Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функциональное значение моллюсков в миграции тяжелых металлов

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Функциональное значение моллюсков в миграции тяжелых металлов"

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

ЧЕРНЫШЕВА Ирина Владимировна

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОЛЛЮСКОВ В МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

03.00.18 - гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте Биологии Ростовского государственного университета.

Научные руководители - доктор биологических наук,

проф. И.К.ТОДЕРАШ кандидат геолого-минералогических наук О.А.БЕССОНОВ

Официальные оппоненты • доктор биологических наук

О.Ф.ФИЛЕНКО

кандидат биологических наук В.Е.РОЩИН

Ведущее учреждение - Гидрохимический институт,

Госгидромет »

Защита состоится гМ- ЛЛ&л 1992 г. в 15 час. 30 мин. на заседании специализированного совета Д.053.05.71 при Московском государственном университете по адресу: 119899 ГСП, Москва, В-234, Ленинские горы. Биологический факультет МГУ, ББА

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ. ' . - ■

Автореферат. разослан " //•■ аи/ЛЛ^ 1992 г.

Ученый секретарь • специализированного совета, кандидат биологических наук

А.Г.ДМИТРИЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Функционирование любого общества невозможно без водообеспечения. В условиях Н.Дона вододефпцнт составляет 50-70%.' Положение усугубляется интенсификацией промышленного и сельскохозяйственного производства в регионе и, как следствие, прогрессирующим снижением качества воды. В этих условиях особую остроту приобретает вопрос биомониторинга, в частности, тяжелых металлов (ТМ) одной из наиболее опасных групп поллютантов на Н.Дону.

Многолетний опыт работы с моллюсками показал, что эти организмы весьма чутко реагируют на изменение химизма среды, достаточно удобны для исследования. Все это определяет использование моллюсков в качестве объекта для биомониторинга. Тем не менее, многие проблемы, связанные с их применением в этой области, остаются нерешенными. Прежде Бсего, не выяснено функциональное значение.моллюсков в миграции ТМ на уровне популяции. Нет единого подхода в количественном выражении закономерностей концентрации' элементов, наконец, не конкретизированы принципы использования моллюсков в оценке интенсивности биогенной миграции металлов. Очевидно, только строгие, математически выверенные зависимости могут быть положены в основу концепции биомониторинга и гарантировать успех ее применения на практике. Этой актуальной проблеме и посвящена предлагаемая работа.

Цель работы - изучение содержания ТМ в ннжнедонских моллюсках на фоне изменения концентраций химических элементов в окружающей среде; установление функционального значения моллюсков в миграции ТМ на уровне популяции и определение границ использования конкретных видов моллюсков в бномоннторинге ТМ.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучить химический состав среды обитания ннжнедонских моллюсков; расшифровать закономерности концентрации ТМ в органах моллюсков в зависимости от содержания элементов в среде;

- установить параметры роста, скорости обмена, калорийности и продукции ннжнедонских моллюсков;

- исследовать аналитическую зависимость между накоплением элементов двустворчатыми (Ог(мл5епа ро1утогр)>э, Лпо(1оп!п с уд пол,

Unió tumidus), брюхоногими (Viviparus viviparus) моллюсками и их массой; определить пределы использования указанных видов в биомониторннге ТМ;

- выяснить значение моллюсков в дифференциации химических элементов и формировании химизма окружающей среды;

- дать количественную оценку биогеохимической функции популяций,Dr. polymorpha и V. viviparus в экосистеме Н.Дона.

Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые для Н.Дона проведены комплексные исследования в системе мониторинга ТМ.

Изучены параметры роста у нижнедонских моллюсков, скорость обмена, калорийность, продукция.

Найдена аналитическая зависимость между содержанием металлов в моллюсках и их массой; рассчитаны параметры уравнений регрессии и определены границы использования конкретных видов в биомониторинге ТМ.

Расшифрован механизм дифференциации химических элементов моллюсками и проанализированы его биогеохимические следствия.

Впервые для экосистемы Н.Дона проведена количественная оценка участия популяций Di. polymorpha и V. viviparus в биогеохимических циклах.

i

Полученные результаты являются банком данных при гидробиологических и экологических исследованиях и могут быть использованы в решении конкретных задач биомониторинга ТМ, а также системы служб контроля качества природных поверхностных вод. Методические подходы, использованные в диссертации, могут быть рекомендованы для практической оценки роди о биогенной миграции популяций как водных, так и наземных беспозвоночных.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных сессиях Ростовского госуниверситета (Ростов-на-Дону, Í986, 1988, 1989),. на Всесоюзной конференции "Биоинднкация и бнотести-рованпе природных вод" (Ростов-на-Дону, 1986), на III Всесоюзной научной конференции "Проблемы экологии Прибайкалья" (Иркутск, 1988), на Областной научи.-практ. конференции молодых ученых "Механизмы интеграции биологических систем. Проблемы адаптации" (Ростов-на-Дон у, 1988), на I Всесоюзной конференции по рыбохозяй-ственной токсикологии (Рига, 1988), на Всесоюзном совещании

"Проблемы гидрометеорологического обесг зчеиия народного хозяйства Сибири" (Красноярск, 1989), на 6-й Ростовской областной научи.-практ. школе-семинаре "Механизмы адаптации животных и растений к экстремальным факторам среды" (Ростов-на-Дону, 1990), на Научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников госуниверситета ССР Молдова по итогам научно-исследовательской работы за XII пятилетку (Кишинев, 1990), на Всесоюзной конференции "Геохимический техногенез" (Минск, 1991), иа II Всесоюзной конференции по рыбохозянственной токсикологии (Санкт-Петербург, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура »1 об-ъем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 115 страницах машинописного текста, содержит 45 таблиц и 26 рисунков. Список цитируемой литературы включает 275 наименований, из которых 62 на иностранных языках.

1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Изучались биотические и абиотические параметры нижнедонской экосистемы. Сбор полевого материала осуществлялся в июне-июле 1984, 1986 гг. и с апреля по октябрь 1908 г.

