Биоиндикация загрязнения тяжелыми металлами в акваториях оз. Байкал: гематологические и иммунологические ответы у сибирской плотвы Rutilus rutilus lacustris (Pallas, 1814)

Пресноводные экосистемы испытывают возрастающую антропогенную нагрузку, связанную с поступлением загрязняющих веществ, среди которых особую опасность представляют тяжелые металлы (ТМ). В отличие от органических поллютантов ТМ не подвергаются деструкции, а мигрируют и перераспределяются между компонентами экосистем, что обусловливает актуальность оценки масштабов и последствий такого загрязнения в рамках экологического мониторинга. Эффективным инструментом для этого служит биоиндикация, основанная на анализе накопления токсичных элементов в организмах-индикаторах. В частности, анализ аккумуляции ТМ в органах и тканях рыб в бассейне Байкала позволит не только выявить закономерности включения поллютантов в трофические цепи водоема [Гомбоева и др., 2003; Хажеева и др., 2005], но и получить интегральную оценку токсикологической нагрузки на экосистему.

Особую значимость эти вопросы приобретают в контексте крупных трансграничных водосборов, каким является бассейн р. Селенги — главного притока оз. Байкал. Бассейн р. Селенги подвержен воздействию ряда антропогенных факторов, включая промышленные, сельскохозяйственные и коммунальные стоки

[Чебыкин и др., 2012; Ульзетуева, Гомбоев, 2016]. Залив Черкалов, представляющий собой мелководную прибрежную зону оз. Байкал, является частью аван-дельты р. Селенги, которая исполняет роль природного биофильтра [Тулохонов, Плюснин, 2022]; однако ее буферная емкость может быть ограничена при хроническом токсическом воздействии, что потенциально приводит к загрязнению акватории самого залива [Белозерцева и др., 2018]. Однако Чивыркуйский залив представляет собой ценный природный комплекс с минимальным техногенным прессом на момент исследования [Гомбоева и др., 2003]. Залив является частью территории Забайкальского национального парка, что делает его важным объектом для получения фоновых экологических данных.

Накопление ТМ в организме гидробионтов приводит к многообразным негативным последствиям, нарушающим их нормальное функционирование [Лапирова, 2017; Чуйко и др., 2022]. Токсичность ТМ для рыб обусловлена в первую очередь запуском окислительного стресса, что влечет за собой иммунодефицитные состояния, повреждение органов, нарушения онтогенеза и репродукции. В связи с этим исследования физиологического состояния рыб основаны на высокоинформативном подходе диагностики патологий, поскольку гематологические и иммунологические параметры чутко реагируют на негативные воздействия, отражая степень напряжения адаптационных механизмов организма [Salinas et al., 2017; Seibe, Bassmann, Rebl, 2021]. Кроме того, будучи ценным пищевым ресурсом, богатым белком, витаминами и полиненасыщенными жирными кислотами, рыба становится ключевым каналом поступления металлов в организм человека, потенцируя развитие ряда заболеваний. Таким образом, исследование источников загрязнения и специфики токсического действия ТМ на рыб имеет не только экологическое, но и непосредственное медико-социальное значение, являясь основой для разработки эффективных природоохранных мер.

Перспективным объектом для таких исследований является сибирская плотва Rutilus rutilus lacustris (Pallas, 1814), имеющая большое значение в структуре ихтиоценоза оз. Байкал [Рыбы озера Байкал... 2007]. Плотва характеризуется эврифа-гией, демонстрируя высокую пластичность в использовании различных пищевых ресурсов [Матвеев и др., 2012]. Достижение половой зрелости происходит на 3–4-м году жизни, а нерестовый период протекает с середины мая до начала июня [Рыбы озера Байкал... 2007]. Универсальность плотвы как эврибионтного вида в сочетании с отсутствием выраженных миграций делает ее репрезентативным объектом для биоиндикации, позволяя оценивать состояние здоровья локальных популяций и качество среды их обитания.

Цель работы — сравнить уровни содержания тяжелых металлов (Cd, Cu, Pb, Zn) в печени сибирской плотвы двух акваторий оз. Байкал (Чивыркуйский залив и залив Черкалов) и оценить взаимосвязь этих металлов с некоторыми показателями гемо- и иммунопоэза.

Материал и методы

Исследование проведено на особях сибирской плотвы, отловленных в подледный период (март 2007 г.) оз. Байкал из промысловых уловов подледным неводом.

Пробы взяты у рыб из двух локаций: залив Черкалов (авандельта р. Селенги) ( n = 17) и Чивыркуйский залив ( n = 14) соответственно. Условно-фоновой группой служила популяция из Чивыркуйского залива оз. Байкал. Выборка рыб представлена 5+ – 7+-летним возрастом особей, при одинаковом гендерном соотношении, III–IV стадии зрелости гонад, длиной и массой тела 155–200 мм 50–115 г соответственно. Забор крови у живых рыб осуществляли из гемального канала хвоста. Мазки крови фиксировали раствором-красителем Май-Грюнвальда и окрашивали по Романовскому с последующим стандартным гематологическим анализом [Сборник... 1999]. Идентифицировали следующий популяционный состав лейкоцитов: агранулоциты (лимфоциты и моноциты), агарнулоциты (нейтрофилы на разных стадиях развития), вакуолизированные клетки. Клетки крови определяли до вида по классификации Ивановой (1983). Часть крови стабилизировали гепарином для определения популяционного состава лимфоцитов (Т- и В-клетки) в реакции розеткообразования, концентрацию общего белка в сыворотке определяли рефрактометрически, а общее количество иммуноглобулинов — методом осаждения насыщенным раствором фосфатов [Сборник... 1999]. Содержание ТМ (Cu, Zn, Сd, Pb) определяли в печени исследованных рыб методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Статистическая обработка данных проведена с использованием пакета «Statistica». Для оценки взаимосвязи параметров использовали коэффициент корреляции Спирмена ( r_s ).

Результаты исследований

В ходе проведенных исследований были получены данные о содержании ряда ТМ в печени сибирской плотвы, отловленной в двух различных акваториях оз. Байкал: в Чивыркуйском заливе (условно-фоновый район) и в заливе Черкалов (рис. 1). Сравнительный анализ выявил статистически значимое повышение концентраций всех исследуемых металлов у особей из залива Черкалов по сравнению с условно-фоновой группой из Чивыркуйского залива.

Содержание цинка в печени рыб популяции из залива Черкалов составило 88,02 ± 1,09 мкг/г, что значимо превышает показатель условно-фоновой группы (68,2 ± 0,91 мкг/г). Аналогичная закономерность установлена для меди : ее концентрация в заливе Черкалов (0,8 ± 0,01 мкг/г) была значимо выше, чем в Чивыркуй-ском заливе (0,5 ± 0,01 мкг/г).

Наиболее выраженные межпопуляционные различия отмечены для токсичных элементов — свинца и кадмия . Уровень свинца в тканях печени рыб из залива Черкалов (0,8 ± 0,06 мкг/г) более чем в два раза превышал таковой у рыб из условно-фонового района (0,4 ± 0,04 мкг/г). Концентрация кадмия , несмотря на низкие значения, также была статистически значимо выше в заливе Черкалов (0,004 ± 0,0001 мкг/г против 0,003 ± 0,0001 мкг/г таковых особей чивыркуйской популяции).

Следует отметить, что превышение предельно допустимой концентрации (ПДК) [Сан ПиН 2.3.2.1078-02] отмечено только для цинка во всех исследуемых образцах. Вместе с тем необходимо указать, что цитируемые ПДК разработаны для пищевых продуктов и учитывают воздействие нормируемого вещества только на людей, а не на рыб.

ЦИНК ^ах/гУ

Q Чивыркуйский:                            (68,2 ± 0,91)

ИЧеркалов:    ^^^^^^^^^^^^^^^^Ц (88,0 ± 1,09) +29 % (р < 0,05)

МЕДЬ (мкг/г):

О Чивыркуйский: |^^^^^| (0,5 + 0,01)

• ■    Черкалов:   ^^^^^^| (0,8 ±0,01) +60 % (р <  0,05)

СВИНЕЦ (-мкг/г)

О Чивыркуйский: ^Ц^Щ (0,4 ± 0,04)

ИЧеркалов:   ^^^^^^^^^^^^^| (0,8 ± 0,06) +121 % (р < 0,05)

КАДМИЙ (мкг/г):

О Чивыркуйский: [^^Ш (0,003 ± 0,0003)

• ■    Черкалов:                         (0,004 ± 0,0001) +33 % (р <  0,05)

Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в печени сибирской плотвы из озера Байкал Примечание. Длина столбцов пропорциональна значениям показателей; все различия между заливами статистически значимы ( p < 0,05); n = 9 для каждой популяции рыб; проценты показывают увеличение содержания ТМ в заливе Черкалов относительно условно-фонового участка (Чивыркуйский залив)

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о значительно более высокой нагрузке на гидробионтов, в частности на сибирскую плотву, со стороны ТМ в акватории залива Черкалов по сравнению с условно-фоновым Чивыркуй-ским заливом.

