УДК [(502.51: 504.5): 574.64] (285.2) (477.82.1-751.2) Ю.М. Ситник 1 ,
П.Г. Шевченко 2 , Ю.М. Забитівський 3
ТОКСИКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ЗАГИБЕЛІ ВУГРА В ОЗЕРІ ЧОРНЕ ВЕЛИКЕ ШАЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО ПРИРОДНОГО ПАРКУ (ОГЛЯД)
Описано аналіз результатів екотоксикологічних досліджень озера Чорне Вели-ке (Шацький національний природний парк), які проводилися у 1996 р, причиною яких стала загибель вугра європейського. Здійснено аналіз вмісту у воді важких ме-талів, пестицидів, нафтопродуктів та синтетичних поверхнево активних речовин. По-казано рівні накопичення важких металів у тканинах риб з озера Чорного Великого та суміжних озер та здійснено аналіз їх впливу на організм гідробіонтів.
Ключові слова: екотоксикологічні дослідження, риби, важкі метали, нафтоп-родукти, хлорорганічні пестициди, поверхнево-активні речовини.
Yu.M. Sytnik 1 , P.G. Shevchenko 2 , Yu.M. Zabytivskyy 3
Ecological toxicology of Shatsk lakes lake Chorne Velyke
scientific research 1996 (review)
The results are described of ecotoxicological researches of lake Chorne Velyke (Na-tional natural park of Shatsk), which were carried out in 1996. The reason of researches was the death of the European eel. It was analysed the content of heavy metals, pesticides, mineral oil and synthetic surface-active substances in water. It is shown the heavy metals accumulation levels in fishes tissue.
Keywords: ecotoxicological researches, fish, heavy metals, mineral oil, chlorineor-ganic pesticides, surface-active substances.
Навесні (березень – квітень) 1996 року в озері Чорне Велике сталася масова загибель вугра європейського – Anguilla anguilla L. [ 16, 27 ]. Загинуло більше 4 тисяч особин загальною масою більше двох тисяч кг. Еколого-ток-сикологічні дослідження води та риби (живих та загиблих особин вугра євро-пейського – Anguilla anguilla L.) були частиною заходів з виявлення причин екологічної катастрофи.
1 Інститут гідробіології НАН України, проспект Героїв Сталінграда, 12, Київ 210, 04210, Україна (Institute of hydrobiology of National Academia of Sciences of Ukraine Heroiv Stalingrada st, 12, Kiev 210, 04210, Ukraine).
2 Національний аграрний університет, корп. 1., вул. Героїв оборони, 19, Київ, 03140 (National agrarian university Corps 1., Heroiv Oborony st., 19, Kiev, 03140).
3 Львівський НУ ім. Івана Франка, вул. Грушевського, 4, Львів, 79005. E-mail: yurafish@ukr.net (Lviv NU named after Ivan Franko, Hrushevskoho st, 4, Lviv, 79005, Ukraine).
50 Збірник науково-технічних праць
Науковий вісник, 2006, вип. 16.5
Аналіз результатів ряду токсикологічних досліджень засвідчує, що во-да озера Чорне Велике значно забруднена важкими металами, СПАР та наф-топродуктами [ 7, 8, 22, 23, 25, 28, 32 ]. Придонні шари води цього озера ма-ють більше навантаження токсичними речовинами порівняно з поверхневи-ми. З основних забруднювачів природних вод, виявлених раніше (1990-92 рр) за результатами наших досліджень, навесні 1996 року не виявлено тільки пестициди (табл. 1).
У контексті токсикологічної ситуації, яка склалася у водоймі Чорне Велике, розглянемо основні чинники, які формують фізіологічний статус риб, основну увагу зосереджуючи на функціональній характеристиці важких металів, що перевищують допустимі рівні.
Табл. 1. Вміст токсичних речовин у воді озера Чорне Велике
у квітні-травні 1996 року (мкг/л, min-max)
Токсичні
Поверхневий
Придонний
ГДК рибогоспод.,
Кратність перевищення,
речовини
шар
шар
мкг/дм3
ГДК рибогоспод.
Важкі метали
Мідь
10,0-11,5
14,5-15,0
1,0
10 / 15
Кадмій
0,4-0,7
3,7-4,9
5,0
відповідає
Марганець
15,2-16,8
41,2-44,7
10,0
1,5 / 4,2
Нікель
0,7-1,3
31,4-45,6
10,0
відповідає / 4,5
Свинець
2,8-3,4
27,7-31,2
10,0
відповідає / 3,0
Хром
11,3-12,1
224,5-237,2
1,0
11 / 240
Цинк
24,5-25,6
225,1-234,7
10,0
2,5 / 23,5
СПАР
Аніонні
60,0-77,0
97,0-101,0
100,0
відповідає/ГДК рибогоспод.
Катіонні
240,0-245,0
400,0-570,0
12,0
12 / 45
Нафтопродукти
124,0-127,0
295,0-312,0
50,0
3 / 6
Пестициди хлорорганічні*
α – ГХЦГ
не виявлено
не виявлено
відсутність
відповідає
γ – ГХЦГ
не виявлено
не виявлено
відсутність
відповідає
ДДЄ
не виявлено
не виявлено
відсутність
відповідає
ДДД
не виявлено
не виявлено
відсутність
відповідає
ДДТ
не виявлено
не виявлено
відсутність
відповідає
Примітка: * – чутливість методу для ГХЦГ = 0,005 мкг/ дм3,
ДДТ та його аналогів = 0,01 мкг/дм3.
Як видно з табл., вміст практично всіх важких металів, за винятком кадмію, перевищує допустиму концентрацію. Це дає підставу вважати во-дойму потенційно небезпечною з токсикологічної сторони, незважаючи на валовий характер отриманих величин. Розглянемо головні аспекти токсич-ності важких металів для гідробіонтів в озері Чорне Велике.
Одним з актуальних завдань сучасної екологічної токсикології є вив-чення особливостей екології риб та закономірностей формування екологічної стійкості за дії токсичних речовин різної хімічної природи. Для вирішення цих завдань вивчають динаміку еколого-токсикологічних та біохімічних па-раметрів досліджуваних популяцій риб [ 3-5, 14, 31 ].
Риби є важливою ланкою в неперервному кругообігу мікро- та макро-елементів водойми, які відносяться до групи незамінних елементів для нормальної життєдіяльності організмів. Ці елементи (мідь, цинк, залізо, магній, марганець, кобальт, хром та інші) відіграють важливу роль у протіканні ціло-го ряду фізіологічних та біохімічних процесів [ 1-4 ].
Рівні накопичення мікроелементів (як і взагалі металів) в органах та тканинах риб залежать від геохімічного складу середовища, типу водойми, функціонального стану організму та характеру харчових взаємовідносин. Концентруючи мікроелементи, водні організми синтезують життєво необхід-ні речовини у вигляді металоорганічних сполук, таких як ферменти, вітаміни, гормони та ін. Синтез металовмісних біологічно-активних сполук можливий тільки у певних межах концентрацій та співвідношень мікроелементів в орга-нізмі та середовищі. При підвищенні концентрацій мікроелементів у воді та харчових об'єктах ріст та розвиток спочатку зростають, а потім сповільню-ються, знижується синтез біологічно-активних сполук, погіршується здат-ність до розмноження та імунобіологічні реакції організму [ 2-4, 24, 26 ].
Завдяки своїй високій біологічній активності метали (мікроелементи) істотно впливають на якість водного середовища та біоти, оскільки порушен-ня балансу хімічних елементів у тканинах може у певній мірі служити одним із факторів, що стимулюють чи сповільнюють ріст та розвиток риби. Значне підвищення концентрації важких металів у навколишньому середовищі, і, як наслідок, в тканинах водних тварин і рослин, може досить негативно вплива-ти на стабільність екосистеми водойми, оскільки багато мікроелементів у певних концентраціях діють як токсичні речовини. При концентраціях, що перевищують нормальний вміст металів в органах та тканинах, зникає межа між їх "фізіологічною" та "нефізіологічною" дією. У міру зростання концен-трацій у водному середовищі та, відповідно, в гідробіонтах кожен елемент починає діяти як токсичний агент.
Важкі метали – хімічні елементи з властивостями металів, що мають атомні номери з 22 по 92 у періодичній таблиці хімічних елементів Д.І. Мен-делеева [ 19-21 ]. Зі 105 хімічних елементів цієї системи 92 трапляються у зем-ній корі, 86 – у складі живих організмів, 84 елементи (або 56, якщо вирахува-ти всі лантаноїди та актиноїди) відносяться до металів. Із 56-15 легких та 36 важких металів, а також 5 елементів, які поряд із властивостями металів мають також властивості неметалів, які, правда, виражені в різній степені. Для побудови різних тіл (від мікроорганізмів до людини) використовується відносно невелика кількість елементів, що звичайно називають біоелемента-ми. Життєво необхідними визнано від 24 до 27 хімічних елементів. Основни-ми елементами, з яких побудовані молекули органічних речовин, а саме: біл-ків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот і т.д., є кисень, вуглець, азот, фос-фор і сірка, які становлять відповідно 63; 25,5; 9,5; 1,4 та 0,22 % від загальної кількості атомів організму людини. Відносно великий вміст (від 0,3 до де-
кількох сотих відсотка) деяких елементів, що знаходяться в тканинах у вигля-ді іонів: Ca2+, Na+, K+, Mg2+ та аніона Cl-. Поряд із цими елементами в ткани-
нах людини та в інших тваринних організмах особливо виділяють ще 16 еле-ментів, що зазвичай називають мікроелементами через їх надзвичайно малу концентрацію в організмах, але які є вкрай необхідними як каталізатори життєво важливих процесів. До них відносяться Fe, Cu, Zn, Mn, Co, J, Mo, V, Ni, Cr, F, Se, Si, B, As. Із приведених 16 мікроелементів 6 є неметалами а 10 – власне металами, причому важкими. Для всіх цих елементів, в тому числі і важких металів, доказана їх біологічна роль. Згідно з думкою академі-ка В.І. Вернадського, біологічне значення мають всі елементи, що трапляють-ся у природі. Ним вперше було доказано залежність та зв 'язок між хімічним складом земної кори та вмістом мікроелементів у живих організмах, а звід-си – їх ростом, розвитком та фізіологічним станом [ 19-21 ].
За результатами багаторічних досліджень науковців, коли важкі мета-ли поступають в організм у надлишковій їх кількості в результаті техноген-ного забруднення довкілля, вони можуть накопичуватися та викликати ток-сичні ефекти. Деякі органи акумулюють певні елементи вибірково, в резуль-таті чого завдається шкода як органу чи тканині зокрема, так і організму в ці-лому. Наприклад, Cd, Hg та Mn накопичуються в нирках, Sn – в тканинах кишківника, V – в нігтях (кігтях) та волоссі, Zn та Sr – у передміхуровій зало-зі, Cu – у печінці та тканинах головного мозку.
Іони міді у незначній концентрації (2 мкг/дм3) здатні підвищувати ак-тивність травних процесів коропів у кишківнику на 24-147 % відносно кон-трольної групи риб [ 11, 13, 30 ]. Великі функціональні зміни в травній системі (зміна активності травних ферментів, зміна величини всмоктування пожив-них речовин) також наступають при наявності у водному середовищі свин-цю, який перевищує встановлені ГДК рибогосподарські [ 10, 12 ].
В еритроцитах знайдено елементи, біологічна значущість яких досі ще не доказана, зокрема, Ag і Pb. При порушенні фізіологічної норми рівня важ-ких металів в органах та тканинах можлива конкуренція за хімічні групи та каталітичні центри в макромолекулах, порушення структури останніх та їх функцій. Відома конкуренція наступних металів [ 6 ]:
y Ni – із Ca, Mg, Fe, Cu2+, Zn2+;
y Cr – із Fe, Mn2+, Co2+, Cu2+;
y Mo – із W, Cu2+, Pb2+;
y Mn – із Mg, Zn;
y Co – із Fe;
y Cu – із Zn, Mn, Ni;
y Zn – із Mn2+, Co2+, Cu2+, Cd2+;
y Cd – із Ca, Cu2+, Zn2+.
Токсичні ефекти важких металів реалізуються переважно за конкурен-тним механізмом з іншими металами. У різних живих організмів, в тому чис-лі і у гідробіонтів та людини, є білки, що зв'язують деякі метали та сприяють їх утриманню в організмі, наприклад, трансферин та сидерофіліни для Fe, це-рулоплазмін для Cu, нікелоплазмін для Ni, металотіонеїн для Zn. Однак, ме-ханізми, що забезпечують виведення із організму надлишкових кількостей металів, ще не достатньо вивчені.
Ефективне регулювання якості навколишнього природного середови-ща базується на адекватній інформаціі про рівні забруднення і зміни стану екосистем під впливом техногенних викидів. Зокрема, накопичення важких металів у компонентах екосистем є одним із показників екологічного стану територіі. Тому отримання об'єктивних даних про накопичення важких мета-лів компонентами урбанізованих екосистем є основою екологічного моніто-рингу з оцінки, контролю і прогнозу стану довкілля.Особливу загрозу несуть метали, що визначені міжнародними органі-заціями ООН – ФАО/ВООЗ (Міжнародна організація по сільському госпо-дарству та продуктах харчування та Всесвітня органІзація охорони здоров'я). До останніх відносяться – ртуть, свинець, кадмій, кобальт, нікель, цинк, оло-во, мідь, молібден, ванадій [ 2-4 ]. Незважаючи на те, що ці метали входять до складу гірських порід, ґрунтів, водойм, і містяться у всіх живих організмах, антропогенні та техногенні процеси та їх тісне поєднання істотно змінили природні потоки хімічних елементів, які часто приводять до токсикозів риб.
Еколого-токсикологічна ситуація в озері Чорне Велике поєднується із поліелементною хімізацією довкілля по ланцюгу: джерела викидів – депону-ючі та транспортуючі середовища – організм людини.
Дія важких металів на організм риб. Акумуляційні ряди важких ме-талів та органічних забруднюючих агентів часто завершуються на вершинах трофічної піраміди гідроекосистем, де, зазвичай, найчастіше стоять риби. Як хижі, так і миролюбні риби інтенсивно накопичують важкі метали, вміст яких є досить лабільним в екосистемі озера. Результати досліджень вмісту важких металів у м'язах риб озера Чорне Велике та для деяких інших озер Шацької групи викладені в табл. 2.
Табл. 2. Вміст важких металів у м'язах вугра європейського та інших видів риб Шацьких озер у квітні 1996 року (мг/кг сирої маси, М ±m ).
Види риб
Cd
Pb
Cu
Zn
Co
Mn
Fe
Cr
озеро Чорне Велике
*Вугор
0,60±0,05
1,23±0,39 5,54±0,08 20,12±0,12
0,39±0,02 5,04±0,08
51,01±0,11
0,12±0,04
європейський
*Вугор
0,90±0,03
0,66±0,13 4,51±0,06 21,75±0,11
0,63±0,03 4,03±0,10
27,24±0,44
0,17±0,02
європейський
*Вугор
0,56±0,03
0,82±0,25 5,31±0,15 26,34±0,14
0,60±0,13 7,00±0,11
24,41±0,68
0,19±0,04
європейський
*Вугор
0,58±0,07
0,83±0,43 6,01±0,07 21,63±0,23
0,38±0,02 4,27±0,04
39,20±0,53
0,16±0,03
європейський
Лящ
0,97±0,06
0,45±0,03
1,02±0,05
11,90±0,14
0,65±0,04
0,94±0,09
23,69±0,39
0,08±0,02
Лящ
0,35±0,11
0,70±0,14
1,32±0,02
10,84±0,18
0,68±0,08
0,69±0,05
18,91±0,21
0,14±0,02
Лящ
0,89±0,08
0,68±0,05
0,83±0,04
11,22±0,10
0,66±0,11
0,94±0,04
14,40±0,28
0,07±0,02
Лящ
0,92±0,06
0,52±0,18
0,94±0,02
13,51±0,13
0,80±0,17
1,33±0,03
11,05±0,17
0,08±0,04
Карась сріблястий 0,78±0,04
0,76±0,06 1,39±0,02 19,90±0,14
0,51±0,21 0,73±0,04
14,40±0,28 0,20±0,03
Карась сріблястий 0,79±0,03
1,18±0,06 1,22±0,04 24,65±0,18
0,44±0,06 0,61±0,05
32,64±0,52 0,18±0,02
Карась сріблястий 0,80±0,03
1,17±0,41 0,95±0,05 23,62±0,22
0,70±0,24 0,85±0,07
11,54±0,32 0,14±0,02
Судак
0,99±0,06
0,55±0,05
0,92±0,08
13,82±0,14
0,52±0,07
0,38±0,03
20,64±0,31
0,17±0,02
Судак
1,02±0,04
0,84±0,04
0,81±0,05
9,28±0,22
0,59±0,25
0,81±0,05
11,62±0,25
0,17±0,02
Судак
1,00±0,03
0,28±0,02
1,04±0,03
16,86±0,14
0,81±0,11
0,79±0,07
38,89±0,88
0,22±0,02
Вугор
0.84±0,02
0,20±0,06
2,44±0,05
21,64±0,22
0,43±0,02
0,66±0,10
26,95±0,65
0,57±0,04
європейський
Озеро
Пулемецьке
Вугор
0,94±0,04
0,19±0,04
1,09±0,02
16,62±0,17
0,86±0,08
0,66±0,04
46,69±1,34
0,61±0,07
європейський
Аналіз отриманих результатів виявив значне перевищення вмісту міді та марганцю саме у загиблих особинах вугра європейського. Отримані резуль-тати у 4-5 разів були більшими за вміст цих двох металів у м'язах інших видів риб (лящ, карась сріблястий та судак) із цього ж озера, які були виловлені жи-вими. За вмістом міді та марганцю в м'язах, загиблі вугри озера Чорне Велике перевищували у 3-5 разів рівні вмісту цих металів у вугрів озер Люцимер (яке знаходиться до нього найближче) та Пулемецьке, які були виловлені живими. Варто відзначити також, що в м'язах загиблих особин вугра та деяких інших видів риби озера Чорне Велике виявлено підвищений вміст кадмію та свинцю. Нами зафіксовано, що в загиблих особинах вугра європейського із озера Чор-не Велике значно перевищені рівні середнього вмісту важких металів у про-мисловій іхтіофауні прісних вод [ 9, 17-21 ] за міддю та дещо менше за марган-цем, що дорівнює 1,70 мг/кг сирої маси та 1,00 мг/кг, відповідно.
З еколого-токсикологічних позицій не всі важкі метали можуть бути сприйняті однозначно. Перш за все, інтерес викликають ті метали, які у знач-них об'ємах використовуються у виробничій діяльності людини та, в резуль-таті постійного накопичення в навколишньому середовищі, являють собою значну небезпеку з точки зору їх біологічної активності та токсичних про-явів. До них відносять свинець, ртуть, кадмій, цинк, мідь, вісмут, кобальт, ні-кель, олово, ванадій, марганець, хром та молібден [ 29 ].
Токсичний вплив міді. воді озера Чорне Велике вміст міді переви-щує ГДК рибогосподарські у 10-15 разів. Варто зауважити, що у мертвих особинах вугра її концентрація була вищою у 4-5 разів, ніж у живих пред-ставників іхтіофауни інших видів. Очевидний зв'язок між загибеллю вугра та концентрацією цього металу. Розглянемо глибше значимість міді у фізіолого-біохімічних процесах. Практично, до складу всіх тканин живого організму входить мідь. Із літературних джерел [ 15, 29 ] відомо, що у всіх органах та тканинах риби міді менше ніж цинку, а її вміст близький до такого ж вмісту заліза. Також відомо про концентрування міді у печінці, селезінці, наявності
її в мозку та шкірі риб.
Досить широке розповсюдження міді, що поступається по рівню вико-ристання тільки алюмінію, пов 'язане з їх використанням у машинобудуванні, транспорті, побутовій техніці, хімічній промисловості, а також у сплавах – латуні, бронзі та ін. Крім того, сполуки міді як мікроелемента застосовують в медицині для лікування різних захворювань – виразкової хвороби, рахіту, захворювань шкіри та ін.
Мідь позитивно впливає на ріст організмів, покращує засвоєння вугле-водів. Вміст міді в м'язах риб коливається від 0,01 до 1,1 мг %. У невеликих кількостях вона необхідна для формування залізопорфіринових комплексів. Як і інші метали, мідь поступає в організм гідробіонтів переважно із їжею. Бентосні організми можуть акумулювати мідь з водного середовища та дон-них відкладів. Вона може поступати в організм шляхом механічного захвату часточок гідроокисів зябрами, хемосорбції іонів на слизовій оболонці зябро-вих пелюсток [ 2 ]. Засвоєння розчиненої у воді міді планктоном – один із ос-новних шляхів до включення її у харчовий ланцюг. Мідь є компонентом ряду ферментів, пов'язаних із окисно-відновними процесами, має важливе