Биоаккумуляция

Биоаккумуляция представляет собой накопление в организме загрязняющих веществ, поступающих из окружающей среды через легкие, кожу и пищеварительный тракт. Обычно накапливаются вещества, характеризующиеся стойкостью и имеющие способность к быстрому усвоению в организме. Термин «биоаккумуляция» чаще всего применяется в отношении

накопления металлов, а также но отношению к накоплению стойких синтетических веществ, как, например, органохлорсодержащих соединений. У человека хлорированные У В накапливаются в жировых тканях, а, например, кадмий — в почках. Особенно в больших масштабах биоаккумуляция характерна для водных организмов, где коэффициент накопления загрязнителей по отношению к его содержанию в воде может достигать 1000— 10 000 и более. Многие организмы усваивают загрязнители селективно, что позволяет в некоторых случаях использовать данные организмы в целях очистки загрязненных сред (воды, почв).

Коэффициент биоаккумуляции — это обобщенный показатель, используемый в экотоксикологии для характеристики способности живых организмов концентрировать вредные вещества. Он выражается отношением концентрации вещества в организме к концентрации в окружающей среде. В среднем для наземных растений коэффициенты биоаккумуляции составляют ОД, для насекомых — 0,3, для червей — 70, для грызунов — до 100. У гидробионтов коэффициенты биоаккумуляции на несколько порядков выше: у креветок до 1000, у устриц — 10000, у рыб — до 100 0001.

Наилучшие условия для биоаккумуляции соединений формируются в водной среде, поскольку она наиболее населена организмами. Гидроби- онты фильтруют и пропускают через себя воду, содержащую различные вещества, в том числе и токсиканты, экстрагируя и накапливая при этом часть из них. Концентрации накопленных веществ могут превышать содержания данных веществ в воде в тысячи раз.

Пример водной пищевой цепи, направленной в сторону увеличения размеров тела: растворенные вещества — фитопланктон — рачки рыбы — хищные птицы — теплокровные животные, питающиеся рыбой.

В случае потребления чужеродных веществ, которые не могут быть трансформированы организмом, начинается их накопление по ходу пищевой цепи, особенно в том случае, если данное вещество имеет длительный период биологического полураспада. Коэффициент накопления нераз- лагающихся ядов в большинстве случаев составляет около 10 на каждую ступень пищевой цепи. В дополнение к этому накопление ядов в пищевых цепях может усиливаться из-за замедления реакции и ограниченной подвижности животных, несущих в себе яд: отравленные особи относительно легче становятся добычей хищников. В результате из гидробионтов хищные рыбы, стоящие на верхних ступенях пищевой пирамиды, накапливают максимальные количества токсикантов. Однако накопление может продолжаться при употреблении рыб птицами, ластоногими, человеком.

Скорость и интенсивность биоакккумуляции различных веществ зависит от ряда факторов[1] [2]:

  • • персистирования ксенобиотика в среде;
  • • характера токсикокинетических процессов;
  • • склонности вещества к сорбции;
  • • генезиса веществ.

Перемещение липофильных веществ но пищевым цепям приводит к увеличению концентрации токсиканта в тканях каждого последующего звена пищевой цепи (эффект биомагнификации). Например, после обработки одного из озер Калифорнии от комаров ДДТ содержание пестицида в воде составило 0,02 ppm[3]. В планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб — 900 ppm, хищных рыб — 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой, — 21 000 ppm. Таким образом, содержание ДДТ в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в 1 000000 раз выше, чем в воде, и в 20 раз выше, чем в организме рыб.

Весьма интересные данные приведены Ю. А. Израэлем. Выброс ртути в атмосферу составляет не менее 5 тыс. т при сжигании твердого топлива и нефти и около 10 тыс. т при переработке минерального сырья. Выброс ртути непосредственно в гидросферу намного меньше ее выброса в атмосферу. Суммарное антропогенное поступление ртути в водоемы примерно на порядок выше ее поступления за счет естественных причин (выветривания горных пород и почв, жизнедеятельности организмов). В природных средах ртуть присутствует в виде металлической ртути, неорганических и органических соединений. В водных объектах происходит метиляция ртути, что приводит к формированию высоких концентраций ртути в водоемах и способствует ее накоплению в гидробионтах (в рыбе и других морских организмах). Метиляция — процесс, обусловленный деятельностью микроорганизмов (аэробных и анаэробных) и грибков. Основные продукты — монометил ртуть и диметилртуть. Диметилртуть благодаря низкой растворимости в воде и высокой летучести легко поступает в атмосферу, где под действием ультрафиолетового излучения преобразуется в металлическую форму. Монометилртуть представляет наибольшую опасность для водных экосистем, поскольку аккумулируется в живых организмах. Соотношение между моно- и диметилртутью определяется pH воды: при значениях pH более 8—9 вся ртуть находится в форме диметилртути, при pH ниже 6 — в форме мономегилртути.

