Курочкина Т.Ф., доктор биологических наук, профессор кафедры экологии и природопользования, землеустройства и БЖД;

ВГОУ ВПО «Астраханский государственный университет», Россия

Шаплыгина Ю.Н., аспирант кафедры экологии и биологии растений

ВГОУ ВПО «Астраханский государственный университет», Россия

Исследование сорбционной способности пресноводных моллюсков видов Anadonta и Unio по отношению к тяжелым металлам – ионам свинца, кадмия

Из всех химических веществ, загрязняющих водную среду, реальную угрозу для жизнедеятельности гидробионтов представляют тяжелые металлы (ТМ) и их соединения. Опасность заключается не только в их биологической активности или токсичности, но и в способности к аккумуляции в многочисленных компонентах экосистем. В отличие от органических загрязняющих веществ, которые со временем утилизируются и выводятся из биосферы, ТМ способны сохранять биологическую активность практически бесконечно.

Среди веществ, загрязняющих дельту реки Волги, тяжелые металлы занимают второе место по токсикологическим оценкам «стресс - индексов», уступив первое место по этому показателю только пестицидам.

Вместе с тем, тяжелые металлы играю двойственную роль. С одной стороны, в определенных концентрациях они необходимы для нормального протекания физиологических процессов, а с другой – токсичны. Их ионы и соединения, попадая в организм, взаимодействуют с рядом ферментов, подавляя их активность.

Цитотоксичность металлов характеризуется тремя взаимосвязанными механизмами: угнетением митохондриального дыхания, усилением перекисного окисления липидов, и нарушением кальциевого гомеостаза клетки. Во избежание повреждения клеточных структур у гидробионтов, в частности у двустворчатых моллюсков, существуют несколько путей перевода избытка микроэлементов в нетоксичную форму. Прежде всего, это связывание металлов с особыми цитоплазматическими белками — металлотионеинами (МТ) и депонирование в лизосомы или гранулы. Поэтому, исследование внутриклеточного распределения микроэлементов при изучении устойчивости двустворчатых моллюсков к повышенному содержанию тяжелых металлов в среде отражают эффективность защитных систем клетки.

Известно, что в сходных условиях близкородственные виды двустворчатых моллюсков накапливают существенно различающиеся концентрации металлов, что, по-видимому, связано с особенностями условий, в которых они эволюционировали. Исследование внутриклеточного распределения ТМ у моллюсков, обитающих при высоком содержании токсикантов в водной среде, позволяет оценить направленность и эффективность системы перевода микроэлементов в нетоксичную форму у организмов, обладающих разными генотипическими адаптациями.

По мнению некоторых исследователей существует два этапа биологической аккумуляции микроэлементов. На первом этапе в результате различных процессов и явлений происходит быстрое поглощение химического элемента из водной среды, но скорость и характер накопления микроэлементов определяются удельной поверхностью гидробионта, количеством и активностью ионных групп, способных образовывать прочные комплексы с данными микроэлементами и т.д.

По мере насыщения процесс накопления ионных форм микроэлемента из среды замедляется и начинают доминировать другие факторы, такие как - обмен веществ, накопление микроэлементов с пищей, скорость. С этого момента начинается второй, более медленный этап накопления и приводящий к динамическому равновесию между поступлением микроэлемента в организм и его выведением.

Таким образом, целью данной работы явилось исследование накопление тяжелых металлов Cd и Pb пресноводными моллюсками видов Anodonta и Unio, обитающих в дельте р. Волги.

Задачами данной работы являются:

1. Получение обобщенных количественных показателей роста и установление возраста популяций моллюсков.

2. Определение концентрации кадмия и свинца, а также их внутриклеточного распределения в основных органах, осуществляющих накопление, детоксикацию и выведение токсикантов (пищеварительной железе и почках).

Данный вид организмов был выбран для исследования не случайно, так как они ведут малоподвижный образ жизни и, соответственно, имеют небольшой радиус индивидуальной активности.

Сбор материала для исследований проводился на основных рукавах дельты р. Волги. Пробы отбирались на 3 станциях: 1 – култучная зона в районе Дамчикского участка заповедника (контрольная станция), 2 – с. Полдневое, 3 - с. Чаган. С каждой станции было отобрано 65 моллюсков.

Собранных моллюсков не фиксировали и в течение суток доставляли в лабораторию, после этого, замораживали для хранения.

При определении длины, моллюски помещались на ровную поверхность (на поддон). Для их измерения использовалась линейка с ценой деления 10 мм.

Для получения обобщенных количественных показателей роста каждый экземпляр измеряли и устанавливали его возраст путем подсчета годичных колец на поверхности раковины. Данные о длине и возрасте моллюсков каждого вида в каждой выборке аппроксимированы уравнением роста Л. фон Берталанфи Lt = L∞(1-e-kt) с использованием пакета GraphPad Prism 4.0 (GraphPad Software, Inc., 2004). Используя вычисленные L∞ и k, а также среднее из максимальных значений длины раковины, наблюдаемых в выборке L_max, проведено вычисление наибольшей продолжительности жизни t_max моллюсков по формуле t_max = [ln L∞-ln(L∞- L_max)]/k [1,2,3].

Полученные данные показали, что средняя длина моллюсков составила в среднем 9-11 см.

Константа роста k у моллюсков из изученных нами пресноводных водоемов варьирует в пределах 0,08 - 0,38 год-1. По нашим расчетам, максимальная продолжительность жизни исследуемых видов моллюсков t_max колебалась от 7,6 до 16,3 лет. Реально наблюдаемый предельный возраст особей укладывается в приблизительно одинаковые диапазоны и составляет от 8 до 17 лет. В большом количестве выборок рассчитанная продолжительность жизни и наблюдаемый возраст хорошо согласованы. В некоторых случаях расчетный возраст несколько превышает предельный.

