Тяжелые металлы в водной экосистеме и их влияние на рыб

Полистовская П.А., Карпенко Л.Ю., Бахта А.А. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ  

В ВОДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ  

И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РЫБ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург 

2022 
 

УДК 577.1:612.1:615.916:639.2/.3 

 
 

Авторы: 

Полистовская П.А. – ассистент кафедры биохимии и физиологии  

ФГБОУ ВО СПБГУВМ, к.б.н.; 

Карпенко Л.Ю. – заведующий кафедрой биохимии и физиологии  

ФГБОУ ВО СПБГУВМ, профессор, д.б.н.; 

Бахта А.А. – доцент кафедры биохимии и физиологии  

ФГБОУ ВО СПБГУВМ, доцент, к.б.н.; 

 

Рецензенты: 

Гапонова В.Н. – доцент кафедры патологической физиологии  

ФГБОУ ВО СПБГУВМ, к.в.н.; 

Трушкин В.А. – доцент кафедры клинической диагностики  

ФГБОУ ВО СПБГУВМ, доцент, к.в.н. 

 

 
 

Полистовская П.А. Тяжелые металлы в водной экосистеме и их 

влияние на рыб / П.А. Полистовская, Л.Ю. Карпенко, А.А. Бахта. – 
Санкт-Петербург : Изд-во СПбГУВМ, 2022. – 88 с.   

 

 
 

В монографии проанализированы и обобщены данные динамики 

ряда биохимических, гематологических параметров, а также реакции 
жабр у карпов в ответ на токсическое воздействие высоких (10, 100, 
1000 ПДК) концентраций тяжелых металлов (цинка, меди, кадмия и 
свинца) при кратковременной экспозиции. Авторы приводят результаты 
исследований по выявлению особенностей десквамации кишечного 
эпителия у рыб в зависимости от токсической нагрузки.  

 
 
 
 

                 
 
 

                        © Полистовская П.А., Карпенко Л.Ю.,  

Бахта А.А., 2022 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Одним из актуальнейших вопросов мирового сообщества является 

воздействие человека на гидросферу. Среди антропогенных факторов 
самое большое опасение вызывает химическое загрязнение. Тяжелые 
металлы являются довольно значимыми химическими загрязнителями, 
так как представляют опасность не только для отдельных организмов, 
но и для биоценозов в целом. Опасность данных токсикантов заключается 
в их высокой биологической активности, способности к накоплению 
в тканях различных организмов и отсутствии биодеградации 
(Гребцов, 2014; Аршаница, 2018; Кулаченко, 2017; Линник, 2016;  
Лукин, 2001; Матей; 1993; Моисеенко, 1998; Мур, 2007; Скопичев, 
2015; Карпенко,2017). 

Согласно данным некоторых источников, влияние тяжелых метал-

лов охватывает как морфологию, так биохимические и физиологические 
процессы, а также поведение рыб и млекопитающих (Аршаница, 2009; 
Стекольников, 2013; Немова, 2014; Персикова, 2015; Давыдова, 2016; 
Комов, 2017; Калайда, 2017; Ишбулатова, 2017; Карпенко, 2017). 

Сейчас всѐ большую актуальность для прогнозирования и преду-

преждения возможных угрожающих последствий загрязнения окружающей 
среды токсическими соединениями приобретает информирование 
не только об уровнях загрязнения, но и о биологических эффектах загрязнителей. 
Таким образом, не последнюю роль играют исследования, 
посвященные воздействию загрязнителей на живой организм. Среди 
всего спектра возможных поллютантов, тяжѐлые металлы являются 
объектом наиболее пристального внимания не только из-за своей высокой 
токсичности для водных организмов, но и способности к аккумуляции 
и трансформации внутри биоценоза водоѐма (Зайцев, 2006; Чуйко, 
2013; Комов, 2017; Кулаченко, 2017). 
 

В настоящее время наибольшей опасности подвержены пресновод-

ные экосистемы, которые активно аккумулируют тяжелые металлы антропогенного 
происхождения. К числу широко распространенных и 
потенциально опасных токсикантов относятся соединения свинца, кадмия, 
цинка и меди (Неваленный, 2004; Чуйко, 2013; Кулаченко, 2017; 
Аршаница, 2018). Кроме того, данные металлы зачастую присутствуют 
в циркуляционных водах АЭС и ГРЭС, сбрасываемых в водоемы (Бедрицкая, 
2000), и могут воздействовать высокими концентрациями в течение 
ограниченного времени. Последствия влияния тяжелых металлов 
на биологические системы часто непредсказуемы, так как существуют 
многочисленные особенности их поведения в водных биоценозах, влияющие 
на обмен веществ у гидробионтов. 

Анализ адаптационных возможностей водных организмов в ре-

зультате воздействия на них тяжелых металлов является одной из острых 
проблем экологической физиологии. Именно поэтому проведение 
исследований, моделирующих влияние различных концентраций ионов 
свинца, кадмия, меди и цинка на рыб, является актуальным. При проведении 
экологических исследований экспериментального и теоретического 
характера, изучении антропогенной трансформации биоценозов, 
полученные данные будут иметь особое значение, что позволит более 
детально рассматривать возможные биологические последствия загрязнения 
водоемов тяжелыми металлами. 

Экспериментальные исследования адаптивных возможностей рыб 

в результате воздействия на них высоких концентраций тяжелых металлов 
являются актуальными и перспективными для рассмотрения биологических 
последствий загрязнения окружающей среды в результате локальных 
экологических катастроф. 

По мнению некоторых исследователей, вследствие влияния токси-

ческих агентов организм может реагировать стандартным рядом биохимических 
и физиологических реакций, обеспечивающих срочную или 
неспецифическую адаптацию, таким образом, компенсируя отрицательное 
воздействие токсикантов. Данная процесс является первой фазой 
индивидуальной адаптации, за которой следует устойчивая или специфическая 
адаптация. Эти процессы необходимы для повышения стойкости 
организма к конкретному или близкому по природе раздражителю, а 
также для формирования, так называемого структурного следа, позволяющего 
полностью устранить нарушения гомеостаза и сохранять эту 
способность в постадаптационный период. 

Согласно литературным данным, вследствие поражения токсиче-

скими агентами у водных организмов происходит изменение активности 
и состава ферментных систем, непосредственно не связанных с детоксикацией (
Немова Н.Н., 2014).  Изменение активности ферментов в 
совокупности с изменением гематологических показателей в результате 
токсического воздействия, а также изменение различных биохимических 
параметров крови, по сути, и являются реакцией обмена веществ и 
составляют суть неспецифического адаптационного синдрома. Параметры, 
выходящие за рамки нормы реакции, являются вполне убедительными 
признаками структурного следа специфической адаптации.  

Анализ динамики изменений различных метаболических парамет-

ров (гематологических, биохимических и т.п.) у рыб вследствие токсического 
воздействия тяжелых металлов различной концентрации и интерпретация 
полученных результатов позволят определить участие данных 
параметров в адаптации, а также понять физиологические механизмы 
адаптации рыб к токсическому воздействию. 

Использование карпа в качестве объекта исследования обусловле-

но тем, что данный вид является одним из основных объектов товарного 
рыбоводства России, вместе с тем служит доступным продуктом питания 
для среднестатистического потребителя. 

В настоящее время рассмотрению вопросов техногенного за-

грязнения окружающей среды и его влияния на объекты биоценозов 
уделяется пристальное внимание такими учеными, как Папуниди 
К.Х., Шкуратова И.А., Стекольников A.A., Аргунов М.H., Доманский 
И.К., Попова Н.В., Маркова Л.Н., Осипова Л. А., Каргин С.А., 
Ильзова Ф. Ш., Веремеенко О. В., Стекольников А.А., Чуйко Е.В., 
Голованова И.Л., Комов В.Т., Кулаченко И.В. Актуальны вопросы 
безопасности рыбной продукции, исследованием которых занимаются 
Перевозников М.А., Лащевская Т.И. и Аршаница Н.М. Лукиным 
A.A. Егошиной Т.Л., Шиховой Л.Н., Лисицыным Е.М., Жиряковым 
А.С. и Стекольниковым А.А. производится усиленная работа по поиску 
методов наиболее точной диагностики возникающих у гидробионтов 
токсикозов, а также правильной интерпретации результатов 
исследуемых показателей, исследованием которой занимаются такие 
ученые, как Зайцев В.Ф., Агабабова Н.Г., Жиденко А. А., Габибов 
М.М., Рабаданова А.И., Абдуллаева Н. М., Сулейманова У. З., Абдуллаева 
П.И., Алиева Г.С., Абачарова З.С., Иванов А.А. и  Немова 
Н.Н.. Однако важным аспектом все еще остается не только регистрация 
функциональных нарушений, происходящих на уровне клетки и 
всего организма в целом, но и поиск корреляции подобных процессов 
с концентрацией токсиканта в среде и времени экспозиции в токсическом 
растворе, что находит отражение в работах Невален- 
ного А.Н., Курамшиной Н.Г., Бикташевой Ф.Х., Аминевой Ф.А, но 
таких работ представлено довольно мало. Кроме того, представленные 
исследователями работы рассматривают влияние тяжелых металлов, 
в основном, опираясь на данные летальных концентраций 
(ЛК-50 и ЛК-100). 

Работа, проведенная авторами, посвящена анализу физиологиче-

ских механизмов адаптации рыб к кратковременному воздействию высоких 
концентраций тяжелых металлов (цинка, меди, кадмия и свинца). 
Авторами в процессе исследований были решены следующие задачи: 
установлены основные гематологические и биохимические показатели у 
карпов в норме и выявлена их динамика в ответ на токсическое воздействие 
тяжелых металлов; выявлены особенности влияния тяжелых металлов 
на активность ферментов крови карпов; проанализированы особенности 
влияния тяжелых металлов на жабры карпов; охарактеризованы 
особенности воздействия тяжелых металлов на механическую прочность 
эпителиального пласта кишечника карпов. 

В процессе исследований авторами были проанализированы и 

обобщены изменения ряда биохимических, гематологических параметров, 
а также реакции жабр у карпов в ответ на токсическое воздействие 
высоких (10, 100, 1000 ПДК) концентраций тяжелых металлов (цинка, 
меди, кадмия и свинца) при кратковременной экспозиции. Впервые авторами 
предприняты исследования по выявлению особенностей десквамации 
кишечного эпителия у рыб в зависимости от токсической нагрузки. 
Все эти данные позволили выявить закономерности адаптивной динамики 
метаболизма при воздействии тяжелых металлов. 

Данное исследование несет в себе решение значимой в настоящее 

время проблемы – выявление особенностей обменных процессов, а вместе 
с этим и адаптивных возможностей организма карпа под влиянием 
высоких концентраций тяжелых металлов (цинка, меди, кадмия, свинца) 
при кратковременной экспозиции, а также дает возможность использовать 
выявленные особенности, как теоретическое обоснование в поиске 
новых методов коррекции нарушений обмена веществ у рыб вследствие 
токсического воздействия. 

Результаты исследования слущивания кишечного эпителия позво-

ляют говорить о роли десквамации энтероцитов при адаптации организма 
рыб к кратковременному действию токсикантов. Полученные 
нами данные могут служить важной информативной базой для оценки 
адаптивных механизмов, наблюдаемых у рыб при кратковременной 
экспозиции в среде с высокой концентрацией тяжелых металлов. 

Результаты исследований реализованы в практике обучения сту-

дентов и научно-исследовательской работе аспирантов по дисциплинам 
ихтиология, методы рыбохозяйственных исследований в ФГБОУ 
ВО «Санкт-Петербургский государственный университет ветеринарной 
медицины»; на кафедре физиологии, хирургии и акушерства 
ФГБОУ ВО «Ставропольского государственного аграрного университета»; 
на кафедре внутренних незаразных болезней, хирургии и акушерства 
ФГБОУ ВО «Костромская государственная сельскохозяйственная 
академия». 

 
О РОЛИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОСФЕРЕ 

 

МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В БИОСФЕРЕ.  

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ  

В ЭКОСИСТЕМАХ ВОДОЕМОВ 

Ионы металлов являются обязательными компонентами как био-

сферы, так и гидросферы. Они находятся в окружающей среде в разной 
форме и входят в состав соединений различной природы, а также могут 

иметь разное агрегатное состояние (Chris M. Wood, 2012; Беззапонная, 
2004; Стекольников, 2013).  

Ряд исследователей указывает на разнообразную природу истинно 

растворенных форм металлов, «что связано с процессами гидролиза, 
гидролитической полимеризации (образованием полиядерных гидрок-
сокомплексов) и комплексообразования с различными лигандами. Соответственно, 
как каталитические свойства металлов, так и доступность 
для водных микроорганизмов зависят от форм существования их в водной 
экосистеме» (Кляшторин, 2000, Майстренко, 1996). 

Многие металлы образуют довольно прочные комплексы с органикой; 

«эти комплексы являются одной из важнейших форм миграции элементов в 
природных водах. Большинство органических комплексов образуются по 
хелатному циклу и являются устойчивыми. Комплексы, образуемые почвенными 
кислотами с солями железа, алюминия, титана, урана, ванадия, 
меди, молибдена и других тяжелых металлов, относительно хорошо растворимы 
в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред. Поэтому 
металлорганические комплексы способны мигрировать в природных 
водах на весьма значительные расстояния. Особенно важно это для мало-
минерализованных и в первую очередь поверхностных вод, в которых образование 
других комплексов невозможно» (Кляшторин, 2000; Майстрен-
ко, 1996; Фелленберг, 1997; Филов, 2009). 

По мнению ряда исследователей, разложение тяжелых металлов не 

может происходить полностью, металлы перераспределяются между 
биотическими и абиотическими элементами, взаимодействуя с многообразными 
категориями живых организмов, мигрируя по общей цепи 
циркуляции веществ в водоеме (Jezierska, 2006, Евтушенко, 1988; Егошина, 
2007; Иваненко, 2006; Кузнецов, 2003; Курамшина, 2008, 2013; 
Метелев, 1971; Попов, 2002). 

Из большого разнообразия тяжелых металлов, по мнению многих 

ученых, особенно опасны для биосферы из-за своей токсичности ртуть, 
медь, свинец и кадмий (Будников, 1998; Воробьев, 1979; Дабахов, 2005; 
Давыдова, 1991; Давыдова, 2016; Коллмен, 1989; Курамшина, 2012, 
Линник, 2013; Лобанова, 2008). 

По мнению исследователей, в настоящее время, происходит 

деградация экосистем внутренних водоемов, и связано это, в 
первую очередь, с антропогенным воздействием. Второй причиной 
деструкции водных биоценозов являются природные факторы (Лукьяненко, 
1983, 1987; Кляшторин, 2000; Лукин, 2001; Моисеенко, 
1998, 2000; Серпунин, 2002). 

Источниками тяжелых металлов в гидросфере могут быть атмосфер-

ные осадки, отходы различных производств, эрозия почв и стоки с поверхности 
почв, сбросные воды ирригационных систем, горно-обогатительные 

фабрики, ископаемое топливо, процессы горения (при котором выделяется 
свинец и другие металлы), рециркуляция твердых отходов (Лукьяненко, 
1983; Мур, Рамамурти, 1987; Никаноров, 2001; Спозито, 1993). 

Сельское хозяйство также играет важную роль в привнесении в 

гидросферу загрязняющих веществ посредством вымывания удобрений 
и ядохимикатов из плодородного слоя почвы. Еще один путь 
загрязнения вод, по мнению Перевозникова М.А., – «это осаждение 
загрязняющих веществ из воздуха, в котором содержатся выбросы 
промышленных предприятий, выхлопные газы. Находящиеся в воздухе 
частицы могут увлекаться осадками на поверхность водоемов» 
(Перевозников, 2000). 

Кроме того, степень воздействия тяжелых металлов на организм 

рыб 
зависит 
от 
многих 
факторов, 
таких 
как 
окислительно-

восстановительный потенциал (как было рассмотрено выше), температура 
воды (Стекольников, 2013, 2012; Давыдова, 2014), сезонные факторы 
и физиологическое состояние организма (Кроль, 1998; Беренштейн, 
1968; Самохин, 2000; Карпенко, 2014). Кроме того, по мнению Карпенко 
Л.Ю., Карпенко А.А, Енукашвили А.И., Галецкого В.Б., при дефиците 
в организме микроэлементов осуществляется их замена тяжелыми 
металлами, и как следствие происходит их накопление внутри организма, 
которое зависит от характера питания и интенсивности обменных 
процессов рыб, относящихся к различным экологическим группам. 

Основным источником поступления микроэлементов в организм 

животных, по мнению Кузнецова С., Карпенко Л.Ю., Енукашвили А.И. 
являются корма (2014). Для гидробионтов, одним из основных источников 
поступления в организм микроэлементов, в том числе тяжелых металлов, 
является среда обитания, а именно водоемы.  

Папуниди К.Х., Стекольников A.A., Карпенко Л.Ю. в своих иссле-

дованиях (2013, 2015) выяснили, что тяжелые металлы способны вызвать 
как у животных, так и у рыб различные отравления, сопровождающиеся 
потерей продуктивных качеств, что в настоящее время является 
актуальной проблемой сельского хозяйства. 

В диагностике нарушений минерального обмена, а также влия-

ния тяжелых металлов на организм имеет место быть исследование 
концентрации металлов в крови. Однако, некоторые исследователи 
считают, «что исследование крови отражает кратковременные по 
экспозиции отклонения микроэлементного состава и не вполне 
адекватно отражает общий элементный статус организма» (Armelin, 
2003). Поэтому влияние и накопление тяжелых металлов необходимо 
изучать не только по измерению их концентрации в крови, но и 
используя другие показатели, свидетельствующие о воздействии 
токсикантов на организм. 

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ И ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЯ  

СВИНЦА НА РЫБ 

Среди тяжелых металлов, немногие из них конкурируют со зна-

чимостью свинца (Pb) с точки зрения токсичности (Sfakianakis, 
2015).  Свинец (Pb) - химический элемент четвертой группы, шестого 
периода таблицы Менделеева (атомный номер 82), который существует 
преимущественно в двухвалентной окислительной форме. 
Наиболее распространенным и экономически важным минералом 
свинца является галенит (PbS), церуссит (PbCO3) и англезит (PbSO4). 
В природных водных средах на уровне или выше нейтрального рН, 
свинец легко образует комплексы, и большинство неорганических 
солей свинца плохо растворимы, за исключением нитрата, хлората и 
хлористых солей. В противоположность этому, соли свинца, как правило, 
довольно хорошо растворимы в кислых условиях. Свинец может 
также образовывать стойкие органические соединения, такие как 
тетраэтилсвинец, некогда распространенная антидетонационная присадка 
в бензин. Такие влияния химического состава воды влияют не 
только на химическую форму свинца, но и на его токсичность. В целом, 
наиболее токсичным из форм металла считается свободная ионная 
форма (Pb2+), хотя пока неизвестно, токсичны ли другие формы 
свинца, например, гидроксиды и карбонаты для рыб. 

Сегодня свинец используется в производстве аккумуляторов и 

большую озабоченность свинец, по мнению Baker R.T. и Monteiro V., 
вызывает попаданием в водную среду от точечных источников сбросов, 
связанных с добычей и промышленной переработкой свинца. 
Доступность ионов свинца для гидробионтов во многом будет зависеть 
от рН, щелочности, жесткости и содержания природных органических 
веществ в воде. У рыб острая токсичность свинца обусловлена 
дыхательной асфиксией при экстремальных концентрациях и 
нарушением ионов, ответственных за гомеостаз при более экологически 
значимых концентрациях. Хронические эффекты аналогичны 
таковым у людей, и они связаны, прежде всего, с гематологическими 
и неврологическими дисфункциями. Свинец поглощается и проявляет 
свои свойства путем замены кальция и других потенциально важных 
двухвалентных катионов, таких как железо и цинк. Согласно 
Воробьеву В.И., свинец встречается преимущественно в пределах 
кальцинированных твердых тканях скелета и чешуи, а также концентрируется 
в значительной степени в крови, жабрах и почках. Хотя 
большие успехи были сделаны в характеристике поглощения, накопления 
и токсичности свинца в рыбе, предстоит еще очень многое 
узнать о конкретных транспортных путях и внутреннем обращении 
свинца, а также о механизмах его экскреции. 

В условиях пресной воды рН, щелочность, концентрация будут яв-

ляться параметрами, представляющими огромное значение для формообразования 
свинца. 

В водах с высоким рН и щелочностью карбонаты свинца и гидрок-

сиды будут доминировать, в то время как в водах с низким рН и щелочностью 
будет возобладать гораздо больший процент свободного Pb2+. В 
то время, как низкий рН будет соответствовать большей концентрации 
свободного Pb2+, и поэтому более токсичному свинцу, токсичность может 
быть смягчена до некоторой степени при конкурентных взаимодействиях 
между Pb2+ и H+. 

Несмотря на то, что жесткость воды (т.е. ионы Са2+ и Mg2+), может 

существенно влиять на растворимость свинца, рН является доминирующим 
фактором в определении растворимости свинца в воде. 

Действительно, растворимость свинца, особенно с учетом кинети-

ки свинцовых осадков, в настоящее время, получает много внимания в 
области водной токсикологии. В настоящее время рекомендуется, чтобы 
концентрации общего и растворенного свинца неоднократно подтверждались, 
чтобы кажущееся равновесие было достигнуто до начала воздействия, 
и чтобы концентрации общего и растворенного свинца, измеряемые 
в ходе экспозиции сочетались.  

Эффекты видообразования, относящиеся к изменениям одного па-

раметра, часто осложняются одновременными изменениями других параметров. 
Например, жесткость и рН часто соизмеряются с щелочностью (
как эквивалент CaCO3), что приводит к сложности, проявляющейся 
в выяснении относительных эффектов этих параметров на видообразование, 
и, следовательно, на токсичность свинца. Твердость, согласно 
исследованиям Скопичева В.Г., Карпенко Л.Ю. и др., может также влиять 
на видообразование свинца через конкуренцию катионов за связывание 
как неорганических, так и органических веществ, хотя наиболее 
важной для токсичности, скорее всего, является конкуренция между 
Са2+ и Pb2+ за связывание на жабрах. 

Ранее нами было рассмотрено влияние рН и щелочности, конкури-

рующих эффектов других катионов на видообразование и токсичность 
свинца. Однако нельзя игнорировать еще один важный параметр для 
видообразования свинца - адсорбция частиц и осаждение. Такие частицы 
могут быть органическими (например, фитопланктон и биологический 
мусор) и неорганические (минеральные образования) в природе. 
Количество свинца, адсорбированного на частицах, во многом будет 
зависеть от веса свинца и частиц, а также рН и жесткости. Обычно, 
меньшая адсорбция происходит при уменьшении рН и увеличении 
жесткости воды. После образования комплексы свинца могут перейти к 
связыванию с сульфидами, свинец освобождается от осажденных ча-