Содержание тяжелых металлов в организме мелких млекопитающих

В качестве модельных видов фитофагов-млекопитающих могут быть рассмотрены рыжие полевки, отловленные в тех же зонах. Как отмечалось выше, уровни тяжелых металлов, депонированных в организмах животных, определяются их содержанием в пищевых рационах зверьков. Кроме того, рассматриваемые токсиканты имеют тенденцию накапливаться с возрастом в больших количествах в органах-депо. Повышенные концентрации токсикантов могут быть и в органах половозрелых сеголеток, характеризующихся более высоким по сравнению с неполовозрелыми прибылыми особями уровнем энергетических затрат, а значит, и повышенным потреблением корма, содержащего металлы. Отмечены также различия в уровнях накопления физиологически необходимых элементов (цинка и меди) по сравнению с токсическими (свинцом и кадмием).

Накопление тяжелых металлов птицами

Важнейшим компонентом наземных экосистем являются птицы, широко используемые в биоиндикации загрязненных территорий (Лебедева, 1999; Добровольская, 2002). Концентрации металлов в большинстве органов птиц отражают их уровни во внешней среде. Особый интерес связан с накоплением элементов у птиц — консументов III трофического уровня. Наиболее ярко это проявляется для скелета и перьев, а из металлов — для свинца. Средние концентрации большинства металлов (цинк, свинец, кадмий) в тушках птиц в зоне сильного загрязнения достоверно превышали таковые в контроле. Заметим, что и в случае птиц также имеют место различия в накоплении физиологически значимых и токсических элементов.

Накопление элементов в трофической цепи лесных экосистем

Подводя итог изложенному, рассмотрим распределение химических элементов по трофическим уровням природных экосистем. Для этого часто пользуются коэффициентами концентрирования (коэффициенты накопления, биоаккумуляции и подобные), определяемыми отношением концентрации элемента более высокого трофического уровня к таковому на предшествующем. Несмотря на формальный характер подобных оценок и известную их примитивность, эти показатели дают общее представление о распределении химических элементов по трофическим уровням.

Из приведенных данных следует, что растения выступают в роли своеобразного фильтра, предотвращающего поступление избытка металлов в пищевую цепь. Для свинца, кадмия и меди наиболее ярко выражено снижение концентраций в растениях по сравнению с почвой. Возрастание «барьерной» роли растений по мере увеличения загрязнения территории прослеживается для всех металлов в буферной зоне, а в импактной — только для меди: коэффициент перехода этого металла из почвы в растения снижается в 7 раз.

В ряду «продуценты — беспозвоночные консументы I, II и III порядков» происходит постепенное увеличение концентраций металлов. По терминологии Д. А. Криволуцкого (1983), эти организмы следует рассматривать в качестве накопителей, так как они содержат элемент в большей концентрации, чем в пищевом субстрате. Однако на уровне позвоночных — консументов III порядка (у насекомоядных птиц) концентрации вновь снижаются, происходит «очищение» пищевой цепи от исследуемого элемента. И лишь свинец на фоновой территории демонстрирует накопление на этом трофическом уровне. В зоне техногенного загрязнения сохраняются описанные выше закономерности: накопление металлов увеличивается в ряду беспозвоночных консументов I—III уровней и снижается у насекомоядных птиц (рис. 8.4).

Накопление элементов во всей пищевой цепи «почва — консументы III уровня» показывают соответствующие коэффициенты перехода. С увеличением концентраций тяжелых металлов в трофической цепи в градиенте загрязнения эти коэффициенты перехода уменьшаются. Отмеченное снижение происходит меньшими темпами, чем поступление элементов в экосистему (увеличение содержания их в почве в градиенте загрязнения). Так, поступление свинца в почву в градиенте загрязнения изменяется в 10 раз, а коэффициент перехода — лишь в 2 раза.

Рис. 8.4. Накопление металлов (о — медь, б — свинец, в — цинк, г — кадмий) в пищевой цепи в фоновой (7) и импактной (2) зонах лесных экосистемах Среднего Урала:

Дс — депонирующая среда (почва); Пр — продуценты;

К I, КII, КIII — консументы различных уровней Приводимые выше данные относительно миграции тяжелых металлов по пищевым цепям лесных экосистем показывают сложность этого явления.

Представление о том, что в результате накопления загрязнителей в пищевых цепях наибольшее токсическое воздействие испытывают представители высших трофических уровней, в ряде случаев не подтверждается. Первичные продуценты для всех изученных нами металлов выступают в качестве мощного фильтра, предотвращающего поступление их избытка в биогенный цикл. На последующих трофических уровнях поведение разных металлов специфично. В естественных условиях цинк и кадмий накапливаются в ряду продуценты-консументы I и II уровней; медь — у беспозвоночных-фитофагов, т. е. на промежуточных трофических уровнях. Лишь свинец способен аккумулироваться у высших консументов (позвоночных), что связано с наличием у этих животных минерального скелета — депо этого остеотропного элемента.

Химическое загрязнение выступает в роли фактора, модифицирующего поведение тяжелых металлов в пищевой цепи. В целом хищные беспозвоночные сохраняют свою роль «критического звена», в котором происходит накопление этих элементов. На уровне высших консументов (позвоночные) происходит «очищение» пищевой цепи. Тем не менее в условиях химического загрязнения среды миграция тяжелых металлов по трофическим уровням лесных экосистем и водных экосистем возрастает. Ранее подробно обсуждалась проблема метаболизма ртути.

Эффект биоконцентрации имеет место также при поступлении в окружающую среду пестицида ДДТ, концентрации которого могут возрастать у водных птиц в 10 млн раз (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Изменение общей биомассы и концентрации ДДТ в пищевых цепях водных экосистем.

Это стало очевидным в 1960;е гг., когда впервые обнаружили, что сокращение популяций многих хищных птиц (белоголового орлана, скопы и других) вызвано повышенной биоаккумуляцией ДДТ и других хлорсодержащих углеводородов, накапливаемых в организмах рыб.

В заключение подчеркнем, что данные, полученные по концентрациям тяжелых металлов в организмах различной трофической принадлежности, не определяют в полной мере участие этого уровня в биогенном минеральном обмене. Объемы металлов, вовлекаемых в подобные биогеохимические циклы, определяются не только их концентрациями и общим содержанием в биомассе трофического уровня, но и скоростью прохождения элементов через данное звено ценоза за счет желудочнокишечного транзита, растительного и животного опада. Вместе с тем рассматриваемые нами концентрации тяжелых металлов в системе трофических уровней имеют диагностическую ценность, поскольку позволяют выделить те звенья ценоза, содержание металлов в которых максимально и на которых, прежде всего, следует ожидать проявления токсических эффектов. Наблюдаемое распределение концентраций металлов на фоновой территории и деформацию этой системы, вызванную химическим загрязнением среды, следует рассматривать в качестве экотоксикологического эффекта биоценотического уровня. Виды живых организмов с максимальной вероятностью накопления токсикантов могут быть использованы в качестве видов-индикаторов в системе мониторинга природной среды.

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Какова закономерность накопления токсических веществ в системе трофических уровней? Какие процессы влияют на распределение токсикантов по пищевой цепочке?
• 2. Как происходит накопление тяжелых металлов в депонирующих средах на загрязненных территориях?
• 3. Охарактеризуйте накопление тяжелых металлов в растительных объектах, произрастающих на загрязненных территориях.
• 4. От чего зависит интенсивность перехода химических элементов к организмам более высокого трофического уровня?
• 5. В чем заключаются особенности накопления тяжелых металлов у беспозвоночных животных?
• 6. Охарактеризуйте миграции тяжелых металлов по пищевым цепям лесных экосистем. В чем заключаются особенности этого процесса?
• 7. Раскройте роль процессов метилирования в передаче металлов по трофической цепочке (на примере ртути).

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Объясните, почему различается содержание тяжелых металлов в двух депонирующих средах — подстилке и почве. Почему на максимально загрязненных тяжелыми металлами территориях увеличивается общая масса подстилки и запаса металлов в этом компоненте ценоза?
• 2. Выскажите предположение о последовательности концентрации в растительных объектах цинка, меди, свинца, кадмия. Объясните свою точку зрения.
• 3. Объясните, почему хищные беспозвоночные по отношению к тяжелым металлам выполняют роль «критического звена» в экосистемах. Почему на уровне высших консументов (позвоночные) происходит «очищение» пищевой цепи?

СК-5:

• 4. Что необходимо учитывать при использовании в качестве биоиндикационного признака распределение химических элементов по трофическим уровням экосистем техногенно нарушенных территорий?
• 5. Назовите органы, которые могут выступать в качестве депо тяжелых металлов у мелких млекопитающих и птиц. Ответ обоснуйте.
• 6. Содержание свинца, цинка и меди в беспозвоночных фитофагах, обитающих на импактной территории, равно соответственно 24,0; 314,5; 88,9 мкг/г сухого веса. В беспозвоночных хищниках, питающихся этими фитофагами, концентрации соответствующих металлов следующие: 29,0; 367,4; 108,6 мкг/г сухого веса. Рассчитайте коэффициенты биоаккумуляции исследуемых тяжелых металлов хищниками и сделайте вывод о распределении химических элементов по данным трофическим уровням. Предположите, как изменится содержание данных металлов у насекомоядных птиц (консументов III порядка), которые питаются беспозвоночными зоофагами.

СК-8:

• 7. Объясните, почему при загрязнении среды тяжелыми металлами виды беспозвоночных животных, относящихся к консументам II уровня, накапливает по сравнению с консументами I уровня более высокие уровни металлов. Предположите, что должно происходить с накопительными особенностями консументов III порядка.
• 8. Выскажите свою точку зрения о том, почему концентрации тяжелых металлов в системе трофических уровней имеют диагностическую ценность.
• 9. Изложите свою точку зрения на выбор видов-индикаторов в системе мониторинга природной среды. Виды с максимальной или минимальной вероятностью накопления токсикантов лучше использовать для экотоксикологических исследований.