Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

БИОНДИКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АККУМУЛЯЦИИ НЕФТЕПРОИЗВОДНЫХ, ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ ГИДРОБИОНТОВ КАЗАХСТАНСКОЙ ЗОНЫ КАСПИЯ

Кожахметова А.Н. 1 Бигалиев А.Б. 1 Шаметов А.К. 1
1 Казахский национальный университет имени аль-Фараби
В данном исследовании изучены аккумуляция нефти и сопутствующие тяжелых металлов в объектах водной среды. Конкретизированы биоиндикаторы для казахстанской зоны Каспия и проведен их оптимальный выбор. В качестве тест-объектов взяты: 1 вид полихет – Nereis diversicolоr, 3 вида рыб: Abramis brama, Sander sander, Sander volgensis, 2 вида моллюсков – Dreissena polymorpha, Unio pictorum. Использовали методы атомно-адсорбционной спектрофотометрии и газожидкостной хроматографии. Проведены идентификация основных химических загрязнителей водной среды и прибрежной зоны, лабораторные исследования по динамике накопления загрязнителей в органах и тканях тест-объектов для оценки экологического риска компонентов нефти. Анализ содержания бенз(а)пирена показал, что количество исследуемого нефтепроизводного в рассмотренных видах рыб превышает ПДК для рыбопродуктов более чем в 30 раз. Среди всех исследуемых тест-объектов наиболее высокое содержание бенз(а)пирена выявлены у полихет (0,381 мкг/г), что можно объяснить особенностями среды обитания и типом питания организмов. Накопление тяжелых металлов у исследуемых видов сходны с особенностями накопления бенз(а)пирена, т.е. свойственное для представителей беспозвоночных. Выявлено превышение ПДК по содержанию ряда тяжелых металлов в бентосных организмах: Dreissena polymorpha – максимальное накопление тяжелых металлов, сопутствующих нефти (в частности, железо, свинец, никель), в раковине. Определение аккумуляции и оценка влияния полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и их метаболитов, как специфических ксенобиотиков в зоне добычи, переработки и транспортировки нефти, является чрезвычайно актуальной проблемой казахстанского шельфа Каспийского моря.
биоиндикация
тест-системы
гидробионты
газожидкостная хроматография
атомно-абсорбционная спектрометрия
пирен
бенз(а)пирен
нефть
нефтепродукты
1. Бигалиев А.А., Дарибаев Ж., Бекишбеков Э.З.,. Атаханова К.Я,. Ищанова Н.Е. Бияшева З.М, Бигалиев А.Б., Исенов Х.А. Эколого-генетическая оценка влияния поллютантов на природные популяции растений, животных и человека // Материалы V съезда Вавиловского общества генетиков и селекционеров, посвященного 200-летию Чарльза Дарвина. – 2009. – 320 с.
2. Ильин Г.В. Накопление и распространение нефтяных углеводородов и ПАУ в Азовском море // Вестник южного научного центра РАН. – 2011. – № 2 (7). – С. 49–53.
3. Кокорина Ю.А., Ерубаева Г.К., Ищанова Н.Е. Воздействие нефтяного загрязнения на природные экосистемы // Вестник КазГУ. Сер. экологическая. – 2001. – № 1(8). – С. 54–55.
4. Грановский Э.И., Неменко Б.А. Современные методы определения тяжелых металлов и их применение для биологического мониторинга. – Алма-Ата, 1990. – С. 40–73.
5. Чуйкин А.В., Григорьев С.В., Великов А.А. Определение нефтяных загрязнений в водных образцах с использованием хроматографии в парах воды // Нефтехимия. – 2006. – Т. 46, № 1. – С. 65–69.
6. Павловская В.В. Удельное содержание металлотионеинов в тканях моллюсков – биоиндикатор загрязнения водоема тяжелыми металлами / И.А. Данилин, В.В. Павловская // «Вестник РУДН» серия Экология и безопасность жизнедеятельности. – М., 2006. – № 2 (14). – С. 87–92.
7. Павловская В.В. Анализ ответной реакции моллюска Dreissena polymorpha при действии ионов тяжелых металлов с позиции биоиндикации / В.В. Павловская, Е.А. Залуцкая, И.А. Данилин // Материалы 6-й международной научной конференции Сахаровские чтения 2006 года: Экологические проблемы XXI века. – Минск, Республика Беларусь. – 18–19 мая 2006 г. – С. 197–200.
8. Довженко Н.В., Куриленко А.В., Бельчева Н.Н., Челомин В.П. Кадмий-индуцируемый окислительный стресс в тканях мидии Modiolus modiolus II Биол. моря. – 2005. – Т. 31, № 5. – С. 358–362.