Погоризонтные пробы воды и взвеси отбирались батометром Молчанова по 20 профилям, донные отложения - по 144. Профиль включал 3-5 станции. Отбор организмов макрозообентоса осуществлялся дночерпателем Петерсена с площадью облова 0,1 м2. Съемка выполнялась по 70 разрезам, равномерно распределенным по продольному профилю реки. Расстояние между разрезами - 2-5 км.

Первичная обработка, хранение и химаналнзы проб воды, взвеси и донных отложений осуществлялись по общепринятым методикам (Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши, 1977). Гранулометрический состав донных отложений изучен м.н.с. Казьмн-ной Л.Н. Общее количество проб воды - 94, взвеси - 50, аллювия -576.

При камеральной и статистической обработке проб макрозообентоса использовались руководства: Методика изучения биогеоценозов внутренних водоемов (1975), Методы определения продукции водных животиых(1968), Руководство по методам гидробиологического ..налнза поверхностных вод и донных отложений (1983). При анализе санитарного состояния водотока использовался метод биологической

индикации по крупным таксонам Гуднайта и Уитлея (Goodnight, Whitly, 1961). Сапробиологическая оценка воды по процентному содержанию олигохет осуществлялась по классификации, рекомендованной' в (Кафтаиииков, 1980). Индексы удельного биотического разнообразия рассчитывались по численности систематических групп макрозообен-тоса (Рябов и др., 1980). Всего обработано более 350 проб

г

макрозообентоса.

Продукцию моллюсков определяли "физиологическим" способом, установив предварительно зависимость скорости обмена от индивидуальной массы моллюска (Винберг, 1968), Скорость потребления кислорода (150 проб) оценивали методом замкнутых сосудов (Жадин, 1952), калорийность (140 анализов) - по процентному содержанию золы (Винберг, 1968). Процент сухого вещества в органах моллюсков устанавливали по потере веса после просушивания в сушильном шкафу при t = 90°C, зольность - при прокаливании в муфеле при 450-500°С (500 проб).

Подготовка моллюсков к анализу на содержание элементов включала серию операций. После извлечения из водоема организмы очищали от ила и песка, обмывали чистой водой, кишечник освобождали от фекальных масс. После морфометрических и весовых промеров вдковину отделяли от мягкой части, органы моллюсков высушивали до постоянного веса.

Предварительные исследования по подбору кислот и их соотношений для мокрого озоления тканей моллюсков показали правомочность использования только конц. HNO3. Растворение сухого вещества проводили в конц. HNO3 (марка о.с.ч.) на песчаной бане (t=150°C), в некоторых случаях с добавлением 30% Н2О2 (для уничтожения цветности раствора в процессе минерализации (Manual of methods inn aquatic environment research. Part.9, 1983). Соотношения объемов кислоты, перекиси и массы навески подбирали в каждом конкретном случае эмпирически.

Пробы воды, взвеси, донных отложений готовили к анализу на ТМ по Методическим указаниям ВНИРО (1981).

Подробно исследованы медь, цинк, марганец, являющиеся биометаллами, и свинец - элемент группы глобальных поллютантов.

Содержание микроэлементов в воде, растворах взвеси, донных отложений, органов моллюсков определяли на беспламенном атомно-

абсорбционном спектрофотометре "Сатурн" с электротермическим атомизатором типа печь Массмана. Макроэлементы - методом атомной абсорбции с атомиэацией в воздушно-ацетиленовом пламени на AAS-3 фирмы "Карл-Цейс-Йена". Анализы выполнены сотрудниками Всесоюзного Гидрохимического института А.М.Аннкановым и Е.Д.Тимченко.

Спектральные анализы проб аллювия и моллюсков проводились в Центральной химической лаборатории ПГО "Доибассгеологня" на спектрографе СТЭ-1 с приставкой УСА-6 (СССР) методом поперечного фотографирования спектров пробы сравнения. Число проб внутреннего контроля составило 5%. Всего подготовлено и проанализировано на содержание металлов более 2500 проб (около ЮООО элементоопреде-лений).

При изучении вещественного состава раковин моллюсков использовались минералогический и рентгенофазовый методы (Михеев, 1957).

Математическая обработка материала производилась с помощью специально разработанного пакета прикладных программ для обработки биомедицинской информации "Biostat" на персональных компьютерах IBM PC/AT и Amstrad PC (каф. зоолога« госуннверситета ССР Молдова).

Для оценки функционального значения популяций моллюсков в миграции ТМ привлекался математический аппарат, включавший новые методические подходы. Подробно этот раздел освещен в гл. 5.

Автор приносит свою глубокую благодарность руководителям работы д.б.н., профессору Тодерашу И.К. и к.г.-м.н. Бессонову O.A. за искреннее внимание и чуткое отношение при выполнении и написании диссертации.

2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И ГИДРОИвЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЖНЕГО ДОНА.

Н.Дон, к которому относится участок р.Дон от Цимлянского водохранилища до Таганрогского залива, расположен в зоне полуарнд-ного климата. Это река с сильно преобразованным водным балансом, т.к. в ' настоящее время сток Н.Дона зарегулирован четырьмя плотинами: Цимлянской, Николаевской, Константиновскон, Кочетов-ской.

Поступление жидкой и твердой фазы осадочного матер ала на Н.Дону в количественном выражении носит ассимегричный характер. Наибольшие его количества сносятся с правобережной части водосбо-

pa, приуроченного к площадям относительно расчлененного рельефа, подверженного мощнейшему антропогенному прессингу. В целом, в распределении осадков по руслу реки отмечается смена песчаных осадков илистыми от Цимлянского гидроузла к дельтовым -участкам.

