Heavy metals content in organs and tissues of fish from the Belaya River

Full Text

Введение

Во многих промышленных странах, включая Россию, в связи с продолжающимся загрязнением большинства водных объектов проблема накопления тяжелых металлов в тканях и органах рыб остается весьма актуальной [1].

Соединения тяжелых металлов – это плохо разлагающиеся и хорошо аккумулирующиеся в живых организмах вещества. Их полезные и вредные свойства весьма противоречивы: с одной стороны, они входят в состав различных гормонов, ферментов и других соединений, необходимых для функционирования организма, и участвуют в различных реакциях, управляя его жизнедеятельностью [2]. Однако с другой стороны, приобретая разные конфигурации и соединяясь с различными веществами, они создают изомеры, которые негативно влияют на организм и становятся губительной глобальной проблемой всего человечества. Тяжелые металлы загрязняют все среды жизни, что сказывается на биологическом разнообразии биотопов [3]. Многие тяжелые металлы в огромных количествах поглощаются пресноводными бактериями. В результате этого образуются металлоорганические соединения, гораздо более ядовитые, чем сами металлы. В первую очередь от таких загрязнений страдают гидробионты – жители водной экосистемы [4]. Главной и не контролируемой особенностью тяжелых металлов является то, что они аккумулируются в живых организмах. Согласно правилу биологического усиления, они могут передвигаться вверх по пищевым сетям, увеличивая свою токсичность и вызывая заболевания и гибель растений и рыб [5].

Данная проблема актуальна и в республике Башкортостан. Ведущей водной артерией республики Башкортостан является река Белая. Она славится огромными запасами промысловых видов рыб, среди которых встречаются такие виды как голец, карп, щука, густера, пескарь, окунь. К наиболее часто встречающимся в улове рыбам относятся карп обыкновенный, или сазан, и густера обыкновенная.

Река Белая с давних пор испытывает на себе антропогенную нагрузку и с увеличением количества предприятий в городах, расположенных на берегу этой реки, данная нагрузка растет, что отражается на состоянии ихтиофауны. Наличие тяжелых металлов в водной среде приводит к накоплению тяжелых металлов в различных органах и тканях гидробионтов, в частности рыбах. Согласно данным Л.И. Законновой (2008), это ведет к снижению не только разнообразия рыб, но и ухудшению их физиолого-биохимических свойств, что, несомненно, влияет на вкусовые качества мяса рыб, выловленных в реках [6].

Избыток тяжелых металлов оказывает отрицательное влияние на обмен веществ водных организмов, способен вызывать уродства, подавлять рост и делать рыб более восприимчивыми к разнообразным болезням. Физиологическая роль многих тяжелых металлов ещё до конца не изучена, поэтому в настоящее время нет единого подхода к количественной оценке предельно допустимого их содержания в организме разных видов рыб. В исследованиях И.Л. Головановой (2008) отмечено, что в результате отравления тяжелыми металлами нарушается проницаемость оболочек клеток крови [7]. Образующиеся при попадании в организм стойкие комплексы с тяжелыми металлами способны откладываться в тканях и органах, избирательно накапливаясь и отравляя организм.

Изучение накопления тяжелых металлов в органах рыб реки Белая начато сравнительно недавно и обусловлено необходимостью получения данных о влиянии загрязнения воды на организм и отдельные органы гидробионтов. В связи с этим целью нашего исследования явилось изучение содержания и распределения тяжелых металлов (железо, медь, кадмий, свинец) в органах доминантных видов рыб реки Белая в районе г. Бирск и г. Уфа республики Башкортостан.

Методы исследования

Для изучения физико-химического состава воды были отобраны пробы из реки Белая в районе городов Бирск и Уфа республики Башкортостан. Анализы воды выполнялись в лаборатории экологического мониторинга физико-химических загрязнений окружающей среды Бирского филиала БашГУ (г. Бирск) с использованием метода атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). Отбор проб воды проводился согласно ГОСТ 31861–2012 «Вода. Общие требования к отбору проб» [8].

