Ртуть в рыбах: биохимическая индикация

От редакции

Мы паникуем, разбив градусник, но не задумываемся о том, сколько ртути может оказаться у нас на тарелке – вместе с рыбой. Авторы междисциплинарного научного и прикладного журнала «Биосфера» исследовали особенности накопления ртути в рыбах из озер Северо-Запада России. «ММ» публикует их статью в сокращении.

Для человека токсическое действие ртути стало очевидным уже с середины прошлого века, со времени массовых отравлений жителей Японии (бухта Минамата) и Ирака. Загрязнение окружающей среды ртутью представляет серьезную экологическую угрозу и в России. Наибольшему риску загрязнения такого рода подвержены водные экосистемы и их обитатели, тогда как миграция ртути по трофическим цепям наземных экосистем имеет естественные ограничения благодаря ее изоляции в составе высокомолекулярных соединений гуминовых и фульвокислот почвы. Нарастающее загрязнение среды ртутью создает благоприятные условия для ее аккумуляции по водным пищевым цепям, в силу чего морские и пресноводные рыбы признаны основным источником ртути для человека.

Пути поступления ртути в окружающую среду

Ртуть обладает уникальными экогеохимическими и экотоксикологическими свойствами, обусловленными ее вездесущностью, повышенной способностью к распространению в окружающей среде и биопереносу, разнообразием обнаруживаемых форм. В среде она находится в разных физических и химических состояниях: в неорганической форме (атомарная металлическая ртуть и ртутные пары Hg0, соли одно- и двухвалентной ртути) и в виде металлорганических соединений с карбонильными (метильными, алкильными, фенильными и пр.) группами; ртуть также может быть сорбирована высокомолекулярными частицами.

Ресурсы ртути в окружающей среде пополняются благодаря природным и антропогенным процессам. Природная эмиссия порождается вулканической активностью, выветриванием горных пород, освобождением запасов ртути, содержащихся в мировом океане, почвах, разлагающихся органических останках. К основным антропогенным источникам ртути относятся промышленные предприятия: сжигающие ископаемые виды топлива (65% эмиссии), золотодобывающие (11%), предприятия цветной металлургии (7%), производящие цемент (6%), использующие ртуть в технологических целях, например, в электролизных процессах, при производстве хлора и каустика – компонентов целлюлозно-бумажного производства, приборостроительные. Ртуть и ее органические производные входят в состав медицинских препаратов, фунгицидов, бытовых приборов. Ежегодный объем антропогенной эмиссии ртути в атмосферу составляет 4000 т и соизмерим с природной эмиссией этого элемента; при этом половину выбросов ртути дает Китай.

Источник 80–90% метилртути для человека – рыба и другие водные организмы, употребляемые в пищу. Богатая рыбой диета может представлять угрозу для здоровья. В связи с этим во многих странах мира: США, Канаде, Швеции, Финляндии, Дании и др. – введено ограничение на употребление в пищу рыбы, выловленной в загрязненных водоемах. Поскольку население, как правило, не имеет представления о количестве ртути, поступающей в организм с рыбой и рыбопродуктами, ВОЗ рекомендует обращать особое внимание на состояние здоровья людей, употребляющих ежедневно более 100 г рыбы. Для оценки рисков, связанных с алиментарным потреблением ртути человеком, устанавливается критерий безопасной дозы, или RfD (reference dose). Наиболее строгие правила установлены
в США, где безопасная ежедневная доза составляет 0,1 мкг метилртути на 1 кг веса человека. Максимально допустимая по рекомендациям ВОЗ доза метилртути может поступить к человеку при потреблении всего 100 г нехищной или 50 г хищной рыбы, содержание ртути в которой соответствует нормативам, действующим в России: 0,3 мг/кг – в пресноводной нехищной рыбе, 0,6 мг/кг – в хищной. Полное исключение рыбы из рациона питания человека, однако, не считается целесообразным: уровень распространенных загрязнителей среды (диоксинов, полихлорированных бифенилов) в рыбе невысок, и потенциальный риск от употребления ртути с рыбой не превышает ее нутриентной ценности, в частности, как источника ненасыщенных ω3 жирных кислот.

