Биологические эффекты опасных химических веществ в восточной части Финского залива в фокусе проекта HAZLESS

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Facebook
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

Н.А. Березина, канд. биол. наук;
Ю.И. Губелит, канд. биол. наук;
А.А. Максимов, д-р биол. наук, Зоологический институт РАН;
А.Н. Шаров, канд. биол. наук;
З.А. Жаковская, канд. биол. наук;
Ю.М. Поляк, канд. биол. наук;
С.В. Сладкова, Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН;
Н.В. Бобылева, ГГУП «Минерал»;
Т.А. Загребина, канд. геогр. наук, ФГБУ Северо-Западное УГМС;
И. Липс, д-р естеств. наук,
Н. Колесова, Таллинский технический университет

Наш город расположен на берегах Финского залива, важнейшего судоходного пространства и излюбленного места отдыха горожан. Залив играет ключевую роль в формировании биоресурсов и качества природной среды всего бассейна Балтийского моря, поэтому к нему приковано пристальное внимание многих международных экологических организаций. Вместе с тем он страдает от множества воздействий, вызванных человеческой деятельностью, в том числе градостроительством, развитием судоходства, открытием нефтеналивных терминалов и строительством портов. Из действующих портов в залив могут попадать опасные вещества (ОВ), такие как биоциды, нефтепродукты, диоксины и тяжелые металлы (свинец, кадмий, цинк). В стоках очистных сооружений возможно присутствие фармацевтических препаратов.

В Плане действий по Балтийскому морю Хельсинкской комиссии (ХЕЛКОМ) была подчеркнута необходимость разработки мониторинга биологических эффектов для обеспечения надежной оценки ОВ и разработки мер по смягчению неблагоприятных последствий  человеческой деятельности для окружающей среды Балтийского моря. Тесное сотрудничество стран побережья Финского залива ведется в рамках проекта ER-90 «Опасные химические вещества в восточной части Финского залива – концентрация и оценка воздействия» (HAZardous chemicaLs  in the eastern Gulf of Finland – concentrations and impact assessment, HAZLESS) Программы приграничного сотрудничества «Россия – Эстония» на период 2014–2020 годов. Это взаимодействие обеспечит глубокие и единообразные оценки  состояния и последствий воздействий ОВ в регионе восточной части Финского залива и, в свою очередь, внесет значимый вклад в деятельность по реализации Рамочной директивы по морской стратегии (Marine Strategy Framework Directive) во всей Балтике. Проект HAZLESS стартовал в апреле 2019 года и продлится до конца февраля 2022 года (https://hazless.msi.ttu.ee/).

Карта распределения биомассы зообентоса в августе 2019 года

Научные коллективы Санкт-Петербурга из Зоологического института Российской академии наук (ЗИН РАН) и Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности (НИЦЭБ РАН) участвуют в проекте в качестве российских партнеров. Ведущим партнером проекта выступает Таллинский технический университет (TalTech). Финский институт окружающей среды (SYKE) выступает ассоциированным партнером. В проекте в качестве экспертных участников задействованы представители Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и администрация Санкт-Петербурга в лице ГГУП «Минерал».

Общая цель проекта – это адаптация и внедрение единых биологических показателей для оценки и контроля состояния окружающей среды восточной части Финского залива. В основные задачи проекта входят как измерение приоритетных загрязняющих веществ из списка опасных веществ ХЕЛКОМ, в том числе тяжелых металлов, ПАУ, ПХБ, оловоорганических соединений, ПФОС и фармацевтических препаратов, так и изучение биологических эффектов и реакции морских обитателей (ракообразных, моллюсков и рыб) и всей экосистемы Балтийского моря на те или иные воздействия ОВ; расширение знаний о биоаккумуляции и биомагнификации ОВ в морских пищевых сетях и, в конечном счете, выбор самых совершенных методов оценки эффектов ОВ для мониторинга состояния окружающей средыюв этом регионе Балтийского моря.