Для исследования содержания ионов железа, меди, кадмия и свинца были отобраны наиболее часто встречающиеся в реке Белая виды рыб: карп обыкновенный (Cyprinus carpio L.) и густера обыкновенная (Blicca bjoerkna L.). Были изучены образцы тканей и органов (мышцы, печень и кровь) рыб. Кровь для анализа брали прижизненно из хвостовой вены рыб. Количественный анализ образцов на содержание тяжелых металлов проводили на спектрометре «КВАНТ-Z.-ЭТА» методом ААС после предварительной влажной минерализации проб в концентрированной азотной кислоте с последующим термическим разложением.

Результаты исследования и их обсуждение

Проведенное исследование показало, что в воде реки Белая содержание ионов железа превышает предельно допустимую концентрацию в 3–5 раз в районе городов Бирск и Уфа (табл. 1). По мнению исследователей Р.Ф. Абдрахманова и В.Г. Попова (2013), источником ионов железа в воде являются горные породы. Насыщенными ионами железа оказываются подземные воды в толщах юрских глин. В глинах много пирита (FeS₂), и ионы железа из него относительно легко переходят в воду [9].

Таблица 1 – Содержание тяжелых металлов в воде реки Белая

Примечание. ^ – достоверность различий в содержании тяжелых металлов в воде реки Белая в районе г. Бирск и г. Уфа.

Также значительное количество ионов железа в поверхностные воды поступает с сельскохозяйственными стоками, что, по данным А.Г. Москвина (1999), является одной из основных причин превышения ПДК по указанному показателю [10]. Развитое промышленное производство в городах республики Башкортостан, расположенных на берегу реки Белая выше по течению г. Уфа, увеличивает антропогенную нагрузку на водоток. Это находит свое отражение в содержании свинца и кадмия. Так, в воде реки Белая в районе г. Уфа концентрация свинца и кадмия больше, чем в районе г. Бирск. Известно, что железо способно вытеснять медь из соединений и осаждать ее. Данный факт, вероятно, имеет место в результатах нашего исследования: концентрация ионов меди в воде реки Белая в районе г. Бирск больше, чем в районе г. Уфа.

Анализ данных показал, что концентрация металлов в органах рыб выше, чем их уровень в воде, что обусловлено способностью данных представителей ихтиофауны к биоаккумуляции. Содержание различных тяжелых металлов в мышечной ткани, печени и крови рыб разных видов различно (табл. 2).

Содержание железа превышено во всех изученных органах у обоих видов рыб, кроме мышечной ткани густеры, обитающей в р. Белая в районе г. Бирск. Высокий уровень железа, вероятно, связан с большой ролью этого элемента в дыхательной и кроветворной системах. Ионы железа необходимы для жизнедеятельности организма, являются фундаментальным фактором для многих процессов, связанных с переносом кислорода, участвуют в синтезе порфирита в гемоглобине и миоглобине [11]. У карпа содержание ионов железа во всех исследованных органах больше, чем у густеры, что, вероятно, связано с придонным образом жизни. Максимальные концентрации железа обнаружены в крови как карпа, так и густеры.

Функционально железо является антагонистом меди. Так, например, железо принимает участие в образовании клеток крови, а медь ингибирует ферменты, определяющие синтез гема и тем самым нарушает синтез клеток крови. Медь играет большую роль в ферментативной деятельности организма и поступает преимущественно с пищей. У всех видов рыб отмечается большая концентрация меди в организме по сравнению с другими тяжелыми металлами. Высокий уровень меди, возможно, связан с большим количеством ее в воде. Медь может попадать в реку Белая со сточными водами предприятий цветной металлургии, что подтверждается превышением уровня ПДК в воде. В основном медь накапливается в крови рыб, что, скорее всего, связано с биогенностью данного элемента. Содержание меди в мышцах меньше, чем в печени. Интенсивность аккумуляции меди мышцами и кровью у карпа выражена в большей степени, чем у густеры.

