Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Закономерности накопления и распределения ртути в компонентах наземных экосистем Вологодской области

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Закономерности накопления и распределения ртути в компонентах наземных экосистем Вологодской области"

На правах рукописи

г '

' с

Иванова Елена Сергеевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РТУТИ В КОМПОНЕНТАХ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.08 - Экология (Биология)

31 ОК Г 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата биологических наук

Борок - 2013

005536015

005536015

Работа выполнена в учреждении Российской академии наук Институте биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Научный руководитель:

Виктор доктор биологических наук, профессор. Федеральное государ-

Трофимович ственное бюджетное учреждение науки «Институт биологии

Комов внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской академии наук

(ИБВВ РАН), заместитель директора по научной работе, главный научный сотрудник лаборатории физиологии и токсикологии.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)». Главный научный сотрудник кафедры гидробиологии биологического факультета.

кандидат биологических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное учреждение пауки «Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук (ИПЭЭ РАН)». Старший научный сотрудник лаборатории эволюционной биогеохимии и геоэкологии.

Ведущая организация:

учреждение Российской академии паук Институт биологии Карельского научного центра РАН

Защита состоится «28» ноября 2013 г. в 11.30 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119889, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, кор. 12, МГУ им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, ауд. 389.

Виктор

Михайлович

Хромов

Константин

Брониславович

Гонгальский

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ им М.В. Ломоносова

Автореферат разослан « № » октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. биол. наук

Н.В. Карташева

Актуальность исследования. Ртуть обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые обусловливают ее повсеместное нахождение в окружающей среде и более высокую степень биомагнификации, по сравнению с другими тяжелыми металлами [Arctic Pollution, 2002]. По разным оценкам ежегодное поступление ртути в атмосферу составляет от 3 до 7 тыс. т, при этом примерно половина приходится на ее антропогенные источники [Расупа, 2005; UNEP, 2008]. Большая часть выбросов ртути в атмосферу - это элементарная газообразная ртуть (Hg°), именно с летучестью и продолжительным временем ее жизни (до одного года) связано глобальное распространение металла в атмосфере [Lindberg et al., 2007].

Основное внимание до последнего времени уделялось исследованию аккумуляции ртути гидробионтами, так как именно в водной среде присутствуют условия для бактериального процесса образования наиболее токсичных ртутьорганических соединений [Arctic Pollution, 2002; Scheuhammer et al., 2007]. Метилированные соединения интенсивнее, чем неорганические, аккумулируются биотой и медленнее выводятся из организма, что приводит к более эффективному переносу ртути по трофической цепи, по сравнению с прямым поглощением металла животными из окружающей среды [Huckabee et al., 1979]. Содержание ртути в живых организмах возрастает по мере приближения к вершинам трофических сетей и достигает максимальных значений у представителей высших трофических уровней — хищных рыб, рыбоядных птиц и млекопитающих [Scheuhammer et al., 2007]. Ртуть и ее соединения относятся к числу наиболее опасных для живых организмов токсических веществ, способных вызывать у животных широкий спектр негативных воздействий. У полярной гагары отмечено нарушение воспроизводства, если в объектах ее питания концентрация ртути составляет 0,21 мг/кг, и становится невозможным при 0,4 мг/кг [Burgess et al., 2008]. Концентрации металла в головном мозге мелких млекопитающих, равные 3-5 мг/кг, могут вызывать визуальный, когнитивный или нейроповеденческий дефицит [Burbacher et al., 1990]. Пороговая концентрация ртути в пище норки, вызывающая функциональные нарушения (вялость, паралич конечностей, судороги и в конечном итоге смерть), равна 1,1 мг/кг сырой массы [Scheuhammer et al., 2007].

Исследований, посвященных накоплению и распределению ртути в компонентах наземных экосистем, крайне мало. Поэтому актуальна оценка содержания и выявление закономерностей накопления живыми организмами наземных экосистем соединений ртути, которая невозможна без определения уровней содержания его в организме животных, относящихся к разным таксономическим и трофическим группам.

На территории Вологодской области расположены крупные промышленные предприятия, сжигающие в технологическом процессе большое количе-

ство природных углеводородов, являющиеся источниками поступления ртути в окружающую среду. В озёрах, не имеющих на площади водосборного бассейна локальных источников поступления ртути и находящихся на расстоянии десятков и сотен километров от промышленных центров области, неоднократно регистрировались высокие значения содержания ртути в мыщцах окуня (1,0-3,0 мг Hg/кг) [Степанова, Комов, 1997; Haines et al., 1992]. Результаты исследований последнего десятилетия указывают на возможность использования данных по содержанию ртути в органах хищных млекопитающих семейств куньи и псовые для оценки уровней содержания металла в экосистеме в целом (антропогенного загрязнения) [Munthe et al., 2007; Kalisinska et al., 2009].

Исследований по оценке содержания ртути в организмах, относящихся к разным трофическим уровням, наземных экосистем в Вологодской области и в целом по России не проводилось.

Цель и задачи исследования. Цель работы — установить основные закономерности накопления и распределения ртути в разных компонентах наземных экосистем Вологодской области.

Задачи исследования:

1. Определить содержание ртути в почвенных горизонтах, в беспозвоночных животных и в органах мелких млекопитающих, собранных на различных биотопах в окрестностях крупного промышленного комплекса.

2. Установить межвидовые различия накопления и распределения Hg в организмах диких промысловых видов хищных млекопитающих Вологодской области и животных, выращенных в неволе на зверофермах.

3. Изучить зависимость количества ртути в органах хищных млекопитающих от природно-климатических параметров среды их обитания, а также от их удалённости от крупных промышленных предприятий, являющихся потенциальными источниками поступления ртути в окружающую среду.

4. Сравнить накопление и распределение в почве и биотических компонентах наземных экосистем ртути и других тяжёлых металлов.

Научная новизна и теоретическая значимость. Впервые в России проведено комплексное исследование содержания ртути в различных компонентах наземных экосистем (в почвенных горизонтах, в беспозвоночных животных, в органах грызунов, насекомоядных и хищных млекопитающих), которое позволило установить закономерности распределения ртути в почвенных горизонтах, выявить зависимость содержания ртути в почве, в теле дождевых червей и органах насекомоядных млекопитающих, закономерности биоаккумуляции ртути различными трофическими звеньями наземной экосистемы, установить связь уровня концентрации ртути в органах животных с типом местообитаний, а также выявить низкие концентрации ртути в органах разводи-

мых в неволе хищных млекопитающих и сопоставить уровни концентрации ртути и других тяжелых металлов в почве и в органах животных.

Практическая значимость. Результаты исследования вносят вклад в изучение механизмов миграции и биоаккумуляции ртути в компонентах наземных экосистем. Полученные данные могут быть использованы для экологического мониторинга окружающей среды в районе крупного промышленного комплекса Северо-Запада России, а также при составлении прогнозов состояния окружающей среды в регионах со сходными природно-климатическими условиями; могут быть включены в учебные дисциплины обучающихся в высшей школе по специальностям «Общая экология», «Токсикология», «Биологические последствия загрязнения».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Характер растительности и почвенные условия биотопа определяют накопление и распределение ртути в почвенных горизонтах и в органах наземных животных.

2. В организм мелких млекопитающих ртуть преимущественно поступает с животными объектами питания и в меньшей степени - с растительной пищей.

3. Содержание ртути в органах типичного представителя наземных экосистем - лесной куницы выше в районах с высокими показателями количества атмосферных осадков, коэффициента озерности, с большей долей территории, занятой болотами, и с меньшим значением густоты речной сети. Содержание ртути в органах животных снижается при удалении от источников выбросов ртути в атмосферу.

4. Содержание ртути в органах животных, выращенных на звероводческих фермах, значительно ниже, чем у диких животных Вологодской области, у которых оно напрямую зависит от атмосферного или локального поступления металла в экосистему.

5. В отличие от других тяжелых металлов, в наземных экосистемах Вологодской области количество ртути в органах млекопитающих выше, чем ее содержание в почве.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были представлены на всероссийских конференциях: «Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы» (Борок, 2008), «Организмы, популяции, экосистемы: проблемы и пути сохранения биоразноообразия» (Вологда, 2008); на международной конференции «Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты» (Москва, 2010).

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из них 4 - в изданиях перечня ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 142 печатных ли-

стах, состоит из введения, глав, выводов, списка литературы, содержит 24 рисунка и 22 таблицы. Список литературы содержит 277 источников, в том числе 201 на иностранных языках.

Обзор литературы

В главе 1 представлен обзор литературных данных о свойствах ртути, об источниках поступления ее в окружающую среду, об особенностях миграции, распределения и трансформации в водных и наземных экосистемах, о накоплении металла в животных различных трофических и таксономических уровней и о его биологических последствиях.

