Microplastic in Abiotic and Biotic Parts of the Mesha Bay of the Kuibyshev Reservoir (Republic of Tatarstan)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ¹

Производство пластика в мире постоянно увеличивается. Различные изделия из пластика стали обычным явлением в повседневной жизни людей. За последние 40 лет использование пластмасс увеличилось в 25 раз благодаря минимальной стоимости, долговечности, низкой массе и эластичности (Sutherland et al., 2016). Во всем мире пластмассы широко используют в упаковке пищевых продуктов, строительстве, автомобильных изделиях, электрических устройствах, домашних видах спорта и отдыха, сельском хозяйстве, здравоохранении и пластиковой мебели (Bhuyan, 2022).

По данным (Ma et al., 2020), ~6300 млн т пластиковых отходов было произведено в период с 1950 по 2015 гг., в 2018 г. – ~359 млн т. Часть их в итоге поступила в окружающую среду, где пластик фрагментировался до микрочастиц под воздействием физико-химических факторов. За счет малого размера МП легко заглатывается животными и перемещается по пищевой цепи в организмы более высокого трофического уровня, включая человека (Никитин и др., 2019). МП оказывает не только физическое воздействие на организм, вызывая угнетение роста и развития, но представляет токсическую опасность, поскольку выступает сорбентом, аккумулируя на своей поверхности высокотоксичные соединения.

В пресноводные экосистемы МП поступает преимущественно с поверхностным стоком, коммунальными сточными водами и отходами, несанкционированно размещенными в водоохранной зоне.

Основная часть публикаций посвящена исследованию МП в морских экосистемах и недостаточно изучено его содержание в реках и озерах (Никитин и др., 2019).

Цель работы – оценить содержание микропластика в воде, донных отложениях, жабрах и ЖКТ бентосоядных рыб (леща Abramis brama L., 1758) в Мешинском заливе Куйбышевского водохранилища.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Река Меша – правый приток р. Камы, впадает в Камский залив Куйбышевского водохранилища. Длина реки 204 км, ширина колеблется от 30 м до 2–3 км. Скорость течения ~1–2 м/с. Глубина реки 0.2–0.6 м. Площадь бассейна 4180 км² (Водные…, 2006). Река испытывает антропогенную нагрузку со стороны сельскохозяйственных и коммунальных предприятий.

Мешинский залив находится в северной части Волжско-Камского плеса, имеет воронкообразную форму, сужаясь к северу, и представляет собой затопленное водное расширение р. Меша и ее пойменных приустьевых участков площадью ~120 км². Залив имеет большое количество мелководных участков и островов, особенно в его предустьевой части, которые представляют собой бывшие пойменные дюны и луговые террасы, расположенные в основном вдоль водораздельной гряды между руслами рек Меша и Камы (Структура…, 1980). В прибрежной части Мешинского залива нерестится в среднем ~40% всего рыбного населения Куйбышевского водохранилища, кроме нереста здесь происходит и нагул рыбы (Северов и др., 2018).

Пробы отбирали в мае и сентябре 2021 г. в Мешинском заливе Куйбышевского водохранилища (рис. 1). Воду объемом 100 л пропускали через планктонную сеть (размер отверстия 100 мкм) с объемом стакана 100 мл, донные отложения отбирали штанговым дночерпателем ГР-91 в прибрежной зоне. Рыбу (леща Abramis brama) отлавливали в прибрежье, около островов и в открытой части Мешинского залива на станции контрольного лова Татарского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (“ВНИРО”) сетями с ячеей 30, 45 и 65 мм. Выбор рыбы для анализа на содержание МП осуществляли случайным образом. Возраст отобранной рыбы – 6–7 лет, средняя масса – 695 ± 256 г, длина – 30.1 ± 3.7 см. Общее количество отобранных проб: воды – 20, донных отложений – 8, рыбы – 15 шт.

 

Рис. 1. Карта-схема района исследования.

 

Подготовку проб воды и донных отложений проводили по методике, описанной в работе (Зобков, Есюкова, 2017). У каждого экземпляра рыбы выделяли жабры и ЖКТ, взвешивали, заливали 10%-ным раствором KOH в соотношении 1 : 20 сырой массы и выдерживали на водяной бане при температуре 40°С в течение 48 ч (Santana et al., 2021). Раствор с ЖКТ и жабрами фильтровали последовательно через металлические сита с размером ячейки 2 мм и 100 мкм, далее промывали 70%-ным раствором этилового спирта для удаления жира. Частицы МП идентифицировали под микроскопом, размер определяли при помощи окуляр-микрометра.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ полученных данных показал, что МП был обнаружен во всех средах. Частота встречаемости МП в пробах воды, ДО, жабрах и ЖКТ рыбы различалась (рис. 2). В воде из 20 отобранных проб воды МП был выявлен в 13 (65%), из 15 проб жабр рыб МП отмечен в 14 (93%), в ДО и ЖКТ рыб МП обнаружен во всех проанализированных пробах (100%).

 

Рис. 2. Частота встречаемости частиц МП в пробах воды, ДО, жабрах (Ж) и ЖКТ рыб.

 

В воде содержание МП в среднем было 20.5 ± 22.3 ед./м³, со средним размером частиц по длине 2074.1 ± 1885.9 мкм. Масса частиц, рассчитанная по зависимости между площадью и массой МП в работе (Mukhanov, 2019), в среднем достигала 1347.4 ± 1479.7 мкг (табл. 1).

 

Таблица 1. Содержание и характеристика частиц МП в воде (ед./м³), донных отложениях (ед./кг), жабрах (ед./экз.) и ЖКТ рыб (ед./экз.)

Вид пробы	Содержание	Масса, мкг	Длина, мкм
Вода	20.5 ± 22.3	1347.4 ± 1479.7	2074.1 ± 1885.9
ДО	44.7 ± 41.8	24.6 ± 42.9	145.4 ± 212.9
Жабры	12.3 ± 8.4	121.9 ± 227.6	334.5 ± 408.9
ЖКТ	14.5 ± 11.5	198.9 ± 409.2	292.7 ± 358.1

Примечание. ДО – донные отложения, Ж – жабры, ЖКТ – желудочно-кишечный тракт рыб. Даны среднее значение ± среднеквадратическое отклонение.

 

В донных отложениях рассчитанная масса МП была 44.7 ± 41.8 ед./кг, длина в среднем – 145.4 ± 212.9 мкм с преобладанием частиц со средней массой 24.6 ± 42.9 мкг/кг.

Количество МП в пересчете на экземпляр составило 12.3 ± 8.4 и 14.5 ± 11.5 ед./экз. в жабрах и ЖКТ рыб соответственно. Длина частиц МП достигала 334.5 ± 408.9 мкм в жабрах и 292.7 ± 358.1 мкм в ЖКТ, масса частиц – 121.9 ± 227.6 мкг в жабрах и 198.9 ± 409.2 мкг в ЖКТ.

Анализ данных по видам частиц микропластика показал, что наиболее часто в воде и в рыбе обнаруживали нити (рис. 3). В ДО преобладали фрагменты, в пробах воды пленка отсутствовала, в жабрах и ЖКТ рыб на нею приходилось 18 и 13% соответственно.

 

Рис. 3. Процентное соотношение различных форм частиц МП в пробах воды, ДО, Ж и ЖКТ рыб. 1 – пленка, 2 – фрагмент, 3 – нить.

 

Частицы МП по своему виду значительно отличались в пробах воды и ДО (рис. 3). Основная часть (87.5%) МП присутствовала в воде в виде нитей, в ДО – в виде фрагментов (75.8%). Последние в силу физических свойств легче оседают и накапливаются в ДО, а нити, обладающие высокой плавучестью, легко перемещаются с током воды.

Наибольший вклад в пробах воды внесли частицы МП размером >900 мкм, в ДО бóльшая доля приходилась на частицы размером <100 мкм, в жабрах и ЖКТ рыб ≥50% МП было представлено частицами с размером <200 мкм (рис. 4).

 

Рис. 4. Процентное соотношение частиц МП по длине (мкм) в пробах воды, ДО, жабрах Ж и ЖКТ рыб.

 

Распределение МП по видам в абиотических и биотических компонентах повлияло на средний размер частиц по длине и массе. Преобладание нитей в воде определило средние размеры: длина частиц МП, в основном, находилась в диапазоне >900 мкм. В ДО преобладали фрагменты, размеры которых относились, в основном, к диапазону <100 мкм. В жабрах и ЖКТ рыб идентифицированы в основном мелкие частицы размером <200 мкм с преобладание нитей.

