49. Pankakoski E., Koivisto I., Hyvarinen H. et al. Shrews as indicators of heavy metal pollution // Advances in the biology of Shrews. Carnegie Museum of Natural History Special Publication. 1994. P. 137–149.
  50. Мухачева С.В., Безель В.С. Участие мелких млекопитающих в биогенном транзите микроэлементов при химическом загрязнении среды // Геохимия. 2023. Т. 68. № 10. С. 1059–1072.
  51. Torres K.C., Johnson M.L. Testing of metal bioaccumulation models with measured body burdens in mice // Environ. Toxicol. Chem. 2001. V. 20. № 11. P. 2627–2638.
  52. Tête N., Fritsch C., Afonso E. et al. Can body condition and somatic indices be used to evaluate metal-induced stress in wild small mammals?// PLoS ONE. 2013. V. 8. Art. e66399.
  53. Damek-Poprawa M., Sawicka-Kapusta K. Damage to the liver, kidney, and testis with reference to burden of heavy metals in yellow-necked mice from areas around steelworks and zinc smelters in Poland // Toxicology. 2003. V. 186. P. 1–10.
  54. Fritsch C., Cosson R.P., Coeurdassier M. et al. Responses of wild small mammals to a pollution gradient: host factors influence metal and metallothionein levels // Environ. Pollut. 2010. V. 158. P. 827–840.
  55. Мухачева С.В. Особенности депонирования тяжелых металлов в организме мелких млекопитающих из симпатрических популяций в условиях химического загрязнения среды // Экологическая безопасность горнопромышленных районов: Мат-лы эколог. конгр. Екатеринбург: СОО-МАНЭБ, 2007. С. 22–27.
  56. Мухачева С.В., Бердюгин К.И., Давыдова Ю.А. Опыт использования мелких млекопитающих для оценки состояния природных экосистем // Аграрный вестник Урала. 2009. № 3. С. 65–68.
  57. Berglund A.M.M., Nyholm N. Slow improvements of metal exposure, health- and breeding conditions of pied flycatchers after decreased industrial heavy metal emissions // Sci. Tot. Environ. 2011. V. 409. № 20. P. 4326–4334.
  58. Berglund A.M.M., Rainio M.J., Eeva T. Decreased metal accumulation in passerines as a result of reduced emissions // Environ. Toxicol. Chem. 2012. V. 31. № 6. P. 1317–1323.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Multiyear dynamics of concentration (log10, µg/g dry weight) of TM in the stomach contents of S. uralensis in different pollution zones. Here and in Fig. 2: ● - individual values; ○ - mean for the year (median); dotted line - linear regression trend; b - regression coefficient; p - achieved significance level.

Download (280KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Multiyear dynamics of TM concentration (log10, µg/g dry weight) in the liver of S. uralensis in different pollution zones.

Download (284KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Changes in TM concentrations (µg/g dry weight, log10) in stomach (G) and liver (H) contents of S. uralensis at a distance from the plant (km, log10) during the period of almost stopped emissions. Markers - mean values (medians) for key sites; lines - linear regression trends; b - regression coefficient; p - achieved significance level. Light markers, dashed lines - for stomach contents; dark markers, solid lines - for liver.

Download (127KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences