Исследование редкоземельных элементов в гидробионтах экосистемы Чёрного моря

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-24-00494

НазваниеИсследование редкоземельных элементов в гидробионтах экосистемы Чёрного моря

Руководитель Рябушко Виталий Иванович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН" , г Севастополь

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-302 - Химическая экология

Ключевые слова редкоземельные элементы, вода, микроводоросли, цианобактерии, макрофиты, моллюски, желетелые, полихеты, ракообразные, рыбы, экосистема Чёрного моря

Код ГРНТИ34.35.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Редкоземельные элементы (РЗЭ) представляют собой семейство из 17 химических элементов III группы периодической системы, включающее в себя скандий, иттрий, лантан и 14 лантаноидов с атомными номерами 58-71. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, эти металлы широко применяются в химии, электронике, технике, металлургии, сельском хозяйстве, биологии и медицине. Широкое применение РЗЭ приводит к увеличению их выброса в окружающую среду, с чем связано формирование очагов загрязнения, распространяющихся и на морские акватории. В отличие от тяжелых металлов, влиянию РЗЭ на морскую среду уделено мало внимания, и полностью отсутствует информация об экологических последствиях загрязнения ими морской среды. Известно, что концентрация РЗЭ в водорослях и моллюсках может быть на несколько порядков выше, чем в морской воде, что делает эти организмы отличными биоиндикаторами РЗЭ-загрязнения морской среды. РЗЭ могут вызывать как положительные, так и отрицательные реакции в живых организмах, биохимические механизмы которых на сегодняшний день изучены слабо. Хотя считается, что РЗЭ не являются эссенциальными, в растительных культурах они положительно влияют на рост и качество продукции, повышают резистентность. Также РЗЭ используются как пищевая добавка для домашнего скота, птицы и культивируемой рыбы и предложены в качестве стимуляторов роста домашних животных. Однако избыточные количества РЗЭ токсичны и оказывают негативное воздействие на людей, растения и животных. Следует также иметь в виду, что морские водоросли имеют высокое сродство к РЗЭ, могут приводить к накоплению РЗЭ и усилению их токсического действия на организмы более высоких трофических уровней. На сегодняшний день для подавляющего большинства гидробионтов нет сведений о диапазоне концентраций положительных эффектов РЗЭ, не определены степень, порог токсичности и ПДК РЗЭ. Для многих морских организмов отсутствуют даже сведения об уровне содержания РЗЭ в тканях, и особенно это касается организмов Черного моря. Поэтому первоочередная задача Проекта – оценка концентраций РЗЭ в гидробионтах Черного моря на разных уровнях таксономической и трофической иерархии (диатомовые водоросли, цианобактерии, макрофиты, морская трава, медузы, гребневики, полихеты, моллюски, ракообразные, рыбы). Также важно найти макроэлементы, с которыми сопряжено накопление РЗЭ, т.к. одна из гипотез о механизмах физиологического действия РЗЭ заключается в замещении эссенциальных элементов (например, кальция) в биохимических процессах. В эксперименте с выделением в культуру отдельных видов микрофитобентоса планируется впервые определить влияние разных концентраций РЗЭ в биомассе, выявить РЗЭ-стимуляцию или угнетение развития этих культур по скорости роста численности и биомассы, а также найти предельную степень накопления этих элементов в культурах. Это имеет ценность для аквакультуры, так как подавляющее большинство кормов для объектов аквакультуры состоят именно из микроводорослей с добавлением цианобактерий. В экспериментах по изучению переноса РЗЭ по звеньям пищевой цепи мы сможем впервые оценить способность гидробионтов к накоплению или отторжению этих элементов в организмах с более высоким положением в трофической иерархии, что даст ключ к пониманию локализации и метаболической вовлеченности РЗЭ в организмах. Использование методов многомерной статистики позволит проанализировать сходства в накоплении различными организмами РЗЭ и найти группы элементов, наиболее близких по их воздействию и накоплению. Таким образом, с учетом слабой изученности токсического воздействия РЗЭ на морские организмы, их значительного бионакопления в гидробионтах и потенциала использования РЗЭ в аквакультуре, данный Проект направлен на решение актуальных научных задач в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в Российской Федерации – 4. Науки о жизни, и критической технологии «19. Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рябушко В.И., Капранов С.В., Гуреева Е.В., Бобко Н.И., Баринова С.С. Rare Earth Elements in the Seagrass Zostera noltei and Sediments from the Black Sea Coast of Crimea Journal of Marine Science and Engineering, Journal of Marine Science and Engineering, 2023, Vol. 11, iss. 10. Art. no. 2021 14 p. (год публикации - 2023)
10.3390/jmse11102021

2. Рябушко В. И., Капранов С. В., Тоичкин А. М., Бобко Н. И. Редкоземельные элементы в мягких тканях культивируемой в Чёрном море устрицы Magallana gigas (Thunberg, 1793) тез. докл. Всерос. конф. (памяти акад. Владимира Леонидовича Касьянова), 12–15 сентября 2023 г., Владивосток, Россия. Владивосток : ННЦМБ ДВО РАН, 2023., С. 173-175 (год публикации - 2023)

3. Рябушко В.И., Гуреева Е.В., Капранов С.В., Симоконь М.В., Бобко Н.И. Rare earth elements in the red, brown, green algae and the seagrass from Kazachya Bay (Crimea, Black Sea) Regional Studies in Marine Science, Regional Studies in Marine Science. 2024. Vol. 69. Art. no. 103318, 8 p. (год публикации - 2024)
10.1016/j.rsma.2023.103318

4. Дикарева Ю. Д. Капранов С. В. Капранова Л. Л. Рябушко В. И. Элементный состав тканей и раковин двустворчатого моллюска Anadara kagoshimensis (Tokunaga, 1906) из Чёрного и Азовского морей Морская биология в 21 веке: биология развития, молекулярная и клеточная биология, биотехнология морских организмов : тез. докл. Всерос. конф. (памяти акад. Владимира Леонидовича Касьянова), 12–15 сентября 2023 г., Владивосток, Россия, С.115-117 (год публикации - 2023)

5. Капранов С.В., Рябушко В.И., Дикарева Ю.Д., Капранова Л.Л., Бобко Н.И., Баринова С.С. Rare Earth Elements in Shells of Black Sea Molluscs: Anomalies and Biogeochemical Implications Journal of Marine Science and Engineering, том: 12; выпуск: 5; статья: 713; страниц (электронный ресурс): 20 (год публикации - 2024)
10.3390/jmse12050713

6. Балычева Д.С., Благинина А.А., Лишаев В.Н., Мирошниченко Е.С., Рябушко В.И. Биоаккумуляция лантана на створках диатомовых водорослей Nanofrustulum shiloi и Amphora bigibba Водоросли: проблемы таксономии и экологии, использование в мониторинге и биотехнологии : материалы VII Всерос. науч. конф. с междунар. уч. (г. Владивосток, Россия, 16–20 сентября 2024 г.), Владивосток, 2024. С. 21 (год публикации - 2024)

7. Капранова Л.Л., Дикарева Ю.Д., Капранов С.В., Рябушко В.И. Содержание химических элементов в тканях и раковинах двустворчатого моллюска Anadara kagoshimensis (Tokunaga, 1906) из Чёрного и Азовского морей Морской биологический журнал, 2024. Т. 9, № 3. С. 24-33. https://doi.org/10.21072/mbj.2024.09.3.03 (год публикации - 2024)
10.21072/mbj.2024.09.3.03

8. Рябушко В.И., Гуреева Е.В., Капранов С.В., Празукин А.В., Тоичкин А.М., Cимоконь М.В., Бобко Н.И. Element composition of several marine macrophytes (Crimea, Black Sea) and correlations with the element abundances in sediments and seawater Environmental Research, том: 257; статья: 119380; страниц (электронный ресурс): 14 (год публикации - 2024)
10.1016/j.envres.2024.119380

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
За отчетный период проведены экспериментальные работы по культивированию диатомовых водорослей (ДВ) и цианобактерий (ЦБ) в питательных средах с добавлением низкой и высокой концентрации La. В результате выявлена способность ДВ и ЦБ к биоаккумуляции La (https://vk.com/video-208034377_456240869?list=bb88ab13c85d074b75). EDX анализ поверхностей створок ДВ показал, что течении всего времени экспозиции содержание La изменялось от 0 до 4,8 % для N. shiloi и от 1,9 до 10,2 % – для А. bigibba. При этом наибольшее содержание La наблюдали в средах с низкой его концентрацией, а с высокой, его содержание было низким в течение всего срока экспозиции. Кроме того, его содержание возрастало с максимумом на 3 сутки при низкой его концентрации в среде и на 6 – при высокой, а затем снижалось. Это свидетельствует о том, что сначала происходит адсорбция, а далее элемент поглощается и накапливается внутри клетки, на что указывают превышающие на 3–4 порядка (A. bigibba – 6,06 мг/г, N. shiloi – 6,90 мг/г) концентрации La в биомассе ДВ по сравнению с контрольными образцами (A. bigibba – 3,08 мкг/г, N. shiloi – 7,07 мкг/г). Для ЦБ адсорбции La на поверхности не наблюдалось, уже через 30 минут культивирования штаммов Cyanobium sp. и L. cf. ectocarpi, ни в культуральной среде, ни на поверхности клеток La обнаружено не было. Из этого следует, что данные штаммы в результате биоаккумуляции быстро и полностью поглотили La из среды. Элементный анализ биомассы ДВ и ЦБ выявил у всех изученных штаммов гипераккумуляцию La, при которой его концентрация в биомассе выросла в 1967 раз у A. bigibba (6,06 мг/г), в 977 раз N. shiloi (6,90 мг/г), в 110 раз у D. tharense (13,32 мг/г), в 134 раза у T. mysidocida (11,23 мг/г) и в 227 раз у L. cf. ectocarpi (9,5 мг/г). Анализ динамики численности культур ДВ показал, что La оказывает значительное влияние на рост культур ДВ, что подтверждает визуальный контроль морфофизиологического состояния культур: при добавлении низкой концентрации La разница с контрольными чашками визуально небольшая в течении всего срока экспозиции; при высокой концентрации La уже на 3 сутки заметно, что в контрольных чашках ДВ развиваются более активно, а для A. bigibba – хлоропласты сильно деформированы и изменили цвет. Для ЦБ Cyanobium sp. CYA-15 при добавлении 10 мг/л La выявлена успешная адаптация к присутствию элемента в среде, после которой достигнут максимум численности, превышающий максимум в контроле почти в 2 раза. Анализ морфофизиологических характеристик ЦБ показал, что культуры с La бурно развивались на протяжении всего периода культивирования (35 дней) и их свойства были более ярко выражены по сравнению с контролем. При этом культуры, выросшие с добавлением La, имели ярко окрашенные, не разрушенные, четко очерченные клетки и нити типичных размерв. Таким образом, низкие концентрации La (10 мг/л) имеют стимулирующий эффект на рост и развитие культур ЦБ, в то время как концентрация 50 мг/л оказалась летальной для них. В течение 1 месяца экспозиции культур на средах, приготовленных на природной морской воде, выявлено, что все виды в составе своей биомассы содержали РЗЭ в концентрациях, превышающих таковые в морской воде. Наибольшее содержание среди РЗЭ в биомассе каждой из культур отмечено для La, оно превышало фоновые на 3-4 порядка. Для ДВ концентрации всех обнаруженных РЗЭ в биомассе, кроме европия, гольмия, тулия и лютеция превышали на 1-2 порядка значения для морской воды. Помимо La, наибольшее содержание в биомассе ДВ наблюдалось для церия, празеодима и неодима, а у ЦБ – для церия и эрбия, наибольшее содержание которых наблюдалось у L. cf. ectocarpi, а наименьшее у D. tharense. Следовательно, при хроническом загрязнении окружающей среды РЗЭ ДВ и ЦБ способны к их активной биоаккумуляции, при этом уровень накопления и специфичность к элементу у разных видов отличается. Получены данные по элементному составу тканей и раковин двустворчатого моллюска Anadara kagoshimensis из Чёрного и Азовского морей (https://nauka.tass.ru/nauka/22287517, https://www.rbc.ru/life/news/6725be089a794748e7ddd332). Для этих морей моллюск является инвазивным и малоизученным видом, однако представляет ценность как объект марикультуры (https://ibss-ras.ru/News-IBSS/2818/, https://poisknews.ru/farmakologiya/chernoe-more-i-redkozemelnye-elementy-rezultaty-novogo-issledovaniya/). Обнаружены значимые различия для анадары из двух морей в концентрациях K, Rb, Cs, Ca, Ba из семейства s-элементов; Al, Ga, Ge, P, As, Bi, Br — р-элементы; d-элементы — Zn, V, Nb, Ta, Mo, Fe, Ir, Au; f-элементы — Pr, Nd. В тканях анадары из Чёрного моря концентрации K, Rb и Cs достоверно выше, чем из Азовского, при этом концентрация K на один (Азовское море) или два порядка (Чёрное море) выше в тканях, чем в раковинах. В раковинах анадары из Чёрного моря содержание Ca достоверно выше. Раковины анадары из Чёрного моря прочнее. На фоне высокого содержания Ca в образцах тканей и раковин анадары из обоих морей наблюдается относительно низкое содержание фосфора. В тканях анадары из Чёрного моря концентрация Р, Al, Ga, Bi, а также тяжелых металлов (Pb, Cd), достоверно выше. Содержание токсичных элементов в анадаре из обоих морей не превышает предельно допустимых концентраций. Концентрации Zn и Mo выше в тканях, Fe — в раковинах. В тканях анадары из Азовского моря концентрация Zn выше, чем из Чёрного моря. Концентрации редкоземельных элементов (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb) выше в тканях анадары из обоих морей. Анадара способна концентрировать элементы в зависимости от их содержания в среде, поэтому содержание элементов в моллюсках, принадлежащих к одному виду, в первую очередь зависит от биотопа. Таким образом, концентрация химических элементов в тканях и раковинах моллюсков зависит, прежде всего, от условий окружающей среды, в которой они обитают. При этом различия концентраций обусловлены не только составом морской воды, куда преимущественно входят s-элементы, но и адаптационными физиологическими процессами у моллюсков, потому что в данной работе больше всего статистически значимых различий выявлено среди р- и d-элементов. Именно р- и d-элементы участвуют в функционировании клеток организмов в качестве минорных компонентов белков, углеводов, липидов, ферментов. Моллюски потребляют макро- и микроэлементы из пищи и воды и аккумулируют их в тканях и раковинах, приспосабливаясь к условиям обитания. Получены новые данные по элементному составу мягких тканей полихеты H. diversicolor, ракообразные P. adspersus и Pilumnus hirtellus, медузы A. aurita и R. pulmo и рыб - кефаль сингиль C. auratus, хищник донный бычок-кругляк N. melanostomus, хищник пелагический черноморская ставрида T. mediterraneus. Все РЗЭ были обнаружены в каждом из исследуемых гидробионтов. В результате полевых наблюдений и экспериментальных работ получены данные о переносе РЗЭ в трофическом звене «жертва – хищник: двустворчатый моллюск M. galloprovincialis – брюхоногий моллюск R. venosa», а также для гребневиков: M. leidyi – B. ovata.

Публикации

Возможность практического использования результатов
С ростом использования редкоземельных элементов неизбежно увеличивается их выброс в окружающую среду, в том числе и в водную. Из этого вытекает необходимость разработки методов их извлечения из промышленных сточных вод с перспективой их утилизации, которая может быть обеспечена путем биоремедиации с использованием метоболического потенциала изученных в проекте гидробионтов.