Массовые виды беспозвоночных – макомы балтийской Limecola balthica, садурии
Saduria entomon, амфиподы Monoporeia affinis и полихеты Marenzellaria arctia

В ходе проекта используются комплекс методов классической биоиндикации и биотестирования, а также новые методы биомаркирования. Проводятся анализ токсичности донных осадков, исследование аномалий развития эмбрионов у амфипод, и отклонения аэробного метаболизма и сердечного ритма у моллюсков, появление специфической микробиоты у рыб и ракообразных, оценка уровня бионакопления ОВ в тканях гидробионтов и состояние их систем антиоксидантной защиты из зон «горячих точек» (повышенного риска обнаружения ОВ) и референтных мест.

По данным скрининга 2019 года большая часть акватории российской части Финского залива находится в удовлетворительном состоянии. В целом содержание кадмия и свинца, нефтепродуктов и ПХБ на всех изученных участках было ниже пределов обнаружения, как в донных отложениях, так и в тканях водных животных и растений, но выявлено несколько участков особого риска, для которых актуально  воздействие таких ОВ, как цинк, полиароматические углеводороды и оловоорганические соединения (табл. 1). Опасный фармацевтический препарат диклофенак обнаружен в воде на некоторых прибрежных участках залива (в 14% проб) с концентрацией в пределах 0,6 –2,4 нг/л. В других районах Балтийского моря (Швеции и Германии) уровень DCF также невысок (2,0 –9,2 нг/л), а в северной Атлантике у побережий Португалии и Ирландии отмечали его концентрации >200 нг/л (Benilde et al., 2018).

В составе донных сообществ восточной части залива самыми многочисленными являются многощетинковые черви (полихеты) Marenzelleria arctia, вселенцы из Арктики, которые обосновались в Финском заливе в первой декаде 2000-х годов. В то же время коренные балтийские виды – такие как моллюски Limecola balthica и реликтовые ракообразные (Saduria entomon и Monoporeia affinis) – остаются наиболее массовыми обитателями морского дна. Наибольшие биомассы зообентоса отмечены у южного побережья залива, что связано с высокой долей моллюсков (до 100 г/м2).

Амфипода M. affinis – типичный обитатель батиали залива – встречена на 90% изученных станций, достигает максимум 1300 экз./м2 и 3 г/м2. Также корофиум Corophium volutator достигал высоких биомасс (10 г/м2) в Лужской губе. Высоких численностей в прибрежной части залива (глубины <5 м) достигают другие виды рачков-амфипод: Gmelinoides fasciatus и Pontogammarus robustoides (с биомассами до 10 г/м2) и Gammarus tigrinus (до 5 г/м2, Березина, Максимов, 2016). Амфиподы используются в качестве биоиндикаторов состояния окружающей среды в мониторинговых программах (Gorokhova et al., 2018).

Оценка токсичности донных местообитаний (седиментов) по выживаемости амфиподы Gmelinoides fasciatus выявила несколько неблагоприятных районов, на которых выживаемость ниже 45%. В этих районах обнаружено повышенное количество нефтепродуктов и оловосодержащих соединений (табл. 1).

Таблица 1. Содержание ОВ в тканях морских животных и растений, донных отложениях (ДО) и воде, выявленных в 2019 году* * ПАУ – полиароматические углеводороды, ООС – оловоорганические соединения, ТВТ – трибутилолово, DGF – диклофенак. «-» – нет данных

В ходе проекта оценивается влияние потенциальной токсичности донных отложений по состоянию здоровья эмбрионов амфипод, повышению их смертности или появлению пороков развития (уродств) эмбрионов. Средняя частота встречаемости (%) деформированных, увеличенных, недифференцированных и мертвых эмбрионов в расчете на одну самку или частота встречаемости самок более чем с одним случаем уродств эмбриона были рекомендованы Международным советом по исследованию моря (ICES) в качестве общих биоиндикаторов воздействия загрязняющих веществ (Sundelin et al.2008). Этот индекс был выбран в качестве предварительного индикатора для биологического воздействия опасных веществ в Балтийском море проектом ХЕЛКОМ CORESET (Gorokhova et al. 2018). Этот метод освоен и успешно применяется в Швеции, Дании, Финляндии, Латвии, Эстонии и России.

