Морські екосистеми

Екотоксиканти, що потрапляють до морів та океанів, розподіляються в них нерівномірно. Максимально забрудненими виявляються прибережні води, причому у вмісті токсикантів звичайно спостерігаються мозаїчність і зональність. Багато з них переважно локалізуються на межах розділу фаз (вода – повітря, вода – донні відкладення), де відбуваються складні і різноманітні фізико-хімічні і біологічні процеси.

Поверхня розділу "вода – атмосфера" слугує середовищем життя для сукупності організмів, що утворюють нейстон і плейстон. Нейстонні організми живуть біля поверхневої плівки, тому вони більшою мірою зазнають впливу нафтопродуктів і добре розчинних у них поліхлорованих сполук – пестицидів і поліхлорбіфенілів.

Значна частина забруднюючих компонентів, проходячи крізь товщу води у складі суспензій, осаджуються на дно. Тому вміст багатьох токсикантів у придонних і порових водах, а також у донних відкладеннях є набагато більшим, ніж у водній товщі. Заховані в донних відкладеннях органічні речовини і сполуки важких металів можуть знову потрапити до води. Таке "вторинне" забруднення зумовлено скаламучуванням осадків донними організмами (молюски, ракоподібні, деякі риби), але особливо інтенсивно воно відбувається при хвильовому і повітряному впливі, а також у процесі апвелінгу.

Унаслідок накопичення екотоксикантів у придонних водах і осадках найбільш уразливими виявляються малорухомі або прикріплені бентосні організми, які живуть у прибережних зонах. Сидячий спосіб життя і локалізація на невеликих глибинах сприяє використанню їх як біоіндикаторів.

Як індикаторні організми перевірялося широке коло видів водоростей, тварин і мікроорганізмів. Зараз визнається, що для з'ясування рівня забрудненості морських екосистем важкими металами найбільше підходять бурі водорості-макрофіти і молюски.

Бурі водорості (Phaeophyta) – фукуси, ламінарії, цитозіри, саргаси – накопичують важкі метали в менших кількостях, ніж це характерно для багатьох видів морських зелених і червоних водоростей-макрофітів і фітопланктону. Проте, на відміну від останніх, поглинання бурими водоростями іонів металів лінійно пов'язане з їхніми концентраціями в навколишньому середовищі. Окрім того, вони більш міцно утримують метали в своїх тканинах.

Здатність накопичувати значні кількості токсичних металів і при цьому виживати пов'язують з високим вмістом специфічних для відділу Phaeophyta полісахаридів – полімерів L-гулуронової і D-манурової кислот, що називаються альгіновими кислотами. їхні солі, альгінати, містяться переважно в клітинних стінках сланей, складаючи до 40 % маси сухих водоростей. Альгінові кислоти характеризуються високою спорідненістю із двовалентними іонами. Зв'язування ними іонів важких металів з утворенням нерозчинних альгінатів відбувається за механізмом іонного обміну. Тому виділені з бурих водоростей альгінати застосовують для виведення радіоактивного стронцію з організмів людини і домашніх тварин.

Очевидно, альгінові кислоти виконують не тільки структурні функції (подібно лігніну і целюлозі наземних рослин): ці полісахариди перешкоджають проникненню до клітин водоростей іонів токсичних важких металів. Міцність альгінатів, що утворюються, визначає виключно великий період напіввиведення зв'язаних металів. В експериментах з ізотопами заліза 59Fe було з'ясовано, що час напіввиведення його для фуксової водорості Fucus vesiculosus складає близько 180 діб.

Найбільшу увагу як біоіндикатори привертають бурі водорості порядку Fucales, які утворюють три родини: фукусові (Fucaceae), саргасові (Sargassaceae) і цистозейрові (Cystoseiraceae). Це, зокрема, пояснюється їхнім широким поширенням – вони ростуть по всіх морях, окрім Каспійського й Аральського, причому самі стають об'єктом промислу (для отримання альгінатів, виробництва кормової муки і добрива). Деякі види фукусового добрива вживають у їжу.

У прибережних холодних морях західної і східної півкуль широко поширені фукуси (Fucus vesiculosus, F. evanescens), костарії (Costaria costata) і сцитосифон (Scytosiphon lomentaria), У більш теплих водах їм на зміну приходять саргаси (Sargassum pallidum, S, mijabei, S, tosaene), пельвеція (Pelvetia wrightii) і представники інших родів порядку Fucales,

Про рівні біоконцентрації іонів важких металів бурими водоротями можна зробити висновок за даними, які отримані в різних районах Приморського краю [36]. Вміст металів (мкг/г сухої маси) коливається в них у межах:

Залізо 22-258 Цинк 20-915

Марганець 2-175 Свинець 0,5-23

Мідь 1-9 Кадмій 0,4-8

Найбільші концентрації, як і варто було очікувати, були зареєстровані у водоростей, що ростуть біля гирла рік, які виносять значні кількості теригенного матеріалу й антропогенних домішок. Аналогічна картина спостерігалася і при дослідженні хімічного складу бурих водоростей біля узбережжя Англії, Ірландії,

Норвегії. Граничні значення концентрацій у водоростях Атлантики були набагато вищими і сягали (мкг/г сухої маси):

Характерним є те, що підвищення вмісту цинку реєструвалося у водоростях із районів, які перебували під сильним антропогенним пресом. Очевидно, цей показник може слугувати своєрідним індикатором освоювання морського узбережжя людиною.