Район исследований, материал и методы

Вологодская область занимает территорию 145,7 тыс. км2, наибольшая протяженность ее территории с запада на восток - 650 км. Природные условия области характеризуются холмисто-равнинной поверхностью, умеренно-континентальным, достаточно влажным, а на западе даже избыточно-влажным климатом, где расположено обилие озер и болот. На востоке области хорошо развита гидрографическая сеть и большие территории, занятые лесами.

В г. Череповце расположен один из крупнейших в Европе металлургический комбинат, использующий в технологическом процессе большое количество угля.

Сбор проб почвы, беспозвоночных животных и отлов мелких млекопитающих проводили общепринятыми методами [В.К. Кучерука, 1963] в непосредственной близости от Череповецкого металлургического комбината, на типичных выровненных участках ландшафта, относящихся к следующим типам биотопов: 1 — суходольный луг; 2 — прирусловой ивняк; 3 — сероольшаник; 4 — березово-осиновый лес.

Пробы органов хищных млекопитающих извлекали из тушек животных, полученных от охотников районных охотхозяйств и объединений, имеющих лицензию на их добычу, в 7 районах области: Череповецком, Кадуйском, Устюженском, Белозерском, Вашкинском, Вожегодском, Никольском. У лисиц и норок, выращенных в зверохозяйстве ЗАО «Пряжинское» (Республика Карелия), образцы органов (печень, мышцы, почки) отбирали в период планового забоя животных. Пробы были предоставлены Институтом биологии Карельского научного центра РАН.

За период исследования (2007-2012 гг.) на содержание ртути проанализировано 1815 проб разных компонентов наземных экосистем (табл. 1).

Таблица 1

Объем работы, выполненной по теме диссертации

Объект Место сбора Количество

особей проб

Почва 45

Дождевые черви (Oligochaeta, Lum-bricidae) Биотопы лесопарка «Зеленая роща», г. Череповец 98 296

Насекомые (Insecta) 198 230

Рыжая полевка (Clethrionomys glareo-lus) 52 155

Обыкновенная бурозубка (Sor ex ara-neus) 106 374

СЗ Ч О Енотовидная собака {Nyctereutes pro-cyonoides) Череповецкий район 14 67

я о, Обыкновенная лисица (Vulpes vulpes) 6 20

с Ласка (Mustela nivalis) Череповецкий, Кадуйский, Белозерский, Вашкинский, 12 49

Горностай (M erminea) 6 27

Лесная куница (Martes martes) 64 280

Лесной хорь (M. putorius) 7 36

Американская норка (Neovison vison) Устюженский, 10 54

Енотовидная собака Вожегодский, Никольский районы Вологодской обл. 14 67

Обыкновенная лисица 6 20

Другие виды млекопитающих 7 29

СЗ Американская норка Звероферма «Пря- 12 36

сх О © Обыкновенная лисица жинское», Республика Карелия 10 30

Итого 622 1815

Перед анализом пробы почвы, беспозвоночных и органов мелких млекопитающих высушивались до постоянного веса при температуре 39-40 °С. Пробы органов (печень, почки, мышцы, мозг) хищных млекопитающих помещали в полиэтиленовые пакеты, замораживали и хранили при температуре -16 °С, содержание металла в пробах анализировали на сырую массу.

Содержание ртути во всех образцах (почвах, органах животных) определяли на ртутном анализаторе РА-915+ с приставкой ПИРО (Люмэкс) атомно-абсорбционным методом холодного пара без предварительной пробоподго-товки. Точность аналитических методов измерения контролировали с использованием стандартных образцов почвы (ГСО СДПС 2498-83, 2499-83, 25007

83) и сертифицированного биологического материала DORM-2 и DOLM-2 (Институт химии окружающей среды, Оттава, Канада).

Статистический анализ данных проводили с помощью программ STAT-GRAPHICS Plus 2.1 и STATISTICA Release 7. Достоверность различий оценивали, используя метод дисперсионного анализа (ANOVA, LSD-тест) при уровне значимости р < 0,05 [Sokal et al., 1995].

Для определения корреляционных связей между количеством металла в разных парах органов животных, а также зависимости количества металла в органах животных от содержания ртути в почве и от природно-климатических особенностей их местообитания, значения которых не имеют нормального распределения (Shapiro-Wilk test), использовали непараметрический коэффициент Спирмена (r„ р < 0,05).

Содержание ртути в почвенных горизонтах и в беспозвоночных из разных биотопов

Содержание металла в почвенных горизонтах на исследованной территории составляет в среднем 0,03 мг/кг и варьирует в пределах 0,002-0,142 мг/кг сухой массы. Для всех исследованных биотопов с увеличением глубины отбора проб содержание ртути в почвенных горизонтах снижалось. Максимальные значения отмечены в поверхностном гумусово-аккумулятивном горизонте, и в среднем для исследованных биотопов составляют 0,056 мг/кг сухой массы. Минимальные концентрации металла отмечены для подзолистого и иллювиального горизонтов исследованных типов почв, которые составляют 0,028 и 0,018 мг/кг сухой массы.

В поверхностном горизонте исследованных биотопов более высокое содержание ртути отмечено в березово-осиновом лесу, достоверно ниже количество металла — на суходольном лугу, в прирусловом ивняке и сероолынанике (табл. 2).

Содержание ртути в дождевых червях варьирует в пределах 0,0125,511 мг/кг сухой массы и достоверно различается между геобионтами, собранными в разных биотопах. Максимальные концентрации металла отмечены у червей из березово-осинового леса и сероольшаника, средние — у беспозвоночных из прируслового ивняка, минимальные — у червей, собранных на суходольном лугу (табл. 2).

Средние для всех биотопов показатели содержания ртути в теле дождевых червей (0,551 мг/кг сухой массы) в 10 раз выше средних показателей в поверхностном слое почвы исследуемой территории. Для всей выборки установлена достоверная зависимость содержания ртути в дождевых червях от количества металла в почве (г,= 0,85;р < 0,01).

Таблица 2

Содержание ртути в почвах, дождевых червях и органах мелких млекопитающих различных биотопов

(мг/кг сухой массы)

----------------- Объект —_____ Суходольный луг Прирусловой ивняк Сероольшаник Березово-осиновый лес

Почвенный горизонт

Гумусово-аккумулятивный горизонт почвы 1 0,032±0,001а | 0,035±0,001а | 0,027±0,002а | 0,129±0,018ь

Дождевые черви

Среднее за вегетационный период | 0,273±0,151а (25) | 0,461±0,376° (30) | 0,722±0,422 с (25) | 0,762±0,431' (26)

Рыжая полевка

Мышцы 0.015±0.015а(24) 0,001-0,125 - 0.019±0,012а(10) 0,001-0,082 0,009±0.005а(16) 0,001-0,017

Печень 0.014 ±0,015(15) 0,010-0,140 - 0,003±0,00Г(6) 0,002-0,004 0.024±0,003а (14) 0,003-0,113

Почки 0,012±0,01а (19) 0,001-0,043 - 0,037±0,015ь(10) 0,009-0,117 0.016±0,012а(14) 0,001-0,04

Мозг 0,004±0.004а (14) 0,001-0,02 - 0.007±0.001а(3) 0,005-0,01 0,013 ±0.007" (8) 0,005-0,031

Обыкновенная бурозубка

Мышцы 0,055±0.026а(22) 0,087-0,115 0.062±0.046а(25) 0,027-0,26 0.106±0.054ао(8) 0,039-0,168 0.162±0.103"(39) 0,015-0,578

Печень 0,074±0.052а (23) 0,023-0,27 0.073 ± 0.041а(24) 0,036-0,24 0.126±0.115^(7) 0,002-0,362 0.181±0.114ь(40) 0,026-0,524

Почки 0,116±0.072"(23) 0,017-0,298 0.140±0,061 "(24) 0,031-0,336 0.202±0,019ао(7) 0,079-0.385 0.259±0,188 "(27) 0,06-0,882

Мозг 0,032±0.024а(17) 0,001-0,098 0,043±0,019а(17) 0,021-0,09 0.056±0.048 ас(6) 0,012-0,149 0.095±0,062 "(33) 0,005-0,364

Примечание. Здесь и в табл. 4 над чертой приведены средние значения и их ошибки (х ± тх), под чертой - минимальные и максимальные значения показателя; («); а, Ь, с — разные буквенные надстрочные индексы, указывающие на достоверные различия по органам между отдельными биотопами (в строках), при уровне значимости р < 0,05 (АЫОУА-тест).

Содержание ртути в исследованных видах насекомых варьирует в широких пределах — от 0,001 до 0,661 мг/кг сухой массы.