Таблица 2 – Содержание тяжелых металлов в организме рыб, обитающих в реке Белая

Примечание. ^ – достоверность различий в содержании тяжелых металлов в мышцах и печени рыб одного вида, обитающих в одной местности; * – достоверность различий в содержании тяжелых металлов в крови и мышцах рыб одного вида, обитающих в одной местности; ^X – достоверность различий в содержанием тяжелых металлов в печени и крови рыб одного вида, обитающих в одной местности; ^Y – достоверность различий в содержании тяжелых металлов в органах рыб одного вида, обитающих в разной местности; ^Z – достоверность различий в содержании тяжелых металлов в органах рыб разных видов, обитающих в одной местности.

Содержание ионов кадмия в органах обследованных рыб не превышает ПДУ. Исключение составляет густера, обитающая в реке Белая в районе г. Уфа, в крови которой обнаружено превышение ПДУ по кадмию на 50%. Активнее аккумулируют кадмий рыбы, обитающие в реке Белая в районе г. Уфа, чем в районе г. Бирск. Максимальные концентрации кадмия выявлены у карпа в печени, а у густеры – в крови. Кадмий является опасным и не биогенным металлом, в чистом виде в природе не встречается. Согласно литературным данным для кадмия характерна аккумуляция в тканях почек. Во многих случаях кадмий способен замещать цинк в цинксодержащих ферментах, что также может приводить к его накоплению в печени [12].

Ионы свинца больше всего накапливаются в печени, что может быть обусловлено как внешними (пищевой путь поступления), так и внутренними (специфической функцией печени, особым аминокислотным составом ее белков либо особыми условиями существования данных металлов в тканях печени, способствующими их накоплению) факторами [13]. Результаты нашего исследования согласуются с литературными данными. Максимальное содержание свинца в организме карпа и густеры обнаруживается в тканях печени. Анализ результатов исследования показал, что у рыб, выловленных из загрязненного участка реки (район г. Уфа), обнаруживается наиболее высокая концентрация свинца в мышцах, печени и крови.

Повышенное содержание большинства исследованных тяжелых металлов в органах придонной рыбы реки Белая, вероятно, связано с высоким уровнем их накопления не только в воде, но и в пище, и в донных отложениях водотока [14].

Заключение

Анализ результатов исследования по содержанию тяжелых металлов в рыбах реки Белая в районе городов Бирск и Уфа республики Башкортостан свидетельствует о сложном характере накопления этих элементов в организме рыб (в мышцах, тканях печени, крови), о зависимости этого процесса от условий обитания и образа жизни рыб. Некоторые тяжелые металлы накапливаются, как правило, в больших концентрациях в печени растительноядных рыб [15]. Содержание высоких концентраций тяжелых металлов в печени рыб объясняется функциональной составляющей этого органа, что не противоречит литературным данным [16; 17]. Интенсивность поступления и избыточный уровень тяжелых металлов в органах рыб также зависит от степени загрязненности среды обитания: рыбы экосистемы реки в районе г. Уфа имеют высокие показатели загрязненности тяжелыми металлами. Способность аккумулировать тяжелые металлы в органах и тканях рыб неодинакова. Так, например, печень аккумулирует свинец активнее, чем кровь, а у крови аккумуляционная способность выше, чем у мышц. Для железа и меди повышенной биоаккумуляцией обладает кровь рыб.

Таким образом, анализ содержания железа, меди, кадмия, свинца и выявленные закономерности их накопления в тканях и органах исследуемых рыб согласуются с биохимической ролью металлов в жизнедеятельности организма. Анализ содержания и распределения тяжелых металлов в тканях рыб позволяет сделать вывод о том, что исследуемые виды рыб реки Белая содержат превышающий ПДУ по большинству исследованных тяжелых металлов. Употребление в пищу таких рыб может привести к накоплению тяжелых металлов в организме человека и нарушить нормальное функционирование организма.

About the authors

Lilia Ralifovna Khusnutdinova

Email: liya.khusnutdinova.94@mail.ru

master student of Biology and Ecology Department

Aigul Timerbaevna Iskhakova

Author for correspondence.
Email: eigulis@inbox.ru

candidate of biological sciences, associate professor, head of Biology and Ecology Department

References

Supplementary files