Особенность в транспортировке твердой фазы на Н.Дону заключается в том, что идет размыв осадков в нижних бьефах плотин, межплотинные участки являются зоной транзита, аккумуляция вещества происходит в верхних бьефах. В сущности, идет перестройка природного профиля реки в связи с созданием системы гидротехнических сооружений. Это отражается на постоянном перераспределении гранулометрического спектра дойных отложений, а следовательно, и на структуре биоценозов.

В настоящее время Н.Дон рассматривается нами как система полуавтономных бассейнов, ограниченных гидротехническими сооружениями со специфическими гидрологическим, гидрохимическим, гидробиологическим режимами.

3. ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ И ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЖНЕГО ДОНА.

Проведенные нами детальные исследования показали, что в настоящее время Н.Дон является крайне неравновесной системой. Эта неравновесиость проявляется, во-первых, в уже отмеченном характере транспортировки твер\ой фазы, во-вторых, в прогрессивно увеличивающемся антропогенном химическом прессинге на биоту, в-третьих, в изменении гидробиологических показателей.

Прогрессивно увеличивающееся антропогенное химическое воздействие выражается в том, что в данный момент концентрации в * воде нитритов, нефтепродуктов, фенолов, пестицидов превышают ПДК в 2-4 раза, дефицит кислорода достигает 20%, увеличивается общая минерализация воды (отчет по теме ГК, N гос. per. 0182.0090804, 1985).

Согласно комплексной оценке качества поверхностных вод, более 40% нодотока занято слабозагрязненными и загрязненными водами. Степень загрязнения реки с 1974 г., в целом, возросла в 1,5 раза.

Особую озабоченность вызывает рост концентраций ТМ в воде и дошгмх отложениях. В частности, превышение ПДК в воде (табл. 1.) для меди составляет 2,6 раза; цинка - 5,8 раз; марганца - 2,3 раза. Судя но крайним значения;! содержа пня элементов, локальные превышения могут достигать 10-40 ПДК.

Таблица 1.

Содержание элементов в воде, взвеси, донных отложениях Н.Дона.

Параметры Элемент Вода, мкг/л Взвесь, мкг/л Донные отложения мг/г сух. в-ва, ю-2

Медь 3,5-200,0 13,5 0,9-18,4 7,9 1,0-70,0 10,3

Цинк 2,5-200,0 58,1 3,5-88,8 31,5 1,5-12,5 2,6

Марганец 1,0-90,0 23,4 6,0-118,7 53,5 30,0-2000,0 76,0

Свинец 0,5-50,0 2,9 3,3-200,0 4,1 0,3-15,0 1,4

Примечание. В числителе крайние значения, в знаменателе -средние.

Анализ распределения ТМ по продольному профилю реки свидетельствует о прогрессивном увеличении концентраций элементов в донных отложениях и водных фракциях от Цимлянской плотины к дельте.

Зарегистрировано изменение гидробиологических показателей. Так, в 60-х годах бассейн Н.Дона по продукционным показателям в верхнем своем течении характеризовался как высокоэвторный водоем, в устьевой части - как мезотрофный (Аксенова, 1970). К 80-м годам по величине первичной продукции весь Н.Дон может быть отнесен к высокоэвтрофному водоему.

Изучение макрозообентоса показало, что, в целом, от верховьев водотока к дельтовым участкам происходит снижение видового разнообразия; иногда эта зависимость нарушается локальным воздействием гидротехнических сооружений и других антропогенных факторов. Анализ олигохетного комплекса реки свидетельствует о расширении площадей а- и полисапробных вод к дельтовым участкам.

Общая оценка санитарного состояния Н.Дона по биологическим и химическим параметрам, несмотря на мозанчность и локальность источников загрязнения, указывает на загрязненность одотока органическим веществом и ТМ, причем уровень этого загрязнения увеличивается от верховьев к дельтовым участкам.

4. БИОЛОГИЯ И ПРОДУКЦИЯ МАССОВЫХ ВИДОВ МОЛЛЮСКОВ НИЖНЕГО ДОНА.

Для изучения роли моллюсков в миграции ТМ необходимо рассмотреть ряд закономерностей, связанных с биологией организма, таких, как взаимосвязь длины раковины и массы организма, весовых соотношений органов, содержание воды, органического вещества в моллюсках. Нужно также установить продукционные возможности изучаемых видов моллюсков.

Рассчитаны уравнения функциональной зависимости сырой массы организма (УУ) от длины (I.) раковины у моллюсков:

Вг.ро1ушогрЬа Ш = 0,150Ь2'930±-0'0'4 (1)

А.судпеа \У = 0,06313063-±(Ш5 (2)

иЛипиДиБ V/ = 0,205Ь2,831—0,073 (3)

У.уМрагиэ \У = 0,4581.2'827±-0,008 (4)

Параметры полученных уравнений близки данным других исследователей и достоверно отражают особенности развития организмов (Алимов,' 1981; Винберг, 1971; Вольвич, 1983). Степенной функцией с линейными размерами моллюсков связана и масса отдельных частей организма.

Содеря^ние воды в мягких тканях составляет у Ог. ро1ушогрЬа 86,6^.0,5%; у А. судпеа - 89,1.±.1.0%; у и. Цншс1из - 85,3_±.1,5%; у V. утрагия - 81,6.±_1,7%. Вариации коэффициентов сухого вещества и зольности раковин незначительны - 0,97-0,99; 0,94-0,96 соответственно. Процент органики (на сухое вещество) в мягкой ткани равен у V.утрате 76,3±.2,2; и. тт^иэ - 89,1.±.1,2; А. судпеа - 84,3_£1,3; Эг. ро1утогрЬа - 93,9_±.0,9.

Результаты .регрессионного анализа между сырой и сухой массой организма и органов моллюсков подтверждают пропорциональность изменений этих параметров.

Продукцию рассчитывали у Бг. ро1ут6грЬа и У.У1У1рагиз "физиологическим" способом. Продукция популяции рассчитывается как сумма индивидуальных приростов особей, составляющих популяцию. В работах (Винберг, 1965, 1966, 1986; Арабина, 1971 и др.) показано, что прирост с известным приближением может быть оценен по интенсивности дыхания и коэффициенту использования усвоенной пищи на рост (Кг). Для того чтобы рассчитать продукцию данным

методом, необходимо установить зависимость обмена от индивидуальной массы и калорийный эквивалент сырой массы моллюска.