Минимальные концентрации отмечены у шмелей, пчел и растительноядных клопов и листоедов (0,003-0,016), средние — у щелкунов, скорпионниц и златоглазок (0,011-0,051), максимальные — у навозников, слепней, хищных жужелиц и стрекоз (0,121-0,315 мг/кг сухой массы) (рис. 1). При этом средние показатели содержания ртути во всех исследованных видах насекомых были значительно ниже, чем в дождевых червях.

Рис. 1. Содержание ртути в беспозвоночных животных

Содержание ртути в органах мелких млекопитающих из различных биотопов

Содержание ртути в органах рыжей полевки ниже или соизмеримо с количеством металла в почве и уменьшается в ряду: почки > печень > мышцы > > мозг (см. табл. 2). Концентрации ртути в мышцах и печени животных из разных биотопов статистически значимо не различались. Содержание металла в почках грызунов, отловленных в ольшанике, и в мозге особей из березово-осинового леса превышало значение соответствующих показателей для полёвок, обитающих на суходольном лугу (см. табл. 2).

Выявлена корреляционная зависимость между средними значениями концентрации ртути у полевок по всей выборке в парах органов: печень - мышцы (г5= 0,43; р < 0,01; п = 40), печень - мозг (г5= 0,42; р < 0,02; и = 29). Для всей выборки животных установлены корреляционные связи между содержанием металла в почках и мозге от массы их тела (г5= 0,41; /з < 0.01; п = 42; г5= 0,52;

р < 0,01; п = 37), и от концентрации ^ в верхнем горизонте почвы (г3- 0,54; р < 0,01; п= 0,38;р < 0,01; п = 48).

Содержание металла во всех исследованных органах бурозубок статистически значимо выше (в 6-10 раз), чем концентрации ртути в органах полевок (см. табл. 2). Содержание ртути в органах бурозубок, так же как и у грызунов, уменьшается в ряду: почки > печень > мышцы > мозг.

Концентрации ртути в исследованных органах бурозубок, отловленных в различных биотопах, достоверно отличалась: максимальные значения отмечены у животных из березово-осинового леса, промежуточные — из сероольша-ника, минимальные — из суходольного луга и прибрежных кустарниковых зарослей (см. табл. 2).

Установлена достоверная корреляционная зависимость между содержанием ртути во всех возможных парах исследованных органов бурозубок (г, = 0,56-0,87; р < 0,01). Не установлено зависимости содержания ртути в органах бурозубок от массы и пола зверька.

Отмечена статистически значимая связь между содержанием ртути во всех органах бурозубок и количеством метала в почве (г3= 0,40-0,89;р< 0,01) и в дождевых червях (г5= 0,47-0,65; р < 0,01).

Содержание ртути в органах хищных млекопитающих

Концентрации ртути в органах норок в 5^0 раз выше, чем в органах других исследованных видов куньих. Средние значения показателя отмечены у куницы и хоря; минимальные — у горностая и ласки (табл. 3).

Наиболее высокие концентрации ртути в органах исследованных видов куньих найдены в почках и печени, меньшие — в мышечной ткани, минимальные — в мозге (см. табл. 3).-

Установлена достоверная корреляционная зависимость между содержанием ртути во всех парах исследованных органов у американской норки (г5 = = 0,86-0,91; р <0,01; и = 8-9), лесной куницы (г5 = 0,76-0,90; р < 0,01; п = = 34-52) и ласки (г5= 0,85-0,94; р < 0,01; п = 5-12). У хоря установлена достоверная корреляционная зависимость между содержанием ртути в большинстве пар исследованных органов (г, = 0,90 - 0,94; р < 0,03; п = 5 - 7) за исключением пар: почки - другой орган, где зависимость статистически не значима (г, = = 0,65 -0,77;р> 0,1; п = 7).

Зависимость содержания ртути в органах животных от природно-климатических особенностей и удаленности районов обитания от промышленного центра г. Череповца исследовали на примере фонового вида куньих района исследований — лесной куницы (табл. 4).

Таблица 3

Содержание ртути (мг/кг сырой массы) в органах млекопитающих семейства куньих Вологодской области

Вид и Содержание Hg в органах, мг/кг сырой массы

мышцы печень почки мозг

Горностай 6 0.05±0,0Г 0,03-0,06 0,09±0,03а 0,04-0,12 0,18±0.07а 0,04-0,25 0,03±0а

Ласка 12 0.12 ±0,Г 0,01-0,44 0.13±0,07а 0,01-0,64 0,27 0,11a 0,01-1,03 0,13±0,05а 0,01-0,51

Лесной хорь 7 0,27±0,1а 0,25-1,17 0.23±0,05а 0,57-1,77 0,38±0,12а 0,58-1,99 0,09±0,02а 0,14-0,42

Лесная куница 64 0,36±0,03а 0,10-1,44 0,41 ±0,0 Ia 0,11-2,27 0,67 ±0.1а 0,21-3,2 0,13±0,1а 0,03-0,47

Американская норка 10 2,37±1,7Ь 0,25-5,08 3.49±1,95ь 0,57-6,49 3,42±1,7Ь 0,58-5,52 0,87±0,56ь 0,14-1,77

Примечание. Здесь и в табл. 5 над чертой приведены средние значения и их ошибки (х ± тх), под чертой — минимальные и максимальные значения показателя; а, Ь, с — разные буквенные надстрочные индексы, указывающие на достоверные различия по органам между отдельными видами (в колонках), при уровне значимости р < 0,05.

Таблица 4

Содержание ртути (мг/кг сырой массы) в органах лесной куницы (М. martes) (и = 60) из разных районов Вологодской области

Орган Районы

Череповецкий Кадуйский Вашкинский, Белозерский Устюженский Никольский

Мышцы 0.45±0.07"П8) 0,45±0,06ь(15) 0.34±0.1аЧ7) 0.28±0,05аь(7) 0.19±0,02а(13)

0,11-1,14 0,18-0,97 0,15-0,41 0,12-0,46 0,09-0,29

Печень 0,62±0,15ь(16) 0,31±0,11аЬ(5) 0.31±0.04а"(7) 0.29±0.04а5(7) 0.22±0,02а(12)

0,13-2,27 0,11-0,79 0,19-0,39 0,19-0,51 0,07-0,38

Почки 1.02±0.20"(12) 0.66±0.25а"(4) 0.36±0.07ао(5) 0,49±0,01 аь(6) 0.38±0,05а(12)

0,22-3,2 0,31-1,41 0,22-0,51 0,25-0,89 0,21-0,63

Мозг 0.17±0.03ьп3) 0.15±0.01ь(16) 0.09±0.01а"(7) 0.11±0.01"Í7) 0.07±0,01а(13)

0,01-0,48 0,07-0,24 0,03-0,14 0,06-0,17 0,04-0,13

Самые высокие концентрации ртути во всех исследованных органах зарегистрированы у животных из Череповецкого района, расположенного на западе области, самые низкие — у животных из Никольского района, расположенного на востоке. Содержание металла во всех образцах из этих двух удаленных более чем на 500 км друг от друга районов различались статистически значимо (табл. 4). Значения показателя для мышц и мозга у животных из Ка-дуйского района, примыкающего к Череповецкому, были достоверно выше, чем у куниц из Никольского района. Достоверных различий в содержании ^ в печени и почках особей из Кадуйского и всех остальных исследованных районов не выявлено.

Установлены отрицательные корреляционные зависимости между концентрацией металла во всех исследованных органах куниц и удаленностью районов их обитания от промышленного центра г. Череповца (г, = -0,37-0,47; р < 0,02). Отрицательная статистически значимая связь отмечена между количеством ртути в мозге и мышцах куниц и густотой речной сети (г, = = -0,29, р <_0,02; г, = -0,37, р £.0,01), долей территории (%), занятой лесом и лугами в районе обитания животных (г5= -0,27,р < 0,04; г5 = -0,32,/? < 0,01).

Достоверная положительная корреляционная зависимость связывает содержание металла в органах куниц и показатели среднегодового количества осадков (г, = 0,32-0,53, р <0,03), коэффициент озерности (г, = 0,28-0,42, р < 0,03) и часть территории района (%), занятой болотами (г, = 0,33-0,46,р < 0,01).

У исследованных видов псовых концентрации ртути в разных органах варьировали в пределах от 0,007 до 0,96 мг ^ /кг сырой массы.

Средние значения содержания Н§ в органах и тканях обыкновенной лисицы уменьшались в ряду: печень (0,31±0,29) > почки (0,28±0,12) > мышцы (0,09±0,12) > мозг (0,03±0,02). Концентрации ^ в печени и почках животных статистически значимо не различались между собой, но были достоверно выше, чем в мозге. Промежуточные значения содержания ртути отмечены в мышцах, но достоверно они не отличались от содержания металла в мозге (орган с минимальным содержанием ртути), и печени и почках (органов с максимальными уровнями металла).

Между концентрациями ртути в мышцах и мозге лисиц установлена значимая корреляционная зависимость (г5 = 0,98; р < 0,01; и = 6).

Количество ртути в одних и тех же органах енотовидной собаки и лисицы достоверно не различались. Средние значения содержания Нц в органах и тканях енотовидной собаки, так же как и у лисицы, уменьшались в ряду: печень (0,50±0,32) > почки (0,25±0,12) > мышцы (0,10±0,13) > мозг (0,03±0,04). При этом содержание ртути в печени достоверно выше, чем в почках, а в почках - достоверно выше, чем в мышцах. Абсолютные значения концентраций ртути в органах (печень — 0,82 мг/кг сырой массы; почки — 0,39; мозг —

0,04; /7 = 6) животных, отловленных на побережье Рыбинского водохранилища, в 2 раза выше, чем в органах особей, добытых в районе, значительно удаленном от этого водоема (печень — 0,41 мг/кг сырой массы; почки — 0,21; мозг — 0,02; и = 9). При этом достоверных различий в содержании металла в мышцах животных не выявлено (0,07±0,02).

Для всей выборки енотовидных собак установлены достоверные положительные корреляционные зависимости между содержанием металла в печени и мышцах, в печени и мозге (г, = 0,55-0,83; р < 0,01; и = 8-13), в мышцах и мозге (г, = 0,96; р < 0,01, п = 14).

Содержание ртути в органах исследованных животных семейств куньих и псовых, выращенных на зверофермах, варьировало в пределах (0,005-0,25) мг/кг и (0,002-0,27) мг/кг соответственно (табл. 5). Максимальные значения содержания металла для исследованных видов отмечены в почках, средние — в печени, минимальные — в мышцах (табл. 5).

У разводимых в неволе американских норок двух окрасов (серебристо-голубых и пастелевых), во всех исследованных органах отмечена более высокая (в 2-6 раз) концентрация ртути, по сравнению с лисицами (табл. 5). Содержание ртути в корме лисиц, выращенных на звероферме, составляет 0,004 мг/кг сырой массы (в 1,5-8 раз ниже количества металла в их органах). Содержание ртути в органах вольерных норок было выше, чем у лисиц, что, вероятно, связано с особенностями их кормления — в период забоя куньим скармливают тушки лисиц и песцов.

Таблица 5

Содержание ртути (мг/кг сырой массы) в органах хищных млекопитающих, выращенных в неволе

Вид/раса п Содержание Н§, мг/кг сырой массы

Мышцы Печень Почки

Норка серебристо-голубая 6 0,029±0,001" 0,025-0,036 0.07±0,01" 0,049-0,082 0,12±0,02° 0,068-0,197

Норка пастель 6 0.031±0.003" 0,022-0,042 0.08±0,01" 0,053-0,13 0,19±0.03с 0,015-0,278

Лисица 10 0.008±0,001а 0,004-0,01 0.03±0.001а 0,017-0,03 0,04±0,003а 0,015-0,047

В органах исследованных видов, разводимых в неволе, отмечены концен-

трации ртути в 10-50 раз ниже, чем у диких животных Вологодской области.

В отличие от диких хищников Вологодской области, у животных, разводимых в неволе, корреляционные зависимости содержания металла во всех возможных парах органов не установлены.

Различия распределения и накопления в почве и в биотических компонентах наземных экосистем ртути и других тяжелых металлов

Средние показатели количества цинка {Ъп), меди (Си), свинца (РЬ) и кадмия (Сс1) в почве были на 2-4 порядка выше, показателей ртути в ней (рис. 2). Максимальные концентрации этих металлов, так же как и выявлены в поверхностном горизонте почвы, средние значения содержания которых уменьшались в ряду гп > Си > РЬ > Сс1 и в среднем для исследуемой территории составляли: Ъп — 321; Си — 104; РЬ — 92; Сс1 — 3,07 мг/кг. Во всех исследованных биотопах с увеличением глубины отбора образцов содержание металлов в них снижалось.

Максимальное количество (мг/кг сухой массы) цинка, свинца и кадмия определено в почвах прибрежных кустарничковых зарослей, меди — на суходольном лугу. Минимальные концентрации цинка отмечены в почвах пойменного ольшаника, меди — в сыром лесу, свинца и кадмия — на суходольном лугу.

Содержание металлов в органах всей выборки бурозубок уменьшалось в ряду Хп>Си> РЬ >_Сс1 и варьировало в пределах: 0,61-17,35 мг 2п/кг; 0,14,51 мг Си/кг; до 2,15 мг РЬ/кг и до 2,05 мг Сё/кг. Средние значения количества металлов в органах насекомоядных составили: 7л\ — 7,77±0,32; Си — 1,73±0,09; РЬ — 0,09±0,04; Сё — 0,40±0,05 мг /кг. Максимальные средние концентрации всех исследованных металлов отмечены в почках и печени, минимальные— в мышечной ткани.

Количество Хх\, Си, РЬ, Сс1 в органах насекомоядных было значительно ниже, чем в почве, и составляло 0,001-16 %. В то время как содержание Ь^ в органах насекомоядных было почти в 2-5 раз выше, чем в почве, и составляло 180-320% (рис. 2).

Показатели содержания металлов в органах хищных млекопитающих исследованных видов уменьшались в ряду Ъл > Си > РЬ > С<1 и варьировали в пределах: 8,4-102,3 мг 1п!кг\ 2,46-36,7 мг Си/кг; 0,004-2,87 мг РЬ/кг и 0,013,22 мг С<3/кг - в органах куниц; 20,33-72,32 мг гп/кг; 1,84-27,17 мг Си/кг; 0,14-0,38 мг РЬ/кг и 0,004-0,86 мг Сс1/кг - в органах енотовидной собаки.

Си

1.24

почил буро !>ОКИ 14101. собака куипим

(41

0.01

почва бу|ю(убки ешп. сооака куницы

буролбки енок сооака кунипы

Рис. 2. Содержание тяжелых металлов (мг/кг) в почве и в мышцах млекопитающих Череповецкого района: —— - Кларк металлов для почвы

В среднем концентрации металлов в органах хищных млекопитающих статистически достоверно различались: максимальные концентрации отмечены для цинка (35,79±1,75), минимальные — для свинца (0,36±0,05) и кадмия

(0,36±0,06), количество меди в образцах (8,43±0,84) соответствовало промежуточным значениям.

Распределение и аккумуляция металлов по органам исследованных видов хищных млекопитающих было различным: максимальные концентрации Си отмечены в печени животных, РЬ и Cd — в почках, Zn — в мышцах. Статистически достоверно меньшие значения содержания Си, Pd, Cd отмечены в мышцах, Zn — в почках. А максимальные концентрации Hg в органах исследованных видов млекопитающих зарегистрированы в почках и печени.

Достоверных различий между содержанием меди, кадмия и свинца в одних и тех же органах лесной куницы и енотовидной собаки не выявлено. При этом количество цинка в почках куницы достоверно выше, чем содержание этого металла в почках енотовидной собаки.

Количество цинка, меди, свинца в органах хищных млекопитающих было значительно ниже, чем их содержание в почве и процентном соотношении варьирует в пределах: Zn — 8-14; Си — 3-13; РЬ — 0,1-0,5, Cd— 3-28 % (см. рис. 2). Содержание ртути в органах хищных млекопитающих в 14-90 раз превышало ее количество в почве (см. рис. 2).

Содержание цинка и меди в среднем по всем органам, как у енота, так и у куницы в 2-7 раз выше, а концентрации свинца и кадмия соизмеримы с количеством металла в органах землероек.

Обсуждение результатов

Выявленные средние значения концентраций ртути в почвах исследованных биотопов из окрестностей индустриального центра оказались в 1,44,6 раза выше Кларка для почв (0,01 мг/кг) и в 2-3 раза ниже Кларка для литосферы (0,080-0,083 мг/кг) [Виноградов, 1962; Li et al., 2010]. При этом установленные в почве концентрации ртути сопоставимы с фоновыми для европейской части России (0,02-0,5 мг/кг сухой массы) [Беспамятное, Кротов, 1985], а также с количеством металла в лесных почвах неиндустриальных европейских территорий (0,007-0,55 мг/кг сухой массы) [Rieder et al., 2011], но в 20-40 раз ниже, чем в почвах загрязненных районов Великобритании, США и Китая [Bull et al., 1977; Zhang et al., 2009; Talmage, Walton, 1993].