Динамика соединений ртути в природных средах (в равновесных условиях) может быть описана системой дифференциальных уравнений; ниже эти уравнения приводятся в обобщенном виде:

где Е.лт > Ее соответственно поступление антропогенной ртути и ртути за счет естественных источников (в результате выветривания и т.д.) в природные среды; k.mrj и kci доли антропогенной и естественной ртути, поступающей в 2-ю среду; у — любая природная среда, кроме i-й; Qn Q — общее количество ртути в средах i и у (доступное для миграции); т,-,- — среднее время выведения ртути из г-й среды ву-ю (составляет из атмосферы на подстилающую поверхность — 3 • 10 2 лет, из почвы в атмосферу — 360 лет, из почвы в поверхностные воды — 850 лет, из поверхностных вод в океан — 35 лет).

При установившемся равновесии выброс ртути, формирующий повсеместно концентрации ртути в атмосфере, не превышающие ПДК, в воде пресноводных водоемов создает концентрации, которые в 30 раз превышают нормы. Поскольку процесс перехода ртути из почвы в водоемы очень длителен (сотни лет), наблюдается большая инерционность нарастания концентраций ртути в воде этих водоемов (даже после прекращения выбросов в атмосферу) и затем очень медленный спад концентраций в воде (особенно в малопроточных водоемах).

На рис. 3.5, а демонстрируется изменение содержания антропогенной ртути в атмосфере Qа при интенсивности выброса а т/год (как функция времени); в качестве единицы по временной шкале выбрано Тх — время (годы) полувыведения ртути из почвы. Для иллюстрации предполагается, что в момент, равный 0,2аТ{ выброс в атмосферу прекращен. На рис. 3.5, бив показано изменение концентраций ртути в почве Qn и воде Q,, водоемов. Удаление ртути из биоты после прекращения ее поступления в воду происходит относительно быстро (период полувыведения из рыбы составляет 2,5 года). Аналогично определяется лимитирующее значение содержания ртути в почве: оно выше фоновых концентраций ртути в почве всего в 1,5 раза[4].

Динамика изменения содержания антропогенной ртути в атмосфере Qa (а), почве Qn (б) и воде Qb водоемов (в)

Рис. 3.5. Динамика изменения содержания антропогенной ртути в атмосфере Qa (а), почве Qn (б) и воде Qb водоемов (в):

а — интенсивность поступления ртути в атмосферу, т/год;

Г, — время полувыведения ртути из почвы (850 лет)

Рассматривая цепочку превращений (рис. 3.6), необходимо установить коэффициенты переноса между звеньями (резервуарами) этой цепочки. Коэффициент переноса Р^ из резервуара i в резервуару определяется как отношение среднего уровня загрязнения (проинтегрированного во времени) ву'-ом резервуаре к среднему уровню загрязнения в /-ом резервуаре. На рис. 3.6 перенос загрязнений показан в одном направлении, обычно движение возможно в обоих направлениях. В соответствии со сказанным, например, суммарное загрязнение, поступающее в океан двумя путями [(О —^ 1 —^ 2 —^ 3 —^ 4) и (0 —^ 1 —^ 4)], определяется суммой (при интенсивности источника Г).

Схема распространения загрязнений в природных средах (и биоте)

Рис. 3.6. Схема распространения загрязнений в природных средах (и биоте)

При анализе поведения (переноса) ртути в воде прежде всего обращают внимание на такие элементы, как вода и отложения (взвешенные и осажденные), перенос в биоте, трансформацию ртути беспозвоночными и высшими растениями, пути проникновения ртути в рыб (растительноядных и хищных) и человека. При этом рыба рассматривается как основной источник возможного попадания метилртути в человека, а ее исчезновение из водоемов — яркий экологический эффект загрязнения водоемов ртутыо1. Для целей моделирования монометилргуть (наиболее токсичная форма) рассматривается отдельно, остальные формы объединяются в неорганическую ртуть.

Еще один интересный пример оценки аккумуляции ртути можно рассматривать как реализацию программы экомониторинга Байкала[5] [6].