Результаты оценки качества местообитаний по выживаемости амфипод
Gmelinoides fasciatus (10-суточный тест). Критерии: выживаемость рачков
100–70% – хорошее качество, отсутствие токсичности (GES), <45% – плохое
качество, повышенная токсичность (оранжевый цвет)

Для оценки метаболической активности животных в окружающей среде используется регистрация скорости аэробного метаболизма и параметров сердечного ритма отдельных организмов (моллюсков и ракообразных) после их трансплантации из контрольной в загрязненную среду. Влияние кадмия (Cd2+) 5 мг/л на интенсивность аэробного метаболизма моллюсков (14,2±1,3 мм) при температуре воздуха 13,2±0,2 °С измеряли через 48 часов и 6 суток. Скорость потребления кислорода моллюсками была снижена под влиянием кадмия и составляла 0,015±0,01 мгО2/час г (р<0,05), что примерно втрое ниже, чем контроль 0,045±0,01 мг О2/час г. Сифоны моллюсков были выдвинуты на максимальную величину, тогда как у контрольных моллюсков такого не наблюдалось. При более длительной экспозиции наблюдалась аналогичная картина поведения и дыхания моллюсков. На шестые сутки экспозиции скорость потребления кислорода составляла 0,021±0,01 мг О2/час г, а к десятым суткам наблюдалась 100-процентная смертность животных. Cодержание кадмия в донных осадках в восточной части Финского залива по данным литературы достигает 1,2–2,4 мг/кг, что при увеличении биодоступности кадмия (например, при повышении температуры) может привести к угнетению популяции.

Один из физиологических методов основан на изучении сердечного ритма морских животных (моллюсков и ракообразных). Используется волоконно-оптическая система для регистрации частоты сердечных сокращений (ЧСС) у взрослого моллюска (Холодкевич и др., 2019). Например, по времени восстановления ЧСС моллюсков после стресса до фонового уровня можно диагностировать состояние здоровья животных. В качестве кратковременного стресса применяется изменение солености воды (гиперосмотический стресс) на 1 час. Этот показатель определили у моллюсков Anodonta sp. после 30 суток содержания на донных отложениях, собранных на пяти участках в восточной части Финского залива с разным содержанием нефтепродуктов и металлов. Выявлено возрастание показателя с увеличением токсичности донных отложений.

Токсичность была подтверждена как прямым измерением содержания ОВ, так и методом биотестирования с ракообразными, при >80-процентной смертности. Моллюски, обитавшие в донных осадках, в которых содержалось более 200 мг/кг нефтепродуктов и 170 мг/кг цинка, характеризовались длительным временем восстановления ЧСС (125 мин.), которое было значительно выше, чем у таких же моллюсков (<60 мин.), обитавших на грунтах из чистых мест с отсутствием этих ОВ.

Оперативным методом контроля состояния водных экосистем является микробная индикация. Микробиота пищеварительной системы водных организмов находится под постоянным воздействием токсичных соединений, загрязняющих воды Финского залива. Определение содержания микроорганизмов, способных к биодеградации загрязняющих веществ (например, углеводородокисляющих бактерий) в пищеварительном тракте морских животных (рыб, моллюсков, ракообразных), отражает изменения, происходящие в окружающей среде. Численность углеводородокисляющих бактерий, превышающая 10% от общего числа гетеротрофных бактерий, указывает на наличие загрязнения воды и донных отложений нефтью и нефтепродуктами и может быть рекомендована в мониторинге для оценки экологической ситуации в водных экосистемах. Высокая численность углеводородокисляющих бактерий (11,4–16,2%) в пищеварительном тракте отдельных видов рыб (трехиглой колюшки, пескаря, плотвы, уклейки, ельца) была выявлена на некоторых станциях наблюдения в Финском заливе, наибольшая – у рыб, выловленных в районе Приморска.

Самка амфиподы M. affinis с эмбрионами (слева). Эмбрионы здоровые и с уродствами в выводковой камере амфиподы G. fasciatus (справа)

Зеленые макроводоросли вида Cladophora glomerata играют огромную роль в прибрежной экосистеме восточной части Финского залива. Летом они образуют массовые скопления вдоль берега, которые могут доставлять отдыхающим неудобства, прежде всего из-за неприятного запаха. Макроводоросли способны накапливать тяжелые металлы, что позволяет использовать их в качестве индикаторов загрязнения. Кроме этого, потребление, макроводорослей беспозвоночными и рыбами приводит к поступлению ионов металлов из водорослевой массы в пищевые цепи.

