Андреев В.П., Плахотская Ж.В.

Vladimir P. Andreev, Zhanna V. Plakhotskaya

Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова (Санкт-Петербург, Россия)

УДК 574.5:546.3:581.526.323:577.118

Осуществлен анализ содержания тяжелых металлов (Cd, Cu, Mn, Pb, Zn) и металлоида As в наиболее распространенных водорослях Белого моря, а также в водорослях, обнаруженных в полосе штормовых выбросов в различных пунктах побережья о. Северный архипелага Новая Земля. Построены ряды убывания концентраций изученных элементов в талломах фикобионтов. Установлено, что в водорослях Белого моря доминирующим элементом является Zn. В условиях Баренцева моря преобладает Mn. В группе устойчивых последовательностей позиция As весьма непостоянна, что может объясняться различным происхождением образцов водорослей, разным экологическим состоянием мест их исходного обитания, а также тем, что металлоид As в составе водорослей представлен в анионной форме.

Ключевые слова: тяжелые металлы; мышьяк; Арктика; водоросли Белого, Баренцева и Карского морей; биоаккумуляция; штормовые выбросы; ряды убывания концентраций

Способность водорослей к биоаккумуляции тяжелых металлов (ТМ) обусловлена, прежде всего, химическим составом полисахаридов их клеточных стенок (Хотимченко, 2011). Биохимическое разнообразие сорбирующих структур водорослей определяется их таксономическим разнообразием (Адрианов, 2004). Однако даже в пределах одного вида содержание сорбируемых элементов может колебаться со значительной амплитудой в связи с изменениями концентраций ТМ во внешней среде, воздействием комплекса экологических факторов, влияющих на накопление каждого конкретного элемента, а также в зависимости от физиологического состояния самой водоросли (Камнев, 2011). Накопление ТМ и As в макрофитах происходит неравномерно в разных морфологических частях растения (Мессинева, Камнев, 2005; Sugawa-Katayama et al., 2005; Burger et al., 2007). Одним из важных факторов, приводящих к различиям в элементном составе водорослей в пределах одного вида являются возрастные изменения (Бурдин и др., 1987; Теюбова, 2011; Попова и др., 2014). Ведущим же фактором, определяющим накопление ТМ в талломах водорослей, является содержание элементов в водной среде. Элементный анализ содержания ТМ в макрофитах позволяет построить ряды убывания их концентраций в водорослях, отражающие соотношения между элементами в морской воде (Демина и др., 2009). В связи с этим особый интерес представляет поиск устойчивых отношений между показателями содержания элементов в водорослях разного систематического положения, произрастающих как в близких друг относительно друга местообитаниях, так и на далеко отстоящих участках.

В работе поставлена цель в сравнительном плане изучить содержание ТМ и металлоида As в водорослях, доступных сбору на литорали и сублиторали Белого моря, а также на различных участках береговой линии о. Северный архипелага Новая Земля.

Для достижения этой цели произведен сбор водорослей, определена таксономическая принадлежность собранных образцов и проведен анализ содержания Cd, Cu, Mn, Pb, Zn и As в пересчете на сухую массу таллома. По результатам анализа построены ряды убывания концентраций изученных элементов.

Сбор водорослей на Белом море проводили в районе Беломорской биологической станции «Мыс Картеш» Зоологического института РАН в 2013 г., а на Баренцевом и Карском морях – в ходе комплексной экспедиции Северного флота «Новая Земля-2018».

Собранный материал помещали между слоями обеззоленной бумаги и высушивали в гербарном прессе. В лаборатории производили досушивание при 85°С до постоянного веса. Минерализацию образцов осуществляли с помощью СВЧ-минерализатора МС-6 («Вольта», Россия). Элементный анализ проводили на атомном спектрометре МГА-915М («Люмэкс», Россия). Содержание всех элементов определяли в параллельных измерениях одних и тех же минерализованных образцов.