Пример из практики

Оценка биоаккумуляции ртути в организме байкальской нерпы

Основной антропогенный источник ртути, расположенный поблизости от Байкала, — промышленная зона г. Иркутск — г. Саянск, где ртуть используется в производственных циклах предприятий химической отрасли, а также ТЭЦ, котельные, городские коммунальные отходы, ртутьсодержащие пестициды и золотодобывающая промышленность. К счастью, концентрация ртути в водах Байкала крайне низка (0,14—0,77 нг/л) в сравнении с открытыми водами океана и уровнем в других отдаленных и незагрязненных пресноводных системах. Исследования изотопного состава ртути в дойных отложениях, планктоне и мышечной ткани рыб, проведенные в 2008—2010 гг., показали, что этот элемент в оз. Байкал преимущественно имеет природное у а не техногенное происхождение.

Байкальская нерпа (Phoca sibirica) — единственное млекопитающее, обитающее в оз. Байкал, — конечное звено пищевой пелагической цепи. Благодаря ее протяженным миграциям по всему озеру она рассматривается как биогеохимический индикатор состояния экосистемы Байкала.

CF (фактор биоконцентрации относительно среды обитания) ртути в гидробион- тах различных трофических уровней был вычислен по уравнению

где Сх средняя концентрация ртути в исследуемых гидробионтах, мкг/г влажного веса; Cs средняя концентрация Hg в воде оз. Байкал, мкг/г воды озера.

BMF (фактор биомагнификации, или фактор, повышающий концентрации токсических веществ от нижестоящего трофического уровня к вышестоящему) рассчитывается как отношение концентрации ртути в хищнике (потребитель) к ее концентрации в жертве (пища):

В исследовании использовались не расчетные данные, а истинная масса органов и тканей, полученная для каждого тюленя. Определение концентрации ртути в организмах тюленей производилось по средним значениям, полученным для большинства органов и тканей животных, составляющих 95—97% массы тела:

где i — исследуемый орган или ткань тюленя; п — количество проанализированных органов и тканей; С, — средняя концентрация ртути в органе или ткани, мг/кг влажного веса; М, — масса органа или ткани, кг.

Были рассмотрены три группы животных: первогодки (возраст 1 — 1,5 мес), неполовозрелые (возраст 1—2 года) и взрослые 8-летние тюлени. Для оценки главных путей поступления и выведения ртути анализировались пищевые объекты (для первогодков — молоко нерпы, для остальных нерп рыба — малая голомянка) и содержимое прямой кишки исследуемых тюленей.

Наименьшее накопление ртути происходит в костной ткани и подкожном жире животных (он составляет обычно более 50% общей массы тела тюленей-первогод- ков и 39—47% у взрослых нерп). Максимальные концентрации отмечены в органах выделения — печени и почках, волосяном покрове. Весьма высоко содержание ртути в эмбриональном волосяном покрове нерп. Это объясняется тем, что во время беременности (11 мес) ртуть длительное время поступает в эмбрион из питающей его материнской крови. Концентрация ртути в крови самок в среднем в 2 раза превышает ее концентрации в пищевых объектах разновозрастных байкальских тюленей — молоке и рыбе. Среднее процентное содержание органических метилированных форм ртути в рыбах различных трофических статусов оз. Байкал находится на уровне 92—95%: с объектами питания (пелагическими рыбами) в организм взрослых самок байкальских тюленей поступает преимущественно метилированная ртуть, которая за счет линофильности способна проникать через клеточные мембраны. Плацентарный барьер также не препятствует проникновению метилированных форм ртути в развивающийся эмбрион. Таким образом, во время внутриутробного развития эмбрион получает от матери значительное количество ртути (рис. 3.7).

Печень и почки выполняют роль детекторов, фильтров и трансформаторов токсических веществ, выполняют важную функцию контроля уровня накопления ртути в организме нерпы. В результате в этих органах накапливаются концентрации ртути, на порядки превышающие ее содержание в других органах и тканях тюленей: происходит частичная фиксация ртути посредством ее связи с нуклеинами. Печень принимает на себя основную нагрузку, концентрация ртути в ней может достигать у байкальских тюленей 30,3 мкг/г сух. веса (табл. 3.6).

Средняя концентрация общей ртути в органах и тканях разновозрастных байкальских тюленей

Рис. 3.7. Средняя концентрация общей ртути в органах и тканях разновозрастных байкальских тюленей:

1 — первогодки (1 — 1,5 мес); 2 — неполовозрелые (1—2 года); 3 — взрослые (8 лет); 11 — пища (щенки — молоко; 1—8-летние — рыба), Ж — желудок, К — тонкий отдел кишечника, Тк — толстый отдел кишечника, Пч — печень, Кр — кровь,

Сд — сердце, Л — легкие, Мо — мозг, Се — селезенка, М — мышечная ткань,

По — почки, Кт — костная ткань, Жр — подкожный жир, Ко — кожа (эпидермис + + дерма), В — остевые волосы, Ск — содержимое кишечника (фекалии)

