Группа ученых Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) ОИЯИ совместно с коллегами из Стелленбошского университета (ЮАР) использовали возможности нейтронного активационного анализа в комплексных морских биомониторинговых исследованиях. Цикл работ, посвященный определению концентраций и происхождения макро- и микроэлементов в образцах мидий с прибрежных зон Южной Африки, в 2022 году был отмечен поощрительной Премией ОИЯИ.
Мидии – одна из наиболее известных групп двустворчатых моллюсков, которые являются важной составляющей экосистем морей и океанов. Мидии выполняют роль фильтраторов, питаясь планктоном, и вносят существенный вклад в очищение водных ресурсов от различных загрязнений. Они также являются источником пищи для многих животных и человека.
Двустворчатые моллюски могут накапливать высокие концентрации микро- и макроэлементов, включая тяжелые металлы, за счет специфических механизмов поглощения. Благодаря этому мидии широко используются в качестве биомониторов загрязнения прибрежных зон тяжелыми металлами, микропластиком, различными органическими соединениями и часто становятся объектами научных исследований.
Группа ученых ЛНФ ОИЯИ изучает морских двустворчатых моллюсков, собранных в различных точках мирового океана, уже более 10 лет. О том, с чего начинались исследования и как они проводились, рассказывают советник при дирекции ЛНФ ОИЯИ Марина Фронтасьева и начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории Инга Зиньковская.
«Как всегда, помог случай. В 2012 году я во время своей командировки в ЮАР на факультет естественных наук Стелленбошского университета познакомилась с Жаком Безюденотом, преподавателем Военного факультета, приглашенного на ланч коллегами факультета естественных наук, – говорит Марина Фронтасьева. – В разговоре за ланчем Жак упомянул, что по совместительству является владельцем фермы мидий, которые поставляются в местные рестораны. Получить доступ к такому экспериментальном материалу в качестве продолжения наших исследований с пресноводными моллюсками в Рыбинском водохранилище России – это ли не удача?! Возвращаясь в Россию, я уже везла в Дубну замороженные мидии, отобранных в двух контрастных точках Атлантического побережья ЮАР – из закрытой бухты Салдана и бухты Дандже, открытой океану. Так началась программа “Mussel Watch” ОИЯИ – ЮАР».
«Мы были нацелены на оценку экологического состояния прибрежных территорий. Главной задачей было – определить, какие именно элементы накапливают мидии, собранные на разных участках, и каково происхождение этих элементов: природное или антропогенное. И нам это удалось, – отмечает Инга Зиньковская. – Помимо оценки экологического состояния нашей задачей стала оценка пищевой безопасности, поскольку мидии являются наиболее доступным источником натуральной пищи, помимо рыбы, для местного населения».
Со временем ученые углубили эти исследования, расширили географию отбора образцов, охватив соседние с ЮАР страны: для исследования отбирались мидии с прибрежных зон ЮАР, Намибии и Мозамбика. Все участки для пробоотбора были выбраны как наиболее репрезентативные с точки зрения доступности мидий, стабильности параметров среды и различий в степени загрязнения в соответствии с результатами, уже опубликованными в литературе.
Карта пробоотбора мидий на территории Мозамбика, ЮАР и Намибии. Большая звездочка – Кейптаун, перевалочный пункт из Атлантического океана в Индийский
Для определения элементного состава образцов в качестве основного аналитического метода применялся нейтронный активационный анализ на установке РЕГАТА реактора ИБР-2 ЛНФ ОИЯИ.
Суть метода состоит в том, что образцы мидий – мягких тканей и раковин – подвергались бомбардировке нейтронами, в результате чего образовались радиоактивные изотопы с короткими и долгими периодами полураспада. Обрабатывая спектры наведенной активности и используя вспомогательное программное обеспечение, ученые определили концентрации элементов в образцах. Главным преимуществом метода является высокая чувствительность: в отличие от других методов, нейтронный активационный анализ позволяет определить большое количество элементов (до 50 на реакторе ИБР-2), включая те, что содержатся в образцах в очень низких концентрациях, что характерно, например, для тяжелых металлов, а также галогенов.
Так, в ходе исследования раковин и мягких тканей мидий ученые определили в их составе около 25 макро- и микроэлементов. Некоторые их них, такие, как, Al, Cr, Co, Fe, Ni, Zn, As, Se, I, считаются потенциально опасными для живых существ, в том числе и человека. Для этих элементов исследователи рассчитали риски при потреблении мидий местным населением – во многих образцах концентрации токсичных элементов превысили предельно допустимые уровни для рыбной продукции, установленные ВОЗ. Еженедельное потребление более 250 г свежих мидий может значительно повысить риск для здоровья человека за счет возможного поступления в организм опасных веществ.
Сопутствующим результатом исследований было выделение предполагаемых источников поступления элементов в организмы мидий и, как следствие, человека по основным группировкам: терригенной, то есть при образовании элементов из продуктов выветривания горных пород, антропогенной, гидрологической и смешанной. Так, к терригенной группе в результате исследования были отнесены Al, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Rb, Cs, Th, антропогенной – Co, Ni, Sb, гидрологической – Na, Mg, Cl, смешанной – As, Br, I, Zn, Se.
При этом, несмотря на то что морской транспорт и различного рода загрязнения (сточные воды, сельскохозяйственная, коммерческая и городская застройка, электростанции, случайные выбросы) в прибрежных зонах значительно нагружают экосистему, выращиваемые в закрытых акваториях мидии, содержат более низкие концентрации определяемых элементов по сравнению с мидиями, обитающих в стрессовых природных условиях.
«Дикие мидии находятся в открытом океане, поэтому быстрые и постоянные изменения волновой активности могут вызывать стресс у этих организмов. Этот процесс, по нашим данным, отражается в высоких концентрациях таких элементов, как Na, Mg, Cl, V, Cr, Fe, Zn, As, Br, Sr, I и Uв мягких тканях и Al, Cl, Cr, Fe, Zn, Sr и I – в раковинах», – подчеркнула Инга Зиньковская.
Полученные данные, отмечают исследователи, могут использоваться для будущих биомониторинговых исследований, для рекреационных целей, производства продуктов питания, развития марикультуры, а также для оценки безопасности окружающей среды для местного населения.