Интенсивное развитие нефтедобывающей промышленности в Республике Казахстан приводит к крупномасштабному загрязнению природной среды нефтью и нефтепродуктами. Поэтому особую актуальность приобретает оценка влияния нефтяного загрязнения природной среды на наследственность живых организмов. Последствия воздействия химических загрязнителей окружающей среды проявляются на уровне хромосомной патологии, лежащей в основе злокачественной трансформации клеток, в увеличении специфической заболеваемости и снижении устойчивости организма к факторам окружающей среды. В частности, изучение изменений на хромосомном уровне с помощью цитогенетического метода стало важнейшим индикатором в оценке действия мутагенов на организмы растений и животных, в том числе и человека [1]. Очевидно, при проведении генетического мониторинга необходимо использовать сочетание природных объектов со стандартными лабораторными тест-системами, чтобы выводы относительно генетических изменений в природных популяциях были адекватными.

По данным ряда специалистов компоненты нефти (углеводороды, бенз(а)пирен, фенолы, тяжелые металлы и другие) способны оказывать токсическое, мутагенное, канцерогенное влияние, которое может привести к нарушению генетической структуры популяции [2, 3].

Цель исследования – исследовать динамику накопления нефти и сопутствующих тяжелых металлов в органах и тканях отобранных представителей беспозвоночных и гидробионтов для эколого-генетической оценки последствий.

Материалы и методы исследования

В качестве тест-объектов взяты организмы, обитающие в устье реки Урал, а именно в эстуарии «река-море», то есть средой обитания являются, как речная вода, загрязненная в основном нефтью и сопутствующими тяжелыми металлами, так и морская. Для получения наиболее полной картины загрязнения исследуемого региона отбирали виды, представляющие разные систематические группы и трофические уровни экосистемы. Все выбранные виды относятся к аккумулятивным биоиндикаторам, накапливающие загрязнители без быстро проявляющихся нарушений.

Для определения тяжелых металлов готовили пробы из расчета 1 грамм биосубстрата из тканей тест-объекта. В каждую пробу добавляли по 4 мл концентрированной азотной кислоты и помещали в специальные контейнеры «бомбы», а затем в сухо-жаровой термостат на 4–6 часов. Анализ тяжелых металлов в биосубстратах проводили на атомно-адсорбционом спектрофотометре МГА-915МД. Расчетным методом (математический анализ) определяли содержание тяжелых металлов, а стронция ‒эмиссионным методом анализа [4].

Для определения содержания бенз(а)пирена в организме тест-объектов использовали метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, SYCAM, Германия) [5]. У рыб в органах – жабры, печень, гонады, мышцы; у моллюсков – мягкие ткани; у остальных объектов общую биомассу.

Результаты исследования и их обсуждение

Бентосные организмы характеризуются высокой вариабельностью по накоплению тяжелых металлов. Значительные колебания по содержанию тяжелых металлов в бентосе объясняются, прежде всего, разнообразием химического состава биотопов бентосных популяций и особенностями их образа жизни (наличием у значительного числа представителей малоподвижных форм, а также типом питания). Многие представители бентосных организмов характеризуются исключительно высокой аккумулятивной активностью и способны накапливать в организме большое количество тяжелых металлов. В ряде случаев микроэлементный состав бентоса оказывает большое влияние на химический состав этих групп гидробионтов, в том числе и на организм рыб путем передачи элементов по пищевой цепи.

Гидробионты, как правило, хорошо отражают химический элементный состав донных отложений в местах их обитания. Методом атомно-адсорбционной спектрофотометрии нами проведен анализ содержания тяжелых металлов в органах и тканях одного вида рыб -Аbramis brama, двух видов моллюсков – Dreisena polymorha, Unio pictorum. Полученные результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в органах и тканях двух видов рыб и моллюсков

Название пробы

Навески, г

Cu, мг/кг

Cd, мг/кг

Pb, мг/кг

Zn, мг/кг

Fe, мг/кг

Ni, мг/кг

Sr, мг/кг

Печень (Аbramis brama) в формалине

0,43

2,57 ± 0,02

0

66,36 ± 0,6

8,9 ± 0,3

149,8 ± 0,8

0,55 ± 0,06

5,45 ± 0,01

Мышцы (Abramis brama) в формалине

0,81

3,0 ± 0,09

0

18,61 ± 0,55

3,93 ± 0,11

34,44 ± 1,03

1,4 ± 0,04

8,34 ± 0,02

Жабры (Abramis brama) в формалине

1,105

0,5 ± 0,01

0

58,47 ± 0,62

10,99 ± 0,32

174,15 ± 1,4

1,14 ± 0,03

6,216 ± 0,01

Гонады (Abramis brama) в формалине

0,54

0

0

33,44 ± 0,05

5,59 ± 0,01

76,19 ± 0,67

1,47 ± 0,05

4,64 ± 0,01

Dreisena polymorha (мяг. ткани)