Сбор материала проводили с апреля по октябрь 1988 г. Организмы распределяли по размерным группам, в пределах которых учитывали численность, среднюю массу животных, определяли скорость потребления кислорода, калорийность.

Скорость обмена у моллюсков с высокой степенью достоверности может быть выражена через скорость потребления кислорода одной особью за единицу времени (Алнмов, 1975, 1979; Вннберг, 1950, 1976; Сущеия, 1972; Нетпипдзеп, 1960).

Нами получены следующие уравнения:

Ог.ро1утогр11а 0 = о.ооое^уу0-63*0'02 (5)

У^Мрагиз 0 = 0. 001544\У°'62±-°'°3 (6)

где (} - скорость обмена (мгО/час); - сырая масса моллюска с раковиной (мг).

В качестве единого показателя степени в подобных уравнениях для водных беспозвоночных рекомендуется величина, равная 0,75 (Алимов, 1989). С учетом средней массы, в диапазоне масс моллюсков, для которых рассчитаны уравнения, производим необходимые преобразования и получаем уравнения:

Ог.ро1ушогрЬа 0=0,061М/°'75 (7)

У.уМрагив 0=0,101\У°'75 (8)

где вес в г, О - мгО/час.

Из уравнений следует,' что полученные нами данные близки результатам других исследователей (Алнмов, 1981; Арабнна, 1971; Аракелова, 1986; Вннберг, Беляцкая, 1959; Китицина, 1975; Кондратьев, 1970 н др.).

Калорийность сухого вещества органов моллюсков рассчитывали по относительному содержанию -органического вещества. Калорийность всего организма находили как сумму этих данных. После необходимых преобразований получали калорийность сырого вещества в целом. Зависимость калорийности от сырой массы организма может быть выражена следующими уравнениями:

Ог.ро1ушогр1)а ^'»О.ОЗбМЛ0,132-*-0'013 (9)

У.уМрагоз Ч=1,655УУ-а132±0'026 (10)

где q - калорийность сырой массы в кал. /мг; сырая масса моллюска в мг.

Аппроксимация зависимости калорийности .и сырой массы организма степенным уравнением только в первом приближенна отражает изучаемую связь (Алимов, 1981). Полученные уравнения могут быть использованы для вычисления лишь средних значений калорийности, что вполне удовлетворяет требованиям наших исследований.

Скорость обмена (при 20°С) каждой размерной группы рассчитывали с использованием уравнений (5) и (6). Суточные реальные траты на обмен вычисляли с учетом температуры месяца и оксикалорийного коэффициента (3.27 кал./мгОг) (Винберг, 1986). Значения Кг для популяции заимствованы из литературных источников: 0,25 для Ог. ро!ушогрЬа и 0,35 для У.уМрагиэ (Бентос УчннсКЬго водохранилища, 1980; Тодераш, 1988; Китицина, 1975; Левина, 1981).

Работы по оценке продукционных возможностей видов проводились на двух станциях, различающихся гидрохимическими и гидрологическими параметрами.'Получены, практически, одинаковые годовые продукционные коэффициенты. Средние их значения • 1,15 для Бг. ро1ушогрЬа н 1,28 для У.уЫрагш - использованы в оценке функционально» роли моллюсков в миграции ТМ.

5. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МОЛЛЮСКОВ В МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ.

5.1. Закономерности распределения элементов в моллюсках ' и окружающей среде. •

Главной, геохимической особенностью .живого вещества является его способность пропускать через себя атомы химических элементов земной коры, гидросферы, атмосферы, осуществляя в процессе своей жизнедеятельности их сортировку и дифференциацию. Таким образом, элементарный химический состав организма и окружающей его среды взаимообусловлены. Завершив свой жизненный Цикл, организм возвращает природе все, что получил от нее в течение жизни (Вернадский, 1940, 1987).

С точки зрения расшифровки поведения вещества в экосистеме важнейшей представляется концентрационная функция, учнтываю-чцая темп ассимиляции элементов из окружающей среды и уровень нх накопления в организмах.

В настоящее время имеется чрезвычайно обширная литература, освещающая различные стороны разбираемой проблемы (Дохолян, 1981; Патин, Морозов, 1974; Сейсума, 1979, 1983, 1984; Телитченко, 1964; Христофорова, 1983; Romeril, 1971, 1979; Маге, 1982; Wachs, 1985 и др.).

Однако до последнего времени исследований биогенной миграции металлов в Н.Дону практически не проводилось.

В ходе комплексных исследований, предпринятых автором, проведена оценка уровня концентраций ТМ в органах моллюсков в зависимости от геохимической обстановки.

Были изучены концентрации Си, Zn, Мп, РЪ в моллюсках, наиболее распространенных на Н.Дону, - Dr. polymorphe, А. cygnea, U. tumidus, V.viviparus (табл. 2.).

Из исследованных металлов максимальные количества установлены для марганца. Его содержание в мягких тканях составляет 32-8000 мг/кг, п раковинах - 100-1500 мг/кг. Все данные здесь и далее представлены на сухое вещество, т.к. это наиболее стабильный показатель.

Диапазон концентраций цинка в мягких тканях составляет 16-320 мг/кг, в раковинах - 7-8Ö мг/кг.

Содержание меди и свинца на один-два порядка ниже по сравнению с марганцем и цинком.

При сравнении ряда содержания элементов в органах моллюсков (в порядке убывания) Mn-Zn-Cu-Rb с рядами геохимической подвижности металлов в донных отложениях Mn-Zn-Cu-Pb и водных фракциях Mn,Zn-Cu-Pb видно, что моллюски извлекают в больших количествах металлы, содержание которых максимально в (Окружающей среде, т.е. марганец и цинк.

