Биология внутренних вод, 2022, № 2, стр. 192-197

ВВЕДЕНИЕ

Проблема загрязнения природной среды микроэлементами (тяжелыми металлами, редкими и рассеянными элементами) считается одной из ключевых при проведении экологических исследований (Виноградов, 1957; Ковальский, 1974; Сает и др., 1990). Важная особенность микроэлементов при поступлении их в организм – существование пороговых концентраций, в пределах которых организм способен регулировать обменные процессы.

Выход за пределы этих концентраций в сторону их понижения или повышения в среде обитания может вызвать дисфункцию обменных процессов в организме, привести к различным видам заболеваний и даже к его гибели (Ковальский, 1974).

В Уральском регионе к основным источникам загрязнения водных и наземных экосистем тяжелыми металлами относятся горнодобывающая и металлургическая промышленность. Миграция и рассеивание их от источников выброса обусловили высокий уровень загрязнения почв, рек, воздушной среды, подземных вод, дикорастущих растений, сельскохозяйственной продукции (Махонина, 1987; Государственный…, 1999, 2000, 2008, 2009, 2012). У животных, районированных на загрязненных территориях, наблюдается нарушение иммунной системы и развитие патологических процессов (Донник, Смирнов, 2002; Донник, Хайбуллин, 2002).

Высокая нагрузка на природные экосистемы Уральского региона из-за присутствия в них тяжелых металлов и других техногенных выбросов усугубляется повышенным радиационным фоном за счет функционирования на территории региона предприятий атомной промышленности и последствиями радиоактивного загрязнения территорий в результате радиационных аварий и производственной деятельности человека (использование материалов с повышенным содержанием естественных радионуклидов, медицинские процедуры и пр.) (Восточно-Уральский…, 2000; Климшин и др., 2011; Чеботина и др., 2017).

В ряде работ в качестве индикаторов загрязнения пресноводных экосистем различными поллютантами, в том числе тяжелыми металлами, рассматриваются лягушки (Шарыгин, 1980; Пястолова и др., 1996; Мисюра, 2006; Stark, 2006; Зарипова и др., 2009; Smalling еt al., 2019; Берзин и др., 2020; Beresford et al, 2020). Однако в настоящее время, несмотря на их широкое распространение в водных экосистемах различных регионов страны и устойчивости к негативным факторам среды, они недостаточно изучены.

Цель работы – исследовать уровень содержания микроэлементов в озерной лягушке Pelophylax ridibundus Pall., обитающей в водоемах-охладителях Среднего Урала. Для ее выполнения поставлены задачи: изучение уровней концентраций микроэлементов в воде и лягушках Белоярского и Рефтинского водохранилищ; сравнительная оценка концентраций микроэлементов в самках и самцах исследованных водоемов; изучение связи между содержанием микроэлементов в лягушках и таковым в воде и планктоне.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалом исследования послужили озерные лягушки и вода Белоярского и Рефтинского водохранилищ. Белоярское вдхр., образованное в 1959–1963 гг. за счет зарегулирования русла р. Пышма, – водоем-охладитель Белоярской АЭС им. Курчатова. Эколого-географическая характеристика водоема приведена в работе (Трапезников и др., 2008). За время существования экосистема Белоярского вдхр. подвергалась воздействию четырех энергоблоков АЭС, два из них выведены из эксплуатации в 1981 и 1989 гг., третий и четвертый работают с 1980 и 2014 гг. соответственно. Рефтинское вдхр. − водоем-охладитель одной из крупнейших в России электростанций − образовано в 1968 г. на р. Рефт, левом притоке р. Пышма. Станция работает на угле, из-за чего ежегодно на золоотвалы выбрасывается ~6 млн тонн золы и шлака. На берегу водохранилища размещается Рефтинская птицефабрика, крупнейшее на Урале предприятие по производству и переработке мяса бройлеров. Оба водохранилища подвергаются тепловому загрязнению за счет сброса в них подогретых вод.

