Океанология, 2020, T. 60, № 4, стр. 515-527

ВВЕДЕНИЕ

Голотурии (Echinodermata, Holothuroidea) широко распространены в Мировом океане, однако наибольшее разнообразие видов и запасы отмечены в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Голотурии составляют значительную массовую долю макрозообентоса Мирового океана [42], в ряде случаев являясь представителями доминирующих таксонов. Так, по разным данным, в дальневосточных морях их массовая доля может варьировать от 6.3% в Охотском море [16] до 12.1% в зал. Петра Великого Японского моря [17]. Некоторые виды голотурий широко используются в странах Юго-Восточной Азии для питания и как сырье для фармацевтической индустрии, что делает их ценным коммерческим объектом [42]. При этом в зал. Петра Великого, испытывающем значительное антропогенное воздействие [22], с 2003 по 2011 г. биомасса голотурий снизилась более чем в 6 раз [17].

Многие виды голотурий обитают в прибрежных морских водах [17, 35], подвергающихся интенсивному загрязнению тяжелыми металлами (ТМ), что может сопровождаться аккумуляцией ТМ в тканях морских гидробионтов. Значительное повышение концентраций ТМ в тканях этих животных может быть опасно как для них самих, так и для человека, употребляющего продукцию из этих животных. В связи с этим особое значение имеет мониторинг содержания тяжелых металлов в тканях голотурий.

Такой мониторинг может иметь значение и для оценки загрязнения морской среды. Наличие целого ряда методических сложностей при определении концентрации ТМ в морской воде в прибрежной зоне обусловили исследования по биоиндикации загрязнений с использованием гидробионтов [21]. При этом различная резистентность видов к отдельным ТМ, различия в механизмах адаптации предполагают, что для более полного представления об уровне загрязненности и его последствиях необходимо использовать разные виды гидробионтов. Однако исследования по мониторингу содержания ТМ в тканях голотурий и данные о возможности использования последних для биоиндикации загрязнения среды единичны [33, 43, 45].

Снижение численности коммерчески ценных видов голотурий привлекает внимание ученых к другим видам, ранее не являвшимся объектами коммерческого вылова, но представляющим интерес в качестве потенциальных источников биологически активных веществ [42]. К таковым относится и голотурия Eupentacta fraudatrix (D’yakonov & Baranova in D’yakonov, Baranova & Savel’eva, 1958), обычный обитатель прибрежных вод Японского моря. В ее тканях обнаружено высокое содержание вторичных метаболитов, оказывающих выраженное противогрибковое, антибактериальное и иммуномодулирующее действие [11]. E. fraudatrix ведет малоподвижный образ жизни на небольших глубинах [9]. Эта особенность ее поселений позволяет проводить исследования в относительно постоянных биотопах, что, в свою очередь, представляет интерес и для исследований по мониторингу загрязнения среды. В двух бухтах зал. Петра Великого – б. Алексеева и б. Витязь – E. fraudatrix селится избирательно, преимущественно в части бухты, граничащей с открытым морем. При этом в б. Алексеева обнаружены две цветные формы E. fraudatrix – розовая и оранжевая, в б. Витязь – только оранжевая [9]. Эти две бухты находятся под воздействием различных уровней антропогенного стресса: б. Алексеева расположена на о. Попова, в 20 км от материковой части крупного промышленного города Владивостока, а б. Витязь граничит с Дальневосточным морским биосферным государственным природным заповедником, и в прилежащей материковой части практически отсутствует крупное промышленное или сельскохозяйственное производство.

Многие ТМ необходимы для жизнедеятельности живых организмов. К эссенциальным металлам относятся, в частности, железо (Fe), марганец (Mn), медь (Сu), цинк (Zn). В небольших концентрациях они участвуют в метаболизме, в частности, как кофакторы многих ферментов, но при определенных условиях становятся токсичными [1]. Некоторые ТМ не имеют физиологического значения и считаются исключительно токсичными для организма. Одними из наиболее токсичных ТМ являются свинец (Pb) и кадмий (Cd). Однако в последнее время появились данные, позволяющие говорить об “эссенциальности” и этих двух элементов. В частности, свинец участвует в синтезе белка и в формировании скелета у позвоночных [1].

Ранее показано, что у голотурий, как и некоторых других иглокожих [44], происходят сезонные изменения уровней ТМ в тканях, зависящие, по-видимому, от уровня их физиологической активности [45]. Такие физиологически обусловленные колебания, очевидно, необходимо дифференцировать от изменений, вызванных антропогенными факторами, для правильной оценки состояния загрязнения среды и тканей самой голотурии. Однако эта проблема остается недостаточно исследованной, и данные о содержании ТМ в тканях голотурий приводятся чаще всего безотносительно к периодам их физиологической активности [33, 43 ].