Пространственное распределение элементов в моллюсках свидетельствует о закономерном симбатном увеличении меди, марганца, цинка, свинца в органах моллюсков и в окружающей среде от верхних к дельтовым участкам Н.Дона. Как установлено, содержание всех четырех элементов возрастает в донных отЛоженнях от Цимлянской плотины к устью реки. Вниз по течеиию нарастают и уровни концентраций меди, марганца, свинца в водных фракциях.

Имеются сведения о положительной корреляции между содержанием элементов в воде, донных отложениях и организмах беспозво-

Таблица 2.

Содержание металлов в моллюсках Нижнего Дона.

Название вида Крайние значения элемента, мг/кг сухого вещества

моллюска - Свинец Медь Марганец Цинк

Ог.ро1упгагрЬа 0,9-194 2,6-35,0 130,0-3900,0 26,0-330,0

0,2-7,0 5,0-20,0 200,0-1000,0 10,0-77,0

Л.суртеа 0,8-16,0 0,8-32,0 32,0-8000,0 16,0-320,0

0,2-10,0 3,0-15,0 100,0-1500,0 12.0-43,0

и.шпийда 1,0-7,0 0,7-14,0 280,0-4200,0 28,0-210,0

0,2-10,0 3,0-10,0 200,0-1500,0 7,0-70,0

У.ушрапв 0,6-9,0 6,0-360,0 60,0-450,0 ' 30,0-510,0

0,2-10,0 5,0-45,0 300,0-1500,0 12,0-65,0

Примечание. В числителе мягкая часть, в знаменателе раковина.

ночных (Никаноров и др., 1985; Anderson. 1977; Talbot, 1985), в то же вр^мя, известны данные об отсутствии такой корреляции (Жулидов и др., 1980; Рожанская, 1967; Patrick, 1978).

Проведенный статистический анализ зависимости содержания широкого спектра элементов (К, Na, Са, Mg, Sr, Fe, Mn, Al, Zn, Cu, " V, Ni, Sn, Co, Cd, Pb, Ag, Li, Cr, Mo, Be) в организмах Dr. polymorpha и V.vlviparus и донных отложениях на одной из станций подтверждает наличие положительной корреляционной связи между исследуемыми параметрами. Значения углового коэффициента в уравнениях регрессии достоведно не отличаются от 1 - данный факт указывает на сопоставимость изменения величины концентраций элементов в донных отложениях и организме моллюсков.

Анализ коэффициентов биологического накопления элементов по отношению к донным отложениям и водным фракциям свидетельствует о том, что темп ассимиляции металлов моллюсками определяется их таксономическим положением: двустворки активнее концентрируют марганец, а брюхоногий V.vlviparus - серебро, медь, цинк. Вероятно, не последнюю роль в формировании химического элементарного состава организма играет тип питания. Двустворки - фнльтраторы диспергированной в наддонном горизонте взвеси, V.viviparus -безвыборочный собиратель-детритофаг, источники пищи которого в большей степени связаны с- донными отложениями и иловыми растворами. С биогеохнмнческих позиций рассматриваемые классы занимают не только различные экологические ниши, но и разные геохимические резервуары.

Общеизвестно, что распространенность химических элементов в литосфере и гидросфере определенным образом связана с порядковым номером элемента в периодический системе Д.И.Менделеева (Пере-льман, 1975; Патин, Мфозов,.' 1981).' Установлено, что уровень концентрации металлов в моллюсках снижается с увеличением порядкового номера элемента (рис. 1). Вместе с тем необходимо отметить, что моллюски по отношению к донным отложениям -активные концентраторы Са, Na, К, Sr. Li. Mo и деконцентраторы Ni, Со, Cd, Al, Cr. Sn, Fe, Mg, Be, Pb.

5.2. Химизм раковин и мягких тканей.

С целью расшифровки характера фракционирования был проведен регрессионный анализ данных, отражающих химиям скелетов и мягких

6 5

3 2 1 О -1 -9

и.

-3

....... ■ .........."■"""""

11........ I ■ ....... л

. ■. 1 ■ ■«■ I.......

■ .1 I ....... ||. I.......I.........I

10 го ЗО -40 30 60 ?0 50 90 100

Порядковый номер элемента

Рис. 1« Зависимость логарифмов концентраций элементов в организме моллюсков (1$ См.)

и доииых отложениях (1; Са.) от порядкового номера элемента: а - Ог. ро1ушогрЬа; б - V. утра газ. ■-:— концентрация элементов в моллюсках; — — — — концентрация в донных отложениях.

Порядковый номер элемента

Продолжение рис. I.

1д Ср.. мкг/г сух. в-ва 7Г

.5«

.Ос

-3 -1.5

»е.

.г«

X .РЬ

СгСо

с ."о

.{<1

*1 .Ь Ъ Д

Л.

J

0.0 1.5 1.0 4.5 С.0'

1д См.ч.. мкг/г сух. в-ва

1д Ср., мкг/г сух. в-ва

б

ь.

I

-2

■Са

,Ве Мо

"и

А1

■г

УСг .... Ои '."Со VI •5л рь

.Ма

'Ао

-2

о

J

2 4 {

1д См.ч., мкг/г сух. в-ва

Рис.; 2.'- Соотношение между концентрациями элементов в раковине и мягкой части у моллюсков: а - Ог. ро1ушогрЬа; б - V. уМрагив. Масштаб логарифмический. По оси абсцисс-концентрация элементов в раковине (1д Ср.); по оси ординат-концентрация элементов -в мягкой части (1д См.ч.)

8

4

органов двустворкн Ог. ро!утогрЬа и брюхоногого У.уМраги» (рис. 2). Двч группы элементов отчетливо выделяются на графиках. В первую входят Са, Эг, и и Бп, во вторую - все" остальные элементы. Парагенез кальцнй-стронций явно указывает на их приуроченность к арагонито-вой минеральной составляющей раковин (Виноградов, 1967; Лисицын н др., 1977). Вопрос о лнтни и олове менее ясен. Вторая группа объединяет металлы, которые связаны с органической матрицей раковины и входят в состав мягких тканей. Выявленные зависимости отчетливо прослеживаются у двустзорхи, в живородящем У.уМрагиз они менее показательны.