Результаты измерений обрабатывали с помощью пакета программ Statistica for Windows 7. Выборки случайных величин сформированы в результате объединения образцов по видовой принадлежности и местам их сбора. Число членов выборки в условиях ББС «Мыс Картеш» составляло 9–14 образцов. В экспедиции «Новая Земля-2018» оно ограничивалось диапазоном 4–7 образцов, т.е. доступным количеством экземпляров водорослей, найденных в конкретном месте сбора. Нормальный тип распределения членов большинства выборок подтвержден с помощью теста Шапиро-Уилка. В таблицах приведены средние значения с указанием величин доверительных интервалов () для уровня значимости р=0,05. Для выборок, принадлежность членов которых к нормальному распределению подтвердить не удалось, приведены лишь средние значения. Авторы сочли возможным поместить последние в таблицы в качестве реперных данных, учитывая трудную доступность и редкую посещаемость арктических территорий.

Результаты

Белое море. Содержание Mn максимально в образцах Fucus vesiculosus (L.), 1753 (табл. 1). Оно превосходит по средним значениям аналогичный показатель Fucus serratus (L.), 1753 в 4,7 и 9,1 раза в бухте Летняя и губе Медвежья, соответственно. Превышение над показателем Pelvetia canaliculata (L.) Dcne & Thur, 1845 еще более значительно и составляет 10,7 (бухта Левая) и 27,3 (губа Медвежья). Сравнение с представителями Laminariales также подтвердило лидирующее положение F. vesiculosus, содержание Mn в котором выше в 6,4 раза, чем в Saccharina latissima (L.) Lane, Mayes, Druehl & Saunders, 2006 и выше по сравнению с Chorda filum (L.) Stackhouse, 1797  в 3,9 (мыс Картеш) и 8,7 (бухта Левая) раза.

Содержание мышьяка также наиболее высоко в F. vesiculosus. Но, если в губе Медвежья представители Fucaceae слабо различаются по содержанию этого элемента, то в других районах их совместного обитания F. vesiculosus превосходит F. serratus в 1,8 и P. canaliculata в 2,1 раза. Близкие величины превышения установлены при сравнении с S. latissima (1,93) и C. filum (2,1 и 2,4).

Максимальные значения содержания Pb зарегистрированы в слоевищах C. filum. В F. vesiculosus и в P. canaliculata содержится в 4–6 раз меньше этого элемента, как и в талломах S. latissima. Таким образом, концентрации Pb у сублиторального вида весьма близки к таковым у типичных обитателей литорали.

По содержанию Cu в близких по систематическому положению видах семейства Fucaceae выявлены значительные различия. F. vesiculosus превзошел F. serratus в 3,7 (губа Медвежья) и 6,4 (бухта Летняя) раза, а P. canaliculata – в 1,9 (бухта Левая) и 3,6 (губа Медвежья) раза. Напротив, в сублиторальном виде C. filum в обоих местах сбора обнаружено содержание Cu не менее чем в F. vesiculosus, что значительно превышает таковое в талломах P. canaliculata и S. latissima (в 5,7 и 5,4 раза, соответственно).

Таблица 1. Содержание элементов в водорослях губы Чупа Кандалакшского залива
Белого моря, мкг/г

Table 1. The elements content in Chupa Bay algae of the White Sea Kandalaksha Bay, mkg/g

Максимальное содержание Cd у F. serratus отмечено в обоих пунктах сбора, где он был обнаружен. Оно выше, чем у F. vesiculosus в 2,4 (губа Медвежья) и 2,2 раза (бухта Летняя). Показатель превышения над P. canaliculata составил 3,0. Показатели превышения у S. latissima и C. filum, представителей Laminariales, так же меньше, чем у лидирующего вида.

Поскольку повсеместно в береговой зоне произрастает только F. vesiculosus, а каждый из остальных видов обнаружен не более чем на двух станциях, сравнение содержания элементов в зависимости от места сбора проводили только на самом распространенном виде. Выявлена только одна станция (губа Медвежья), на которой отмечено существенно более высокое содержание Mn в талломах F. vesiculosus и одна станция – с относительно низким содержанием Zn (б. Левая). По содержанию в слоевищах As и Pb различий на разных станциях не выявлено. Напротив, содержание Cu у мыса Картеш было достоверно выше, чем в трех пунктах (б. Левая, г. Медвежья и б. Летняя). Противоположная тенденция выявлена по показателям содержания Cd – содержание данного металла в талломах F. vesiculosus у мыса Картеш явно ниже, чем в б. Левая и г. Медвежья.

Анализ последовательностей убывания концентраций элементов в разных видах водорослей показал преобладание во всех фикобионтах двух элементов – As и Mn, при этом при рассмотрении в целом не обнаружено ни одного полного совпадения в рядах (табл. 2).

Таблица 2. Ряды убывания содержания элементов по видам водорослей Белого моря

Table 2. Series of decreasing element content by type of White Sea algae

Баренцево море. Максимальные концентрации Cu и Zn отмечены в талломах S. latissima (табл. 3). В спорофиллах Alaria esculenta (L.) Grev., 1830 содержание Cd и As больше, чем в ее вегетативной пластине и в любой из частей слоевищ других видов водорослей. Второе место по содержанию этих элементов занимает S. latissima. Лидирующее положение по содержанию Mn принадлежит рецептакулам Fucus distichus L., 1765, в которых также велико содержание Cu. Laminaria digitata (Huds.) Lamouroux, 1813 характеризуется сравнительно низкими концентрациями ТМ, но в губе Митюшиха в ее талломах отмечена высокая концентрация As. По содержанию последнего L. digitata уступает только спорофиллам A. esculenta.

Таблица 3. Содержание элементов в водорослях баренцевоморского побережья о. Северный архипелага Новая Земля, мкг/г

Table 3. The elements content in Northern Island coast algae of the Novaya Zemlya archipelago, mkg/g

Анализ рядов убывания концентраций элементов в водорослях, собранных в зоне штормовых выбросов, показал преобладание Zn во всех 9 исследованных объектах (табл. 4). В спорофиллах A. esculenta и в слоевище Palmaria sp. доминирует As, а в краях ветвей F. distichus, собранного в губе Крестовая, – Mn. Наиболее вариабельно положение As, который в различных объектах занимает разные места, от 1 до 5. Если этот элемент исключить из рассмотрения, то в половине рядов воспроизводится практически одна и та же последовательность ТМ: Zn>Mn>Cu³Cd>Pb. Данный ряд обнаружен у всех представителей бурых водорослей, за исключением S. latissima, но не присущ спорофиллам A. esculenta.

Таблица 4. Ряды убывания содержания элементов по видам водорослей Баренцева моря

Table 4. Series of decreasing element content by type of Barents Sea algae

Карское море. На побережье залива Наталии особенно высоко содержание As в спорофиллах A. esculenta (табл. 5). Высокие концентрации As отмечены также в талломах S. latissima и L. digitata. Максимальное содержание Cu отмечено в вегетативной пластине A. esculenta. В спорофиллах этой же водоросли концентрация Cu в 3,6 раза ниже. В талломе единственного представителя Rhodophyta – Phycodrys rossica (Sinova) Zinova, 1955 – преобладает Zn. Обсуждение причин относительного содержания элементов в пределах всех обнаруженных видов достаточно сложно из-за отсутствия возможности исследовать их с необходимой точностью. По этой причине ряды убывания построены только для двух видов, а именно S. latissima: As>Cd≥Mn≥Zn>Cu>Pb и P. rossica: Zn>Mn>Cu>As>Cd>Pb. Сравнение этих рядов с данными, представленными в табл. 4, выявило совпадение последовательности, характеризующей элементный состав P. rossica, с последовательностью, преобладающей в изученных объектах Баренцева моря. Что касается S. latissima, то относящаяся к ней последовательность является уникальной.

Таблица 5. Содержание элементов в объектах штормовых выбросов залива Наталии
бассейна Карского моря, мкг/г

Table 5. The elements content in the objects of storm emissions of the Natalia Bay (the Kara Sea basin), mkg/g

В результате исследования подтверждена видоспецифичная способность водорослей накапливать те или иные элементы, что проявляется в лидировании разных видов по содержанию Mn, As, Cd и Cu. Установлены сходства и различия в рядах убывания содержания ТМ в условиях Белого и Баренцева морей. Общим является минимальное содержание Pb практически на всех пунктах сбора в условиях всех морей. Различия состоят в отсутствии постоянства позиции As в рядах убывания, построенных для объектов Баренцева моря и преимущественно в лидирующем его положении (позиции 1 и 2) на Белом море. Возможно, причинами различных позиций ТМ и мышьяка являются амфотерная природа металлоида As и его способность в зависимости от условий выступать в качестве катион- или анион-образующего элемента, а также быстрая экстрагируемость в водную среду (Войтович и др., 2010). Поскольку на побережье Новой Земли сбор водорослей осуществлен среди штормовых выбросов, преимущественно подвергающихся воздействию атмосферных осадков, можно предполагать вымывание из них части As природной водой.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

1. Адрианов А.В. Современные проблемы изучения морского биологического разнообразия // Биология моря. 2004. Т.30, №1. С. 3–19.
2. Бурдин К.С., Камнев А.Н., Любимов М.В. Концентрирование некоторых металлов в слоевище бурой водоросли Sargassum pallidum в зависимости от возраста // Биологические науки. 1987. №4. С. 74–79.
3. Войтович А.М., Ильюкова И.И., Терешко С.В., Казук А.В., Степанищева В.А., Ахтанин О.Н. Содержание мышьяка в водоросли ламинарии и изделиях «палочка ламинарии» // Здоровье и окружающая среда. 2010. №16. С. 306–309.
4. Демина Л.Л., Мартынова Д.М., Подлесных К.В. Биоаккумуляция тяжелых металлов компонентами экосистемы Кандалакшского залива Белого моря и внутренних водоемов европейского севера // Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера: материалы XXVIII Международной конференции. (Петрозаводск, 5–8 окт. 2009 г.). –  Петрозаводск, 2009. – С. 183–188.
5. Камнев А.Н. Особенности минерального состава черноморской бурой водоросли Cystoseira barbata (Turn.) // Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки: тезисы докл. 4-й Междунар. научно-практической конф. (Южно-Сахалинск. 2011 г.) – Южно-Сахалинск, 2011. – С. 224–225.
6. Попова Е.В., Мусатенко Л.И., Войтенко Л.В., Нехорошев М.В., Краснов В.П. Содержание фукоксантина и тяжелых металлов в разновозрастных ветвях черноморской бурой водоросли Cystoseira barbata // Обмен веществ при адаптации и повреждении (Дни молекулярной медицины на Дону): материалы XIII Российской научно-практической конференции с международным участием. (Ростов-на-Дону, 16–17 мая 2014 г.). – Ростов-на-Дону, 2014. – С. 178–181.
7. Теюбова В.Ф. Особенности накопления тяжелых металлов в разновозрастных талломах цистозиры (Чёрное море) // Морской экологический журнал. 2011. Т.10, №3. С. 67–75.
8. Хотимченко М.Ю. Сорбционные свойства и фармакологическая активность некрахмальных полисахаридов: дис. … док. мед. наук. – Владивосток, 2011. – 269 с.
9. Мессинева Е.М., Камнев А.Н. Использование макроводорослей для мониторинга морской среды // Сборник научных трудов МАТИ. 2005. №8. С. 221–226.
10. Burger J., Gochfeld M., Jeitner Ch., Gray M., Shukla T., Shukla Sh., Burke S. Kelp as a bioindicator: Does it matter which part of 5 M long plant is used for metal analysis? // Environ. Monit. and Assess. 2007. V.128, №1–3. Р. 311–321.
11. Sugawa-Katayama Y., Katayama M., Amano H., Nakano Y. Arsenic concentration in various tissues of Hijiki. – Osaka: KURRI Progress Report, 2005. – Р. 115.

Статья поступила в редакцию 23.05.2022
После доработки 28.08.2022
Статья принята к публикации 20.09.2022

Об авторах

Андреев Владимир Павлович – Vladimir P. Andreev

кандидат биологических наук
доцент, старший научный сотрудник, НИЦ Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия (Kirov Military Medical Academy, St. Peterburg, Russia), НИЛ (войскового и рационального питания) НИО (питания и водоснабжения)

andreev@mail.ru

Плахотская Жанна Вячеславовна  – Zhanna V. Plakhotskaya

научный сотрудник, НИЦ Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова, Санкт-Петербург, Россия (Kirov Military Medical Academy, St. Peterburg, Russia), НИЛ (войскового и рационального питания) НИО (питания и водоснабжения)

zannapl@yandex.ru

Корреспондентский адрес: 190013, Санкт-Петербург, улица Рузовская 12, литера «А», НИО (питания и водоснабжения) НИЦ. Телефон: +7(812)667-71-18.

ССЫЛКА:

Андреев В.П., Плахотская Ж.В. Тяжелые металлы и мышьяк в водорослях Белого, Баренцева и Карского морей // Вопросы современной альгологии. 2022. № 2 (29). С. 15–22. URL: http://algology.ru/1823

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-2(29)-15-22

EDN – BLBKXX

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

High density metals and arsenic in algae of the White, Barents and Kara Seas

Vladimir P. Andreev, Zhanna V. Plakhotskaya

Kirov Military Medical Academy (St. Peterburg, Russia)

The analysis of the content of heavy metals (Cd, Cu, Mn, Pb, Zn) and metalloid As in the most common algae of the White Sea, as well as in algae found in the band of storm emissions at various points of the coast of the island Severny of the Novaya Zemlya archipelago, was carried out. The series of decreasing concentrations of the studied elements in the thalloms of phycobionts are constructed. It has been established that Zn is the dominant element in the algae of the White Sea. Mn prevails in the conditions of the Barents Sea. In the group of stable sequences, the position of As is very unstable, which can be explained by the different origin of the algae samples, the different ecological state of their original habitats, as well as the fact that the metalloid As in the algae is represented in anionic form.

Key words: high density metals; arsenic; Arctic; algae of the White; Barents and Kara Seas; bioaccumulation; storm emissions; series of decreasing concentrations

References

1. Adrianov A.V. Contemporary problems of study of marine biological diversity. Biologiyamorya. 2004. T.30, №1. P. 3–19. (In Russ.)
2. Burdin K.S., Kamnev A.N., Lyubimov M.V. Koncentrirovanie nekotoryh metallov v sloevishche buroj vodorosli Sargassum pallidum v zavisimosti ot vozrasta [Concentration of some metals in the stratum of brown algae Sargassum pallidum depending on age]. Biologicheskie nauki. 1987. № 4. P. 74–79. (In Russ.)
3. Burger J., Gochfeld M., Jeitner Ch., Gray M., Shukla T., Shukla Sh., Burke S. Kelp as a bioindicator: Does it matter which part of 5 M long plant is used for metal analysis? Environ. Monit. and Assess. 2007. V.128, №1–3. Р. 311–321.
4. Demina L.L., Martynova D.M., Podlesnyh K.V. Bioakkumulyaciya tyazhelyhmetallov komponentami ekosistemy Kandalakshskogo zaliva Belogo morya i vnutrennih vodoemov evropejskogo severa [Bioaccumulation of heavy metals by various components of the ecosystem of the Kandalaksha Bay of the White Sea and inland waters of the European North]. Biologicheskie resursy Belogo moray i vnutrennih vodoemov Evropejskogo Severa [Biological resources of the White Sea and inland waters of the European North]: Proceedings of XXVIII Mezhdunarodnoj konferencii (Petrozavodsk, 5–8 Okt. 2009). Petrozavodsk, 2009. P. 183–188. (In Russ.)
5. Hotimchenko M.Yu. Sorbcionnye svojstva I farmakologicheskaya aktivnost' nekrahmal'nyh polisaharidov [Sorption properties and pharmacological activity of non-starch polysaccharides]: DPhil Thesis. Vladivostok, 2011. 269 p. (In Russ.)
6. Kamnev A.N. Osobennosti mineral'nogo sostava Chernomorscoj buroj vodorosli Cystoseira barbata (Turn.) [Features of the mineral composition of the Black Sea brawn algae Cystoseira barbata (Turn.)]. Morskie pribreznye ekosistemy. Vodorosli, bespozvonochnye, I produkty ih pererabotki [Marine coastal ecosystems. Algae invertebrates and products of their processing]: Proceedings of the 4th International scientific and practical conference (Yuzhno-Sakhalinsk, 2011). Yuzhno-Sakhalinsk, 2011. P. 224–225. (In Russ)
7. Messineva E.M., Kamnev A.N. Ispol'zovanie makrovodoroslej dlya monitoring morskoj sredy [The use of macroalgae for monitoring the marine environment]. Sbornik nauchnyh trudov MATI. 2005. №8. P. 221–226. (In Russ.)
8. Popova E.V., Musatenko L.I., Vojtenko L.V., Nekhoroshev M.V., Krasnov V.P. Soderzhanie fukoksantina I tyazhelyh metallov v raznovozrastnyh vetvyah chernomorskoj buroj vodorosli Cystoseira barbata [The content of fucoxanthin and heavy metals in the branches of the Black Sea brown algae Cystoseira barbata of different ages]: Obmen veshchestv pri adaptacii i povrezhdenii (Dni molekulyarnoj mediciny na Donu) [Metabolism during adaptation and damage (Days of Molecular Medicine on the Don)]: Proceedings of XIII Rossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii  s mezhdunarodnym uchastiem. (Rostov-na-Donu, 16–17 May 2014). – Rostov-na-Donu, 2014. – P. 178–181. (In Russ.)
9. Sugawa-Katayama Y., Katayama M., Amano H., Nakano Y. Arsenic concentration in various tissues of Hijiki. Osaka: KURRIProgressReport, 2005. Р. 115.
10. Teyubova V.F. Features of accumulation of heavy metals in talli of different ages of species cystoseira thallomas (the Black Sea). Morskoj ekologicheskij zhurnal. 2011. T.10, №3. P. 67–75. (In Russ.)
11. Vojtovich A.M., Il'yukova I.I., Tereshko S.V., Kazuk A.V., Stepanishcheva V.A., Ahtanin O.N. Arsenic content in laminaria algae and products «laminaria tents». Zdorov'e i okruzhayushchaya sreda. 2010. №16. P. 306–309. (In Russ.)

Authors

Andreev Vladimir P.

ORCID – https://orcid.org/0000-0002-9072-2845

Kirov Military Medical Academy (St. Peterburg, Russia)

andreev@mail.ru

Plakhotskaya Zhanna V.

ORCID – https://orcid.org/0000-0002-9045-721X

Kirov Military Medical Academy (St. Peterburg, Russia)

zannapl@yandex.ru

ARTICLE LINK:

Andreev V.P., Plakhotskaya Zh.V. High density metals and arsenic in algae of the White, Barents and Kara Seas. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2022. № 2 (29). P. 15–22. URL: http://algology.ru/1823

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-2(29)-15-22

EDN – BLBKXX

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor, please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147