Цель работы – выявление особенностей временны́х (летне-осенних) и межгодовых вариаций содержания ТМ в тканях голотурий E. fraudatrix, обитающих в разных условиях антропогенного загрязнения, на примере двух бухт зал. Петра Великого.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Сбор голотурии E. fraudatrix (оранжевая форма) проводили легководолазным способом в зал. Петра Великого Японского моря в б. Алексеева, в июле и сентябре 2008 г. (для сравнения данных использовали результаты измерений 2016 г. [10]), а также в б. Витязь в сентябре 2009 и сентябре 2017 гг. на глубине 1–1.5 м. Схема исследовательских станций представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Карта-схема станций сбора голотурий.

Температуру морской воды измеряли на глубине 1 м гидрологическим термометром с точностью до 0.1°C. Соленость определяли, используя солемер Guildline Portasal- 8410 (Ocean Scientific International Ltd, Великобритания), калибровку которого проводили с помощью стандартной морской воды IASPO. Для каждой пробы воды проводились 2 параллельных измерения. В б. Алексеева использовали 10 экземпляров голотурии в каждый из исследуемых периодов, в б. Витязь в сентябре 2009 г. – 20 экземпляров, в сентябре 2017 г. – 30 экземпляров. Органы трех-четырех животных (б. Алексеева) или пяти (б. Витязь) перед анализом объединяли. Учитывая, что у голотурии E. fraudatrix, сроки жизни которой не установлены, существует зависимость накопления ТМ от длины тела (минимальный и максимальный размеры при сборе животных составляли от 0.5 до 7 см, исключительно редко до 9 см [33], животных в выборке стандартизовали по длине тела. В данной работе использовали экземпляры с длиной тела 3.5–5.5 см как соответсвующие наиболее часто встречаемой размерности (до 80% от всех собираемых животных в августе), имеющие развитые гонады и наиболее высокую физиологическую активность в период нереста [8]. У голотурий выделяли стенку тела, кишку и гонаду (только у самок). Половую принадлежность определяли по цвету гонад [2]. Ткани голотурий высушивали до постоянной массы при 85°C. Высушенные ткани (0.2–1 г) гомогенизировали и минерализовали в смеси 16 M HNO₃ и 11.3 M HClO₄ (3 : 1, об./об.) как описано ранее [26]. Определение концентрации тяжелых металлов проводили методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии (спектрофотометр Shimadzu 6800, Япония). Правильность анализов контролировали с использованием Европейского стандартного образца ERM-CE278 (mussel tissue) Института стандартных материалов и измерений (Бельгия). Измерения проводили в трех повторностях. Порог определения составил 0.25 мкг/г сухой массы для Cd, Cu, Zn, Mn и 0.5 мкг/г для Fe и Pb. Статистическую обработку проводили с использованием программ Excel (Microsoft Corporation) и GraphPad Prism v. 6.01 (GraphPad Software, Inc.). Результаты представлены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего. Для определения нормальности распределения данных использовали тест Колмогорова–Смирнова. При анализе данных по временны́м изменениям содержания металлов в отдельных тканях и при оценке результатов, полученных в разных бухтах, достоверность различий определяли с использованием t-критерия Стьюдента (при соответствии данных предположению о нормальном распределении) или с использованием U-теста Манна-Уитни (в непараметрических выборках). Разницу между значениями считали достоверной при P < 0.05. Для выявления попарных корреляций между содержанием металлов в отдельных тканях использовали коэффициент Пирсона при нормальном распределении данных или, в отсутствие нормального распределения, непараметрический анализ Спирмана (P = 0.05).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Ранее было показано, что распределение ТМ в тканях E. fraudatrix, как и у других голотурий, органоспецифично, при этом различные металлы в весенне-осенний период накапливаются по-разному [9, 10, 33]. Однако в проведенных исследованиях либо не было дано оценки временны́м изменениям [9, 33], либо они изучались безотносительно к влиянию загрязняющих факторов внешней среды, что не позволяло в должной мере выявить вклад биотических факторов в динамику концентраций ТМ в тканях голотурии [10]. В настоящей работе было уделено внимание не только межсезонным, но и межгодовым вариациям концентраций ТМ в тканях с учетом разного уровня загрязнения в местах обитания вида.

Результаты определения содержания ТМ в тканях E. fraudatrix в летне-осенние периоды разных лет в б. Алексеева представлены в табл. 1.

В июле 2008 г. в б. Алексеева наибольшая концентрация всех ТМ, кроме свинца, отмечена в кишке, что соответствует представлению о том, что ТМ поступают в организм голотурии преимущественно с пищей [36]. При этом основной мишенью для накопления Zn, Fe и Cd явилась гонада, а Pb, Mn и Cu накапливались преимущественно в стенке тела. Концентрация Pb в стенке тела была даже выше, чем в кишке. Для Pb его преимущественное содержание в стенке тела описано и для некоторых других голотурий [48] и, по-видимому, связано с детоксицирующей ролью связывания свинца цитоскелетоном [29]. Сходным образом, в июле 2016 г. концентрации Zn, Fe и Cd снижались в ряду кишка > гонада > стенка тела, а для Mn основной мишенью являлась стенка тела. Такая тропность Mn к стенке тела, по-видимому, объясняется его важной ролью в построении соединительной ткани и в работе мышц [27]. Основной мишенью для Cu в июле 2016 г. были уже гонады.

Июльский ряд распределения сохранялся и в исследуемые сентябрьские периоды для Cu и Cd, однако для Zn и Fe ряд убывания концентраций выглядел уже как гонада > кишка > стенка тела, что свидетельствует о том, что основное накопление этих металлов происходит в гонаде и направлено, по-видимому, на восстановление уровня этих металлов, израсходованных в период летнего нереста, к сентябрю уже заканчивающегося [13]. Гонада также заняла второе место после стенки тела в накоплении Mn, что указывает на восстановление уровня этого металла в постнерестовый период. В концентрировании же Pb кишка и стенка тела в сентябре 2008 г. поменялись местами, что возможно связано со снижением поступления свинца в организм по сравнению с июлем и снижением необходимости его секвестрации. Таким образом, для большинства металлов, кроме Mn и Pb, основной мишенью в исследованные периоды явилась гонада, при этом для таких важных эссенциальных металлов как Fe, Zn и Mn накопление в гонадах особенно возрастало осенью.

Однако в связи с наибольшей долей стенки тела в суммарной массе органов, самое большое количество всех металлов в различные периоды наблюдений находилось в стенке тела (табл. 2).

Эти данные сходны с таковыми, полученными для голотурии Holothuria tubulosa, стенка тела которой содержит основную часть (до 87%) общей нагрузки организма металлами [38]. При этом практически весь Mn и Pb находятся в стенке тела. В июле 2016 г. содержание Fe и Cd в стенке тела и кишке было примерно одинаковым. Гонада, по массе занимающая второе место, по содержанию большинства металлов в июле 2008 г. находилась на последнем месте, а в июле 2016 г. – на втором, для Cu – даже на первом месте.

Значительное повышение массовой доли гонады в июле 2016 г. по сравнению с июлем 2008 г. свидетельствует о том, что в эти периоды голотурии находились на разных стадиях размножения. Это подтверждается разным уровнем прогрева воды в эти периоды: температура воды при отборе проб составила в июле 2008 г. 17°С, в июле 2016 г. – 18.6°С. Учитывая данные Крючковой [13] о том, что благоприятным для нереста голотурий является температурный диапазон морской воды 19–21°С, можно предполагать, что при более высоких температурах в июле 2016 г. голотурии в момент сбора уже были готовы к нересту, в отличие от животных в 2008 г. По-видимому, с этим связано такое повышение вклада гонады в общее содержание ТМ организма, что соответствует данным, полученным Лобановой [15] о накоплении ТМ в гонадах у рыб в преднерестовом периоде.

В сентябрьские периоды гонада была также на втором месте после стенки тела по содержанию большинства эссенциальных металлов, но на третьем для Cd, содержание которого во все исследуемые периоды было наименьшим в гонаде, а также Pb (в сентябре 2008 г.).

При этом сравнение данных по содержанию эссенциальных ТМ в кишке E. fraudatrix в бухте Алексеева в июле и сентябре 2008 г. (табл. 1) показало, что в сентябре произошло значительное снижение содержания исследованных эссенциальных металлов: Cu – в 17, Zn – в 2, Fe – в 8, Mn – в 14 раз. Содержание же токсичных Cd и Pb снизилось в гораздо меньшей степени (Cd) или вообще не изменилось (Pb).

Поскольку голотурии являются преимущественно сестонофагами [5], ТМ могут попадать в кишку с микроорганизмами и мелким планктоном, накапливающими ТМ из воды. Накопление ТМ в планктоне определяется как общим уровнем загрязнения воды, так и содержанием биодоступных форм металлов [14]. При этом температура воды является определяющим фактором, влияющим на биодоступость металлов [6]. В сравниваемые периоды она имела близкие значения (в июле 2008 г. – 17°С, в сентябре 2008 г. – 17.8°С). Близкие значения имели и показатели тесно связанной с температурой солености: 29.3 и 31.6‰ в июле и сентябре соответственно. Кроме того, пик цветения планктона, который обычно сопровождается увеличением его потребления другими гидробионтами и увеличением содержания ТМ в их организмах, в зал. Петра Великого обычно наблюдается в августе [20], поэтому эти сезонные факторы с большой вероятностью можно исключить как причину снижения содержания ТМ в голотуриях в сентябре по сравнению с июлем. Можно предположить, что загрязнение морской воды в июле происходило за счет увеличения материкового стока вследствие ливней. Муссонный климат Приморского края определяет максимальное количество осадков в летний период, и в частности, сильные ливни наблюдались в июле накануне сбора голотурий. Это соответствует данным ряда авторов о преимущественном загрязнении воды ТМ в весенне-летний период по сравнению с осенне-зимним, связанным, по-видимому, с поступлением ТМ из почвы и рек в море в результате весеннего снеготаяния и/или интенсивных дождей [24].

При этом изменения концентраций ТМ в стенке тела и гонаде голотурии имели разнонаправленный характер. Так, в сентябре в стенке тела произошло достоверное снижение по сравнению с июлем уровня Cu и Pb, но возросло содержание Cd при неизменных концентрациях Mn и Fe. В гонаде же содержание Mn снизилось, а концентрации Fe, Zn и Pb возросли, содержание Cu и Cd не изменилось. При этом изменения концентрации металлов в этих органах были не столь велики, как в кишке, колеблясь от двух до четырекратных для разных металлов. Подобная дифференцированность сезонных изменений содержания ТМ в органах отмечена у моллюсков [28] и обусловлена, по-видимому, особенностями метаболической активности и востребованности ТМ в тканях и соответствующим перераспределением ТМ.

В сентябре 2016 г., напротив, отмечено достоверно повышенное содержание Cu и Mn в кишке по сравнению с таковым в июле, однако изменения не превышали двукратную величину. Концентрации Fe и Cd не изменились, а содержание Zn, как и в 2008 г., снизилось. В основе указанных изменений могут лежать различия гидрологических, климатических и биогеохимических условий в разные месяцы. Температурный режим в июле и сентябре 2016 г. значительно не различался: 18.6 и 19.6°С соответственно, что делает маловероятным различия в окислительно-восстановительных условиях в этот период и в соответствующих изменениях биодоступности ТМ [6]. Однако можно предполагать, что увеличение концентраций меди и марганца в кишке связано с увеличенным поступлением в бухту этих металлов с материковым стоком в летний период, особенно в августе, когда наблюдалась чрезвычайно высокая паводковая активность, связанная с большим количеством тайфунов, в том числе с тайфуном Лайонрок в конце августа 2016 г. Так, загрязнение вод Амурского залива, частью которого является б. Алексеева, Mn и Cu связывают со стоками из р. Раздольной [20]. В свою очередь, возросший уровень этих металлов обеспечивает достаточное потребление их планктоном во время пика его цветения в августе. Снижение же уровня цинка в кишке голотурии как в сентябре 2016 г., так и в сентябре 2008 г., по сравнению с июлем, по-видимому, является результатом снижения его концентрации в морской воде и в планктоне вследствие возрастания количества планктона в августе. Zn – наиболее востребованный металл при размножения планктона, и массовое цветение последнего может приводить к его дефициту [7].

При этом концентрации всех исследованных ТМ в гонадах превосходили июльские значения. В стенке тела в сентябре 2016 г. по сравнению с июлем концентрации ТМ также возрастали (Cu, Fe, Cd) или не изменялись (Zn, Mn). Изменения не превышали двукратную величину, за исключением таковых для Mn и Fe (возрастание концентрации в 2.3 и 3 раза соответственно) в гонадах. Возрастание уровня ТМ по окончании нерестового периода описано у моллюсков. В периоды максимальной физиологической активности, в частности, при нересте у них происходит значительное расходование ТМ, что вызывает последующую необходимость восстановления их содержания для поддержания физиологически необходимого уровня метаболизма, с чем, по-видимому, и связано повышение уровня ТМ в тканях гидробионтов в сентябре по сравнению с летним периодом [18]. Сезонные различия в содержании ТМ у голотурии могут быть также связаны с летним “эффектом разбавления” (снижением концентрации за счет увеличения массы), описанным у моллюсков [28]. Однако, принимая во внимание, что средние массы стенки тела голотурий в июле и сентябре 2016 г. практически не различались (1.24 ± 0.08 г в июле и 1.33 ± 0.09 г в сентябре), по-видимому, эффект разбавления можно отнести только к гонаде, поскольку двукратное превышение массовой доли гонады сопровождалось почти двукратным снижением концентрации большинства ТМ в июле по сравнению с сентябрем. При этом с учетом данных табл. 2, гонады содержали одинаковое количество этих ТМ в июле и сентябре. Только содержание Fe и Mn в гонаде в сентябре возрастало. Таким образом, в гонадах, независимо от сезона, поддерживалось стабильное содержание большинства ТМ, а восстановительное “запасание” в сентябре происходило преимущественно в стенке тела. Это свидетельствует в пользу предположения о физиологической основе накопления ТМ в сентябре в организме голотурии. Вместе с тем, накопление металлов происходило, по-видимому, на фоне сезонного повышения загрязнения среды этими металлами, как сказано выше, и это повышение могло оказывать влияние на степень накопления отдельных ТМ в тканях голотурии. Это предположение согласуется с данными, полученными на моллюсках, о том, что характер изменений ТМ (снижение или увеличение) в постнерестовом периоде у морских беспозвоночных может зависеть от степени загрязнения среды [23].

При этом асинхронность изменений концентраций ТМ в отдельных органах и кишке E. fraudatrix в течение летне-осеннего сезона была отмечена и в 2008 г. Сходные данные о разнонаправленных сезонных изменениях содержания ТМ в различных органах голотурий были продемонстрированы ранее Warnau et al. [49], на основании чего авторы сделали вывод о том, что сезонные изменения в аккумуляции металлов обусловлены в большей степени физиологическими, чем антропогенными факторами.

Для оценки влияния межгодовых вариаций было проведено сравнение концентраций ТМ в июле 2016 и 2008 гг. и в сентябре в эти же годы. Сравнение июльских значений содержания ТМ показало, что в 2016 г. в кишке голотурии содержание Cu было ниже, чем в 2008 г., в 5.5, Fe – в 8, Mn – в 11.3 раза. Концентрация Zn не изменилась. Такое значительное превышение содержания Cu, Fe и Mn, но не Zn в кишке в июле 2008 г. по сравнению с июлем 2016 г. подтверждает высказанное выше предположение о чрезвычайно высокой загрязненности воды и грунтов эссенциальными ТМ в бухте в июле 2008 г. В пользу этого предположения свидетельствуют и данные о значительном росте содержания ТМ в донных осадках в б. Алексеева в июне 2008 г. [33], обусловленном, по-видимому, возобновлением производственной активности. И напротив, снижение концентрации ТМ в кишке в 2016 г. по сравнению с 2008 г., по-видимому, связано с очищением б. Алексеева, наиболее вероятно, в связи с существенным сокращением объема городского промышленного производства после 2010 г. и улучшения экологической ситуации [19]. Тем не менее, в кишке в июле 2016 г. отмечено превышение уровня Cd по сравнению с 2008 г. в 1.8 раза. Это дает основания предполагать, что загрязнение морской среды Cd продолжается, что подтверждается данными измерений уровня кадмия в морской воде в зал. Петра Великого, показавшими значительный его рост в период после 2010 г. [19].

При этом в июле 2016 г. по сравнению с июлем 2008 г. в стенке тела содержание Fe и Mn не изменялось, Zn и Cd возрастало (в 1.5 и 1.6 раза соответственно), а Cu даже снижалось (в 5.8 раза). В гонадах не изменялось содержание ни одного из ТМ, кроме Mn (снижение в 5 раз). Эти данные подтверждают сделанный выше вывод о том, что у голотурий распределение ТМ по тканям является физиологически регулируемым, и свидетельствуют о том, что, несмотря на изменения в поступлении ТМ в организм голотурий, они были способны поддерживать определенный уровень ТМ в гонадах в летний период, когда обычен массовый нерест [13]. Этот уровень, который, по-видимому, был достаточным для обеспечения нерестовой активности и при этом не оказывал токсичного действия, можно определить как нормальный.

Сравнение же сентябрьских значений содержания ТМ в кишке показывает, что концентрации Cu и Mn в 2016 г. возрастали по сравнению с 2008 г. в 5.1 и в 1.7 раза соответственно, а концентрация Cd, наоборот, снижалась в 1.3 раза, ниже порога определения снизилось и содержание Pb, содержание Fe и Zn не изменялось. Диапазон изменений содержания ТМ, кроме Cu, был значительно ниже, чем при сравнении июльских значений 2008 и 2016 гг. Эти данные свидетельствуют в пользу предположения об очищении б. Алексеева по сравнению с 2008 г. от загрязнения ТМ, за исключением Cu и Mn.

При этом в сентябре 2016 г. по сравнению с сентябрем 2008 г. в стенке тела содержание всех ТМ, кроме Pb, достоверно не изменялось, а концентрация Pb снижалась ниже порога определения. В гонадах в 2016 г. отмечено достоверное возрастание содержания Cu в 2.8 раза, Zn – в 1.3 раза, а содержание Pb, напротив, значительно снижалось. Отсутствие существенных изменений концентраций ТМ в стенке тела в сентябре в разные годы, несмотря на их разницу в кишке, свидетельствует о том, что в стенке тела поддерживалась нормальная физиологическая концентрация. В гонадах же, в отличие от июльских значений, в сентябре 2016 г. происходил рост уровня Cu на фоне его повышения в кишке по сравнению с сентябрем 2008 г. Тот факт, что даже значительно меньшее увеличение содержания Cu в кишке при сравнении сентябрьских значений (5-кратное) по сравнению с многократным возрастанием при сравнении июльских значений (17-кратным) сопровождалось возрастанием уровня Cu в гонаде, позволяет предположить, что концентрация металла, необходимого для функционирования гонад [4], в сентябре может контролироваться менее строго, чем в период нереста. В то же время увеличение содержания Zn, другого элемента, важного для нормального функционирования гонад [4] и активно расходуемого во время нереста гидробионтов [18], в отсутствие изменения его концентрации в кишке, свидетельствует о физиологической причине такого накопления.

Для выявления значения фактора загрязненности воды в накоплении ТМ был проведен также сравительный анализ содержания ТМ в тканях голотурий, обитающих в акваториях с разным уровнем загрязненности, в период относительного физиологического покоя (отсутствие нереста) в сентябре. Для сравнения с результатами, полученными в бухте Алексеева, находящейся близко от крупного города, были исследованы ткани животных, обитающих в б. Витязь, находящейся на границе морского заповедника, с предполагаемым низким уровнем антропогенного загрязнения материковой части. Результаты этого исследования представлены в табл. 3.

Анализ распределения металлов по органам показывает, что концентрация Mn в б. Витязь была, как и в б. Алексеева, максимальна в стенке тела в сентябре в оба исследуемых года, Pb-только в сентябре 2017 г. По содержанию большинства металлов, в отличие от б. Алексеева, в б. Витязь на первое место выходила кишка, вследствие, вероятно, повышенного содержания этих ТМ в воде и, соответственно, пище. Вместе с тем, как и в б. Алексеева, на втором месте находилась по накоплению ТМ гонада, а по концентрации Zn в 2017 г., как и в б. Алексеева, гонада находилась на первом месте. Таким образом, основной мишенью для ТМ, кроме Mn и Pb, в обеих исследованных бухтах в постнерестовый период является гонада.

Сравнение содержания ТМ у голотурии E. fraudatrix в б. Алексеева в сентябре 2008 г. с таковым в б. Витязь в сентябре 2009 г. показало, что концентрация Cu в кишке животных была выше в б. Витязь в 15 раз, Fe – в 7 раз, Cd – в 2 раза, Pb – в 4.5 раза, что с высокой вероятностью свидетельствует о значительно большей загрязненности б. Витязь по сравнению с б. Алексеева в 2009 г.

Температура воды в исследумые периоды в б. Витязь составила в сентябре 2009 г. – 19.2°С, а в сентябре 2017 г. – 20.8°С, что близко к таковой в сравниваемые периоды в б. Алексеева и свидетельствует в пользу наличия сходных сезонных биогеохимических условий в бухтах. При этом высокая концентрация ТМ в акватории юго-западной части зал. Посьета, несмотря на соседство с морским заповедником, по-видимому, связана с отмечаемым в то время интенсивным загрязнением залива водами р. Туманган [3]. Сходные данные о высоком уровне загрязнения ТМ тканей гидробионтов в б. Витязь были получены в 1990-х годах Коженковой и Христофоровой [12], показавших сопутствующее загрязнению воды возрастание накопления ТМ в водорослях.

При этом в стенке тела голотурии в б. Витязь содержание Cu достоверно превышало таковое в б. Алексеева в 1.4 раза, содержание других ТМ не отличалось. В гонаде голотурии в б. Витязь содержание Cu было в 8.2 раза, Mn – в 2, Cd – в 2.7, Pb – в 3 раза выше по сравнение с таковыми в б. Алексеева. Концентрации других ТМ были одинаковыми в гонадах голотурий из обеих бухт. Эти данные подтверждают результаты, полученные при межгодовых сравнениях сентябрьских концентраций ТМ в органах голотурии в б. Алексеева и свидетельствуют о том, что в постнерестовый период накопления ТМ в стенке тела не происходит даже при значительном повышении их концентраций в кишке, но при этом изменения происходят в гонаде, в которой, вслед за кишечником, значительно растет содержание ряда металлов. По-видимому, в сентябре происходит изменение в характере перераспределения металлов между органами, направленное преимущественно на накопление ТМ в гонаде. Об этом же свидетельствуют данные, представленные выше (табл. 2, 3), о возрастании накопления эссенциальных ТМ в гонадах осенью. При этом, по-видимому, накопительная тенденция регуляции распределения ТМ в гонаде в условиях загрязнения морской воды приводит к значительной аккумуляции металлов в тканях гонады. Сходным образом, при анализе 8-летних данных, осеннее увеличение содержания Cu в тканях моллюска Macoma baltica достигало максимальных значений при увеличении загрязнения воды [40].

Известно, что различная метаболическая активность органов/тканей морских беспозвоночных требует разного уровня ТМ для поддержания соответствующей физиологической активности, с чем и связано различие в распределении ТМ в тканях [22]. Это различие поддерживается на определенном уровне до тех пор, пока животные сохраняют способность регулировать их распределение, то есть до достижения порога концентрации того или иного ТМ [25]. Перераспределение ТМ в тканях является одним из способов избегания токсичного действия ТМ, направленным прежде всего на поддержание репродуктивной функции даже в значительно загрязненных районах [29, 49]. Однако механизмы такого распределения остаются мало изученными. Строгая регуляция содержания эссенциальных металлов, в частности, в моллюсках, осуществляется путем экскреции через гемолимфу и жабры [41]. Важнейшую роль в детоксикации ТМ играют металлотионеины, имеющие специфичность связывания с отдельными металлами в разных типах тканей [22]. При превышении концентрации, требуемой для метаболической активности ткани, избыток ТМ может связываться металлотионеинами, а также транспортироваться в другие ткани и органы, где этот ТМ может быть востребован или запасен. В активном транспорте ТМ отмечена роль фагоцитов [34] и транспортных белков (трансферринов) [30, 46]. Среди других механизмов регуляции у моллюсков обнаружен P-гликопротеин, молекулярная помпа, выводящая из организма ксенобиотики, работа которого ассоциирована с изменением антиоксидантной защиты [50]. При превышении же указанного порога динамика изменений уровня ТМ в тканях соответствует уровню поступления ТМ в организм. Показано, что высокие концентрации ТМ способны подавлять как связывание ТМ с металлотионеинами, так и транспорт ТМ [30, 46]. Однако сама величина этого порога у различных морских беспозвоночных не установлена. Исходя из полученных нами данных о том, что при значительном увеличении концентраций большинства ТМ в кишке у голотрии в б. Витязь в 2009 г. изменения в распределении металлов в тканях были синхронны с изменениями в кишке, тo есть переставали регулироваться, можно предполагать, что при этих концентрациях порог был уже превышен. В б. Витязь, в сравнении с б. Алексеева, в гонаде голотурии резко возрастало не только содержание большинства эссенциальных металлов, но и токсичных Cd и Pb. Это свидетельствует о том, что нахождение голотурий в загрязненной среде в постнерестовый период может быть даже более опасным для вида, чем в период нереста.

Однако в сентябре 2017 г. отмечено уже значительное снижение содержания ТМ в тканях голотурии в б. Витязь по сравнению с таковым в сентябре 2009 г. Так, достоверное снижение в кишке отмечено для концентраций Cu (в 10 раз), Fe (в 3 раза), Pb (18 раз), Cd (ниже порога определения). При этом в стенке тела достоверно снижено содержание Fe (в 2.2 раза), Pb (в 2.3 раза), Cd (ниже порога определения), Zn (в 1.5 раза), но повышено содержание Mn (в 2 раза). В гонаде снизилась концентрация Cu (в 3.7 раза), Pb (в 31 раз), Cd (ниже порога определения), но выросло содержание Zn (в 3 раза) и Mn (в 2 раза). Значительное снижение содержания Cu, Fe, Cd и Pb в кишке голотурии в 2017 г. по сравнению с соответствующими значениями в 2009 г. свидетельствует в пользу предположения о том, что произошло значительное снижение загрязнения этими ТМ б. Витязь. Об этом же свидетельствуют и результаты работы Христофоровой и Кобзарь [21], которые отметили значительное снижение концентрации Pb, Cu и Cd в водорослях и значительное улучшение экологической ситуации в зал. Посьета в 2016 г. В сентябре 2017 г. концентрации Cu, Cd и Pb в кишке голотурии в б. Витязь были уже значительно ниже, чем в сентябре 2016 г. в б. Алексеева. Однако содержание Fe и Zn в кишке голотурии в б. Витязь все же превышало таковое в б. Алексеева. По-видимому, загрязнение б. Витязь этими металлами сохраняется.

Несмотря на то, что вопросы использования разных видов живых организмов в качестве биоиндикаторов находятся в центре внимания экологов [21], возможности использования для биоиндикации загрязнения ТМ тканей голотурий исследованы недостаточно. Так, при исследовании голотурии Holothuria tubulosa не выявлено корреляции между содержанием Cd и Pb в стенке тела и грунте [45], однако эти данные лишь подтверждают полученные в настоящей работе данные о том, что, не все ткани голотурий можно использовать для биоиндикации отдельных ТМ. Проведенный анализ вариаций содержания ТМ в стенке тела и гонаде голотурии E. fraudatrix в различные временны́е периоды показал, что они находились в разной степени зависимости от направленности изменений уровня ТМ в кишке, свидетельствующих в большой мере о степени загрязнения среды (табл. 4).

Так, содержание Fe в стенке тела и гонаде не коррелировало с его содержанием в кишке, при этом его концентрация в тканях зависела только от сезона, не меняясь в различные годы. Необходимо отметить, что концентрация Fe в тканях голотурии была самой высокой среди ТМ. Fe является одним из важнейших эссенциальных металлов, входящих в структуру многих ферментов и в состав гемоглобина у голотурий [31], и по-видимому, наиболее востребован у этих животных. Вместе с тем, его избыток может вызывать тяжелые патологии [1]. Этим, вероятно, объясняется важность относительно стабильного поддержания концентрации этого металла в тканях голотурии. Для Zn отмечена тенденция к снижению содержания концентрации металла в стенке тела при его возрастании в кишке, а для Mn–противоположная тенденция. Однако статистической значимости для этих пар значений не было выявлено. При этом низкие значения коэффициентов корреляции между содержанием Zn в гонаде и кишке, а также между содержанием Mn в стенке тела и кишке свидетельствуют о способности голотурий поддерживать стабильные концентрации Zn в гонаде и Mn в стенке тела. По-видимому, это определяется важностью Zn для гаметогенеза и Mn для активности мышц [4, 27]. Содержание Cu в стенке тела, но не в гонаде, имело тенденцию к возрастанию при увеличении содержания металла в кишке, однако корреляция была также недостоверна. Ранее Storelli et al. [43] на основании данных о наличии корреляции между содержанием Cu в теле голотурии Holothuria polii и в грунте предложили использовать определение уровня Cu в голотурии для биоиндикации загрязнения. Результаты настоящей работы свидетельствуют о том, что статистическая недостоверность корреляции между содержанием металла в органах и кишке E. fraudatrix при маленькой выборке и наличием значительных физиологических колебаний содержания Cu в тканях ограничивает использование данного вида с этой целью.

Специфичное распределение эссенциальных ТМ в стенке тела и гонаде в отсутствие значимой корреляции между содержанием большинства исследованных ТМ в этих органах и в кишке свидетельствует о том, что распределение ТМ в тканях зависело в большей степени от физиологических факторов, чем непосредственно от поступления ТМ в организм. Сходные выводы о влиянии физиологических факторов на распределение ТМ в тканях были сделаны рядом авторов [15, 47], исследовавших моллюсков. Таким образом, голотурии, как и другие организмы, контролирующие распределение ряда эсенциальных ТМ в тканях, очевидно, не могут служить биоиндикаторами загрязнения воды этими металлами.

Тенденция к возрастанию содержания Сd в гонадах, но не стенке тела, при увеличении его концентрации в кишке также не была статистически достоверна. Однако в отличие от звезды Asterias rubens, у которой отмечена низкая концентрация Cd в гонадах по сравнению с другими органами [32], у голотурии, как было показано выше (табл. 1), содержание Cd в гонаде было выше, чем в стенке тела. Cd также присутствовал в наибольших количествах в гонадах двух видов голотурий в Персидском заливе [39]. Эти данные свидетельствуют о том, что один из наиболее токсичных металлов имеет тропность к гонадам голотурий, и при повышении его концентрации в морской среде, по-видимому, в наибольшей степени накапливается в гонадах, хотя доля нагрузки гонад по отношению к организму этим элементом и остается самой низкой (табл. 2). Поскольку Cd оказывает поврежающее действие на гаметогенез и развитие потомства [37], это свидетельствует о высокой опасности загрязненности морской воды Cd для сохранения голотурий.

Вместе с тем, между содержанием Pb, который, как и Cd, способен оказывать эмбриотоксичный эффект у иглокожих [26], в кишке и гонадах имеется очень высокая положительная корреляция (P < 0.01), в то время как между содержанием металла в кишке и в стенке тела она практически отсутствует. По-видимому, голотурии не могут регулировать накопление Pb в гонадах. В связи с этим, гонада голотурии представляется перспективным объектом для биоиндикации содержания свинца в морской воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что у голотурии E. fraudatrix стенка тела, имеющая самую большую массовую долю среди других органов, является основным местом накопления изученных металлов. Концентрации Pb и Mn также, независимо от уровня загрязнения среды и сезона, были в ней максимальны по сравнению с таковыми в других органах. Однако такие эссенциальные элементы как Fe, Zn, Cu, а также токсичный Сd преимущественно концентрировались в гонаде, причем аккумуляция Fe и Zn значительно возрастала в постнерестовом периоде. Более токсичная Cu, как и Cd, при возрастании их содержания в среде обитания в большей степени распределялись в стенку тела, что обеспечивало определенную детоксикацию гонады. Эти данные необходимо принимать во внимание для выбора времени сбора и части тела животных при использовании в фармакологических целях.

Анализ сезонной и межгодовой зависимости выявленных асинхронных изменений содержания большинства ТМ в кишке и других органах подтвердил способность голотурий, как и многих других морских беспозвоночных, в определенной степени регулировать содержание ТМ в тканях, по-видимому, в условиях относительно низкой загрязненности морской среды. При этом впервые показано, что уровень регуляции носил сезонный характер: строгое ограничение роста содержания ТМ в гонаде даже при значительном возрастании концентрации ТМ в кишке/загрязнении среды наблюдалось только в период нереста (июль). Способность тканей голотурии (стенки тела и гонады) к регуляции содержания ТМ указывает на то, что этот вид не может использоваться для биоиндикации загрязнения среды большинством ТМ в этот период. В сентябре же при активном постнерестовом восстановлении концентрации ТМ степень регуляции, по-видимому, ослабевает, что в условиях повышения загрязнения среды сопровождается опасным для животных накоплением ТМ, в том числе, Cd и Pb, в гонаде. Таким образом, в постнерестовом периоде изменения уровня ТМ в гонадах, но не стенке тела, отражают влияние как физиологических, так и антропогенных факторов/факторов среды.

Содержание же ТМ в кишке, в силу преимущественного поступления ТМ с пищей, может быть в определенной степени индикатором степени загрязнения морской воды этими ТМ. При этом выявленная высокодостоверная положительная корреляции между накоплением Pb в кишке и гонадах свидетельствует о возможности использования определения содержания этого металла в гонадах для биоиндикации загрязнения среды.

Снижение содержания большинства металлов в кишке голотурии отмечено в 2016–2017 гг. по сравнению с 2008–2009 гг. в обеих исследованных бухтах, что, по-видимому, отражает наметившуюся тенденцию к снижению загрязненности морской воды. Однако, по-видимому, продолжается и возрастает загрязнение Fe и Zn в б. Витязь и Cu и Mn в б. Алексеева.

Наличие значительных временны́х вариаций в содержании ТМ определяет необходимость межгодового мониторинга за содержанием металлов в тканях голотурии в сходные периоды времени и с учетом стадии готовности гонад к нересту.

Благодарности. Авторы благодарят начальника морской экспериментальной станции “о. Попова” ТОИ ДВО РАН П.С. Зимина и начальника морской экспериментальной станции “м. Шульц” ТОИ ДВО РАН С.Б. Титаренко за помощь в организации экспедиционных исследований.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки РФ (№ АААА-А17-117030110038-5).