Таким образом, изменение химического элементарного состава моллюсков при переходе от одного таксона к другому обусловливается неодинаковостью их вещественного состава, тесным образом связанного с биологией. С другой стороны, коррективы в химизм вносит геохимический фон среды, предопределяя интегральный эффект концентрирования элементов.

5.3. Зависимость содержания элементов от массы организма.

Особое внимание было уделено вопросу изменения концентраций элементов' в организме в зависимости от размерно-весовых характеристик. прямо связанных с возрастом моллюсков.

Результаты регрессионного анализа показали, что зависимость уровня концентрации. элементов от массы организма или органа опи'сывается степенной функцией (рис. 3,4).

Анализ величин углового коэффициента (Ку) в уравнениях регрессии (табл. 3) позволил * разделить моллюсков Н.Дона по интенсивности концентрирования элементов на две группы. В первую входят моллюски, у которых' концентрации .элемента нарастает пропорционально увеличению массы организма (Куга1). Это А.судпеа (для всех четырех элементов -Ку достоверно не отличается от 1; р«0,05); Ог. ро1ушогрЬа для Си, Тп, РЬ; -УлгМрапн только для 2п. Для ШитМиз получены относительно высокие значения Ку, но при данном объеме выборки они значимо не отличаются от 1, и следовательно, этот моллюск может быть отнесен к первой группе с учетом диапазона изученных масс. Вторая группа объединяет организмы, у которых концентрация элементов нарастает более интенсивно, чем масса (Ку>1); это Ог. ро1ушогрЬа по Мп и У.уМрагив по Мп, Си, РЪ.

-Q8 -1,6

-4.0 48

. Lg Си,мг-экз'

a

-0,75 -1.БО -2,25 -3,00 -3,75

Lg ¿п^г-экз" б

♦ % *y

• • i. «

■ •

.....

' i ' -I—I—I—1—I—I_I -¿.sol ,1.1 .1,1.1

075 1,50 2125 5,00 3,75 450 0,75 1,50 2,25 5/Ю Д75 4,50

Lg V.Mr

1 0 -i -2

Lg Мп,мг-экз' в

-i_L

I i I i l

-2

-3

<

•5 -6

Lg РЬ(мг'Зкэ' г

Lg W, мг

... #;

• • •:

j_I_i_L

.til

0,75 1,50 2,25 5,00 3,?5 4,50 ' 0/5 1,50 2,25 3,00 ^75 ¿ДО

Lg W,mt

Lg W. мг

Рис. 3. Зависимость логарифма концентрации элемента в организме Од С) от логарифма сырой массы (1д V»/) у Ог. ро1утогрКа: а-медь; б-цинк; в-марганец; г-свинец.

-аоо -суз

Н,50

-3,00 -3/5

1д Си.мг-экз' а

лС'?'"

. - I . » . I ■ I . I

\г 2,4 3,0 3,6 4,2

1д Ц мг

2 о -2-

-3

1д Мп. мг-^кэ' в

1 • • •

•|.. I .1 I I I. I. 1....1

4,2 г/, 3^6 4Д.

0,0 ■ОД 42 48

40

1д мг-экз" б

.-.'.'Л ,, , , 1 •

■ (■1.1.1.1

1,2 1,8 2А 3,0 3,6 А,2

4 У мг

-2,25 -500 -375

-4,50 »

425 -6,00

1д РЬ, мг экз4 г

»'.У'

I ' . I

J_1—1.

<,2 1,8 г/, 3,6 4,2

1д V. мг

I *

Рис. 4. Зависимость логарифма концентрации элемента в организме (1д С) от логарифма сырой массы (1д W) у V. у|у«рагм: а-медь: б-цинк; »-марганец; г-свннец.

Таблица 3.

Статистическая характеристика параметров уравнений, связывающих содержание • элементов мг экз"1) с сырой массой всего организма моллюска Ов, мг)

Название вида моллюска Объем выборки Коэффициент корреляции Диапазон значений сырой массы всего организма моллюска, мг Свободный член уравнения регрессии Ошибка свободного члена Угловой коэффициент уравнения Ошибка углового коэффициента

Медь

Ог. ро1утогрйа 97 0,969 8,7-5279,0 -5,530 0,079 1,071 0,028

А. cygnea 38 0,800 8174,0-166308,0 -5,175 0,548 0,940 0,118

II. №Л1(1и$ 28 0,901 2530,0-70821,0 -5,943 0,506 1,184 0,112

V. ушрапк 115 0,973 31,2-8945,7 -5,017 0,080 1,079 0,024

Цинк

Бг. ро1утогрЬа 97 0,960 8,7-5279,0 -4,623 0,080 0,945 0,028

А. су^пеа 38 0,855 8174,0-166308,0 -5,864 0,620 1,249 0,126

и. №пис1и5 28 0,965 2530,0-70821,0 -6,123 0,325 1,357 0,072

V. утрапа 116 0,976 31,2-8945,7 -4,412 0,068 0,993 0,020

Продолжение таблицы 3.