Биомаркером поступления ртути в организм человека признано ее содержание в волосах и крови; если ее уровень в волосах составляет ниже 6,0 мкг/г (по наиболее строгим нормативам EPA, США, ниже 1,0 мкг/г) сухого веса, такое содержание расценивается как NOEL (от англ. no observed effect level).

К настоящему времени установлено, что наряду с общетоксическим действием ртуть
и ее соединения обладают гонадотоксическим, эмбриотоксическим, тератогенным
и мутагенным свойствами; существует предположение о возможной канцерогенности
неорганической ртути. Симптомы метилртутной интоксикации затрагивают преимущественно ткани нервной системы; по данным ВОЗ ежедневное поступление в организм метилртути в количестве 3,0–7,0 мкг на 1 кг веса увеличивает риск возникновения неврологических заболеваний на 5%.

Ртуть в естественных водоемах

В природных водах содержание ртути невелико. По санитарно-гигиеническим нормам, действующим в России, сброс сточных вод, загрязненных ртутью, запрещен. Однако ртуть способна к атмосферному переносу и обнаруживается даже в удаленных от промышленных источников водоемах, особенно слабоминерализованных и закисленных озерах (этот феномен отмечен в Скандинавии, Канаде, России). В пресноводных экосистемах уровень загрязнения ртутью не всегда адекватно отражает существующую величину ртутной нагрузки на водоем, поскольку выбросы прошлых лет задерживаются на водосборе, и почвы водосбора могут служить источником загрязнения на протяжении многих лет. Моделирование ситуации загрязнения озера неорганической ртутью, где за основу расчетов принята скорость превращения неорганической формы ртути в метилированную, показало, что для достижения высокого уровня ртути в долгоживущих гидробионтах (рыбах) требуется, как минимум, десятилетие. Столь длительный срок объясняется сложностью процессов перехода соединений ртути из одного состояния в другое, происходящих в водоеме. Процессы метилирования-деметилирования ртути опосредуются биотически и абиотически. Многие параметры окружающей среды способны влиять на объем метилирования ртути в водоеме и скорость ее накопления в рыбах; ниже рассмотрены основные из них.

а) Микробиальная активность. Выход метилртути положительно коррелирует с общей
микробиальной активностью среды, а поглощение неорганической ртути бактериальной массой увеличивается при закислении водоема. (Де)метилировать ртуть способна любая живая бактериальная клетка, а способность к деметилированию сохраняется даже у термообработанной бактериальной мембраны.

б) Кислотность среды. В ацидных озерах процессы метилирования ртути протекают
более интенсивно. Основной причиной закисления поверхностных вод считается атмосферное выпадение кислотообразующих соединений серы и азота. Выпадение таких ацидных осадков характерно для западных и центральных районов России; максимальное количество ацидных водоемов (до 10%) представлено на юго-западе Карелии.

в) Размер озера. Процесс метилирования более эффективен в малых озерах по сравнению с крупными, поскольку они легче прогреваются в летний период и более подвержены процессу закисления.

г) Трофическая структура водоема. Обеднение трофической структуры экосистемы водоемов способствует накоплению ртутных соединений в его обитателях. Упрощение структуры сообщества приводит к увеличению аккумулированной ртути в рыбе.

д) Уровень гумификации водоема. Теоретически биодоступность ртути должна
снижаться в водоемах с избыточным содержанием растворенных органических
веществ в пересчете на углерод (DOC – от англ. dissolved organic carbon), поскольку его компоненты – гумусовые и фульвокислоты различного молекулярного веса, богатые группами -SH, -S-CH3, -S-S- серосодержащих аминокислот, конкурируют с биотой за взаимодействие со ртутью. Однако у рыб из озер с повышенным уровнем гумификации часто обнаруживается повышенный уровень ртути. Объяснение этого
феномена заключается в большем сродстве гуминовых веществ к неорганической ртути, чем к метилртути; поэтому в большинстве природных гумифицированных водоемов растворенная неорганическая ртуть связана с DOC, а метилртуть при этом не исключается из биопотребления. В условиях высокой гумифицированности интенсивнее протекают процессы высвобождения инертной ртути из донных отложений и ее перехода в растворенное состояние, стабилизированное взаимодействием с DOC. Попав с атмосферными осадками в те водоемы, где создаются благоприятные условия для интенсивного метилирования, и пройдя по трофической цепи, ртуть аккумулируется в мышцах рыб в концентрациях, превышающих ПДК и способных вызвать интоксикацию. Именно такие водоемы преобладают на Северо-Западе России. Для них характерны повышенная заболоченность и высокое содержание гуминовых веществ и водородных ионов, обусловливающих кислую реакцию среды. Таким образом, факторами, способствующими трансформации ртути и повышению ее биодоступности в природных озерах Северо-Запада России (при очень низком ее содержании в абиотических компонентах системы), являются их закисление и высокая гумифицированность.

Биоаккумуляции подвергаются любые формы металла, при этом для неорганических форм установлен аддитивный вклад разных путей поступления – с пищей, через кожные покровы и жабры в процессе дыхания, а основной путь потребления метилртути рыбой – алиментарный. Метилртуть (MeHg) отличается от неорганической еще и более низким коэффициентом выведения и высоким – накопления; по разным оценкам, до 90–99% общей ртути в тканях рыб представлено метилртутью. Поглощенная рыбой MeHg в силу ее липофильности легче разносится по органам, ковалентно связывается с сульфгидрильными (-SH) группами клеточных белков, в результате чего скорость ее выведения из организма существенно снижается, а интенсивность аккумуляции MeHg прогрессивно возрастает в ряду организмов, связанных трофической цепью. Зависимость количества ртути, обнаруживаемого в тканях рыб разных видов, от типа питания и положения в трофической цепи позволяет ранжировать их в следующем порядке: планктоноядные ˂ типичные бентосоядные ˂ бентосоядные со значительной долей рыбы в пище ˂ типичные хищники. Установлено, что миграция метилртути по трофической сети сопровождается 5–10-кратным увеличением ее концентрации при переходе
от одного звена к следующему. Чем «выше» расположен организм в трофической цепи, тем выше в нем содержание ртути, и тем большую часть от общей ртути в нем составляет метилртуть и меньшую – ее неорганические формы. Хотя содержание метилртути, обнаруживаемое в рыбе, обычно невелико (менее 0,4 мг/ кг), у хищных рыб оно может достигать десятков мг/кг, то есть превышать содержание ртути в среде обитания рыб в сотни тысяч и даже миллионы раз. Уровень аккумулированной ртути также зависит от возраста и размера рыб. Хищные рыбы, как наиболее крупные, долгоживущие, быстрорастущие, занимающие высшее положение в пищевой цепи, содержат больше ртути и поэтому с точки зрения воздействия на здоровье человека представляют наибольшую опасность.

Биохимические эффекты аккумуляции ртути в рыбах

Проблема аккумуляции ртути в рыбе требует изучения возможных механизмов ее
воздействия. Степень повреждающего действия соединений ртути для гидробионтов
зависит от ряда факторов, как абиотических, так и биотических. Разные физические и химические формы ртути различаются биологической активностью, кинетикой и клиническими проявлениями.

На основании обобщения результатов, полученных нами за многолетний период полевых наблюдений, и опубликованных данных биохимические ответные реакции рыб на хроническую ртутную интоксикацию можно описать следующим образом.

Окислительные процессы, повреждение биомембран

Среди молекулярных индикаторов, отражающих состояние гидробионтов в условиях стресса, вызванного загрязнением окружающей среды, особая роль принадлежит параметрам неспецифической антиоксидантной системы (АОС), представленной ферментами (супероксиддисмутазой, каталазой, пероксидазой и др.), витаминами (в первую очередь, E, C и A), SH-содержащими соединениями. В присутствии ртути из-за функциональной перегрузки истощаются SH-зависимые неферментативные компоненты антиоксидантной защиты (восстановленный глутатион, металлотионеины), снижается активность ферментов АОС, вследствие чего активируются свободнорадикальное и перекисное окисления липидов. Повреждение важнейших молекулярных и мембранных структур приводит к развитию гистопатологий, обусловленных изменением базовых свойств клеточной мембраны, прежде всего, ее проницаемости. Окислительный стресс, к развитию которого
приводят описанные выше дефекты в работе антиоксидантной и детоксикационной систем, является основной причиной гибели нейронов – высокочувствительных к действию метилртути клеток ЦНС.

Биотрансформация

Важное патогенетическое значение имеет влияние ртути на цитохром Р450-зависимую систему печени, функционирующую на первой фазе биотрансформации гидрофобных ксенобиотиков, а также контролирующую метаболизм многих биологически активных веществ – кортикоидов, тиреоидных и половых гормонов, витаминов группы D, холестерина и др.

Ртуть ингибирует систему цитохрома Р450, что приводит к торможению детоксикации
экзогенных ксенобиотиков. Помимо этого, ртуть обладает ингибирующим действием и на ферменты второй фазы биотрансформации. За счет связывания глутатиона – кофермента глутатион-S-трансферазы – ртуть ингибирует этот фермент, а также глутамилтрансферазу почек, что приводит к развитию нефротоксичности.

Энергетический баланс

Действие соединений ртути сказывается на активности всех мембранных ферментов,
в том числе митохондриальных, участвующих в процессах энергопродукции. В присутствии метилртути за счет ингибирования ферментов дыхательной цепи в митохондриях снижается выработка АТФ.

Транспорт ионов кальция

При избытке ртути в цитозольном компартменте клетки нарушается баланс внутриклеточного Са2+. Ртуть-индуцированный приток кальция в цитоплазму клеток происходит за счет его освобождения из внутриклеточных депо; это явление универсально для разных типов клеток и организмов. Вследствие этого происходит гиперактивация процессов, в которых кальций играет сигнальную роль. Проявление этого феномена у загрязненных ртутью рыб было обнаружено на примере повышения активности кальцийрегулируемых протеиназ – кальпаинов.

Внутриклеточная деградация белка

Цистеинзависимые ферменты, в активном центре которых содержится свободная SH-группа, являются основными органическими лигандами ртути. Среди ферментов внутриклеточного протеолиза к этой группе относятся кальцийзависимые протеиназы (кальпаины) и лизосомальные катепсины В, H и L.

Липидный состав тканей

При накоплении повышенных уровней ртути в тканях рыб повышается уровень общих липидов, триглицеридов и фосфолипидов, но при этом снижается количество холестерина и доля полиненасыщенных жирных кислот. Отличие профиля ненасыщенных компонентов фосфолипидов в сторону уменьшения доли докозагексаеновой и других полиненасыщенных жирных кислот может свидетельствовать о нарушении проницаемости и транспортных свойств мембраны,
поскольку указанные компоненты необходимы для поддержания ее целостности, оптимального уровня жидкостности, функциональной активности мембраносвязанных ферментов и рецепторов.

Особенности накопления ртути и вызываемых им эффектов в рыбах из озер Северо-Запада России

Нами была проведена серия исследований биохимического статуса гидробионтов из озер Северо-Запада России (Республики Карелия, Вологодской области), характеризующихся комплексом факторов, способствующих избыточному накоплению ртути в рыбном населении (даже при невысоком ее фоновом содержании).

Исследования проводились на разных видах пресноводных рыб, однако в качестве основного тестобъекта по нескольким причинам был выбран окунь. Во-первых, этот вид обладает резистентностью к рН фактору: переносит кратковременное падение рН воды в весенний период ниже 4,0, а при прогрессирующем закислении водоема исчезает последним; во‑вторых, окунь широко распространен в пресных водоемах Северо-Запада; в‑третьих, он зачастую, в отсутствие крупных хищников в водоеме, занимает положение на вершине водной трофической цепи; в‑четвертых, окунь представляет собой объект промысла и спортивного рыболовства. При проведении биохимических исследований в каждом случае было проанализировано по 20–30 особей обоего пола и разных возрастных групп из каждого водоема. Концентрацию соединений ртути в органах рыб определяли сотрудники Института биологии внутренних вод (ИБВВ) РАН методом атомноабсорбционной спектроскопии.

Исследованные озера близки по ряду гидрохимических параметров, но различаются
степенью закисления и гумифицированности и, как следствие, содержанием ртути в рыбном населении (табл. 1).

Сильнее всего содержание ртути в мышцах окуня зависит от рН водоема: с повышением pH накопление ртути в биоте снижается. При повышении коэффициента цветности воды содержание ртути в мышцах окуня имеет тенденцию к увеличению. Связь между цветностью и рН водоема отсутствует (коэффициент корреляции 0,0632), откуда следует, что эти два фактора изменяются и действуют практически независимо.

В ходе многолетнего мониторинга было показано, что содержание ртути в мышцах окуня из малых озер Карелии, прибеломорской низменности и Вологодской области довольно стабильно на протяжении последних 10–15 лет. На примере ацидных озер
Змеиное, Мотыкино и Дубровское (Вологодская обл.) впервые была показана интенсивная аккумуляция ртути в рыбе из водоемов природоохранной зоны (Дарвинского заповедника) с низким уровнем ртути в абиотических компонентах среды. Первоначально наблюдаемый феномен пытались объяснить рядом причин: избыточным поступлением ртути из атмосферы или с водосборной территории, повышенной растворимостью ртути в кислой среде, повышенным метилированием ртути в водоеме, изменением свойств жаберного аппарата рыб в сторону его аномальной проницаемости для ртути, сниженным уровнем органического вещества. Дальнейшие наблюдения и расширение диапазона сравниваемых водоемов привели к признанию решающей роли факторов, способствующих повышению биодоступности соединений ртути для водных обитателей – кислотности и, в меньшей степени, гумификации. Так, при сравнении окуней, отловленных из водоемов Карелии с разным уровнем рН и цветности оз. Чучъярви, Урос, Вендюрское Кондопожского р-на (бассейн р. Суна), оз. Вегарусъярви и Вуонтеленъярви Суоярвского р-на (бассейн р. Шуя), оз. Кривое, Среднее, Круглое и Жемчужное Лоухского р-на (бассейн Белого моря), были показаны существенные различия в уровнях накопления ртути и сделан вывод об аддитивном вкладе закисления и гумификации водоема в процесс биоаккумуляции ртути.

Полученные результаты обобщены в базе данных «Биохимические показатели и содержание ртути в тканях окуня, Perca fluviatilis, из водоемов Северо-Запада России».

Данные о влиянии аккумуляции ртути на биохимический статус рыб из озер северо-западного региона России свидетельствуют об изменении основных биохимических показателей клеточного метаболизма (биомаркеров) в органах исследуемых рыб.
Повреждающее действие соединений ртути на молекулярном уровне проявляется в угнетении основного метаболизма, ингибировании клеточных защитных реакций, необратимых конформационных изменениях макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) и, как следствие, изменении баланса скоростей процессов синтеза и распада.

Полученные результаты согласуются с общей концепцией биомониторинга, согласно
которой регуляторы метаболизма и молекулярные мишени действия поллютантов могут служить показателями состояния гидробионтов, обитающих в загрязненных средах, и в дальнейшем предложенный нами комплекс биотестов может быть использован с целью характеристики состояния организмов в экосистемах, подверженных антропогенному воздействию. При проведении водно-токсикологических исследований необходимо с большой четкостью дифференцировать результаты наблюдений за состоянием систем, на которые непосредственно направлено действие того или иного токсиканта, и регулярные изменения, необходимые для нивелирования изменений в функционировании органов или систем-мишеней.

Экспериментальная часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП НО ИБ КарНЦ РАН и ИБВВ РАН при финансовой поддержке грантов Программы Президента РФ «Ведущие научные школы России» НШ‑3731.2010.4, НШ‑1642.2012.4, НШ‑1410.2014.4, Программы Президиума РАН «Живая природа» (2012–2014 гг.).

Полную версию статьи вы найдете в журнале «Биосфера», т. 6 № 2 за 2014 г.