Yaroslavl, Yaroslavl, Russian Federation
VAK Russia 4.1.2
VAK Russia 4.1.3
VAK Russia 4.1.4
VAK Russia 4.1.5
VAK Russia 4.2.1
VAK Russia 4.2.2
VAK Russia 4.2.3
VAK Russia 4.2.4
VAK Russia 4.2.5
VAK Russia 4.3.3
VAK Russia 4.3.5
UDC 639.216.4
UDC 591.1
UDC 546.4
The aim of the study is to determine the metal content in the muscles of pike-perch from the Ivankovsk and Uglich reservoirs and to assess the risk of human consumption of this species. Muscle tissue was excised, weighed and frozen from pike-perch individuals caught by trawl at standard stations of the reservoirs. In the laboratory, the tissues were dried, ground and the content of Zn, Cu, Mn, Fe, Mg was determined using a KVANT 2-AT spectrophotometer; Cd, Pb, Al, Hg, Cr, Co, Ni, V – using an OES ISP Optima 2000 DV; K – using flame emission spectrometry. Risk assessment was carried out using calculation methods based on the obtained concentrations of heavy metals. The muscle tissue of the pike-perch from the Ivankovsk Reservoir contained significantly more Cd and Cr and less Fe than the muscles of the pike-perch from the Uglich Reservoir. The concentrations of Hg and V were below the detection limit. Synchronicity of bioaccumulation of a number of toxic and essential metals depending on their concentration in reservoir water has been discovered. The obtained content of heavy metals did not exceed the established Russian MPCs and international standards. Among the analyzed elements, the maximum accumulation in the muscles of pike-perch from both reservoirs was found for K, Al, Zn and Fe, the minimum – for Co, Cd and Ni. The indicators of non-carcinogenic risk to human health from heavy metals did not exceed the permissible threshold. The risk of cancer when consuming pike-perch meat from Cd, Al and Cr exceeded 1 per 100,000. The overall risk index for cancer development was higher than the established standards (> 1 • 10–4).
pike-perch, Sander lucioperca, heavy metals, pike-perch muscles, Ivankovsk Reservoir, Uglich Reservoir, hazard coefficient, carcinogenic risk
Введение. Иваньковское и Угличское водохранилища, являясь первым звеном системы водохранилищ Волго-Каспийского бассейна, имеют комплексное значение в деятельности человека. Водоемы используются для судоходства, энергетики, рекреации, сельского и рыбного хозяйства. Кроме того, Иваньковское водохранилище служит главным источником питьевого снабжения Москвы [1–3].
Тверская и Московская области, на территории которых расположены водохранилища, являются густонаселенными и активно застраивающимися зонами [2]. В них сосредоточено промышленное производство (машиностроительное, химическое, топливное, пищевое и др.) [4]. Из-за этого водоемы испытывают огромную антропогенную нагрузку. К основным причинам загрязнения водохранилищ относят хозяйственно-бытовые, промышленные, сельскохозяйственные и ливневые сточные воды, вместе с которыми поступают тяжелые металлы – вещества, накапливающиеся в гидробионтах и поступающие в организм человека по пищевой цепи [5, 6].
В рыбных запасах водохранилищ одним из наиболее ценных и массовых видов рыб является судак Sander lucioperca. Он характеризуется широким распространением по всем водоемам [7].
Цель исследования – определение концентрации токсичных и эссенциальных металлов в мышцах судака из Иваньковского и Угличского водохранилищ и оценка рисков потребления мяса этого вида.
Задачи: выявить особенности аккумуляции микро- и макроэлементов в мышцах судака из Верхневолжских водохранилищ и определить показатели неканцерогенного и канцерогенного рисков для здоровья человека; сравнить полученные результаты с допустимыми нормативами.
Объекты и методы. Объектом исследования были особи судака, выловленные тралом в нагульный период на стандартных станциях траления Иваньковского (n = 11) и Угличского (n = 14) водохранилищ. У пойманных рыб на хладагенте иссекали мышечную ткань вдоль позвоночника, взвешивали и замораживали до проведения анализов.
В лаборатории ткани высушивали до постоянной массы при температуре 60 °C, измельчали в лабораторной мельнице, затем приготавливали минерализат для определения металлов. Анализ образцов проводили с помощью спектрофотометра KVANT 2-AT (Kortec Ltd., Moscow, Russia) для получения цинка (Zn), меди (Cu), марганца (Mn), железа (Fe), магния (Mg) и оптического эмиссионного спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Optima 2000DV для получения кадмия (Cd), свинца (Pb), алюминия (Al), ртути (Hg), хрома (Cr), кобальта (Co), никеля (Ni), ванадия (V). Содержание калия (K) определяли с применением пламенно-эмиссионной спектрометрии. Полученные результаты выражали в мг/кг сырого веса.
Для оценки неканцерогенного и канцерогенного риска потребления мяса судака в пищу использовали метод, описанный ранее [8]. Cуточное потребление рыбы в РФ, по данным FAO, для пелагических рыб составляло 0,015 кг/день. Эталонная преоральная доза (RfD) для Zn, Ni и Cu составляла 0,3, 0,02 и 0,04 мг/кг/день соответственно [9].
Статистическую обработку полученных результатов проводили в программе MS Excel с расчетом средних значений и их стандартного отклонения (x ± SD). Для оценки достоверности различий между средними значениями применяли непараметрический критерий U-Манна-Уитни. Различия считались статистически значимыми при P ≥ 0,95.
Результаты и их обсуждение. В результате исследования выявлено статистически достоверное превышение Cd в мышцах судака из Иваньковского водохранилища по сравнению с Угличским водохранилищем (табл. 1). Статистически значимых различий между Pb и Al в тканях исследованных особей не обнаружено. Содержание Hg оказалось ниже предела обнаружения.
Мышцы судака из Угличского водохранилища содержали достоверно меньше хрома и больше железа, чем мышцы судака из Иваньковского водохранилища (табл. 2).
Таблица 1
Содержание неэссенциальных тяжелых металлов в мышцах судака, мг/кг
The content of nonessential heavy metals in walleye muscles, mg/kg
|
Водохранилище |
Cd |
Pb |
Al |
Hg |
|
Иваньковское |
0,024±0,019 |
0,165±0,103 |
19,756±7,680 |
НПО |
|
Угличское |
0,011±0,002* |
0,130±0,050 |
19,697±12,593 |
НПО |
Здесь и далее: НПО – ниже предела обнаружения; (*) – отличия от Иваньковского водохранилища достоверны.
Таблица 2
Содержание эссенциальных микро- и макроэлементов в мышцах судака, мг/кг
The content of essential micro- and macronutrients in the muscles of the vessel, mg/kg
|
Водохранилище |
Cr |
Co |
Ni |
V |
Zn |
Cu |
Mn |
Fe |
Mg |
K |
|
Иваньковское |
0,180± 0,083 |
НПО |
0,039±0,041 |
НПО |
3,879±0,217 |
0,939±0,257 |
0,134±0,021 |
0,947± 0,659 |
0,429±0,180 |
3485±1032 |
|
Угличское |
0,118± 0,054* |
0,002±0,003 |
0,011±0,019 |
НПО |
4,252±0,402 |
0,898±0,590 |
0,159±0,064 |
1,502± 0,552* |
0,447±0,121 |
3949±717 |
Выявлено незначительное превышение содержания цинка, марганца, магния и калия в мышцах судака из Угличского водохранилища по сравнению с Иваньковским. Содержание V в обоих водохранилищах и Co в Иваньковском водохранилище было ниже предела обнаружения.