Название вида моллюска Объем вы- Коэффици-борки Диапазон значений сырой массы всего организма моллюска, мг Свободный член уравнения регрессии Ошибка свободного члена Угловой коэффициент уравнения Ошибка у!--лового коэффициента

Марганец

Иг. ро1ушогрНа 97 0,966 8,7-5279,0 -4,485 0,097 1,250 0,035

А. су£пеа 38 0.851 8174,0-166308,0 -4.409 0,587 1,164 0,119

и. ГитШиэ 28 0,959 2530,0-70821,0 -4,920 0,335 1,285 0,074

V. утрапк 116 0,837 31,2-8945,7 -4,415 0,233 1,157 0,070

Свинец

Ог. ро1утогрЬа 97 0,881 8,7-5279,0 -6,635 0,165 1,059 0,058

А. су^пеа 38 0,683 81740,0-16630,8 -7,219 0,926 1,059 0,188

и. ттШш 28 0,737 2530,0-70821,0 -8,613 1,107 1,360 0,245

V. утрапк 116 0,916 31,2-8945,7 -6,806 0,143 1,062 0,044

ю и

Установлено, что степень зависимости концентрации элементов в организме и органах двустворок, как правило, совпадают, исключением являются мягкие ткани йх. ро!утогрЬа для Си и раковины ШитШив для РЬ, в которых скорость накопления этих элементов выше, чем увеличение массы органов. Несколько иначе обстоит дело с У.утрагив. Однозначно по всем оргаиам Ку 1 для 2хх. Мягкие ткани интенсивнее накапливают Си. Концентрация Мп и РЬ в мягких тканях и крышечке увеличивается менее интенсивно; чем нарастает масса.

Анализ параметров уравнений, связывающих содержание Ре, Мд, Иа, К, Си, и, N1, Со, СЙ, А1, Сг, Ад, Мо. Бп, Бг с тотальной сырой массой Ог. ро1утогрЬа и ЛЛуМрагив, подтверждает сделанные ранее выводы.

Необходимо отметить, что все установленные закономерности корректны только в диапазоне изученных масс организма.

Представленный методический подход позволяет оценить границы применения конкретного вида в биомониторинге ТМ. Совокупность полученных сведений заставляет отказаться от упрощенческого подхода в использовании химизма гидробионтов в целях биомониторинга. Совершенно очевидно, что игнорирование онтогенетического фактора может привести к некорректным выводам в отношении качества окружающей среды и тенденции ее эволюции.

5.4. Биогеохимич ское значение моллюсков Нижнего Дона.

Биогеохими* еское воздействие зообентоса на окружающую среду реализуется через его концентрационную активность. •

Ведущую роль в циклах биогенной миграций химических элементов в водных экосистемах играет высокая фильтрационная * активность двустворок. Рассчитано, что нижнедонская популяция Ог.ро1утогрЬа профильтровывает за вегетационный сезон около 50% годового стока Н.Дона и осаждает в виде агглютинатов 54634,2 т взвешенных частиц, что составляет 40% их содержания в годовом стоке.

Через фильтрационный аппарат Ог.ро1утогрЬа за период вегетации проходит на грамм сырой биомассы: меди - 4,1 мг; цинка - 16,3 мг; марганца - 27,7 мг; свинца - 2,1 мг. Используя полученные параметры уравнений зависимости содержания элемента от массы организма, рассчитали вовлечение в биотический круговорот описываемых элементов на грамм сырой биомассы дрейссены и процент вовлечения,

Эти показатели соответственно равны: мг \ь - 5,5 мкг; 0,13%; цинк -21,9 мкг, 0,13%; марганец - 173,3 мкг, 0,63%; свинец - 0,-14 мкг, 0,02%.

С агглютинатами в аллювий приблизительно переводится 74,5 т меди, 297,5 т цинка, 505,1 т марганца, 30,9 т свинца (для всей акватории, за весь вегетационный период). Полученные данные свидетельствуют о значительной роли популяции Эг. ро1утогр!ш в процессах самоочищения водной толщи от ТМ,

На современном этапе развития нижнедонской экосистемы только популяции Пг.ро1утогрЬа и У.уМрагиэ ежегодно включают в биотический круговорот: меди - 1,66 т; цинка - 2,75 т; марганца - 22,40 т; свинца - 0,03 т. Это составляет соответственно 0,31%; 0,18%; 2,11%; 0,01% от общего стока указанных элементов.

Ежегодно описываемые популяции в скелетном материале фиксируют до 1,00 т Си; 0,98 г 2п; 195,57 т Мп; 0,02 т РЬ. Если реутилизацию биогенного карбоната принять равной 40% (Бессонов и др., 1988), то реальное захоронение в аллювии составляет: для Си - 36%; Ъа - 21%; Мп - 52%; РЬ - 33% от общего количества вовлеченных в биотический круговорот элементов.

При рассмотрении общего баланса этих элементов в Н.Дону показано, что в аллювии ежегодно аккумулируется Си - 1,0 т, 2п -82,7 т, Мп - 188,0 т, РЬ - 8,3 т (Бессонов и др., 1991), следовательно, на долю карбонатов моллюсков приходится 60,0% меди, 0,7% цинка, 6,2% марганца, 0,1% свинца.

Проведенные исследования свидетельствуют о том, что в результате своей жизнедеятельности моллюски осуществляют значимую работу по самоочищению экосистемы Н.Дона от ТМ. При этом необходимо подчеркнуть основную ответственность карбонатного Материала за вывод химических элементов из биогеохимических циклов.

ВЫВОДЫ

1. Нижний Дон относится к неравновесным экосистемам с сильно преобразованными водным, седиментациопным и гидрохимическим режимами. Уровень антропогенного прессинга увеличивается от Цимлянской плотины к дельтовой части реки. Внешне отклик махрозообентоса на усиление антропогенного прессинга проявляется в снижении индексов биотического ранюобрлзня численности «одних

беспозвоночных с 0,395 в верхних участках водотока до 0,306 в устьевых районах.

2. Рассчитаны параметры уравнений функциональной зависимости длины раковины, весовых соотношений органов, обмена, калорийности от массы организма у моллюсков. Годовые продукционные коэффициенты составляют: для Drpolymorpha - i,15; V.vlviparus - 1,28. Все эти данные необходимы для оценки функционального значения моллюсков в миграции тяжелых металлов.

3. В пределах возрастной группы относительное содержание меди, цинка, марганца, свинца в Dr.polymorpha, A.cygnea, U.turaidus, V.vlviparus закономерно увеличивается с нарастанием концентраций элементов в абиотической среде. Темп ассимиляции металлог моллюсками определяется их таксономическим положением. Достоверные отличия 8 концентрации элементов проявляются на уровне классов.