Тестирование донных отложений с различных станций в Финском заливе с использованием показателя частоты сердечных сокращений (Тв ЧСС), смертности рачков-амфипод и химического анализа металлов и нефтепродуктов (слева). Внешний вид моллюсков Anodonta sp. c прикрепленным оптическим волокном, передающим сигнал сердцебиения (справа)

В Финском заливе концентрации тяжелых металлов в макроводорослях отражают степень загрязненности окружающей среды, а именно: максимальное накопление металлов в биомассе наблюдалось на станциях с самым высоким содержанием металлов в придонной воде. Также высока корреляция между содержанием металлов в биомассе и подвижными формами металлов в донных отложениях. В водорослевых матах, где биомасса водорослей может достигать несколько кг на 1 м2 дна, а толщина водорослевого слоя – 40 см, содержание металлов в донных осадках обычно значительно выше, чем на участках без водорослей. Это дает возможность выделять на побережье «точки риска», где мы можем предсказать наличие загрязнения прибрежной зоны. Таким образом, характеристики макроводорослей и содержание металлов в них – это важный индикатор наличия металлов в окружающей среде.

Прибрежная зона залива покрыта водорослевыми матами

Двустворчатый моллюск Limecola balthica губы в воде, загрязненной кадмием (слева). Лабораторная установка (респирометр)
с портативным оксиметром «HANNA» с автоматической температурной компенса-
цией для измерения уровня аэробного метаболизма моллюсков (справа)

В ходе проекта будут также оценены эффекты ОВ на уровне биохимических процессов с помощью рекомендованных ХЕЛКОМ биомаркеров воздействия и новых биомаркеров, выбранных в рамках HAZLESS. Комплексный подход позволит найти связь между качеством окружающей среды и здоровьем живых организмов на уровне биохимических и физиологических процессов, когда последствия воздействия еще обратимы и губительное действие на организм может быть предупреждено. Применение таких «систем раннего предупреждения» вредных эффектов ОВ позволит дать возможность надежного прогнозирования эффектов токсичности и не допустить их влияния на такие жизненно важные функции организма, как метаболизм, рост и размножение. Именно эти функции играют ведущую роль для благополучия и здорового развития популяций живых организмов и гармоничного сосуществования человека и окружающей среды в Балтийском регионе. Основные результаты проекта HAZLESS будут использованы для разработки стратегии транснационального мониторинга и оценки эффектов опасных веществ не только на акватории исследований проекта, но также и в других регионах Балтийского моря.

Список использованной литературы

Холодкевич С.В., Шаров А.Н., Чуйко Г.М., Кузнецова Т.В., Гапеева М.В., Ложкина Р.А. 2019. Оценка качества пресноводных экосистем по функциональному состоянию двустворчатых моллюсков. Водные ресурсы. 2. С. 214–224. DOI: 10.1134/S0097807819020064

Benilde B., Gomez E., Courant F., Escande A., Fenet H. 2018. Diclofenac in the marine environment: A review of its occurrence and effects. Marine Pollution Bulletin. 13.496–506

Berezina N., Maximov A. 2016. Abundance and food preferences of amphipods (Crustacea: Amphipoda) in the eastern Gulf of Finland, Baltic Sea. Journal Siberian Federal University. Biology. 10: 409–426

Gorokhova E., Sundelin B., Berezina N. 2018: Reproductive disorders and malformed embryos of amphipods: HELCOM Supplementary indicator. doi. org/10.13140/RG.2.2.34346.52162

Sundelin, B., Eriksson Wiklund, A-K., Ford, A.T. 2008: Biological effects of contaminants: the use of embryo aberrations in amphipod crustaceans
for measuring effects of environmental stressors. ICES Techniques in Marine Environmental Sciences. 41. doi.  org/10.1098/rspb.2010.129510.25607/ OBP-223

Создать комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

English EN Finnish FI Russian RU
Размер шрифта
Контраст