Считается, что основное воздействие на гидрохимический режим Угличского водохранилища оказывают воды, поступающие из Иваньковского водохранилища [3]. Воды Иваньковского и Угличского водохранилищ ранее оценивались как «загрязненные» и «очень загрязненные» [10]. В Иваньковском водохранилище отмечают превышение нормативов по содержанию в воде меди, цинка и железа [11]. В водах Угличского водохранилища концентрации железа, марганца, меди и цинка превышают ПДК в несколько раз [5]. Содержание Cd и Al в донных отложениях Иваньковского водохранилища было выше, чем в Угличском, Pb – ниже [12, 13].
Сравнение полученных нами данных и сведений о накоплении металлов в воде Иваньковского и Угличского водохранилищ свидетельствует о синхронности биоаккумуляции эссенциальных элементов (за исключением Mn) в зависимости от их количества в водной массе. Схожая тенденция выявлена для кадмия и свинца [5, 11–14].
Тяжелые металлы, содержащиеся в мышцах судака из Иваньковского и Угличского водохранилищ, не превышали установленные российские ПДК и международные стандарты [15].
В Иваньковском водохранилище выявлена следующая закономерность интенсивности накопления металлов: Hg = V = Co < Cd < Ni < Mn < Pb < Cr < Mg < Cu < Fe < Zn < Al < K, в то время как в Угличском металлы накапливались в ряду Hg = V < Co < Cd = Ni < Cr < Pb < Mn < Mg < Cu < Fe < Zn < Al < K.
В мышечной ткани судака из обоих водохранилищ такие элементы, как K, Al, Zn, Fe и Cu, превосходили остальные исследованные вещества. При этом концентрация K была выше в несколько тысяч раз, чем остальных элементов. Эти металлы, за исключением Al, являются жизненно необходимыми для живых организмов и называются эссенциальными. В норме они должны накапливаться в больших количествах из-за их важной роли в работе биологических систем (ферментативной, метаболической, регуляторной и других) [16, 17]. Их дефицит может приводить к нарушению метаболических функций, опосредованных ферментами, врожденным аномалиям, иммунологическим нарушениям, хроническим заболеваниям [16, 18]. Калий является очень важным минеральным компонентом для организма, который участвует в кислотно-щелочном балансе, реакции гликогенеза, регуляции осмотического давления, проведении нервных импульсов, сокращении мышц [19]. Алюминий – неэссенциальный металл, однако его биоаккумуляция в рыбах происходит при высоком содержании его взвешенных форм в воде [20].
Значения целевого и суммарного коэффициентов опасности, характеризующие неканцерогенные риски от продолжительного воздействия тяжелых металлов, представлены в таблице 3.
Таблица 3
Показатели неканцерогенного риска от тяжелых металлов в мышцах судака
для здоровья человека
Non-carcinogenic risk indicators of heavy metals in pike perch muscle for human health
|
Водохранилище |
Целевой коэффициент опасности (THQ) |
HI |
|||||||||
|
Cd |
Pb |
Al |
Cr |
Cu |
Mn |
Fe |
Co |
Zn |
Ni |
||
|
Иваньковское |
0,005 |
0,010 |
0,004 |
0,013 |
0,005 |
0,0002 |
0,0003 |
– |
0,003 |
0,0004 |
0,041 |
|
Угличское |
0,002 |
0,008 |
0,004 |
0,008 |
0,005 |
0,0002 |
0,0005 |
0,0011 |
0,003 |
0,0001 |
0,033 |
Примечание: HI – суммарный коэффициент опасности.
Результаты исследования показали, что показатели THQ и HI для всех металлов не превышали допустимого порога (< 1), что демонстрирует отсутствие потенциального неканцерогенного риска для здоровья человека при потреблении мяса судака из Иваньковского и Угличского водохранилищ в пищу в течение жизни [6].
Наименьшее значение целевого индекса риска развития рака (TR) определено для Pb (< 1 · 10-6) (табл. 4).
Таблица 4
Показатели канцерогенного риска для здоровья человека от тяжелых металлов
в мышцах судака
Indicators of carcinogenic risk to human health from heavy metals in walleye muscles
|
Водохранилище |
Целевой индекс риска развития рака (TR) |
TTR |
|||
|
Cd |
Pb |
Al |
Cr |
||
|
Иваньковское |
7,66·10-5 |
3,00·10-7 |
8,89·10-5 |
1,93·10-5 |
1,85·10-4 |
|
Угличское |
3,63·10-5 |
2,37·10-7 |
8,86·10-5 |
1,27·10-5 |
1,38·10-4 |
Примечание: TTR – общий индекс риска развития рака.
Однако риск возникновения рака при потреблении мяса судака из Иваньковского и Угличского водохранилищ от остальных металлов превышает 1 на 100 000. Кроме этого, значение TTR превосходит общепринятые нормы (> 1·10–4), что может приводить к возникновению рака от кумулятивного воздействия потенциальных канцерогенов, попадающих в организм человека при потреблении мяса судака как из Иваньковского, так и Угличского водохранилища [9].
Полученные значения показателей неканцерогенного и канцерогенного риска в среднем оказались выше в Иваньковском водохранилище по сравнению с Угличским. Данный факт не противоречит результатам исследований, которые указывают на несколько больший уровень загрязнения Иваньковского водохранилища по сравнению с Угличским [12–14].
Заключение. В работе определены концентрации токсичных и эссенциальных макро- и микроэлементов в мышцах особей судака, выловленных из Иваньковского и Угличского водохранилищ. Мышцы судака из Иваньковского водохранилища содержали достоверно больше Cd и Cr и меньше Fe, чем мышцы судака из Угличского водохранилища. Обнаружена синхронность биоаккумуляции Cd, Pb и эссенциальных элементов (за исключением Mn) в зависимости от их концентрации в воде. Среди проанализированных элементов максимальное накопление выявлено для K, Al, Zn и Fe, минимальное – для Co, Cd и Ni. Концентрации Hg и V были ниже предела обнаружения. Потенциальный неканцерогенный риск для здоровья человека при потреблении мяса судака из Иваньковского и Угличского водохранилищ не выявлен. Целевые значения канцерогенного риска изменялись от 2,37 ∙ 10–7 для Pb в мышцах судака из Угличского водохранилища до 8,89 ∙ 10–5 для Al в мышечной ткани рыб из Иваньковского водохранилища. Общий индекс риска развития рака превышает верхнюю границу, установленную нормативами, что может негативно воздействовать на здоровье человека.
1. Lantsova IV. Influence of recreational use on quality of water. RUDN Jornal of Ecology and Life safety. 2009;(1):42-50. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/JWKDZZ.
2. Kirpichev IL, Grigorieva IL. Investigation of influence of building of the water protection zone of the Ivankovskoye reservoir on water quality of a reservoir. Vestnik Mezhdunarodnogo universiteta prirody, obshchestva i cheloveka "Dubna". 2018;1:19-25. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/FRAOWU.
3. Grigoryeva IL. Regularities and factors of formation of winter hydro/chemical regime of the Uglich reservoir. Water sector of Russia. 2020;(2):52-64. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.35567/1999-4508-2020-2-4. EDN: https://elibrary.ru/KEWPDY.
4. Grishantseva ES, Safronova NS. Ecological-geochemical assessment of the state of the Volga source of water supply to Moscow. Water Resources. 2012;39:305-321. (In Russ.). DOI: 10.1134/ S0097807812020054. EDN: https://elibrary.ru/PDPDAN.
5. Tikhomirov OA. Assessment of modern pollution and water quality of the Uglich reservoir. Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. "Himiya". 2022;(1):142-151. DOI:https://doi.org/10.26456/vtchem 2022.1.15. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/MSTGGM.
6. Barone G, Storelli A, Garofalo R, et al. Residual levels of mercury, cadmium, lead and arsenic in some commercially key species from Italian coasts (Adriatic Sea): Focus on human health. Toxics. 2022;10(5):223. DOI:https://doi.org/10.3390/toxics10050223. EDN: https://elibrary.ru/TMKHLG.
7. Goryachev DV, Nikitenko AI, Klets NN, et al. State of water biological stock resources in the Ivankovskoe and Uglichchskoe reservoirs. Voprosy rybolovstva. 2021;22(1):25-37. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.36038/0234-2774-2021-22-1-25-37. EDN: https://elibrary.ru/RYAWVD.
8. Payuta AA, Flerova EA, Zaitseva YuV. Risk assessment of consuming bream from the Rybinsk reservoir. Bulletin of KSAU. 2023;(12):252-259. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2023-12-252-259. EDN: https://elibrary.ru/VLGQJW.
9. Vu CT, Lin CH, Yeh G, et al. Bioaccumulation and potential sources of heavy metal contamination in fish species in Taiwan: assessment and possible human health implications. ESPR. 2017;24:19422-19434. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-017-9590-4. EDN: https://elibrary.ru/ELQOMC.
10. Trofimchuk MM. Kachestvo poverhnostnyh vod Rossijskoj Federacii. Rostov-on-Don: Gidrohimicheskij institut, 2018. 561 p. (In Russ.).
11. Borkov DD. Ocenka sovremennogo kachestva vody Ivan'kovskogo vodohranilischa. In: Geografiya, `ekologiya, turizm: nauchnyj poisk studentov i aspirantov: materialy XI Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Tver': Tverskoj gosudarstvennyj universitet, 2023. P. 11–15. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/KUNPAH.
12. Gapeeva MV, Zakonnov VV. The geochemical characteristic of the ecosystem of the Uglichsky reservoir. Trudy Instituta biologii vnutrennih vod RAN. 2016;75:41-46. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.24411/0320-3557-2016-10019. EDN: https://elibrary.ru/YRNVGX.
13. Tomilina II, Gapeeva MV, Lozhkina RA. Assessment of water quality and bottom sediments of the Volga River reservoirs based on toxicity and chemical composition. Trudy Instituta biologii vnutrennih vod RAN. 2018;82:106-130. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.24411/0320-3557-2018-1-0015. EDN: https://elibrary.ru/LZGUJN.
14. Grishantseva ES, Safronova NS. Ecological-geochemical assessment of the state of the Volga source of water supply to Moscow. Water Resources. 2012;39(3):305-321. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/OXXVQH.
15. Anishchenkoa OV, Gladyshev MI, Kravchuk ES. Assessment of the Yenisei River Anthropogenic Pollution by Metals Concentrations in the Main Ecosystem Compartments Upstream and Downstream Krasnoyarsk City (Russia). Journal of Siberian Federal University. Biology. 2010;3:82-98. (In Russ.). EDN: https://elibrary.ru/MUQADD.
16. Baki MA, Hossain MM, Akter Jh, et al. Concentration of heavy metals in seafood (fishes, shrimp, lobster and crabs) and human health assessment in Saint Martin Island, Bangladesh. Ecotoxicology and environmental safety. 2018;159:153-163. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.04.035.
17. Rakocevic J, Sukovic D, Maric D. Distribution and relationships of eleven trace elements in muscle of six fish species from Skadar Lake (Montenegro). Turkish Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 2018;18(5):647-657.
18. Simionov IA,Cristea V,Petrea SM, et al. Bioconcentration of essential and nonessential elements in Black Sea turbot (Psetta Maxima Maeotica Linnaeus, 1758) in relation to fish gender. Journal of Marine Science and Engineering. 2019;7(12):466. DOI:https://doi.org/10.3390/JMSE7120466. EDN: https://elibrary.ru/SEMSXR.
19. Soetan KO, Olaiya CO, Oyewole OE. The importance of mineral elements for humans, domestic animals and plants: a review. African journal of food science. 2010;4(5):200-222.
20. Moiseenko TI. Impact of geochemical factors of aquatic environment on the metal bioaccumulation in fish. Geochemistry International. 2015;53(3):213-223. (In Russ.). DOI:https://doi.org/10.7868/S0016752515030097. EDN: https://elibrary.ru/TJFGMX.