4. Между уровнем концентрации металлов в организмах моллюсков и содержанием элементов в донных отложениях выявлеш положительная корреляциошшая связь; распространенность элементо1 в биотических и абиотических структурах связана с. порядковьн* номером в периодической системе элементов Д.И.Меиделеева.

5. Зависимость между содержанием элемента в организме (органе и его массой у моллюсков описывается степенной функцией. Анали: этой функции позволяет установить границы использования конкрет jioro вида в биомониторинге тяжелых металлов.

6. Различия вещественных составов скелетов и _ мягких чаете/ моллюсков, неодинаковость их бногеохимическон истории посл( отмирания организма обусловливают дифференциацию элементов i окружающей среде. В этой состоит регуляториая функция моллюско: в формировании химизма среды обитания..

7. В результате жизнедеятельности нижнедонскнх Dr. polymorph, и V.viviparus с раковинным материалом в аллювии ежегодт консервируется 0,60 т меди; 0,59 т цинка; 11,74 т марганца и 0,01' свинца, что составляет соответственно 36%, 21%, 52%, 33% от общег количества элементов, вовлеченных популяциями моллюсков в бноти ческии круговорот, и 60%, 0,7%, 6,2%, 0,1% от ежегодной аккумуляци] меди, цинка, марганца, свинца в аллювии.

- 27 -

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Влияние сточных вод Волгодонского промышленного комплекса на зообентос Нижнего Дона /. - // Деп. в ВИНИТИ 25 апр. 1984 -N 2594-84 - 6с. •

2. Оценка токсического воздействия сбросных вод и их компонентов (тяжелых металлов) на зообентос Нижнёго Дона. /. - // Всес. конф. "Биоиндикация и биотестирование природных вод" - Тез. докл. - Ростов-на-Дону - 1986 - С.77.

3. Распределение донных отложений р.Нижннй Дон /М.Н.Гришин, Л.Н.Казьмина/. - // Деп. в ВИНИТИ 2 дек. 1987 - N 8464-В 87 - 7 с.

4. Моллюски в экологическом мониторинге тяжелых металлов/. //Третья Всес. науч.-практ. конф. "Проблемы экологии Прибайкалья"

- Тез. докл. - Иркутск - 1988 - С.90.

5. Жизнедеятельность моллюсков в условиях загрязнения окруж? -ющей среды /на примере Оге^эзепа ро1утогр!1а, РаИаз/. - // Облает, научн.-практ. конф. молодых ученых "Механизмы интеграции биологических систем. Проблемы адаптации" - Тез. докл. - Ростов-на-Дону

- 1988 - С.191-192.

6. О масштабе и способах реутилизации твердых фаз СаСОЗ моллюсками Азовского моря /О.А.Бессонов/. - //ДАН СССР. - 1988

- Т.299, N 4, С.974-976.

7. Некоторые гидрохимические и .геохимические показатели Нижнего Дона на современном этапе /О.А.Бессонов, М.Н.Гришин, Л.Н.Казьмина/. - //Деп. в ВИНИТИ - 7 дек. 1988 - N 826 - В 88 -11с.

8. К вопросу, о закономерностях накопления металлов моллюсками/. - //Первая Всес. конф. по рыбохозяйственной токсикологии - Тез. докл. - Рига - 1989 - Часть II, С.190.

9. Моллюски как фактор в системе анализа загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами/. - //Всес. совещ. "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири" -Тез. докл. - Красноярск - 1989 - С.111.

10. Влияние антропогенного загрязнения на донную фауну Нижнего Дона/. - Гндро-биологический журнал. - 1990 - Т 26, N 1. С.51-56.

11. Значение моллюсков в биомокиторинге тяжелых металлов/. -//6-я Ростовская облает, науч.-практ. шхола-семинар "Механизмы адаптации животных и растений к экстремальным факторам среды"' -Тез. докл. - Ростов-наДону - 1990 - Т.1 - С.168-169.

12. О значении моллюсков в макрозообентосе Нижнего Дона /.

- // Известия СКНЦ ВШ Серия "Естестйенные науки". - 1990 N 4 (в печати).

13. Общие закономерности' аккумуляции химических веществ гидробнонтами, как основа осуществления биомониторинга в экологических системах/И.К.Тодераш, Е.И.Зубкова/. - //Научн. конф. профессорско-преподавательского состава и сотрудников госуниверситета ССР Молдова по итогам научно-исследовательской работы за XII пятилетк)

- Тез. докл. - Кишинев - 1990 - С.215.

14. Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистем« Нижнего Дона /О.А.Бессонов. С.А.Белова, Д.И.Водолазкин, Л.Н.Казь мина, Л.В.Ломакина, ОГ.Кикина, Н.Ф.Рыльхова, А.П.Садчнков, О.А.Тро-фнмчук, Л.М.Чердынцева/, - Ростов-на-Дону: РГУ, 1991 - 112с.

15. Роль моллюсковых сообществ в выводе металлов техногенной генезиса из биогеохимического цикла/. - //Всес. конф. "Геохимическш техногенез" - Тез. докл. - Минск - 1991 - С.327.

16. Соотношение содержания элементов в моллюсках и 1 абиотической среде/. - //Вторая Всес. конф. по рыбохозяйственно1 токсикологии - Сез. докл. - Санкт-Петербург - 1991 - Т.2 - С.254.

17. Зависимость содержания элементов от.массы организмов ; моллюсков/. .- //Вторая Всес. конф. по рыбохозяйственнон токсиколо гии - Тез. докл. - Санкт-Петербург - 1991 - Т.2 - С.252-254.

г

Подписано к печати 6.04.92 г. Объем 1,5 п.л. Тираж ЮОэкз. Заказ 312. Офсетная печать ГКП ПГО "Южгеология".