Наибольшие концентрации ртути зарегистрированы в гумусовом горизонте, во всех исследованных биотопах за исключением сероольшаника, в котором максимальные концентрации металла отмечены в иллювиальном горизонте. Закономерное снижение содержания металла с увеличением почвенной глубины отмечалось и ранее и объяснялось изменением органического вещества (гумуса) и минералов, обладающих повышенным сродством к ртути [Иванов, 2010; Удоденко и др., 2011; Ravichandran, 2004]. В гумусовых гори-

зонтах исследованных биотопов концентрации металла значительно варьировали и превышали Кларк для почв: в 2,7 — на суходольном лугу и в 13 раз — в березово-осиновом лесу. Это соответствует ранее сделанным предположениям о более высоком содержании ртути в лесных почвах, чем в луговых [Louis et al., 2001; Skyllberg, Drott, 2010].

Зарегистрированные в ходе работы концентрации ртути в дождевых червях из различных биотопов (0,55±0,21 мк/кг сухой массы) сопоставимы с полученными ранее данными по содержанию металла в дождевых червях из лесов Швейцарии (~ 1 мг/кг сухой массы), не подверженных промышленному воздействию [Rueder, 2011], и в 5-30 раз ниже средних значений, установленных для животных из промышленных районов Китая (2,8 мг/кг сухой массы) и США (15,5 мг/кг сырой массы) [Zhang et al., 2009; Talmage, Walton, 1993].

Установлена достоверная корреляционная зависимость между концентрацией Hg в почве и в дождевых червях (rs = 0,85, р < 0,01). Содержание ртути в дождевых червях в районе исследования в 3-8 раз выше, чем концентрации Hg в органах обыкновенной бурозубки и в 15-100 раз выше, чем в органах рыжей полевки. Некоторые авторы связывают высокую вариабельность концентраций тяжелых металлов в организмах мелких млекопитающих с различной долей содержания дождевых червей в их рационе питания [Ma et al., 1987, 1991]. Имея максимальную биомассу среди почвенных беспозвоночных, дождевые черви являются важным компонентом наземных экосистем и существенным звеном пищевых цепей, включающих, в том числе и представителей мелких млекопитающих [Hsu, 2006; Hendriks, 1995].

Содержание ртути в основных группах насекомых, собранных на территории отлова мелких млекопитающих, было низким (0,01-0,04 мг/кг), за исключением навозников, слепней, хищных жужелиц и стрекоз (0,1-0,3 мг/кг сухой массы). Ранее было установлено, что количество ртути в корме насекомоядных в 4,5 раза ниже, чем количество ртути в почках животных [Talmage, Walton, 1993]. Исходя из этого, количество ртути в кормовых объектах бурозубок, отловленных в разных биотопах, различается: меньше на суходольном лугу (0,03 мг/кг) и больше в березово-осиновом лесу (0,06 мг/кг сухой массы). Вероятно, это связано с использованием разных объектов в рационе питания животных из исследованных биотопов, либо с разным содержанием ртути в одних и тех же объектах.

При этом концентрации ртути в органах мелких млекопитающих, отловленных в районе исследования (0,001-0,886), оказались сопоставимыми с имеющимися в литературе данными по содержанию металла в органах грызунов и насекомоядных (0,002-0,05 мг Hg/кг), места обитания которых значительно удалены от источников загрязнения, и в 3-10 раз ниже средних значе-

ний, установленных для животных из промышленных районов Европы и Северной Америки (0,51-1,24 мг/кг сухой массы) [Bull, 1977; Комов и др., 2010].

Концентрации ртути во всех исследованных органах бурозубок статистически значимо выше концентраций, зарегистрированных в органах полевок. Полученные данные позволяют предположить, что ртуть в организм исследованных видов мелких млекопитающих поступает преимущественно с животными объектами питания (основа кормового спектра обыкновенной бурозубки) и в меньшей степени — с растительной пищей (основа кормового спектра рыжей полевки). Установленные закономерности биоаккумуляции ртути — увеличение концентрации Hg в живых организмах с продвижением по трофической цепи, а также более интенсивное накопление Hg плотоядными и всеядными животными, по сравнению с растительноядными видами — подтверждают ранее описанный процесс биомагнификции металла и незначительную роль растений в миграции ртути по трофическим сетям [Ma, 1994; Winer, 2003].

Кроме того, у бурозубок установлены высокие статистически значимые корреляционные связи между концентрациями ртути во всех парах исследованных органов, в то время как для грызунов такие зависимости выражены слабее или недостоверны, что может свидетельствовать о меньшем поступлении металла в организм полевок по сравнению с бурозубками.

Количество аккумулированного бурозубками металла зависит от особенностей места их обитания, в частности от увлажненности. Концентрация Hg в организме насекомоядных, отловленных в сыром березово-осиновом лесу с влажными подкисленными почвами, достоверно выше, чем у животных из суходольного луга, отличающегося сухими нейтральными почвами. У полевок аналогичная тенденция отмечена только для мозга. Особенности накопления и распределения ртути по органам животных из разных биотопов могут быть связаны с неоднородностью распределения на исследованной территории неорганических и ртутьорганических соединений ртути, которые имеют различную степень биоаккумуляции [Ulfvarson, 1970].

Выявленные в настоящей работе концентрации ртути в органах хищных млекопитающих семейства куньих Вологодской области (0,004-6,49 мг Hg/кг сырой массы) оказались в основном сопоставимыми с имеющимися в литературе данными для наиболее исследованных на настоящий момент представителей семейства куньих — норки и выдры. Содержание металла в органах выдр и норок Северной Америки составляет 0,06-10,2 мг/кг сырой массы [Evans, 2000; Fortin, 2001; Yates, 2005]. Высокие концентрации Hg в органах этих животных связаны, вероятно, с их преимущественным питанием рыбой [Wiener, 2002].

Статистически значимых отличий в содержании ртути в органах эврифа-гов — лесного хоря и куницы — не установлено, несмотря на определенные различия в их рационе. В печени, почках и мозге типичных миофагов — ласки и горностая содержание ртути достоверно ниже, чем в таких же органах других исследованных видов куньих.

Содержание Hg во всех исследованных органах куниц достоверно уменьшалось с увеличением расстояния мест их обитания от промышленных центров, индустриально-развитого Череповецкого района, так же как это было установлено для норок Атлантического побережья США [Osowski, 1995]. Концентрация ртути в органах норок и выдр, по мнению ряда авторов, может быть использована в качестве показателя загрязнения окружающей среды в районах, близких к промышленным центрам [Fortin et al., 2001].

Районы обитания исследованных экземпляров лесных куниц различались не только по степени удаленности от промышленных центров Вологодской области, но и по своим природно-климатическим особенностям. Для западных районов — Череповецкого, Кадуйского, Вашкинского и Устюженского — характерно наличие большого числа озёр и заболоченных территорий, в то время как в Никольском районе, расположенном на востоке области и удаленном от металлургического центра более чем на 500 км, крупных водоемов и болотных массивов нет [Природа ..., 1957]. Выявлены достоверные корреляционные зависимости между концентрацией ртути в органах куниц и среднегодовым количеством осадков, числом озёр, густотой речной сети в районе, долей территории (%), занятой болотами и лугами. Полученные результаты могут свидетельствовать о миграции ртути из водных экосистем в наземные.

Концентрации ртути в печени и почках хищных млекопитающих семейства псовых, добытых в Череповецком районе (0,2-0,5), более чем на порядок превышали концентрации металла в соответствующих органах диких лисиц, отловленных в Западной Польше, Хорватии и Италии (0,007-0,06 мг Hg /кг сырой массы) [Kalisinska et al., 2009; Bilandzic et al., 2010; Alleva et al., 2006]. При этом содержание Hg в печени и почках животных из Череповецкого района фактически совпадали с количеством Hg в соответствующих органах красной лисицы (0,3-1,28 мг/кг сырой массы), отловленной в загрязненных ртутью районах Испании и на остове Милин в Польше [Millan et al., 2008; Kalisinska et al., 2009].

Концентрация ртути в печени и почках представителей семейства псовых, выращенных в искусственных условиях на зверофермах, не превышает 0.05 мг/кг сырой массы и рассматривается рядом авторов в качестве показателя геохимического фона металла [Farrar et al., 1994; Cybulski et al-, 2009]. В органах исследованных видов псовых Вологодской области среднее содержание ртути превышало этот показатель в 4-7 — для почек и в 6-15 раз —для

печени. Поэтому зарегистрированные нами концентрации Hg в органах и тканях хищных млекопитающих с высокой долей вероятностью свидетельствуют о повышенном содержании металла в наземной экосистеме исследуемого региона.

В то же время зарегистрированные в ходе работы концентрации общей ртути в органах и тканях хищных млекопитающих семейства псовых Череповецкого района в среднем ниже показателей, установленных для наиболее исследованных на настоящий момент полуводных представителей семейства куньих — выдр и норок, которые являются ихтиофагами.

Как было показано ранее, повышенное содержание Hg в органах млекопитающих может быть связано с особенностями питания: максимальные значения показателей зарегистрированы у животных, рацион которых богат рыбой и другими гидробионтами [Hansen et al., 1989; Debski, Chudzicka-Popek, 2005]. Участки окрестностей г. Череповца, где были отловлены енотовидные собаки, равно удалены от промышленного центра, при этом биотопически различаются. Содержание ртути в органах енотовидных собак, обитающих на побережье Рыбинского водохранилища, достоверно выше (в 2 раза), чем в органах животных, обитающих на большом расстоянии от этого водоема. Вероятно, это обусловлено большим количеством гидробионтов, а также трофически связанных с водными экосистемами птиц и млекопитающих в рационе питания животных, обитающих на прибрежных территориях.

Концентрация ртути в органах лисиц, разводимых в неволе, в 1,5-8 раз выше, чем в корме животных. Исходя из этого соотношения, содержание ртути в корме диких лисиц Вологодской области должно составлять 0,05 мг/кг сырой массы, что соответствует количеству металла в мелких млекопитающих исследуемого региона.

Содержание ртути в органах диких хищных млекопитающих Вологодской области значительно выше (в 10-50 раз) количества металла в органах животных, выращенных в неволе. Кроме того, у животных, добытых в природе, установлена корреляционная зависимость между количеством ртути в разных парах органов. У млекопитающих, выращенных на зверофермах, такой зависимости не установлено, что может свидетельствовать о повышенном содержании металла в наземной экосистеме исследуемого региона.

Содержание ртути в мозге исследованных видов млекопитающих Вологодской области значительно ниже, чем установленные в результате медицинских и токсикологических исследований значения (3-5 мг Hg/кг), которые могут вызывать визуальный, когнитивный или нейроповеденческий дефицит у мелких млекопитающих (мыши, крысы, морские свинки) [Burbacher et al., 1990].

Для норки и выдры концентрации сублетального воздействия ртути оцениваются как Уз часть от средних летальных концентраций, которые в разных органах животных составляют приблизительно в 3,0-10,0 мг/кг сырой массы [Haibrook et al., 1994, US EPA, 1997]. В лабораторных условиях было установлено, что содержание ртути в печени домашней собаки, превышающее 2,83,3 мг/кг сырой массы, несовместимо с жизнью [Farrar et al., 1994]. Поэтому не исключено, что представители семейства псовых более чувствительны к Hg, чем наземные ихтиофаги. Исследований, посвященных воздействию сублетальных концентраций ртути на диких хищных млекопитающих семейства псовых и выявлению у последних функциональных и поведенческих изменений, очень мало. Однако в ряде работ высказывается предположение, что накопление ртути в органах и тканях хищных животных может негативно сказаться на их жизни в дикой природе, имея своим следствием снижение остроты зрения и способности охотиться, а также голодание и сокращение воспроизводства [Aulerich et al., 1974; O'Connor, Nielsen 1981; Wobeser et al., 1976; Wolfe et al., 1998]. У 12 % исследованных особей хищных животных, обитающих в окрестностях крупного промышленного комплекса Северо-Запада России, установлены концентрации ртути в органах, близкие к экспериментально установленным остротоксичным, летальным дозам металла для позвоночных животных, которые превышают установленный в США «стандарт здоровья наземной экосистемы» - 1,1 мг/кг [Gerstenberger et al., 2006]. Высокие концентрации металла свидетельствуют о реальной возможности возникновения функциональных нарушений на организменном уровне. Поэтому мониторинг уровней накопления металла в тканях и органах хищных млекопитающих может быть использован для оценки ртутной нагрузки на окружающую среду региона исследования.

Выводы

1. Концентрации ртути в поверхностном горизонте почвы исследуемых биотопов сопоставимы с фоновыми для европейской части России и значительно ниже, чем в почвах промышленных (загрязненных) районов. Содержание металла снижается с увеличением глубины залегания почвенного горизонта и зависит от характера растительности и почвенных условий: максимальные значения установлены в березово-осиновом лесу с влажными подкисленными почвами (0,13 мг/кг), минимальные - на суходольном лугу (0,03 мг/кг), отличающимся сухими нейтральными почвами. Содержание ртути в дождевых червях (в среднем 0,55 мг/кг сухой массы) в 10 раз выше, чем в почве. Установлена сильная корреляционная связь между содержанием ртути в почве и в земляных червях (г5= 0,85,р <.0,01).

2. Содержание ртути во всех исследованных органах бурозубок (почки — 0,19±0,14; печень — 0,12±0,Л; мышцы — 0,11 ±0,09; мозг— 0,07±0,04) статистически значимо выше, чем концентрации ртути в соответствующих органах растительноядных полевок (почки — 0,03±0,02; печень — 0,02±0,03; мышцы — 0,04±0,02; мозг — 0,005±0,004). Установлены положительные корреляционные зависимости между содержанием ртути во всех органах бурозубок и количеством металла в почве и в дождевых червях (гА= 0,40-0,89; /7 < 0,01) и только для почек и мозга-у грызунов (гх= 0,54, р < 0,01; г5= 0,38, р < 0,01).

3. Концентрации ртути в органах хищных млекопитающих из семейства куньих варьируют в широких пределах (разница между количеством ртути в одних и тех же органах разных видов — до 40 раз): максимальные концентрации металла отмечены в органах типичного потребителя гидробионтов -американской норки (0,87-3,72), средние значения - в органах видов с широким кормовым спектром - куницы (0,13-0,67) и лесного хоря (0,09-0,38), минимальные показатели - у типичных миофагов, горностая (0,03-0,18) и ласки (0,12-0,27 мг Ь^/кг сырой массы).

4. Близость к промышленным территориям, а также наличие болот и крупных, непроточных водоёмов в районах обитания животных определяют повышенные концентрации ртути в их органах, что может свидетельствовать о миграции ртути из водных экосистем в наземные.

5. Средние значения концентрации ртути в печени и почках хищных млекопитающих семейства псовых, добытых в окрестностях г. Череповца, более чем на порядок превышают концентрации металла в тех же органах животных из фоновых регионов Европы. Содержание ртути в органах енотовидных собак, обитающих на побережье водохранилища, достоверно выше, чем в органах животных, обитающих на большом расстоянии от этого водоема.

6. Содержание ртути в органах хищных млекопитающих, выращенных в неволе на звероводческой ферме, в 10-50 раз ниже, чем в органах диких животных Вологодской области. В отличие от диких хищников, у фермерских животных не установлена корреляционная зависимость между количеством ртути в разных парах органов, что может свидетельствовать о повышенном содержании металла в наземной экосистеме исследуемого региона.

7. Средние концентрации цинка (Хп), меди (Си), свинца (РЬ), кадмия (Сс1) в почве на 2-4 порядка выше содержания в ней ртути. Уровни накопления этих металлов (Ъс\, Си, РЬ, Сс1) в органах бурозубок и хищных млекопитающих соизмеримы или ниже уровней в почве, в то время как концентрации увеличиваются в живых организмах с переходом на более высокий трофический уровень и в органах хищников в 10-90 раз выше, чем в почве.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в изданиях перечня ВАК РФ

1. Содержание ртути в органах хищных млекопитающих семейства куньи (Mus-telidae) Вологодской области / Комов В.Т., Степина Е.С., Гремячих В.А., Поддубная Н.Я., Борисов М.Я. И Поволжский экологический журнал. - 2012. - № 4. - С. 385— 393.

2. Видовые особенности содержания ртути в органах хищных млекопитающих различного экогенеза / Хижкин Е.А., Плюха В.А., Комов В. Т., Паркетов КВ., Ильина Т.Н., Баишникова II.В., Сергина С.Н., Гремячих В.А., Камшилова Т.Е., Степина Е.С. // Тр. Карельского науч. центра РАН. -2012. -№ 2. - С. 147-153.

3. Влияние ртути на гидролиз углеводов в кишечнике бурозубок / Голованова ПЛ., Пенькова Г.А., Степина Е.С., Филиппов A.A., Комов В.Т. // Токсикол. вестник. - 2012. -№3. - С. 52-56.

4. Влияние накопленной ртути на активность кишечных гликозидаз у рыжей полевки из различных биотопов / Пенькова Г.А., Филиппов A.A., Голованова ПЛ., Степина Е.С. // Ярославский педагогический вестник. - 2012. - № 1. - С. 112-116.

Статьи в прочих изданиях

1. Содержание ртути в представителях массовых видов позвоночных наземных и пресноводных экосистем / Комов В.Т., Гремячт B.C., Лобус П.В., Степина Е.С. И Проблемы и пути сохранения биоразнообразия: Материалы всерос. конф. с между-нар. участием «Водные и наземные экосистемы, проблемы и перспективы исследования». - Вологда, 2008. - С. 116-119.

2. Содержание ртути в представителях массовых видов позвоночных животных, относящихся к разным таксономическим и трофическим группам / Комов В. Т., Гремячих В.А., Лобус Н.В., Степина Е.С. II Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: Материалы III Всерос. конф. по водной токсикологии. - Борок, 2008. - С. 34-37.

3. Степина Е.С. Содержание ртути в тканях и органах млекопитающих Вологодской области // Ртуть в биосфере, эколого-геохимические аспекты: Материалы междунар. симп. / Ин-т геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН), г. Москва, 7-9 сентября 2010 г. - 2010. - С. 314-318.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Иванова, Елена Сергеевна, Борок

Учреждение Российской академии наук Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

На правах рукописи УДК: 504.53.054-034.08(470.12)

04201363800

ИВАНОВА ЕЛЕНА СЕРГЕЕВНА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РТУТИ В КОМПОНЕНТАХ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ

03.02.08 - Экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор В.Т. Комов

Борок - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................... 4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................. 8

1.1. Характеристика физико-химических свойств ртути и ее соединений........ 8

1.2. Содержание ртути в природе........................................................................... 9

1.3. Антропогенное поступление ртути в окружающую среду...........................11

1.4. Глобальный и локальный круговорот ртути..................................................13

1.5. Распределение ртути в компонентах водных экосистем..............................18

1.6. Содержание ртути в компонентах наземных экосистем...............................23

1.7. Токсические свойства ртути и ее соединений. Эффективные дозы и концентрации ртути.............................................................................................................36

Глава 2. РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.................43

2.1. Краткая характеристика природно-климатических условий Вологодской области............................................................................................................................43

2.2. Биотопы в районе металлургического комбината г. Череповца..................50

2.3. Биологическая характеристика объектов исследования...............................52

2.4. Сбор, обработка и определение ртути в пробах............................................59

2.5. Определение содержания Сё, Ъп, РЬ, Си в пробах........................................65

2.6. Статистическая обработка данных..................................................................66

Глава 3. СОДЕРЖАНИЕ РТУТИ В ПОЧВЕННЫХ ГОРИЗОНТАХ И БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ЖИВОТНЫХ ИЗ РАЗНЫХ БИОТОПОВ............................66

3.1. Почвенные горизонты......................................................................................66

3.2. Дождевые черви................................................................................................68

3.3. Насекомые.........................................................................................................70

Глава 4. СОДЕРЖАНИЕ РТУТИ В ОРГАНАХ МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ БИОТОПОВ.....................................72

4.1. Рыжая полевка (СШИпопотуя glareolus).......................................................... 72

4.2. Обыкновенная бурозубка {Богех агапеш)...................................................... 74

Глава 5. СОДЕРЖАНИЕ РТУТИ В ОРГАНАХ ХИЩНЫХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ...............................................................................................80

5.1. Содержание ртути в органах диких млекопитающих семейства куньих (М^еНёае)..................................................................................................................... 80

5.2. Содержание ртути в органах диких млекопитающих семейства псовых (Сатс1ае)......................................................................................................................... 85

5.3. Содержание ртути в органах разводимых в неволе хищных млекопитающих................................................................................................................... 88

Глава 6. РАЗЛИЧИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ РТУТИ И ДРУГИХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ И БИОТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТАХ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ .................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................... 98

ВЫВОДЫ......................................................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Ртуть обладает уникальными физико-химическими свойствами, которые обусловливают ее повсеместное нахождение в окружающей среде и более высокую степень биомагнификации, по сравнению с другими тяжелыми металлами [Arctic Pollution, 2002]. По разным оценкам, ежегодное поступление ртути в атмосферу составляет от 3 до 7 тыс. т. При этом примерно половина приходится на ее антропогенные источники [Расупа, 2005; UNEP, 2008]. Большая часть выбросов ртути в атмосферу - это элементарная газообразная ртуть (Hg°). Именно с летучестью и продолжительным временем ее жизни (до одного года) связано глобальное распространение металла в атмосфере [Lindberg et al., 2007].

Основное внимание до последнего времени уделялось исследованию ак-_кумуляции ртути гидробионтами, так как именно в водной среде присутствуют условия для бактериального процесса образования наиболее токсичных ртутьорганических соединений [Arctic Pollution, 2002; Scheuhammer et al., 2007]. Метилированные соединения интенсивнее, чем неорганические, аккумулируются биотой и медленнее выводятся из организма, что приводит к более эффективному переносу ртути по трофической цепи, по сравнению с прямым поглощением металла животными из окружающей среды [Huckabee et al., 1979]. Содержание ртути в живых организмах возрастает по мере приближения к вершинам трофических сетей и достигает максимальных значений у представителей высших трофических уровней - хищных рыб, рыбоядных птиц и млекопитающих [Scheuhammer et al., 2007]. Ртуть и ее соединения относятся к числу наиболее опасных для живых организмов токсических веществ, способных вызывать у животных широкий спектр негативных воздействий. У полярной гагары отмечено нарушение воспроизводства, если в объектах ее питания концентрация ртути составляет 0,21 мг/кг, и становится невозможным при 0,4 мг/кг [Burgess et al., 2008]. Концентрации металла в головном мозге мелких млекопитающих, равные 3-5 мг/кг, могут вызывать ви-

зуальный, когнитивный или нейроповеденческий дефицит [Burbacher et al., 1990]. Пороговая концентрация ртути в пище норки, вызывающая функциональные нарушения (вялость, паралич конечностей, судороги и смерть), равна 1,1 мг/кг сырой массы [Scheuhammer et al., 2007].

Исследований, посвященных накоплению и распределению ртути в компонентах наземных экосистем, крайне мало. Поэтому актуальна оценка содержания и выявление закономерностей накопления живыми организмами наземных экосистем соединений ртути, которая невозможна без определения уровней ее содержания в организме животных, относящихся к разным таксономическим и трофическим группам.

На территории Вологодской области расположены крупные промышленные предприятия, сжигающие в технологическом процессе большое количество природных углеводородов и являющиеся источниками поступления ртути в окружающую среду. В озерах, не имеющих на площади водосборного бассейна локальных источников поступления ртути и находящихся на расстоянии десятков и сотен километров от промышленных центров области, неоднократно регистрировались высокие значения содержания ртути в мышцах окуня (1,0-3,0 мг Hg/кг) [Степанова, Комов, 1997; Haines et al., 1992]. Результаты исследований последнего десятилетия указывают на возможность использования данных по содержанию ртути в органах хищных млекопитающих семейств куньих и псовых для оценки уровня содержания металла в экосистеме в целом (антропогенного загрязнения) [Munthe et al., 2007; Ка-lisinska et al., 2009].

Исследований по оценке содержания ртути в организмах, относящихся к разным трофическим уровням, наземных экосистем в Вологодской области и в целом по России не проводилось.

Цель и задачи исследования. Цель работы - установить основные закономерности накопления и распределения ртути в разных компонентах наземных экосистем Вологодской области.

Задачи исследования:

1. Определить содержание ртути в почвенных горизонтах, в беспозвоночных животных и в органах мелких млекопитающих, собранных на различных биотопах в окрестностях крупного промышленного комплекса.

2. Установить межвидовые различия накопления и распределения Щ в организмах диких промысловых видов хищных млекопитающих Вологодской области и животных, выращенных в неволе на зверофермах.

3. Изучить зависимость количества ртути в органах хищных млекопитающих от природно-климатических параметров среды их обитания, а также от их удаленности от крупных промышленных предприятий, являющихся потенциальными источниками поступления ртути в окружающую среду.

4. Сравнить накопление и распределение в почве и биотических компонентах наземных экосистем ртути и других тяжелых металлов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Характер растительности и почвенные условия биотопа определяют накопление и распределение ртути в почвенных горизонтах и в органах наземных животных.

2. Ртуть в организм мелких млекопитающих поступает преимущественно с животными объектами питания и в меньшей степени - с растительной пищей.

3. Содержание ртути в органах типичного представителя наземных экосистем - лесной куницы - выше в районах с высокими показателями количества атмосферных осадков, коэффициента озерности, большей долей территории, занятой болотами, и меньшим значением густоты речной сети. Содержание ртути в органах животных снижается при удалении от источников выбросов ртути в атмосферу.

