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

Cover Page

Abstract

This paper considers the content and peculiarities of heavy metals accumulation in the organs and tissues of fish from the Belaya River, caught in the cities of Birsk and Ufa in the Republic of Bashkortostan. To determine the content of iron, copper, cadmium and lead ions, the muscles, liver and blood of the common carp ( Cyprinus carpio L.) and common bream ( Blicca bjoerkna L.) were examined. Both species belong to herbivorous fish, but they prefer different habitats: carp is a ground fish, and the bream lives in the water column. The choice of fish species under study is related to their wide distribution in this river. Studies have shown that biogenic elements (iron, copper) are better accumulated in the fish blood, and for the other heavy metals (lead, cadmium) studied, the accumulating organ is the liver. Analysis of tissues and organs for the presence of heavy metal ions was carried out by atomic absorption spectroscopy in the laboratory of environmental monitoring of physico-chemical environment contamination in the Birsk branch of the Bashkir State University (Birsk). The results obtained can serve as a basis for monitoring the ecological state of the river water and the hydrobionts living there.

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 Показатель, мг/дм³ Гидрохимические показатели ПДК мг/дм³ (рыбохозяйственная) г. Бирск г. Уфа Fe 0,2700 ± 0,025 0,4800 ± 0,019 0,100 Cu 0,0040 ± 0,002 0,0030 ± 0,001 0,001 Cd 0,0020 ± 0,000 0,0060 ± 0,001 0,005 Pb 0,0095 ± 0,005^ 0,0140 ± 0,005 0,006 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 Вид Показатель ПДУ, мг/кг Содержание тяжелых металлов в мышцах рыб, мг/кг Содержание тяжелых металлов в печени рыб, мг/кг Содержание тяжелых металлов в крови рыб, мг/кг г. Бирск г. Уфа г. Бирск г. Уфа г. Бирск г. Уфа Карп обыкновенный Fe 1,2 1,7 ± 0,19 2,2 ± 0,31 1,9 ± 0,49 2,1 ± 0,34X 3 ± 0,23* 5,3 ± 0,92*YZ Cu 10,0 1,3 ± 0,13^Z 3,1 ± 0,4^Y 12,2 ± 0,5X 12,9 ± 1,02 15,3 ± 0,6*Z 18,1 ± 1,1 Cd 0,2 0,02 ± 0,009^ 0,04 ± 0,007^Z 0,11 ± 0,023X Z 0,2 ± 0,042XZ 0,002 ± ± 0,0003Z 0,06 ± ± 0,009YZ Pb 1,0 0,01 ± 0,002^ 0,3 ± 0,09^Y 0,09 ± 0,025Z 1,5 ± 0,27Y 0,05 ± 0,014*Z 1,2 ± 0,24*Y Густера обыкновенная Fe 1,2 1 ± 0,308 2 ± 0,21Y 1,7 ± 0,089 2 ± 0,321X 2,4 ± 0,298* 2,9 ± 0,336* Cu 10,0 3,1 ± 0,467^ 4,2 ± 0,45^ 10,9 ± 0,485 14,7 ± 0,746Y 12 ± 0,91* 16,4 ± ± 1,342*Y Cd 0,2 0,04 ± 0,01^ 0,12 ± 0,025Y 0,007 ± 0,001X 0,15 ± 0,021XY 0,1 ± 0,019* 0,3 ± 0,054Y Pb 1,0 0,01 ± 0,001^ 0,5 ± 0,114^Y 0,02 ± 0,002X 1,7 ± 0,114XY 0,01 ± 0,003 0,81 ± 0,127Y 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

Birsk branch of Bashkir State University

Author for correspondence.
Email: example@snv63.ru

master student of Biology and Ecology Department

Aigul Timerbaevna Iskhakova

Birsk branch of Bashkir State University

Email: example@snv63.ru

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

References

  1. Воскресенская О.Л., Скочилова Е.А. Организм и среда: факториальная экология. Йошкар-Ола. 2005. 175 с.
  2. Петров К.М. Экология и культура // Экологическая культура. 2011. № 3. С. 36.
  3. Островская Е.В., Бреховских В.Ф., Волкова З.В., Монахов С.К., Курапов А.А., Кочарян А.Г. Тяжелые металлы в системе «дельта Волги Северный Каспий» // Юг России: экология, развитие. 2008. № 4. С. 133-139.
  4. Попов П.А., Трифонова О.В. Содержание и характер накопления металлов в рыбах // Сибирский экологический журнал. 2007. № 6. С. 961-967.
  5. Барабанова О.А., Безкоровайная И.Н., Бухарова Е.Б. Экология: курс лекций. Красноярск. 2010. 325 с.
  6. Законнова Л.И. Технология формирования генетически отдаленных линий карпа на основе местного беспородного стада. Белово: ООО «Канцлер», 2008. 118 с.
  7. Голованова И.Л. Влияние тяжелых металлов на физиолого-биохимический статус рыб и водных беспозвоночных // Биология внутренних вод. 2008. № 1. С. 99-108.
  8. ГОСТ 31861-2012. Вода. Общие требования к отбору проб. М.: Стандартинформ, 2013.
  9. Абдрахманов Р.Ф., Попов В.Г. Ионообменная концепция в генетической гидрохимии. Уфа: Гилем, 2013. 357 с.
  10. Москвин А.Г. Экология водоемов России. Рязань: Школа-Пресс, 1999. 134 с.
  11. Мудрый И.В. Влияние химического загрязнения почвы на здоровье населения // Гигиена и санитария. 2008. № 4. С. 32-37.
  12. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами: монография. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. 232 с.
  13. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. Природа. Человек. Техника. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. 343 с.
  14. Попов П.А. Оценка экологического состояния водоемов методами ихтиоиндикации. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2002. 270 с.
  15. Смирнова Е.В., Карамушко О.В. Пространственное распределение и некоторые черты биологии чернобрюхого липариса Liparis, 1984 в Карском море // Вестник Кольского научного центра РАН. 2015. № 1 (20). С. 78-84.
  16. Сибагатуллина А.М., Мазуркин П.М. Измерение загрязненности речной воды. М.: Изд-во «Академия естествознания», 2009. 216 с.
  17. Авалиани С.Л., Ревич Б.А., Захаров В.М. Мониторинг здоровья человека и здоровья среды. Региональная экологическая политика. Центр экологической политики России. М.: Наука, 2001. 76 с.

Statistics

Views

Abstract: 128

PDF (Russian): 67

Dimensions

Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2018 Khusnutdinova L.R., Iskhakova A.T.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies