Химические особенности молоди рыб в составе гидробиоценоза мобильного биоплато

Полная исследовательская публикация _____________________ Калайда М.Л. и Хамитова М.Ф.

Размещено на http://www.allbest.ru/

96 ______ http://butlerov.com/ _______ ©--Butlerov Communications. 2014. Vol.37. No.3. P.90-96. (English Preprint)

Полная исследовательская публикация Тематический раздел: Биохимические исследования.

Регистрационный код публикации: 14-37-3-90 Подраздел: Химическая специфика биоценозов.

90 _________ ©--Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №3. __________ г. Казань. Республика Татарстан. Россия.

Химические особенности молоди рыб в составе гидробиоценоза мобильного биоплато

Калайда Марина Львовна, Хамитова Мадина Фархадовна

Кафедра «Водные биоресурсы и аквакультура». Казанский государственный энергетический университет. Ул. Красносельская, 51. г. Казань. 420066. Республика Татарстан. Россия.

Изучены особенности химического состава рыб из мобильного биоплато, функционировавшего в озере Средний Кабан г. Казани. В сравнительном аспекте показано накопление тяжелых металлов разными видами рыб.

Ключевые слова: мобильное биоплато, загрязнение окружающей среды, тяжелые металлы, молодь рыб, окунь, уклея, рентгенофлуоресцентный анализ, концентрации загрязняющих веществ.

В настоящее время отмечается значительное возрастание воздействия на природные водные экосистемы. Оно проявляется в виде эвтрофирования водных экосистем, вызванного поступлением органических веществ со сточными водами, загрязнения тяжелыми металлами, изменением структуры биоценозов. Это приводит не только к необходимости разработки методов очистки воды, но и разработке методов реабилитации водных экосистем.

Попав в экосистему, тяжелые металлы вовлекаются в круговорот, мигрируя по различ-ным звеньям трофической цепи. В соответствии с требованиями, предъявляемыми Объеди-ненной Комиссией ФАО/ВОЗ по пищевому кодексу, наиболее важным считается контроль в пищевых продуктах концентраций таких элементов как кадмий, свинец, медь, цинк, ртуть [1]. Эти элементы обладают способностью к кумуляции и поэтому, попадая в организмы даже в самых малых количествах, могут приводить к серьезным негативным последствиям. Загряз-нение ртутью наблюдается в 99% мирового улова, что связывают с близостью к акваториям техногенных источников загрязнения. Отмечается высокая загрязненность тяжелыми метал-лами рыб пресноводных водоемов (рис. 1).

Те тяжелые металлы, которые относятся к микроэлементам (например, железо, цинк, марганец), в результате загрязнения водных экосистем могут накапливаться в организмах рыб в количествах, превышающих жизненно необходимые. В этих случаях они выступают как вредные примеси. Их контроль в рыбах на территории рекреационных зон крупных городов также важен для сохранения здоровья населения.

Как видно из приведенных данных (табл. 1) в мышечной ткани рыб накапливаются в максимальных концентрациях цинк и медь, при этом допустимые остаточные количества цинка и меди в рыболовной продукции составляют соответственно 40 и 10 мг/кг сырой массы [2]. По свинцу, кадмию и ртути допустимые остаточные количества соответственно составляют в хищной рыбе 1.0. 0.1 и 0.5 мг/кг сырой массы, а в нехищной - 1.0. 0.1 и 0.3 мг/кг сырой массы [2]. Нормы этих токсичных металлов разрабатывались с учетом анализа дейст-вующих законодательных актов по гигиеническому нормированию в России и зарубежных странах, международных рекомендаций ФАО/ВОЗ. При этом учитывалось естественное содержание элементов в пищевых продуктах.

Рис. 1. Среднее содержание тяжелых металлов в средневолжском судаке и средневолжском леще (по данным [1])

Таким образом, практически по всем тяжелым металлам (кроме ртути) уже к 2000-ым годам отмечалось превышение допустимых остаточных количеств, рекомендованных ВОЗ о допустимом еженедельном поступлении токсичных тяжелых металлов с пищей и через другие источники.

По способности накапливать ТМ внутренние органы и ткани рыб можно расположить в следующий ряд: Скелет ? Печень. Почки. Селезенка ? Кишечник. Мозг. Гонады. Сердце ? Мышцы.

В наибольших концентрациях тяжелые металлы (мг/кг) накапливаются в скелете, в меньших - во внутренних органах, и наименьшее их количество приходится на единицу массы мышечных тканей [1]. Однако необходимо учитывать, что основную часть массы рыбы составляют мышечные ткани (например, у костистых рыб мышцы составляют около 50% от общей массы, а скелет около 15%). Таким образом, тяжелые металлы в максимальных количествах по абсолютным величинам содержатся в мышечных тканях.

Известны четыре основных пути поступления тяжелых металлов в организм рыб:

Ш хемосорбция ионов слизистыми оболочками;

Ш механический захват взвешенных частиц, содержащих тяжелые металлы;

Ш поступление с кормом;

Ш поглощение жабрами при дыхании.

С увеличением возраста рыб на концентрацию тяжелых металлов в их органах оказы-вают влияние две взаимосвязанные тенденции:

Ш накопление вследствие увеличения объема потребляемой пищи.

Ш снижение удельного содержания вследствие увеличения общей массы тела рыбы.

Обычно первая тенденция преобладает, поэтому с увеличением возраста рыб содер-жание тяжелых металлов в организме увеличивается, особенно у рыб с пониженным темпом роста.

Известно, что в зависимости от способа питания имеются особенности в накоплении тяжелых металлов в различных органах рыб [5]. Характерные ряды по убыванию среднего содержания тяжелых металлов в тканях и органах рыб Куйбышевского водохранилища по данным Л.К. Говорковой [5]: в мышцах: Fe?Zn?Cu?Mn?Pb?Ni?Co~Hg~Cr?Cd; в жабрах: Fe?Zn?Mn?Cu?Pb?Ni?Cr?Co?Cd~Hg; в печени: Fe?Zn?Cu?Mn?Pb?Co?Ni~Cd~Cr?Hg. При этом отмечено преимущественное накопление в печени тяжелых металлов у бентофагов при накоплении металлов организмами зообентоса, в жабрах отмечено увеличение у планктофагов при высоких концентрациях тяжелых металлов в воде.

С этих позиций интересно исследование сеголетков окуня и уклеи из мобильного биоплато, функционировавшего в течение вегетационного сезона 2013 года и использовав-шегося при проведении доочистки вод озера Средний Кабан биологическим методом [3, 4]. Поскольку в настоящее время стоит задача комплексного использования озера: как водоема-охладителя Казанской ТЭЦ-1, для задач рекреационного использования и использования в спортивных целях, улучшение качества вод в озере является важной задачей. рыба гидробиоценоз мобильный биоплато

При эксплуатации мобильного биоплато в качестве биологической загрузки использо-вались высшие водные растения, которые оказались удобным субстратом для концентрации уклейки - мелкой сорной рыбы и молоди окуня (рис. 2). Размер ячеи стенок секций мобиль-ного биоплато (8х8 мм) не позволил подросшей молоди выходить из секции, а хорошая кормовая база привела к высоким биологическим ростовым показателям.

Рис. 2. Молодь окуня из секции мобильного биоплато в конце вегетационного сезона 2013 года

При оценке эффективности функционирования биоплато особый интерес представляют экспериментальные исследования комплекса видов гидробионтов, включая рыб, как накопи-телей загрязняющих веществ.

Экспериментальная часть. Материалом для данной работы послужили пробы рыб окуня (Perca fluviatilis L.) и уклейки (Alburnus alburnus L.), отобранные из секций мобильного биоплато, фунционировавшего с начала июня до конца августа 2013 г. Исследование рыб на содержание химических элементов проводилось по пробам, отобранным в конце августа 2013 года. Подготовка материала проводились по ГОСТ 26929-94 [6]. Исследование содержания тяжелых металлов проводилось рентгенофлуоресцентным методом анализа [7-9].

В озере Средний Кабан в составе ихтиоценоза мобильного биоплато встречались широко распространенные и многочисленные виды, обитающие как в реках, так и в озерах уклейка (уклея) обыкновенная, речной окунь, кроме которых были обнаружены в единичных количествах пескарь обыкновенный (Gobio gobio L.), красноперка (Scardinius erythrophthalmus L.) и плотва (Rutilus rutilus L.) (рис. 3). Все эти виды предпочли в качестве местообитания биоплато в связи с их особенностями биологии и экологии.

Рис. 3. Среднее соотношение (% по количеству) рыб разных видов в одной секции мобильного биоплато в озере Средний Кабан в 2013 году

Красноперка - повсеместный обитатель биотопов озерного типа. В биоплато встречались особи 9.5-10.0 см с массой тела от 8.27 до 10.85 г (рис. 4). Для красноперки характерно обитание среди зарослей водной растительности, где она питается воздушными насекомыми. водными личинками насекомых и водной растительностью [6, 10]. Красноперка достигает до 35 см и массы 0.5 кг при продолжительности жизни до 10 лет [6]. В перечень вылавливаемых видов в Куйбышевсом водо-хранилище красноперка не входит.

Плотва в биоплато встречалась от 11.9-12.8 см с массой тела от 15.60 до 24.08 г (рис. 4). Все встреченные особи плотвы имели возраст двухлеток и. вероятно, зашли в секции биоплато годовиками на нагул. Для молоди плотвы характерно обитание в прибрежных мелководьях, а питается молодь фито- и зоопланктоном, переходя на водную растительность, и затем на питание моллюском дрейс-сеной. В Куйбышевском водохранилище (по данным Татарского отделения ФГБНУ «ГосНИОРХ») плотва встречается в уловах от 12 до 36 см. при этом ее возраст составляет от 2 до 15 лет. Самцы плотвы созревают с трехлетнего возраста при длине 12-13 см, а самки с 4-х лет при длине более 14 см и массе 57-59 г. В 2015 году предполагается выловить в Куйбышевском водохранилище 920 т плотвы для различных нужд пользователей.

Рис. 4. Средняя масса особей разных видов рыб в одной секции мобильного биоплато в озере Средний Кабан в 2013 году.

Пескарь обыкновенный предпочитает мелководья с песчаным дном, питается всеми бентосными организмами. В качестве нерестового субстрата использует водную растительность и каменистую поверхность. В последние годы отмечается сокращение численности этого вида [6, 10]. Любителями-рыболовами ценится за высокие вкусовые качества, несмотря на малые размеры. Достигает 20 см и массы до 226 г. В биоплато были встречены единичные экземпляры средней длиной 4.1 см и средней массой 0.61 г. В Свияжском заливе сеголетки пескаря в сентябре имели длину 4.6 см [10]. Вероятно, расти-тельная загрузка биоплато использовалась пескарем в качестве нерестового субстрата.

Уклея обыкновенная ведет пелагический образ жизни, питается планктоном. насекомыми, икрой и мальками рыб. Она относится к порционно нерестящимся рыбам, которые откладывают икру на растительность в мае-июне при температуре воды 15-16 °С. В биоплато уклея составляла в среднем 5.6% численности рыб в каждой секции (рис. 3).

Встречались особи от 9.0 до 12.0 см при массе от 4.33 до 11.99 г в возрасте 3-4 лет. Рост уклеи соответствует ее росту в водоемах региона: в р. Волга она в возрасте 3-х лет достигала 9.3 см, а в возрасте 4-х лет 11.4 см, в Куйбышевском водохранилище соответственно 10.8 и 12.1 см [8]. В Куйбышевском водохранилище в 2015 г. предполагается выловить для различных нужд пользователей 451 т уклеи. По данным Татарстанского отделения ФГБНУ «ГосНИОРХ» с 2010 по 2013 годы вылов уклеи в Куйбышевсом водохранилище составил соответственно 94.2; 97.7; 93.4; 69.0 т.

Окунь, доминировавший в составе ихтиоценоза биоплато (рис. 3), отличается высокой пластич-ностью, предпочитая использовать заросли водной растительности для укрытия и нападения; для молоди характерны скопления в прибрежных биотопах, где она нагуливается потребляя сначала зоопланктон, затем бентос, а крупные особи - рыбу. Нерест окуня отмечается при температуре 7-8 °С [7. 8]. В качестве нерестового субстрата могут использоваться как растительность, так и корни, коряги и углубления грунта, на которые прикрепляются кладки икры в виде длинных студенистых лент. В биоплато в июне нами кладки не были отмечены. Вероятно, к началу июня окунь в озере Средний Кабан уже отнерестился и его молодь вошла в секции мобильного биоплато для нагула поскольку загрузкой служили погруженные водные растения в которых хорошо развивалась кормовая база.

Молодь окуня питается зоопланктоном, но уже на первом году жизни может начинать хищ-ничать. Это приводит к значительным различиям в размерно-весовых характеристиках особей. В кон-це августа в биоплато встречались экземпляры окуня от 4.7 до 14 см при массе от 1.80 до 30.05 г. 78.2% особей окуня имели размеры от 2 до 5 г. При этом их длина варьировала от 5.5 до 8.0 см. 49.1% особей окуня имели длину от 6 до 7 см. Коэффициент упитанности окуней этой размерной группы варьировал от 1.7 до 2.0, а у окуней меньшей размерной группы - от 1.0 до 1.6. Длина окуня в водоемах Поволжья обычно не превышает 25 см при массе 300-400 г. а возраст - 12 лет [11]. В Куйбышевском водохранилище в 2015 г предполагается выловить окуня для различных нужд поль-зователей 337 т.

Ихтиоценоз в мобильном биоплато сложился в условиях, когда биоплато было установлено с целью организации локальной доочистки вод водными растениями [3. 4]. В процессе эксплуатации биоплато в 2013 году было выявлено, что функцию накопителей тяжелых металлов выполняет не только погруженная водная растительность, но и объекты животного мира - обрастатели моллюски дрейссена и сессильные организмы - клубчатые мшанки (рис. 5) [14. 15].

Исследование химического состава рыб (рис. 6) из мобильного биоплато выявило, что сухая масса окуня составляет 26.27%, уклеи соответственно 25.95%. Такие элементы как Ca. P накапли-ваются в молоди окуня в больших количествах, чем в уклее, а K. Sr. Zn - в меньших.

Рис. 5. Соотношение (% по сухой массе) химических элементов в моллюсках дрейссена и клубчатой мшанке из мобильного биоплато в оз. Средний Кабан в г. Казань

Рис. 6. Соотношение (% по сухой массе) химических элементов в рыбах из мобильного биоплато в оз. Средний Кабан в г. Казань

Анализ аккумуляции тяжелых металлов в организмах из мобильного биоплато (табл. 1) показал, что наибольшее их накопление отмечается в клубчатых мшанках, которые накапливают, например, свинец в несколько раз эффективнее, чем роголистник и рдест - известные аккумуляторы загрязняющих веществ.

Рыбы в условиях биоплато имели в составе тела более высокие концентрации тяжелых металлов по сравнению с аналогичными данными из озера Нижний Кабан (табл. 1). Сравнивая концентрации тяжелых металлов, характеризующих загрязнение средневолжских рыб (рис. 1, табл. 2) следует отметить, что ртуть, кадмий и свинец, характерные загрязнители рыб Средней Волги и Куйбышевского водохранилища по данным ряда авторов [5, 12, 16] в рыбах из мобильного биоплато не отмечены, хотя свинец был обнаружен в водных растениях и мшанках (табл. 1).

Отмечены следующие последовательности содержания элементов в рыбах из мобильного биоплато: для молоди окуня Ca?P?S?K?Fe~Mn~Cu~Sr?Zn~Zr?Br. для уклеи -Ca?P?S?K?Zn~Sr?Fe? Cu~Zr ?Mn?Br. В озере Нижний Кабан у молоди карповых рыб была отмечена следующая после-довательность содержания элементов: Ca?P?S?Fe?K?Sr?Ti?Mn?Zn?Cu.

Табл. 1. Содержание тяжелых металлов в гидробионтах в мобильном биоплато и других гидробионтах в озере Средний Кабан г. Казань.

Табл. 2. Содержание тяжелых металлов в рыбах в регионе Средней Волги

Для рыб из мобильного биоплато отмечено более высокое содержание меди и цинка по сравнению с рыбами из Куйбышевского водохранилища (табл. 2). Это связано с особенностями загрязнения водной экосистемы озера Средний Кабан. например концентрация меди и цинка в личинках хирономид из озера Средний Кабан соответственно в 10 и 15.7 раза выше, чем из озера Нижний Кабан [13]. Допустимые остаточные количества тяжелых металлов превышены в рыбах из мобильного биоплато по меди в 4.2-6.9 раз, по цинку в 1.6-3.6 раза. Медь накапливается в основном в печени и жабрах рыб, вызывая дегенерацию печени, а цинк особенно отрицательно воздействуют на жабры. снижая потребление кислорода и вызывая дыхательные спазмы [1].

Концентрация цинка в организме рыб зависит и от температуры воды в водоеме: наибольшее содержание микроэлемента отмечено при температуре около 25 °С [17]. Для озера С. Кабан харак-терно тепловое загрязнение, которое может влиять на уровень накопления элемента.

Потребность в цинке с увеличением температуры возрастает в то же время. Отмечено [17] что увеличивается выведение цинка из организма и в первую очередь, из костной ткани. Рыбы могут регулировать уровень цинка в организме путем изменения интенсивности его всасывания через кишечник и абсорбции жабрами депонирования микроэлемента костной, мышечной тканями и кожей, а также за счет выведения его экскреторными органами, среди которых наиболее существенное место занимает пищеварительная система. Было показано отрицательное воздействие на рост рыб в условиях подогретых сбростных вод Киевской ТЭЦ-5 недостатка цинка участвующего в синтезе белков [17].

Таким образом, высокое содержание цинка в рыбах в мобильном биоплато в условиях теплового загрязнения связано с интенсивным ростом рыб.

Визуальное обследование рыб из мобильного биоплато и их органов не выявило токсического воздействия, а скорости роста окуня и уклеи соответствовали обычным и высоким характерным для региона.

Выводы

В мобильном биоплато в условиях озера Средний Кабан происходит концентрация молоди окуня и карповых рыб среди которых доминирует по численности уклея. В хими-ческом составе рыб нагуливавшихся в условиях очистного сооружения с растительной заг-рузкой, отмечены превышения допустимых уровней содержания меди до 6.9 раза, а цинка до 3.6 раза.

Литература

1. Методические указания по очистке искусственными сорбентами рыбного сырья. загрязненного тяжелыми металлами. С.-П.: Изд-во ГосНИОРХ. 1997. 26с.

2. Медико-биологические требования и санитарные нормы качества продовольственного сырья и пищевых продуктов. М.: Изд-во стандартов. 1990. 185с.

3. Калайда М.Л. Устройство биоплато на озере Средний Кабан как биологический метод очистки вод. Экология Татарстана. 2012. №4. С.26-30.

4. Калайда М.Л., Говоркова Л.К., Загустина С.Д., Хамитова М.Ф. Биоплато как способ доочистки дренажных вод города и сточных вод промышленных предприятий. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. №7-8. С.123-129.

5. Говоркова Л.К. Выявление факторов накопления тяжелых металлов в органах рыб различных трофических групп: Автореф. дис... канд. биол. наук. Казань. Казан. Гос. Ун-т. 2004. 24с.

6. Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов: ГОСТ 26929 - 94. Утв. 21.02.95. М. 1994. 12с.

7. Калайда М.Л., Борисова С.Д. Аккумулирование загрязняющих веществ водными растениями и возможности утилизации растительной массы. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.21. №9. С.33-39.

8. Лапин А.А., Потапов В.В., Калайда М.Л., Мурадов С.В., Зеленков В.Н. Очистка воды от загрязнений водными растениями. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №7. С.85-92.

9. Калайда М.Л., Бариева Р.Н. Исследование листового опада березы повислой на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С.61-66.

10. Козловский С.В. Рыбы. Определитель в иллюстрациях. краткий справочник по экологии рыб. любительскому рыболовству и рыбоводству в Самарской области. Самара: Изд-во «Самарский дом печати». 2001. 224с.

11. Кузнецов В.А. Рыбы Волжско-Камского края. Казань: Изд-во «Идел-Пресс». 2005. 200с.

12. Куйбышевское водохранилище: экологические аспекты водохозяйственной деятельности. Под науч. Редакцией В.З. Латыповой и др. Казань: Изд-во Фолиантъ. 2007. 320с.

13. Калайда М.Л., Урядова Л.Ф., Асхадуллина А.Р. Результаты исследования водных организмов на содержание тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С.61-66.

14. Калайда е тяжелых металлов в условиях разной степени антропогенной нагрузки. Бутлеров М.Л., Хамитова М.Ф. Dreissena polymorpha Pal.(Mollusca) в составе гидробиоценоза мобильного биоплато как аккумуляторы загрязняющих веществ. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №2. С.122-126.

15. Калайда М.Л., Хамитова М.Ф. Мшанки Plumatella fungosa (Bryozoa) в составе гидробиоценоза мобильного биоплато как аккумуляторы загрязняющих веществ. Бутлеровские сообщения. 2014. Т.37. №2. С.127-130.

16. Калайда М.Л. Продукционная характеристика водоемов Среднего Поволжья как базы пастбищной аквакультуры (на примере Республики Татарстан): Автореф. дис... докт.биол.наук. Москва. ВНИИПРХ. 1998. 58с.

17. Малыжева Т.Д. Метаболизм цинка у карпа при различных экологических условиях: Автореф. дис... канд. биол. наук. Киев. 1982. 24с.

Размещено на Allbest.ru