0,16

0,0288 ± 0,001

0,0045 ± 0,001

0,504 ± 0,01

4,096 ± 0,12

0,8 ± 0,02

0,08 ± 0,002

1,0 ± 0,03

Dreisena polymorha (раковина)

0,6

1,188 ± 0,004

0,26 ± 0,001

9,72 ± 0,28

1,56 ± 0,05

40,0 ± 1,3

4,56 ± 0,02

1,0 ± 0,04

Unio pictorum (мяг. ткани)

0,95

0,96 ± 0,02

0,46 ± 0,01

16,18 ± 0,48

14,49 ± 0,43

226,67 ± 6,80

1,91 ± 0,05

1,67 ± 0,05

Unio pictorum (раковина)

0,79

3,408 ± 0,11

0,71 ± 0,02

18,46 ± 0,6

2,15 ± 0,1

22,57 ± 0,73

11,97 ± 0,3

2,33 ± 0,05

Как видно из данных табл. 1 максимальное количество содержания тяжелых металлов в пределах обследованных органов рыбы (вида Аbramis brama) наблюдается в жабрах, затем печени и мышцах. Причем наибольшую способность к аккумуляции проявляют железо, свинец, цинк, медь, а стронций накапливается примерно в одинаковом количестве во всех органах. Отмечается также отсутствие аккумуляции кадмия во всех исследованных органах. Причем все эти элементы значительно превышают установленные гигиенические нормативы (ПДК) для рыбопродуктов (1 мг/кг).

Из данных, полученных на двух видах моллюсков, следует, что у вида Dreisena polymorha отмечается максимальное накопление тяжелых металлов в раковине, в частности это относится к железу, свинцу и никелю. У второго вида Unio pictorum содержание железа, свинца и кадмия примерно в одинаковых количествах, как в мягких тканях так и в раковине, а цинк в больших количествах обнаружен в мягких тканях, содержание никеля и меди выше в раковине. В отдельных исследованиях показано, что в моллюсках по сравнению с другими гидробионтами отмечается наибольшее накопление большинства тяжелых металлов. Моллюски как бентосные организмы обладают повышенной восприимчивостью на загрязнение водных экосистем и, прежде всего, донных отложений. Так, в этих исследованиях установлено, что тяжелые металлы активно аккумулируются протеинами морских моллюсков и ракообразных. Выявлена роль тяжелых металлов в активации металлотионинов, а также изменение потребности в них организма моллюска в процессе нормального его функционирования [6, 7]. Данные этого положения подтверждаются исследованиями по кинетике усвоения кадмия у пресноводных моллюсков, в которых показано, что аккумуляция кадмия в органах и тканях моллюска идет линейно до определенной концентрации его в воде (в пределах 5 мкг/л). При повышении концентрации (до 25 мкг/л) накопление кадмия происходит интенсивно, а затем наступает предел насыщения организма кадмием и прекращается его поступление [8]. При сравнении с результатами ранее проведенных исследований, характеризующих содержание тяжелых металлов в мягких тканях исследуемых видов моллюсков, наши данные свидетельствуют о меньшей величине накопления тяжелых металлов по сравнению с органами рыб.

Содержание бенз(а)пирена в организме тест-объектов. В результате проведенных исследований установлено, что происходит накопление бенз(а)пирена в тканях гидробионтов, это указывает на включение ПАУ в процессы метаболизма водных организмов (табл. 2). Обнаружена видовая специфичность аккумуляции данного нефтепроизводного.