Работу проводили в 2019 г. Места отлова лягушек располагались в районах водоемов, примыкающих к участкам сброса подогретых вод. В каждом водоеме отлавливали по пять самцов и пять самок лягушек и усыпляли их эфиром. В лаборатории лягушек взвешивали, высушивали и озоляли при температуре 500°С. Воду отбирали в трех повторностях по 5 л на повторность, фильтровали через фильтр “синяя лента” для очистки от механических примесей и высушивали при температуре 105°С до сухого остатка. Подготовленные таким образом пробы амфибий и воды растворяли в смеси азотной, соляной и фтороводородной кислот квалификации “ХЧ” в соотношении 2 : 1 : 1 и выдерживали в автоклаве 15–30 мин при температуре 150–160°С с последующим прокаливанием. Количественное определение элементов проводили на квадрупольном масс-спектрометре “ELAN 9000” (Perkin Elmer SCIEX, США–Канада) с использованием калибровочного стандартного раствора с требуемым диапазоном концентраций исследуемых элементов. Относительная стандартная погрешность определений не превышала 10–20%. Все данные, приведенные на рисунках, рассчитаны на сухую массу вещества.

Статистическую обработку материала проводили с помощью компьютерной программы STATISTICA (критерии Манна–Уитни, Стьюдента и Пирсона).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Концентрации различных элементов в амфибиях варьировали в пределах пяти порядков величин (рис. 1). Содержание Fe в лягушках обоих водоемов было наиболее высоким − (6−10) × 10³ мкг/г. По мере снижения концентраций идут ряды элементов, характерные для обоих водохранилищ: Ti, V, Мn, Cu, Zn, Br, Sr (10²−10¹ мкг/г), Li, B, Cr, As, Rb, Ba, Th, (10¹−10⁰ мкг/г), Sc, Ga, Y, Zr, Ce, Pb, U (10⁰−10^–1 мкг/г и меньше). Co и Ni в обнаруживаемых количествах найдены только в лягушках Рефтинского вдхр., Mo, Cd и Cs – только Белоярского вдхр. Концентрации этих микроэлементов находятся ниже предела обнаружения данным методом. По остальным элементам различия между лягушками обоих водоемов оказались статистически недостоверными (р > 0.05).

Рис. 1.

Средние концентрации микроэлементов в лягушках Белоярского и Рефтинского водохранилищ. * – концентрации ниже предела обнаружения.

На рис. 2 и 3 представлены средние величины концентраций исследуемых элементов в лягушках Белоярского и Рефтинского водоемов в зависимости от пола животных. Видно, что самцы и самки амфибий накапливают микроэлементы примерно в одинаковых количествах. Это подтверждается результатами статистической обработки совокупности данных по всем исследованным элементам и для Белоярского, и для Рефтинского водохранилища (р < 0.001).

Рис. 2.

Концентрации микроэлементов в самках и самцах лягушек Белоярского водохранилища.

Рис. 3.

Концентрации микроэлементов в самках и самцах лягушек Рефтинского водохранилища. * – концентрации ниже предела обнаружения.

Поскольку вода служит важным источником поступления элементов в организм лягушек, исследована связь концентраций микроэлементов в организме животных и воде Белоярского и Рефтинского водохранилищ (рис. 4). Для обоих водоемов по совокупности исследуемых элементов установлена высоко достоверная корреляционная связь между их концентрацией в лягушках и содержанием в воде (коэффициент корреляции 0.78; р < 0.001). Для Белоярского вдхр. также выявлена достоверная корреляционная связь между концентрациями микроэлементов в лягушках и планктоне (коэффициент корреляции 0.78; р = 0.001) (рис. 5). В последнем случае для исследования использовали данные по планктону из работы (Поляков и др., 2012).

Рис. 4.

Корреляционная связь между концентрациями микроэлементов в лягушках (ось ординат) и в воде (ось абсцисс) Белоярского (1) и Рефтинского (2) водохранилищ.

Рис. 5.

Корреляционная связь между концентрациями микроэлементов в лягушках (ось ординат) и в планктоне (ось абсцисс) Белоярского водохранилища.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Белоярское и Рефтинское водохранилища на Среднем Урале относятся к числу водоемов, испытывающих постоянную антропогенную нагрузку. В Белоярское водохранилище поступают слаборадиоактивные и химические стоки с двух предприятий атомной промышленности (Белоярской АЭС и Института реакторных материалов), в Рефтинское – смывы химических веществ из золоотвалов и птицефабрики. Водоемы служат зонами отдыха населения, используются для рыбной ловли и промышленного выращивания рыбы в садках. Также они подвергаются тепловому загрязнению в результате сброса подогретых вод. Анализ качества воды показал превышение содержания ряда микроэлементов в зоне подогрева санитарно-защитной зоны водохранилищ по сравнению с ПДК, установленными для водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение (Перечень…, 1999). Так, на момент исследований превышение ПДК в Белоярском и Рефтинском водохранилищах достигало по V в 12 и 14 раз, по Mn – в 9 и 17 раз, по Fe – в 5 и 12 раз, по Cu – в 5 и 22 раза соответственно. Кроме того, в Рефтинском вдхр. отмечено превышение ПДК по Ni в 4, по Zn в 1.6 раза.

Установлено, что концентрации различных микроэлементов в лягушках зоны подогрева указанных водохранилищ варьируют в пределах пяти порядков величин (от 10^–2 до 10⁴ мкг/г сухой массы тела). В наибольших количествах лягушки обоих местообитаний накапливают железо, что согласуется с данными работы (Мисюра и др., 2004). При небольших колебаниях в содержании микроэлементов в лягушках Белоярского и Рефтинского водохранилищ существенных различий между животными разных местообитаний не выявлено. Аналогичные данные о вариабельности концентраций микроэлементов в амфибиях разных местообитаний приведены в работах (Шарыгин, 1980; Мисюра, 2006).

В связи с использованием лягушек для производства пищевой продукции в ряде стран мира (Mirzaj, 2003; Динь, 2015) интересно было сравнить уровни накопления микроэлементов амфибиями в наших исследованиях c фоновыми показателями. Из-за отсутствия ПДК для пресноводных животных и, в частности, для лягушек, мы использовали результаты работы (Никаноров, Жулидов, 1991), в которой приведены концентрации химических элементов в пресноводных организмах, условно принимаемые за фоновые. Превышение этих значений по некоторым элементам достигало от 2 до 21 раза. Лягушки Белоярского вдхр. содержат в 2–4 раза больше Li, Sc, Ti, Ga, Br, а Рефтинского вдхр. – Li, Ti и V. В Белоярском водохр. концентрация V в амфибиях из зоны подогрева превышала фоновые значения в 18 раз, As – в 17 и 7 раз для Белоярского и Рефтинского вдхр. соответственно. Источником поступления повышенных концентраций микроэлементов в водоемы-охладители могут быть системы охлаждения на атомной и тепловой станциях, а также золоотвалы на Рефтинской ГРЭС (Махонина, 1987; Трапезников и др., 2008).

В проведенном исследовании установлено, что накопление всей совокупности исследованных элементов озерной лягушкой не зависит от пола животных. Аналогичные данные об отсутствии различий в накоплении радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs самцами и самками Белоярского вдхр. получены нами в работе (Берзин и др., 2020).

Вода служит необходимой средой обитания озерных лягушек, обеспечивающей их жизнедеятельность. Поглощение микроэлементов из воды возможно через кожные покровы и с пищей. Вместе с водой лягушки заглатывают пищу (зообентос, молодь рыб, пауков, ручейников, стрекоз и их личинок, жуков и прочих), содержащую различные микроэлементы (Вершинин, 2007). Кроме того, водная среда заселена огромным числом видов планктона растительного и животного происхождения. Озерные лягушки питаются, как правило, консументами двух–трех порядков, которые непосредственно являются частью планктона или его потребителями. Планктон, обладающий огромной биосорбционной активностью имеет в своем составе большое разнообразие тяжелых металлов, редких и рассеянных элементов (Поляков и др., 2012). Это объясняет выявленную нами достоверную корреляционную связь между содержанием микроэлементов в озерных лягушках и воде, с одной стороны, а также между лягушками и планктоном, – с другой.

Полученные данные могут служить для сравнительной оценки содержания микроэлементов в озерных лягушках других водоемов страны и разработки для них соответствующих нормативов.

Выводы. Озерные лягушки, обитающие в зоне подогрева Белоярского и Рефтинского водохранилищ, накапливают различные микроэлементы в концентрациях, лежащих в пределах пяти порядков величин. Для всей совокупности микроэлементов в лягушках достоверные различия между исследованными водоемами не установлены. Показано, что накопление микроэлементов амфибиями в целом не зависит от пола животных. Установлена достоверная корреляционная связь между концентрацией микроэлементов во взрослых лягушках и их содержанием в воде и планктоне. Выявлено превышение ПДК некоторых микроэлементов в воде зоны подогрева обоих водохранилищ, а также концентраций ряда микроэлементов в лягушках изученных местообитаний по сравнению с их фоновыми значениями.