Фоновые содержания химических элементов у птиц

В качестве примера рассмотрим максимально полный элементный состав тканей птиц семейства тетеревиных (Aves: Galliform.es, Tetraonidae), добытых в районах Среднего Урала, удаленных от источников химического загрязнения (Безель и др., 2003). Будучи видами с ограниченной территорией обитания, эти птицы наиболее адекватно отражают биогеохимический обмен элементов, характерный для фоновых территорий региона. В анализе использованы пять экземпляров тетеревиных: костная ткань (цевки) трех глухарей Tetrao urogallus, тетерева Lyrurus tetrix и рябчика Tetrastes bonasia. Определены концентрации 71 химического элемента.

Результаты анализа позволяют условно разделить все измеренные элементы на несколько групп (табл. 5.4).

Максимальные концентрации (свыше 1000 мкг/кг) характерны для 15 элементов, отнесенных к физиологически значимым макрои микроэлементам. Минимальные концентрации (менее 1 мкг/кг) имеют 26 элементов. Это, как правило, рассеянные элементы, физиологическая роль которых в настоящее время не установлена. Вероятно, какиелибо механизмы, регулирующие их поступление в живые организмы, отсутствуют. Возможно, именно эта группа является наиболее лабильной частью спектра химических элементов, в максимальной мере отражающей элементный состав окружающей среды. Это положение подтверждается содержанием группы лантаноидов в живых организмах. Установлено, что их концентрации в растениях зависят от их уровней в материнских породах (Второва и др., 1995 и др.). При этом содержание элементов с четными атомными номерами превышает таковое у элементов с нечетными порядковыми номерами. Накопление лантаноидов в костной ткани тетеревиных аналогично «пилообразному» распределению у растений и хорошо коррелирует с кларками этих элементов в литосфере (рис. 5.4).

Таблица 5.4

Содержание макрои микроэлементов в костной ткани тетеревиных Среднего Урала.

(по: Безель и др., 2003).

Рис. 5.4. Содержание лантаноидов в костной ткани тетеревиных Среднего Урала (по: Безель и др., 2003):

1 — кларк в литосфере; 2 — концентрация в скелете Определение содержания лантаноидов в живых организмах особенно актуально в последнее время в связи с активным вовлечением их в биогеохимические циклы в результате антропогенной деятельности (Второва и др., 1995; Кабата-Пендиас и др., 1989). Таким образом, своеобразие концентрационных спектров, присущее литосфере, сохраняется на всем протяжении потоков вещества по трофическим цепям природных экосистем.

Можно констатировать существование определенной корреляции между содержанием элементов в почвах и тканях живых организмов. Сказанное иллюстрирует зависимость химического состава костной ткани птиц от содержания элементов в литосфере (по Иванову, 1994). При отображении данных в логарифмическом масштабе видна линейная корреляция макрои микроэлементного состава костных тканей птиц с кларками химических элементов в земной коре (рис. 5.5). Это явление отражает важные процессы формирования мультиэлементных циклов, включающих несколько трофических уровней природных экосистем.

Рис. 5.5. Зависимость концентрации химических элементов в скелете тетеревиных птиц от кларков элементов в земной коре (по: Иванов, 1994).

Географическое своеобразие биогеохимических циклов выявляется при сравнении фоновых уровней химических элементов в живых организмах различных регионов. Данные по Среднему Уралу можно сопоставить с имеющимися в литературе цифрами по другим территориям европейской части России и странам Восточной Европы, Северному Кавказу, Монголии (Лебедева, 1999). Оказывается, что содержание большинства металлов (хром, железо, марганец, кобальт, никель, свинец, молибден) и мышьяка в костной ткани птиц Среднего Урала находится вблизи нижних пределов их концентраций, характерных для глобального фона. Лишь отмеченное нами содержание алюминия, меди и цинка превышает их уровни в других фоновых районах Евразии.

Приведенные данные по химическому составу костной ткани птиц могут быть использованы для изучения закономерностей биогеохимических циклов, а также в качестве основы при проведении региональных исследований по биомониторингу окружающей среды.

В ряде случаев вместо костной ткани анализируются концентрации химических элементов в оперении птиц. На одной и той же территории в оперении галки автор отмечает самое низкое содержание ванадия, у серой вороны — высокое содержание свинца, у грача максимален уровень титана. У сороки — представителя другого рода — отмечено повышенное содержание серебра и хрома. Выявлены различные уровни содержания ртути, селена, мышьяка, цинка у трех видов куликов. Другими исследователями установлены различия в содержании кадмия, хрома, марганца, железа, свинца у озерной чайки и речной крачки. Интересен, но далеко не бесспорен вывод, что особенности пищевого рациона, влияя на химизм оперения, не перекрывают показатели, характерные для систематических групп птиц (Добровольская, 2002).

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Каковы фоновые содержания химических элементов в растениях? От чего они зависят?
• 2. Какие виды растений накапливают больше всего отдельных химических элементов?
• 3. Что такое внутривидовая дифференциация накопительных особенностей? Для каких органов растений она выражена в большей степени?
• 4. Каковы механизмы защиты надземных органов растений от избытка тяжелых металлов в корнях?
• 5. Какие органы растений на фоновых территориях накапливают больше тяжелых металлов?
• 6. Каковы фоновые концентрации химических элементов в млекопитающих? От чего они зависят?
• 7. Каковы фоновые концентрации химических элементов в птицах? От чего они зависят?
• 8. Какие органы и ткани животных, а также части растений выступают в качестве депонирующих сред?

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Предложите принципы выбора фоновых территорий.
• 2. Сравните представителей семейств Asteraceae, Fabaceae, Роасеае по накопительным особенностям подземных и надземных органов.
• 3. Объясните, почему на фоновых территориях сходство между видами в содержании тяжелых металлов в подземных органах выражено в большей степени, чем в надземных.
• 4. Объясните, почему в рационах рыжих полевок, обитающих на фоновых территориях, концентрации многих химических элементов ниже, чем в рационах бурозубок.

СК-5:

• 5. Объясните, почему при изучении содержания тяжелых металлов в организмах мелких млекопитающих, обитающих на фоновых территориях, используют содержимое желудочно-кишечного тракта.
• 6. Объясните, будут ли наблюдаться различия в содержании тяжелых металлов в депонирующих органах близкородственных видов животных, обитающих на фоновых территориях. Если да, то чем они обусловлены? Если нет, то почему?
• 7. Объясните, представители семейств каких птиц наиболее адекватно отражают биогеохимический обмен элементов, характерный для фоновых территорий.
• 8. Предположите, какие органы и ткани птиц можно использовать для биомониторинга окружающей среды. Ответ обоснуйте.

СК-8:

• 9. Объясните, какие элементы накапливаются в тканях птиц на фоновых территориях в максимальных количествах и почему.
• 10. Объясните, как связано содержание лантаноидов в костной ткани птиц с их содержанием в земной коре. Почему существует эта взаимосвязь?