Таблица 2

Содержание бенз(а)пирена в тест-объектах

Органы и название вида

Место сбора

Год сбора

Содержание бенз(а)пирена, мкг/г

Мышцы леща Abramis brama

Устье р. Урал

2010

0,0066 ± 0,0002

2011

0,015 ± 0,0005

Жабры леща Abramis brama

Устье р. Урал

2010

0,0264 ± 0,0007

2011

0,037 ± 0,0011

Мышцы берша Sander volgensis

Устье р. Урал

2010

0,2597 ± 0,0077

Жабры берша Sander volgensis

Устье р. Урал

2011

0,2042 ± 0,0061

Мышцы судака Sander lucioperca

Устье р. Урал

2010

0

Жабры судака Sander lucioperca

Устье р. Урал

2011

0,0974 ± 0,0029

Моллюск Unio pictorum

Устье р. Урал

2010

0

2011

0,0131 ± 0,0003

Моллюск Dreissena polymorpha

Устье р. Урал

2010

0

2011

0,375 ± 0,0112

Полихеты, Nereis diversicolor

Сев. Каспий

2010

0

2011

0,1125 ± 0,0033

При сравнении результатов содержания бенз(а)пирена в объектах 2010 и 2011 гг. сбора отмечено достоверное повышение концентрации данного поллютанта, что указывает на увеличение объема промышленных выбросов (нефтепроизводных) в исследуемом регионе. При общем сравнении концентрации бенз(а)пирена в тест-объектах все полученные результаты значительно превышают уровень ПДК, что говорит о высокой степени загрязнения исследуемого региона нефтепродуктами по сравнению с допустимыми уровнями (ПДК для мясо- и рыбопродуктов – 0,001 мг/кг, в водной среде – 0,000005 мг/л, атмосферный воздух – 0,1 мкг/100 м3, почва – 0,02 мг/кг, донные отложения – 0,02 мг/кг).

Содержание бенз(а)пирена в органах рыб имеет видовую специфичность. Так, у леща и судака концентрация бенз(а)пирена в жабрах выше, чем в мышцах. У вида берш помимо того, что общее количество бенз(а)пирена достаточно высокое, большая его часть находится в мышцах, а не в жабрах. Можно полагать, неблагоприятным экологическим условиям судак и лещ более устойчивы. Об этом свидетельствуют усиление морфо-физиологических показателей изученных видов рыб, как продуктивность и другие, что способствует накоплению ПАУ в мышцах.

Таким образом, использованные нами виды гидробионтов могут служить достаточно информативными биоиндикаторами степени загрязнения водной среды нефтепродуктами и позволяют оценить реальную экологическую опасность для биоты и населения.

Выводы

Исследованиями на гидробионтах установлено:

– максимальное количество содержания тяжелых металлов в пределах обследованных органов рыбы (вида Аbramis brama) наблюдается в жабрах, затем печени и мышцах; наибольшую способность к аккумуляции проявляют железо, свинец, цинк, медь, а стронций накапливается примерно в одинаковом количестве во всех органах; отмечается также отсутствие аккумуляции кадмия во всех исследованных органах; все эти элементы значительно превышают установленные гигиенические нормативы (ПДК) для рыбопродуктов (1 мг/кг);

– на двух видах моллюсков следует, что у вида Dreissena polymorha отмечается максимальное накопление тяжелых металлов в раковине, в частности это относится к железу, свинцу и никелю. У второго вида Unio pictorum содержание железа, свинца и кадмия примерно в одинаковых количествах, как в мягких тканях, так и в раковине. Отмечается, тканеспецифическое и видовое накопление отдельных элементов в организме исследованных тяжелых металлов;

– содержание бенз(а)пирена в органах рыб имеет видовую специфичность. Так, у леща и судака концентрация бенз(а)пирена в жабрах выше, чем в мышцах, У вида берш помимо того, что общее количество бенз(а)пирена достаточно высокое, большая его часть находится в мышцах, а не в жабрах;

– при сравнении результатов содержания бенз(а)пирена в объектах 2010 и 2011 гг. сбора отмечено достоверное повышение концентрации данного поллютанта, что указывает на увеличение объема промышленных выбросов (нефтепроизводных) в исследуемом регионе. При общем сравнении концентрации бенз(а)пирена в тест-объектах все полученные результаты значительно превышают уровень ПДК, что говорит о высокой степени загрязнения исследуемого региона нефтепродуктами по сравнению с допустимыми уровнями (ПДК для мясо- и рыбопродуктов – 0,001 мг/кг, в водной среде – 0,000005 мг/л, атмосферный воздух – 0,1 мкг/100 м3, почва – 0,02 мг/кг, донные отложения – 0,02 мг/кг).

Рецензенты:

Мукашева Т.Д., д.б.н., профессор, кафедра биотехнологии, Казахский национальный университет имени аль-Фараби Министерства образования и науки РК, г. Алматы;

Нуржанова А.А., д.б.н., профессор, Институт биологии и биотехнологии растений Министерства образования и науки РК, г. Алматы.

Работа поступила в редакцию 28.01.2015


Библиографическая ссылка

Кожахметова А.Н., Бигалиев А.Б., Шаметов А.К. БИОНДИКАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АККУМУЛЯЦИИ НЕФТЕПРОИЗВОДНЫХ, ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ОРГАНИЗМЕ ГИДРОБИОНТОВ КАЗАХСТАНСКОЙ ЗОНЫ КАСПИЯ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-1. – С. 58-62;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36617 (дата обращения: 16.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252