4. Содержание ртути в органах животных, выращенных на звероводческих фермах, значительно ниже, чем у диких животных Вологодской области, у которых оно напрямую зависит от атмосферного или локального поступления металла в экосистему.

5. В отличие от других тяжелых металлов в наземных экосистемах Вологодской области количество ртути в органах млекопитающих выше, чем ее содержание в почве.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Характеристика физико-химических свойств ртути и ее соединений

Ртуть (Hg) химический элемент II группы периодической системы Д.И. Менделеева, порядковый номер 80, атомная масса 200,59 единиц [Хим. эн-циклоп. словарь]. Ртуть в обычных условиях представляет собой блестящий, серебристо-белый тяжелый жидкий металл. Удельный вес при 20 °С 13,54616 г/см3; температура плавления равна -38,89 °С, кипения - 357,25 °С. При замерзании (-38,89 °С) становится твердой и легко поддается ковке. Даже в обычных условиях ртуть обладает повышенным давлением насыщенных паров и испаряется с довольно высокой скоростью, которая с ростом температуры увеличивается. Природная ртуть состоит из 7 стабильных изотопов с массовыми числами 196, 198-202 и 204, из которых наиболее распростране-

ллл ллл

НЫ Hgzuu (23,13 %) и Hg (29,8 %). Конфигурация внешних электронов атома 5dl06s2 [Трахтенберг, Коршун, 1988].

Важную роль в геохимии ртути играет ее миграция в газообразном состоянии и в водных растворах. Помимо элементарного состояния Hg°, в соединениях ртуть существует и в одновалентном Hg+1, и двухвалентном Hg+2 состоянии, причем в природной среде соединения Hg+2 встречаются значительно чаще, чем Hg+1 [Вольфсон, 1975]. Обладая высоким потенциалом ионизации, высоким положительным окислительным потенциалом, ртуть является относительно стойким в химическом отношении элементом. Это обусловливает ее способность восстанавливаться до металла из различных соединений и объясняет частые случаи нахождения ртути в природе в самородном состоянии (Hg), которая, как правило, не является биодоступной [Arctic Pollution, 2002]. Кроме того, существует большое количество ртутьсодержащих органических соединений, в которых атомы металла связаны с атомами углерода. Ртутьорганические соединения легко подвергаются термическим и фотохи-

мическим реакциям, но устойчивы по отношению к воде, кислотам и основаниям [Вольфсон, 1975].

1.2. Содержание ртути в природе

Ртуть принадлежит к числу весьма редких элементов, ее среднее содержание в земной коре (Кларк) - 0,01 мг/кг, в литосфере - 0,08 -н 0,083 мг/кг [Виноградов, 1957; 1л е1 а1., 2010]. В земной коре ртуть преимущественно рассеяна; осаждается из горячих подземных вод, образуя ртутные руды (около 0,02 % всей ртути) [Сауков, 1975]. Известно более 100 ртутных и ртутьсо-держащих минералов. Основным минералом, определяющим промышленную значимость ртутных месторождений, является киноварь. Самородная ртуть, метациннабарит, ливинг-стонит и ртутьсодержащие блеклые руды имеют резко подчиненное значение и добываются попутно с киноварью. Всего в мире обнаружено около 5000 ртутных месторождений, рудных участков и рудопроявлений, но подавляющая часть ртути (более 80 %) ртутной промышленности получена на 8 месторождениях: Альмаден (Испания), Идрия (Словения), Монте-Амиата (Италия), Уанкавелика (Перу), Нью-Альмаден и Нью-Идрия (США), Никитовка (Украина), Хайдаркан (Киргизия).

Ртуть концентрируется не только в ртутных минералах, рудах и вмещающих их горных породах. В повышенных концентрациях ртуть содержится в рудах многих других полезных ископаемых (полиметаллических, медных, железных и др.). Установлено накопление ртути в бокситах, некоторых глинах, горючих сланцах, известняках и доломитах, в углях, природном газе, нефти. Современные данные свидетельствуют о высоком содержании ртути в мантии, в результате дегазации которой, а также естественного процесса испарения ртути из земной коры, наблюдается явление, получившее название «ртутного дыхания Земли». Процессы эти идут постоянно, но активизируются при извержениях вулканов, землетрясениях, геотермальных явлениях и т.

п. Поставка ртути в окружающую среду в результате ртутного дыхания Земли (природная эмиссия) составляет около 3000 т в год [Карасик и др., 1986].

В воздухе постоянно содержится 5000 т ртути в виде паров и в аэрозольном состоянии [Swain et al., 2007]. Время пребывания паров элементарной ртути составляет 1-2 года, ее реакционных (ионных) форм - от нескольких часов до нескольких дней [Lindberg et al., 2007]. В слабозагрязненном воздухе концентрация ртути составляет 0,8-1,2 нг/м3, в районах крупных ртутных месторождений - до 240 нг/м3, в районах газовых месторождений - до 70 000 нг/м3, в то время как среднее содержание ее в атмосфере 0,5-2,0 нг/м3 [Грановский и др., 2001]. С начала индустриального периода (1850 г.) содержание ртути в атмосфере увеличилось в 3 (2-4) раза [Lindberg et al., 2007]. Об этом свидетельствуют временные тренды уровней ртути в озерных донных отложениях, торфяниках и ледниковом льду - основных естественных фиксаторах осаждающегося из атмосферы металла. Время нахождения ртути в атмосфере не изменилось, однако увеличилось ее депонирование в отдельных регионах земного шара. Возможно, из-за возросшей концентрации атмосферного озона [Lamborg et al., 2002]. Поступающий из океана в поверхностный атмосферный слой бром образует с озоном соединения, которые в дальнейшем реагируют с элементарной ртутью, способствуя осаждению [Arctic Pollution, 2002].

Глобальными источниками ртути являются горные породы, Мировой океан, подземные и все виды поверхностных вод, биосфера в целом. Около 0,1 % поступившей из мантии ртути находится в океанах в растворенном виде [Мур, Рамамурти, 1987]. По другим данным [Трахтенберг, Коршун, 1988], суммарное количество ртути в Мировом океане составляет 206 млн т. Океаны, содержащие 97 % запасов поверхностных вод Земли, являются самыми большими аккумуляторами растворенной ртути [Карасик и др., 1986].

Вследствие специфичности физико-химических свойств ртуть хорошо мигрирует в окружающей среде, накапливаясь и перераспределяясь, в зависимости от условий, в компонентах водных и наземных экосистем, газовых и

водных средах. Подавляющая часть ртути находится в рассеянном состоянии, создавая природный глобальный геохимический фон, на который накладывается ртутное загрязнение, обусловленное деятельностью человека и приводящее к формированию в окружающей среде зон техногенного загрязнения.

1.3. Антропогенное поступление ртути в окружающую среду

Расчеты баланса глобальной эмиссии ртути в окружающую среду, выполненные разными авторами, широко вариабельны. Поступление ртути из природных источников ранее оценивалось в 2700-6000 т/год, а антропогенная эмиссия - 630-^2000 т/год, т.е. соотношение природной и антропогенной эмиссии составляло (3—4): 1 [ЬтёЬе^ е1 а1., 2007]. По современным расчетам, антропогенная эмиссия ртути в атмосферу достигает 3600—4500 т/год, или 50-75 % от общего ежегодного поступления ртути в атмосферу [1ЛЧЕР, 2008]. Предполагают также, что в настоящее время эмиссия от антропогенных источников дает Уз поступившей в атмосферу ртути, Уз - естественная эмиссия с поверхности суши и океана, Уз - эмиссия от природных источников [ЫпсНэе^ е1 а1., 2007].

В структуре глобального баланса ртути доминирующую позицию по антропогенным выбросам металла занимает сжигание всех видов топлива для получения тепла, пара и электричества, а также для транспортных перевозок (рис. 1) [Ртуть..., 1979; ЕЬ^Ьаив е1 а1., 1999]. Другими антропогенными источниками ртути являются сжигание бытовых и медицинских отходов, высокотемпературные процессы плавки, обжига и получения металлов, цемента и извести; химическая и золотодобывающая промышленность и некоторые другие источники (производство люминесцентных ламп, обработка металлов, загрязненные земли и ртутьсодержащие отходы и др.) [РогсеПа е! а1., 1996].

Вследствие своих специфичных свойств ртуть и ее соединения широко применяются во многих отраслях промышленности. Наиболее крупными потребителями являются химическая (хлорщелочное производство, красители)

11

и электротехническая отрасли промышленности, которые в сумме составляют более 50 % общего мирового потребления ртути [Ртуть..., 1979]. Помимо этого ртуть широко используется в других о