Сравнительный гематологический и иммунологический анализ сибирской плотвы из двух акваторий озера Байкал — залива Черкалов и условно-фонового Чивыркуйского залива — выявил ряд статистически значимых различий (рис. 2–3). У рыб из залива Черкалов зарегистрировано снижение общего числа лейкоцитов до 23 % ( р <  0,05) по сравнению с таковым особей чивыркуйской популяции. В лейкоцитарной формуле наблюдались следующие сдвиги. Относительное содержание лимфоцитов было выше в 1,1 раза (р < 0,05). В отличие от этого нейтрофильный росток кроветворения оказался подавленным. Численность клеток на всех стадиях дифференцировки у рыб из залива Черкалов была значимо снижена (в 4–7 раза, р < 0,05), в периферической крови отмечено отсутствие метамиелоцитов и миелоцитов в отличие от условно-фоновой группы. При оценке иммунологического статуса рыб у особей из залива Черкалов по сравнению с условно-фоновой группой наблюдалось статистически значимое снижение относительного числа Т-лимфоцитов (в 1,3 раза). Уровень В-лимфоцитов, индекс обилия лейкоцитов, содержание общего белка и иммуноглобулинов у плотвы черкаловской популяции варьировал в широких пределах и значимо не отличался между группами.

Проведенный корреляционный анализ выявил статистически значимые взаимосвязи между содержанием ТМ в печени плотвы и изменениями параметров крови. Результаты демонстрируют комплексное влияние токсикантов на иммунную систему рыб.

ЛЕЙКОЦИТЫ (общее число, тыс./мкл):

ЛИМФОЦИТЫ (%У

^^■(7,0 ± 0,38)

(5,4 ± 0,28) ;23%(^<0,05)

| | Чивыркуйский: ^ Н Черкалов: ■ НЕЙТРОФИЛЫ (%):

■1(89,5 ±1,26)

■■■ (97,7 ± 0,3) +9 % (р < 0 , 05)

Миелоциты:

| ] Чивыркуйский: ) ) (0,6 ±0,31)

Ц Черкалов: (0) - 100 % ( р <  0 . 05)

Метамиелоциты (%):

Г”] Чивыркуйский: [ЗДИ (3=0 ± 0,64)

• ■    Черкалов:      ■ (0,4 ± 0„ 16) - 87 % (р < 0 ,05)

Палочкоядерные (%):

Д Чивыркуйский: EZZl^B (3=1 ± 0,42)

• ■    Черкалов:     ■ (0,8 ± 0,24) - 74 % (р < 0 ,05)

Сегментоядерные (%):

Q Чивыркуйский: У^^И (3=0 ± 0,54)

Н Черкалов:      И (0,5 ± 0,17) - 83 % (р < 0 , 05)

МОНОЦИТЫ (%) :

Д Чивыркуйский: (0)

• ■    Черкалов:      В (0,2 ± 0,08)

ВАКУОЛИЗИРОВАННЫЕ КЛЕТКИ (%):

• □    Чивыркуйский: Е2ИИ (0=4 ± 0,14)

I Черкалов: ИИ|^^^^^Н (0,8 ± 0,29)

Рис. 2. Характеристики белой крови сибирской плотвы оз. Байкал

Примечание. Длина столбцов пропорциональна значениям показателей; различия между заливами статистически значимы при p < 0,05; проценты показывают изменение относительно условнофонового участка (Чивыркуйский залив); n = 17 и n = 14 для черкаловской и чивыркуйской популяций рыб соответственно для рисунков 2 и 3.

Установлена сильная положительная связь между числом вакуолизированных клеток и содержанием меди ( r_s = 0,63) и цинка ( r_s = 0,76; p <  0,03), причем с цинком корреляция была максимальной. Одновременно выявлены значимые отрицательные корреляции: между общим числом лейкоцитов и содержанием цинка ( r_s = -0,85; p <  0,004), между долей палочкоядерных и сегментоядерных нейтрофилов и содержанием свинца ( r_s = -0,67; p <  0,05), а также между количеством Т-лимфоцитов и содержанием меди и цинка ( r_s = -0,57).

Рис. 3. Иммунологические характеристики сибирской плотвы из оз. Байкал

Обсуждение

Полученные данные выявили значительную пространственную неоднородность в содержании ТМ в печени сибирской плотвы в подледный период. Регистрируемое превышение концентраций цинка, меди, свинца и кадмия в печени плотвы из залива Черкалов над уровнем, отмеченным в условно-фоновом Чивыркуйском заливе, хорошо согласуется с концепцией локального загрязнения прибрежных акваторий, испытывающих антропогенную нагрузку [Холодкевич и др., 2018].

Данный феномен может быть обусловлен, в частности, процессами, описанными для дельт/авандельт, которые аккумулируют химические вещества, поступающие с загрязненными промышленными, коммунальными и сельскохозяйственными стоками через речную сеть [Ульзетуева, Гомбоев, 2016; Воробьева и др., 2018; Тулохонов, Плюснин, 2022]. Анализ литературных данных свидетельствует об интенсивном антропогенном загрязнении р. Селенги на всем ее протяжении. Исследования фиксируют обширное распространение и высокие концентрации ксенобиотиков различной природы от монгольской части бассейна до дельты на территории России. Основными источниками такого загрязнения являются г. Улан-Удэ, а также промышленные объекты региона — Джидинский, Селенгинский и Тимлюйский комбинаты [Тугарина, Пронин, 2006]. Кроме того, в барьерной зоне оз. Байкал в подледный период отмечается превышение рыбохозяйственных нормативов по многим химическим веществам, чему способствуют специфические гидрологические условия ледостава и возрастающая доля подземного стока

[Чебыкин и др., 2012]. Таким образом, имеющиеся данные однозначно указывают на интенсивное загрязнение речной экосистемы.

Результаты настоящего исследования демонстрируют пространственноградиентное изменение гематологического и иммунологического статуса сибирской плотвы, что коррелирует с предполагаемым воздействием антропогенной нагрузки на акваторию оз. Байкал. Выявленные изменения у исследуемой плотвы согласуются с общемировыми данными о негативном воздействии ТМ на гидробионтов [Jaishankar et al., 2014; Lee et al., 2019; Jovičić et al., 2025]. В целом согласно литературным данным воздействие ТМ на гемо-и иммунопоэз рыб характеризуется дозозависимой двойственностью и зачастую носит противоречивый характер, проявляясь как подавлением, так и стимуляцией [Головина, 1996; Bols et al., 2001; Крючков, 2004; Javed, Usmani 2015; Butrima-vičienė et al., 2021]. Конкретный характер и выраженность ответа организма рыб определяются комплексом факторов, включая вид, оцениваемый физиологический параметр, а также условиями окружающей среды, в том числе наличием комплекса ксенобиотиков.

Выбранный для исследования вид — сибирская плотва — представляет собой типичный эврифаг с онтогенетическими изменениями спектра питания. Взрослые особи потребляют бентос, детрит и водную растительность, что обусловливает их прямой контакт с донными отложениями — основным депо ТМ и стойких органических загрязнителей [Хажеева и др., 2005; Rashmi, Pratima, 2013]. Печень рыб как центральный орган метаболизма и детоксикации активно аккумулирует ксенобиотики, что делает ее идеальным объектом для оценки уровня загрязнения среды [Гомбоева и др., 2003; Authman et al., 2015]. Она играет важную роль в связывании металлов с металлотионеинами и их последующем накоплении [Wang et al., 2014; Jovičić et al., 2017]. Однако при превышении буферной емкости этой системы ТМ инициируют в первую очередь окислительный стресс, что подтверждается многочисленными исследованиями [Wang et al., 2015; Zeng et al., 2025].

Среди ТМ особый интерес представляют медь и цинк в силу их двойственной биологической роли. Медь является важным микроэлементом, однако при избыточном поступлении и хроническом накоплении в организме проявляет свойства токсичного ТМ. Этот элемент, являясь мощным прооксидантом, способен как подавлять, так и (в некоторых условиях) стимулировать различные компоненты врожденного иммунитета рыб [Bols et al., 2001]. Cu индуцирует апоптоз и некроз клеток в лимфоидных органах [Gaetke, Chow, 2003; Wang et al., 2015], что согласуется с выявленным нами у плотвы черкаловской популяции угнетением клеточного звена иммунитета и появлением вакуолизированных лейкоцитов, положительно коррелирующим с уровнем этого металла в печени. Схожей эссенциально-токсической двойственностью обладает и цинк, который является жизненно важным кофактором [Lall, Kaushik, 2021], но в высоких концентрациях он действует как супрессор и его токсичность во многом опосредована именно нарушением баланса с медью (антагонизм) [Гармаза, Слобожанина, 2021]. В природных условиях цинк редко встречается в чистом виде и его эффекты могут модулироваться присутствием других металлов, что усложняет прогнозирование воздействия [Bols et al., 2001]. Вместе с тем выявленная отрицательная корреляция в наших исследованиях между цинком и общим числом лейкоцитов, в том числе Т-лимфоцитов, положительная корреляция с избыточным образованием вакуолизированных клеток свидетельствуют о его негативном влиянии на лейкопоэз и адаптивные иммунные реакции. Токсичность меди и цинка может наблюдаться даже при концентрациях, соответствующих установленным для окружающей среды предельно допустимым нормам (ПДК), если эти металлы присутствуют в комплексном составе [Stankevičiūtė et al., 2018].

В отличие от меди и цинка свинец и кадмий не выполняют известные физиологические функции и рассматриваются как безусловные ксенобиотики. Свинец вызывает окислительный стресс, в результате чего мишенями становятся липиды, белки и ДНК клеток; также обладает высоким сродством с фосфатными группами и может имитировать цинк и кальций, нарушая внутриклеточную сигнализацию, что критично для активации иммунокомпетентных клеток и регуляции клеточных процессов [Lee et al., 2019; Титов и др., 2020]. Выявленная в нашем исследовании отрицательная корреляция между уровнем свинца и числом созревающих и зрелых нейтрофилов свидетельствует об угнетении нейтрофильного звена у исследуемых рыб. Данный эффект, описанный в литературе как проявление гемотоксичности ТМ, может быть связан с супрессией миелопоэза. Кадмий проявляет свою токсичность, главным образом, за счет вытеснения микроэлементов (таких как цинк, селен и медь) из активных ферментных центров. Это приводит, в частности, к ингибированию активности ключевых антиоксидантных ферментов, нарушению работы всей антиоксидантной системы и дезорганизации клеточного метаболизма [Nawrot et al., 2010; Matović et al., 2015]. Отмечено негативное воздействие этого металла на некоторые параметры врожденного иммунитета у рыб [Zabotkina et al., 2009] и угнетение гемопоэза [Крючков, 2004]. В ходе проведенных нами исследований не было установлено статистически значимой корреляции между содержанием кадмия и изучаемыми гематологическими параметрами у плотвы. Тем не менее, учитывая общеизвестную высокую токсичность этого элемента и данные литературы о его способности угнетать кроветворение у рыб, его косвенное участие в формировании общего токсикологического стресса у исследуемой популяции исключать нельзя.

Таким образом, обнаруженные гематологические сдвиги — лейкопения, относительный лимфоцитоз, угнетение нейтрофильного ростка и лимфоцитарного звена иммунитета — соответствуют картине хронической интоксикации у рыб. При этом выявленные изменения носили неспецифический характер, типичный для стресс-индуцированных состояний [Головина, 1996; Крючков, 2004]. Наблюдаемые нами трансформации, вероятно, обусловлены видовыми особенностями, а их характер и выраженность опосредованы условиями конкретного водоема и параметрами воздействия: уровнем концентраций ТМ, длительностью экспозиции и составом полиметаллических смесей. Выявленные эффекты согласуются с общебиологическими механизмами токсичности ТМ и подтверждают репрезентативность представителей семейства карповых и возможность эффективного использования гематологических показателей крови рыб в качестве объектов биоиндикации для мониторинга состояния водных экосистем, в том числе таких уникальных, как бассейн оз. Байкал.

Выводы

• 1.    У сибирской плотвы из залива Черкалов оз. Байкал установлено статистически значимо более высокое содержание в печени цинка (+ 29 %), меди (+ 60 %), свинца (+ 121 %) и кадмия (+ 33 %) по сравнению с рыбами из условнофонового Чивыркуйского залива.

• 2.    Для плотвы из залива Черкалов, отличающейся повышенным содержанием ТМ, был характерен специфический гематологический профиль: лейкопения в сочетании с угнетением нейтрофильного ростка.

• 3.    Значимое снижение числа Т-лимфоцитов у рыб из залива Черкалов, выявленное в сравнении с условно-фоновой группой, в комплексе с другими гематологическими сдвигами указывает на угнетение клеточного иммунитета.

• 4.    Полученные данные подчеркивают необходимость регулярного мониторинга физиологического состояния гидробионтов для ранней диагностики негативных последствий загрязнения уникальной экосистемы оз. Байкал.