Количество обнаруженных частиц МП в жабрах и ЖКТ отразилось на биологических показателях исследованных рыб. Корреляционный анализ показал обратную зависимость между количеством частиц МП в жабрах/ЖКТ и длиной/массой рыбы (табл. 2).

 

Таблица 2. Коэффициенты корреляции (для р <0.05, критерий Спирмена) зависимостей между длиной, массой рыбы и числом МП в жабрах и ЖКТ

Показатель	L	M
Nж	–0.76	–0.86
Nжкт	–0.63	–0.63

Примечание. L – длина рыбы, см; М – масса, г; Nж – число МП в жабрах, Nжкт – число МП в желудочно-кишечном тракте.

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для выявления вероятных источников поступления МП в Мешинский залив Куйбышевского водохранилища проведен анализ содержания частиц в воде и органах рыб в сезонном аспекте. Количество частиц МП в воде весной (май) в пересчете на кубический метр достигало 12 ед., осенью (сентябрь) – 29 ед. (рис. 5). Это косвенно указывает, что поверхностный сток не является главным источником поступления МП в воду. Сброс коммунальных сточных вод, активная антропогенная деятельность в навигационный и рекреационный периоды приводят к поступлению в воду мезо- и микропластика, скоплению пластиковых отходов в прибрежной зоне, которые подвергаются деградации под воздействием физико-химических процессов, что подтверждается увеличением содержания МП в осенних пробах воды.

 

Рис. 5. Сезонное содержание МП в пробах воды (ед./м3), жабрах Ж и ЖКТ рыб (eд./экз.). 1 – весна, 2 – осень.

 

Осенью содержание МП в жабрах и ЖКТ рыб уменьшилось по сравнению с весной. Такое несоответствие с количеством МП в воде, по-видимому, связано с особенностями пищевого поведения рыб в условиях различного уровня пищевых ресурсов весной и осенью.

Лещ относится к бентофагам, в связи с этим возможные пути поступления МП в организм из воды через жабры в процессе дыхания и питания (когда рыба принимает МП за корм), а также из ДО при взмучивании грунта в процессе поиска и заглатывания бентосных организмов. На жабрах и в ЖКТ были обнаружены, главным образом, нити (рис. 3), что указывает на преимущественный путь поступления МП в организм через воду. Однако в жабрах и ЖКТ рыб фрагменты и особенно пленки идентифицировали значительно чаще по сравнению со средой обитания (водой и ДО).

Бóльшее разнообразие частиц МП в жабрах и ЖКТ рыб наблюдали осенью, когда были выявлены все виды МП при преобладании нитей (рис. 6). Весной в ЖКТ рыб встречались, главным образом, фрагменты и нити примерно в равных соотношениях, что, по-видимому, обусловлено сезонными предпочтениями в рационе питания. Сезонная вариабельность диеты была отмечена и для других видов рыб (Березина и др., 2021).

 

Рис. 6. Сезонное распределение встречаемости частиц МП по форме в Ж (I) и ЖКТ (II) рыб. 1 – пленка, 2 – фрагмент, 3 – нить.

 

По данным (Bhuyan, 2022), накопление МП в ЖКТ причиняет рыбе физический вред: происходит закупорка и анатомические повреждения ЖКТ, снижение аппетита. В исследованиях воздействия МП на рыбах группы оризий (Oryzias melastigma McClelland, 1839) также наблюдали торможение роста, дисбактериоз кишечника рыбы, снижение массы тела, нарушение антиоксидантного состояния печени, повреждение репродуктивных органов.

Влияние МП на массу и длину рыб также может быть связано с токсическим эффектом. Мелкие частицы МП представляют опасность в силу наличия адсорбционных свойств, в результате чего на их поверхности концентрируются стойкие токсиканты (Kirstein et al., 2016). Полициклические ароматические углеводороды и полихлорированные дифенилы, а также тяжелые металлы (свинец, никель, кадмий и цинк) были обнаружены на частицах МП, извлеченных из различных сред (Kirstein et al., 2016). Отмечено также негативное воздействие на иммунную систему. МП работает как переносчик, доставляя патогенные микроорганизмы в ткани-мишени, вызывая воспалительные процессы (Kirstein et al., 2016).

Если сравнивать полученные данные по содержанию МП в абиотических компонентах исследованного района с литературными, можно сделать вывод, что они соответствуют низкому уровню. Анализ проб воды из 168 рек по всему миру показал, что содержание МП в воде достигает в среднем 11 128 ед./м³, в донных отложениях из 96 рек – в среднем 1161 ед./кг (Gallitelli et al., 2020; Cera et al., 2020). Однако загрязнение рек в зависимости от места отбора проб варьирует от значений, близких к нулю, до тысяч единиц на единицу массы или объема (Gallitelli et al., 2020; Cera et al., 2020). Например, в воде р. Миньон, Италия, разброс содержания МП был 40–1170 ед./м³, в ДО 0.3–2.5 ед./кг (Gallitelli et al., 2020). Содержание МП в ДО в значительной степени зависит от гидрологических характеристик реки и механического состава грунта. Река Меша характеризуется средней водностью, ее притоки зарегулированы прудами, средний многолетний годовой расход воды составляет 17.4 м³/с (Водные…, 2006), грунт в местах отбора илисто-глинистый, что способствует накоплению МП, однако полученные нами данные по содержанию МП в ДО р. Меша на уровне 44.7 ± 41.8 ед./кг позволяют охарактеризовать уровень загрязнения донного грунта как низкий.

Содержание МП в рыбе также имеет значительный разброс в водных объектах. Например, в промысловой рыбе северо-восточной части Атлантического океана частота встречаемости МП для 150 проб трех видов рыб достигала 48 и 30%, со средними значениями 1.2 ± 2.0 и 0.7 ± 1.2 ед./экз. в ЖКТ и жабрах соответственно (Barboza et al., 2020).

Исследования, проведенные у берегов Австралии и островов Фиджи (Wootton et al., 2021), показали, что частота встречаемости МП в ЖКТ рыбы была на уровне 61.6 и 35.3% со средними значениями 1.58 ± 0.23 и 0.86 ± 0.14 ед./экз. для изученных районов Австралии и островов Фиджи соответственно.

Степень загрязнения рыбы МП зависит не только от типа водного объекта (океан, море, река, озеро) и его гидрологического режима, но и типа питания рыбы (Березина и др., 2021). На доступность МП для рыб влияет множество факторов. Считается, что рыбы–планктофаги и рыбы–бентофаги более уязвимы к попаданию МП в организм, чем рыбы–хищники, из-за их неселективного пищевого поведения (Wesch et al., 2016; Lusher et al., 2017). По данным (Mizraji et al., 2017), всеядные рыбы поглощают больше МП, чем растительноядные и плотоядные рыбы. Результаты нашего исследования показали, что встречаемость МП в рыбе Мешинского залива значительно выше по сравнению с литературными данными как в процентном выражении встречаемости в пробах рыбы, так и по количеству МП на экземпляр (табл. 1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование выявило невысокий уровень загрязнения по частоте встречаемости и содержанию МП в воде и ДО устьевой части р. Меша по сравнению с реками и озерами различных стран мира. В пробах воды преобладали нити, в ДО – фрагменты; содержание МП в осенних пробах было выше по сравнению с весенними. По частоте встречаемости и содержанию МП в жабрах и ЖКТ леща Abramis brama загрязнение рыбы относится к высокому уровню по сравнению с литературными данными, что связано с особенностями пищевого поведения исследованного вида рыбы. В жабрах преобладали нити, в ЖКТ – в основном нити, а также фрагменты в весенних пробах. Корреляционный анализ показал, что содержание МП в жабрах и ЖКТ негативно влияет на биологические показатели рыбы.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают искреннюю признательность сотрудникам Татарского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии за рыбу, предоставленную для анализа.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности, проект № FZSM-2024-0004.

 

¹ Сокращения: ДО – донные отложения, ЖКТ – желудочно-кишечный тракт, МП – микропластик.

About the authors

N. Y. Stepanova

Kazan Federal University

Author for correspondence.
Email: step090660@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

K. A. Shevchuk

Kazan Federal University

Email: step090660@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

L. S. Kuzmin

Kazan Federal University

Email: step090660@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

A. R. Gaisin

Kazan Federal University

Email: step090660@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files