Определение концентрации меди и свинца и их внутриклеточное распределение в основных органах, осуществляющих накопление, детоксикацию и выведение токсикантов (пищеварительной железе и почках) определяли методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии в ацетиленовом пламени на спектрофотометре Hitachi 180-70. Контроль качества определений включал измерение концентраций металлов в используемых кислотах, дубликатах проб с добавками солей металлов и сертифицированных образцах моллюсков. Средние значения концентраций металлов и стандартное отклонение определяли с помощью пакета программ Excel. Достоверность различий между выборками определяли по критерию Манна-Уитни с использованием пакета программ Statistica.

В почках и пищеварительной железе исследуемых моллюсков из районов забора проб были получены следующие концентрации Cd и Pb (таблица 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов (мкг/г сухой массы) в органах исследуемых моллюсков (среднее значение ± стандартное отклонение) (N=15)

Станция	Cd	Pb
	Почки
1	4 ± 1.1	1 ± 0.2
2	8 ± 1.0^a	3 ± 0.5^a
3	12 ± 1.7^a,b	7 ± 0.6^a,b
	Пищеварительная железа
1	1.6 ± 0.6	4.0 ± 0.2
2	1.9 ± 0.3	4.0 ± 0.2
3	2.5 ± 1.2^a,b	3.7 ± 0.5

Примечание: a – достоверное отличие (р £ 0.05) по сравнению с моллюсками со ст. 1; b - достоверное отличие (р £ 0.05) по сравнению с моллюсками со ст. 2; c - достоверное отличие (р £ 0.05) по сравнению с моллюсками со ст. 3. Достоверность различий оценивалась по тесту Манна-Уитни.

Результаты определения Cd и Pb в почках и пищеварительной железе исследуемых моллюсков показали, что их концентрация соответствует фоновым показателям данных районов.

Проведенные исследования показали наличие сорбционной способности пресноводных моллюсков видов Anodonta и Unio, обитающих в дельте р. Волги по отношению к тяжелым металлам – ионам свинца, кадмия. Установлены величины наибольшей продолжительности жизни исследуемых моллюсков (в среднем) - 12,2 лет. Показано, что предельная длительность жизни не превышает 27,1 лет. Концентрация Cd и Pb в почках и пищеварительной железе исследуемых моллюсков соответствует показателям отобранных на контрольной станции.

Вместе с тем, донные организмы, в частности моллюски, играют положительную роль в процессах самоочищения дельты р. Волги и являются барьером для поступающих взвешенных минеральных веществ, а также осуществляют детоксикацию особо опасных загрязнителей.

Данное свойство живых систем, во многом определяющее экологическое состояние дельты р. Волги и Северного Каспия мы предлагаем использовать для очищения воды в водоемах Астраханской области.

Для того, чтобы помочь водоему самостоятельно справиться с загрязнением, требуется дополнительная очистка водоема от органических веществ и питательных элементов. Об интенсивном загрязнении водоема свидетельствует любой из следующих признаков:

1. В водоеме высокий уровень донного осадка.

2. Чрезмерное скопление на дне органики, сопровождается размножением вредных микроорганизмов. При этом значительно понижается содержание в воде кислорода. Последствия этого могут быть разными — появившаяся на поверхности маслянистая пленка, разросшаяся ряска, образование анаэробных газов, неприятные запахи и т. п.

3. Вода в водоеме всегда мутная, особенно в теплый период. Мутная вода более интенсивно поглощает солнечные лучи, в результате чего нарушается естественный температурный режим водоема.

4. От водоема исходит неприятный запах. В насыщенной питательными элементами воде начинается скачкообразный рост отдельных видов водных растений, подавляющих остальную флору водоема — простейших водорослей (бурых, сине-зеленых), ряски.

5. Происходит потеря видового разнообразия, то есть заполнение водоема одним видом растительности, который практически полностью вытесняет все остальные.

Особенно опасно загрязнение питательными элементами для мелких водоемов. Дело в том, что с наступлением весны мелководье быстро прогревается и донные осадки — отмершие растения, продукты жизнедеятельности рыб и животных — выделяют соединения фосфора и азота, так называемые биогенные вещества, которые попадают в водную толщу и вызывают вспышку цветения микроводорослей. Насыщение водоема питательными веществами приводит к постепенному изменению типа водной экосистемы пруда или озера на эвтрофный — заболачиванию.

Из всех методов очистки водоемов, только биологическая очистка водоема позволяет восстановить биохимическое самоочищение за счет искусственного восстановления видового состава донных организмов, в частности, моллюсков. Восстановление видового состава двустворчатых моллюсков многократно активизирует процессы самоочистки, ускоряя восстановление биологического равновесия.

Таким образом, пресноводные моллюски, запущенные в водоемы с неблагоприятными для жизни гидробионтов условиями способны накапливать токсиканты и очищать не только воду от поллютантов различного происхождения, но и донные отложения.

Литература:

1. Будников Г.К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем / Г.К.Будников // СОЖ. 1998. №5. С. 23-29

2. Леонова Г.А. Биогеохимическая индикация загрязнения водных экосистем тяжелыми металлами /Г.А. Леонова// Водные ресурсы. 2004. Т.31. № 2. С.215-222

3. Папина Т.С. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов в ряду: вода – взвешенное вещество – донные отложения речных экосистем. / Т.С.Папина. Аналит. обзор. – Новосибирск: ГПНТБ СО РАН; ИВЭП СО РАН, 2001. – 58 с.