Поруч із водоростями в біоіндикації забруднення морських екосистем важкими металами використовуються двостулкові (Bivalvia) і черевоногі (Gastropoda) молюски. Ці безхребетні тварини широко розповсюджені в прибережних водах усіх морів і звичайно утворюють великі популяції. Багато двостулкових молюсків (мідії, устриці, гребінці) вживаються в їжу. Крупні двостулкові молюски щодобово пропускають крізь мантійну порожнину багато десятків і сотень літрів води, що містить суспендовані часточки. їхня здатність накопичувати токсиканти з неорганічних суспензій і, таким чином, характеризувати повне забруднення розглядається як перевага перед біоіндикаторами-водоростями. Проте метали набагато швидше виводяться з організмів цих тварин (гІ/2~ 2 тижні), тобто можливість отримання з їхньою допомогою усереднених за часом показників забрудненості є обмеженою.

Дуже великі кількості свинцю, цинку і кадмію, що відповідно сягають 3100, 2370 і 140 мкг/г сухої маси, були виявлені в їстівних мідіях (М. edulis) із Хардагенфіорда (Норвегія). Деякі двостулкові молюски відрізняються унікальною здатністю накопичувати кадмій. Наприклад, у пектинах (Pecten maximus) з протоки Ла-Манш середній вміст Cd у розрахунку на суху масу склав 32,5 мкг/г, а в – Pecten novae-zelandiae із затоки Тасман (Нова Зеландія) він перебуває в межах 210-300 мкг/г.

Так само, як і у випадку з водоростями, у молюсків існує особливий механізм зв'язування іонів важких металів, який забезпечує високу пластичність і дає їм можливість вижити в умовах як природних геохімічних аномалій, так і сильного антропогенного забруднення вод цими токсинами. У цитоплазмі молюсків із забруднених вод виявлені великі кількості водорозчинних низькомолекулярних білків-металтіонеїнів, які мають значну спорідненість з іонами металів. Молекулярні маси цих білків коливаються від б до 12 тис. При цьому вміст у них цистеїну сягає 30-35 %. Встановлено, що металтіонеїни з молекулярними масами до 25 тис. Д. а. синтезуються і в організмах хребетних тварин у відповідь на введення іонів кадмію, цинку, міді і ртуті.

У морських безхребетних у зв'язуванні, а отже, і в детоксикації деяких важких металів беруть участь не тільки металтіонеїни. У тканинах зябер, мантії і травної залози мідії М. gallopromncialis були виявлені білки, які зв'язують мідь і мають відносно невисокий вміст цистеїну. Навіть у мідій, що не зазнали впливу іонів Сu2+, були виявлені такі білки. Очевидно, вони здійснюють не тільки захисну функцію по відношенню до цитотоксичного впливу цього металу, але також грають важливу роль в основному метаболізмі життєво необхідної міді [32].

Водорості-макрофіти і молюски можуть також використовуватися як біоіндикатори забруднення морських екосистем органічними поліхлорованими сполуками. Дані про накопичення цих еко- токсикантів у гідробіонтах отримані для багатьох районів Світового океану, у тому числі для східної частини Балтійського моря [37]. У воді центральної частини Фінської затоки (бухта Колга) найбільші концентрації поліхлорованих біфенілів і суми ДЦТ (ДДТ + ДДД + ДДЕ) у середині 1980-х pp. складали 6,9 і 0,13 нг/л відповідно. У водоростях Fucus vesiculosus (у розрахунку на сиру біомасу) середні концентрації ПХБ дорівнювали 9,4 мкг/г (Bcf = 2170), а суми ДДТ – 6 мкг/г (Bcf = 46150).

Вміст ПХБ і ДДТ у мідії їстівній із різних районів Балтійського моря в ці роки коливався від 33 до 109 і від 26 до 94 мкг/г сирої маси відповідно. Ще більшим він був у тканинах молюска-мулоїда Масота baltica: 78-174 мкг/г ПХБ і 40-110 мкг/г ДДТ. І у водоростях, і в молюсках основні кількості цих ліпофільних екотоксикантів містилися в жирових тканинах.