Концентрация ртути (мкг/г сух. веса) в печени разновозрастных байкальских тюленей

Таблица 3.6

Возрастная группа

Среднее ± ± SD

Медиана

Min

Мах

Первогодки

0,53 ± 0,31

0,43

0,27

1,4

Н епол овозрел ые

5,34 ± 3,91

4,09

2,21

9,72

Взрослые самки

6,65 ± 4,3

5,97

1,82

19,1

Взрослые самцы

4,08 ± 1,23

4,31

1,81

ел

Все

3,7 ± 3,59

3,23

0,27

19,1

Вычисленный коэффициент биоконцентрации (CF= 40 • 105) для ртути в печени разновозрастных байкальских нерп (0,125—15 лет) свидетельствует о высокой степени усвоения ртути организмом вне зависимости от источников поступления (пища, вода, воздух). При этом выведение в ходе биологических процессов оказывается значительно ниже.

Для других элементов фактор концентрации варьировал от < 3,5 • И)2 для Si, Sr, Ва до 3,5 • 104 для Cd. Таким образом, ртуть с наибольшим фактором биоконцентрации (в сравнении с другими химическими элементами в печени байкальской нерпы) была определена как элемент, попадающий под категорию токсичных либо потенциально токсичных, т.е. элементов, которые имеют значение CF больше чем 3,5 • 104. Биоконцентрация химических элементов в печени байкальской нерпы относительно их концентрации в воде оз. Байкал представлена на рис. 3.8.

Биоконцентрация химических элементов в печени байкальской нерпы относительно их концентрации в воде оз. Байкал

Рис. 3.8. Биоконцентрация химических элементов в печени байкальской нерпы относительно их концентрации в воде оз. Байкал

Результаты исследований показали сильную статистическую зависимость концентрации ртути от возраста и пола исследуемых тюленей, а также значительную степень взаимосвязи между этими переменными. Были обнаружены более высокие концентрации ртути в организмах самок по сравнению с самцами, что может объясняться большим количеством ртути, попадающей в организм самок с пищей (возможно, из-за необходимости для самок получать больше энергии для нормального протекания репродуктивного процесса).

Обнаружена низкая концентрация ртути в гидробионтах пелагической пищевой цепи оз. Байкал. Коэффициенты биоконцентрации (CF) и биомагнификации (BMF) описывают возможности биоаккумуляции ртути в пелагической пищевой цепи оз. Байкал. Самая высокая степень биомагнификации ртути зафиксирована на высших ступенях трофического взаимодействия (рыба — нерпа). Это в первую очередь связано с процентным содержанием метилированных форм ртути в пищевых объектах и большим ее потреблением тюленями с нищей благодаря интенсивному обмену веществ (табл. 3.7).

Таким образом, величина коэффициента биомагнификации отчетливо увеличивается при движении по уровням пищевой цепи от фитопланктона к рыбам. Это еще раз подчеркивает необходимость именно комплексного мониторинга загрязнения окружающей среды.

Таблица 3.7

Количественная оценка биоаккумуляции ртути в пищевой цепи

Трофический

уровень

Виды

п

Hg, мкг/г влажного веса

CF ? 105

BMF

Фитопланктон

(продуцент)

Aulacoseira baicalensis (фитопланктон)

4

0,31

0,12

i,6

Мезозооплан- ктон (консумент 1-го порядка)

Epischura baicalensis (мезозооплаиктои)

7

0,005

0,2

1,1

Макрозоопланктон (как фильтра- тор — консумент 1-го порядка, как хищник — консумент 2-го порядка)

Macrohectopus

branickii

(макрозоон ланктон)

5

0,0055

0,22

5,1

Рыбы (консумент 2-го порядка)

Comephoms dybowski (пелагические рыбы)

51

0,028

1Д2

11,6

Нерпа (консумент 3-го порядка)

Phoca sibirica (байкальская нерпа)

7

0,325

13

  • [1] См.: Сельскохозяйственный энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия,1989.
  • [2] Куценко С. А. Основы токсикологии : учеб, пособие. СПб.: Фолиант, 2004.
  • [3] Миллионная доля — единица измерения концентрации, аналогичная проценту и промилле. 1 ppm = 0,001%о = 0,0001% = 10 6; 1% = 10000 ppm; 1%0 = 1000 ppm.
  • [4] Израэль 10. А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат,1984.
  • [5] Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды.
  • [6] См.: Распределение и аккумуляция ртути в байкальской нерпе / М. В. Пастухов [и др.] //Известия иркутского гос. ун-та, сер. «Биология. Экология». 2011. Т. 4. № 1. С. 56—66.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >