Organic matter in the ecosystem of the Vladimir Bay (the Sea of Japan): Food resource and environmental risk factor
##plugins.themes.bootstrap3.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.bootstrap3.article.details##
Abstract
To understand the accumulation process resulting from the input of toxic substances and elements into water areas, the study of the organic matter content in the aquatic environment and bottom sediments is of great importance. Moreover, such investigation is significant for identifying negative alterations in the ecosystem and potential environmental risks driven by the nature management. We aimed at analyzing the importance of organic matter as a factor of the environmental contamination in the Vladimir Bay (the Sea of Japan) and determining the toxicity of hydrobionts and the environmental risk to both the ecosystem and human health. This complex work was carried out applying chemical, analytical, microbiological, and hydrobiological techniques; it included mathematical and cartographic data processing, as well as calculation of accumulation factor and sediment quality guideline quotient. Seawater, bottom sediments, and macrobenthos sampled in the Vladimir Bay in July 2014 were analyzed. Chemical, ecological, and microbiological parameters of the bay waters were determined; those allowed to estimate the organic matter accumulation in the aquatic environment and bottom sediments and to establish the trophic status of the ecosystem in summer. Mass macrobenthic species and groups were identified; indices of benthic population abundance were determined indicating high levels of biomass. In surface waters, the abundance of heavy metal resistant groups of bacteria was estimated. In bottom sediments, heavy metal content and its spatial distribution were determined. Heavy metal concentrations in the sea urchin gonads were quantified. The results of the microbiological assessment were compared with maximum permissible concentrations (MPC), and a significant pollution of the bay waters (more than 3 MPC) in terms of Cd was revealed. For Ni, Cu, Zn, and Cd, background concentrations were exceeded in the bottom sediments; for Cd and Zn, clarke content was exceeded. The correlation between concentrations of organic matter in the bottom sediments and heavy metal content there was checked, as well as the correlation between heavy metal concentrations in the bottom sediments and in the sea urchin gonads (a statistically significant correlation was revealed for Zn). For the bay bottom sediments, the contamination factor Cf was determined; its values characterize the contamination with zinc as high, and with cadmium and copper – as very high. Also, the degree of contamination Cd was estimated; its values evidence for an average degree of contamination for the bottom sediments in total. The environmental risk quotients were calculated. According to SQG-Q value, the bay bottom sediments are classified as moderately polluted. As established, Cd and Pb content in the sea urchin gonads from the Vladimir Bay does not exceed the permissible values set in Technical Regulation of the Customs Union 021/2011. However, based on ILCR value, it can be concluded that there is a carcinogenic risk arising from consuming the sea urchin gonads.
Authors
References
Безвербная И. П., Димитриева Г. Ю., Тазаки К., Ватанабе Х. Опыт оценки качества прибрежных морских вод Приморья на основе микробной индикации // Водные ресурсы. 2003. Т. 30, № 2. С. 222–231. [Bezverbnaya I. P., Dimitrieva G. Yu., Tazaki K., Vatanabe H. Evaluation of sea water quality in the coastal zone of Primor’e using the method of microbial indication. Vodnye resursy, 2003, vol. 30, no. 2, pp. 222–231. (in Russ.)]
Ващенко М. А., Альмяшова Т. Н., Жадан П. М. Многолетняя и сезонная динамика состояния гонад морского ежа Strongylocentrotus intermedius, обитающего в условиях антропогенного загрязнения (Амурский залив Японского моря) // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2005. № 1 (119). С. 32–42. [Vaschenko M. A., Almyashova T. N., Zhadan P. M. Long-term and seasonal dynamics of the gonad state in the sea urchin Strongylocentrotus intermedius under anthropogenic pollution (Amursky Bay, Sea of Japan). Vestnik Dal’nevostochnogo otdeleniya Rossiiskoi akademii nauk, 2005, no. 1 (119), pp. 32–42. (in Russ.)]
Ващенко М. А., Жадан П. М., Альмяшова Т. Н., Ковалёва А. Л., Слинько Е. Н. Оценка уровня загрязнения донных осадков Амурского залива (Японское море) и их потенциальной токсичности // Биология моря. 2010. Т. 36, № 5. С. 354–361. [Vashchenko M. A., Zhadan P. M., Almyashova T. N., Kovalyova A. L., Slinko E. N. Assessment of the contamination level of bottom sediments of Amursky Bay (Sea of Japan) and their potential toxicity. Biologiya morya, 2010, vol. 36, no. 5, pp. 354–361. (in Russ.)]
Ващенкова Н. Г., Цой И. Б. Вещественный состав и условия образования неогеновых отложений континентального склона Приморья в районе залива Владимира (Японское море) // Океанология. 2014. Т. 54, № 4. С. 518–529. [Vashchenkova N. G., Tsoy I. B. Composition and conditions for formation of Neogene deposits at the Primorye continental slope in the area of Vladimir Bay in the Sea of Japan. Okeanologiya, 2014, vol. 54, no. 4, pp. 518–529. (in Russ.)]. https://doi.org/10.7868/S0030157414030149
Виноградов А. П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555–571. [Vinogradov A. P. Srednie soderzhaniya khimicheskikh elementov v glavnykh tipakh izverzhennykh gornykh porod zemnoi kory. Geokhimiya, 1962, no. 7, pp. 555–571. (in Russ.)]
Гаврилова Г. С., Кучерявенко А. В., Одинцов А. М. Результаты и перспективы культивирования приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis в зал. Владимира (Японское море) // Известия ТИНРО. 2006. Т. 147. С. 385–396. [Gavrilova G. S., Kucheryavenko A. V., Odintsov A. M. Results and prospects of the scallop Mizuhopecten yessoensis cultivation in the Vladimir Bay (Japan Sea). Izvestiya TINRO, 2006, vol. 147, pp. 385–396. (in Russ.)]
Гаврилова Г. С., Сухин И. Ю., Турабжанова И. С. Первый опыт садкового выращивания заводской молоди гребешка (Mizuhopecten yessoensis) у восточного побережья Приморья // Известия ТИНРО. 2019. Т. 197. С. 208–218. [Gavrilova G. S., Sukhin I. Yu., Turabzhanova I. S. First experience of cage cultivation of hatchery-produced juvenile scallop Mizuhopecten yessoensis at eastern coast of Primorye. Izvestiya TINRO, 2019, vol. 197, pp. 208–218. (in Russ.)]. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2019-197-208-218
Галышева Ю. А. Особенности распределения макробентоса в прибрежных морских экосистемах Приморья // Известия ТИНРО. Т. 163. С. 286–296. [Galysheva Yu. A. Features of macrobenthos distribution in coastal marine ecosystems at Primorye (Japan Sea). Izvestiya TINRO, 2010, vol. 163, pp. 286–296. (in Russ.)]
Галышева Ю. А., Сердюк У. И., Христофорова Н. К. Состав и распределение макробентоса сублиторали залива Владимира Японского моря // Известия ТИНРО. 2018. Т. 192. С. 145–156. [Galysheva Yu. A., Serdyuk U. I., Khristoforova N. K. Structure and distribution of macrobenthos in the sublittoral zone of the Vladimir Bay, Japan Sea. Izvestiya TINRO, 2018, vol. 192, pp. 145–156. (in Russ.)]. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2018-192-145-156
Донец М. М., Цыганков В. Ю., Кульшова В. И., Элхури Ж., Боярова М. Д., Гумовский А. Н., Гумовская Ю. П., Богатов В. В., Прозорова Л. А., Чернова Е. Н., Лысенко Е. В., Нго К. К. Пищевая безопасность двустворчатых моллюсков Южного Вьетнама: хлорорганические соединения и тяжёлые металлы как факторы риска для здоровья человека // Медицинский академический журнал. 2020. Т. 20, № 2. С. 45–58. [Donets M. M., Tsygankov V. Yu., Kulshova V. I., Elkhoury J., Boyarova M. D., Gumovskiy A. N., Gumovskaya Yu. P., Bogatov V. V., Prozorova L. A., Chernova E. N., Lysenko E. V., Ngo X. Q. Food safety of bivalves from the South Vietnam: Organochlorine compounds and heavy metals as risk factors for human health. Meditsinskii akademicheskii zhurnal, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 45–58. (in Russ.)]. https://doi.org/10.17816/MAJ34285
Калитина Е. Г., Михайлик Т. А., Семкин П. Ю., Барабанщиков Ю. А., Зорин С. А. Особенности микробиологического состава вод реки Раздольной (Южное Приморье) // Известия ТИНРО. 2015. Т. 180. С. 187–197. [Kalitina E. G., Mikhailik T. A., Semkin P. Yu., Barabanshchikov Yu. A., Zorin S. A. Features of microbiological composition for water from the Razdolnaya River (Southern Primorye). Izvestiya TINRO, 2015, vol. 180, pp. 187–197. (in Russ.)]
Качинский Н. А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения : монография. Москва : АН СССР, 1958. 193 с. [Kachinsky N. A. Mekhanicheskii i mikroagregatnyi sostav pochvy, metody ego izucheniya : monograph. Moscow : AN SSSR, 1958, 193 p. (in Russ.)]
Кулепанов В. Н., Иванова Н. В. Видовой состав и количественное распределение макрофитов в сублиторали района зал. Владимира (Северное Приморье) // Известия ТИНРО. 2006. Т. 146. С. 136–149. [Kulepanov V. N., Ivanova N. V. Specific structure and quantitative distribution of macrophytes in the sublittoral of Vladimir Bay (North Primorye). Izvestiya TINRO, 2006, vol. 146, pp. 136–149. (in Russ.)]
Лутаенко К. А., Колпаков Е. В. Расширение ареала инвазивной мидии Mytilus galloprovincialis (Bivalvia: Mytilidae) в Японском море // Бюллетень Дальневосточного малакологического общества. 2016. Т. 20, № 1. С. 57–76. [Lutaenko K. A., Kolpakov E. V. The extension of the distributional range of an invasive mussel, Mytilus galloprovincialis (Bivalvia: Mytilidae) in the Sea of Japan. Byulleten’ Dal’nevostochnogo malakologicheskogo obshchestva, 2016, vol. 20, no. 1, pp. 57–76. (in Russ.)]
Общая и санитарная микробиология с техникой микробиологических исследований / под ред. А. С. Лабинской, Л. П. Блинковой, А. С. Ещиной. Москва : Медицина, 2004. 576 с. [Obshchaya i sanitarnaya mikrobiologiya s tekhnikoi mikrobiologicheskikh issledovanii / A. S. Labinskaya, L. P. Blinkova, A. S. Eshchina (Eds). Moscow : Meditsina, 2004, 576 p. (in Russ.)]
Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения : приказ Минсельхоза России от 13.12.2016 № 552 [в ред. от 10.03.2020]. [Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnykh ob”ektov rybokhozyaistvennogo znacheniya, v tom chisle normativov predel’no dopustimykh kontsentratsii vrednykh veshchestv v vodakh vodnykh ob”ektov rybokhozyaistvennogo znacheniya : prikaz Minsel’khoza Rossii ot 13.12.2016 no. 552 [v red. ot 10.03.2020]. (in Russ.)]. URL: https://docs.cntd.ru/document/420389120 [accessed: 30.11.2021].
Романкевич Е. А., Ветров А. А., Пересыпкин В. И. Органическое вещество Мирового океана // Геология и геофизика. 2009. Т. 50, № 4. С. 401–411. [Romankevich E. A., Vetrov A. A., Peresypkin V. I. Organic matter of the World Ocean. Geologiya i geofizika, 2009, vol. 50, no. 4, pp. 299–307. (in Russ.)]
Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоёмов и перспективных для промысла районов Мирового океана. Москва : ВНИРО, 2003. 202 с. [Rukovodstvo po khimicheskomy analizu morskikh i presnykh vod pri ekologicheskom monitoringe rybokhozyaistvennykh vodoemov i perspektivnykh dlya promysla raionov Mirovogo okeana. Moscow : VNIRO, 2003, 202 p. (in Russ.)]
Христофорова Н. К., Емельянов А. А., Бердасова К. С., Дегтева Ю. Е. Экологическая характеристика вод пролива Босфор Восточный по кислородным показателям // Известия ТИНРО. 2015. Т. 181. С. 161–168. [Khristoforova N. K., Emelyanov A. A., Berdasova K. S., Degteva Yu. E. Ecological characteristic of water in the Eastern Bosporus Strait by oxygen parameters. Izvestiya TINRO, 2015, vol. 181, pp. 161–168. (in Russ.)]
Христофорова Н. К., Емельянов А. А., Ефимов А. В. Биоиндикация загрязнения прибрежно-морских вод о. Русского (залив Петра Великого, Японское море) тяжёлыми металлами // Известия ТИНРО. 2018. Т. 192. С. 157–166. [Khristoforova N. K., Emelyanov A. A., Efimov A. V. Bioindication of pollution in the coastal marine waters at Russky Island (Peter the Great Bay, Japan Sea) by heavy metals. Izvestiya TINRO, 2018, vol. 192, pp. 157–166. (in Russ.)]. https://doi.org/10.26428/1606-9919-2018-192-157-166
Шулькин В. М. Металлы в экосистемах морских мелководий. Владивосток : Дальнаука, 2004. 279 с. [Shulkin V. M. Metally v ekosistemakh morskikh melkovodii. Vladivostok : Dal’nauka, 2004, 279 p. (in Russ.)]
Birch G. F. Indicators of anthropogenic change and biological risk in coastal aquatic environments. In: Geochemistry of Estuaries and Coasts / G. Shimmield (Ed.). London ; Waltham ; San Diego : Academic Press, 2011, pp. 235–270. (Series: Treatise on Estuarine and Coastal Science ; vol. 4). http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-374711-2.00411-3
Chakraborty P., Ramteke D., Chakraborty S., Nagender Nath B. Changes in metal contamination levels in estuarine sediments around India – An assessment. Marine Pollution Bulletin, 2014, vol. 78, iss. 1–2, pp. 15–25. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2013.09.044
Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control. A sedimentological approach. Water Research, 1980, vol. 14, iss. 8, pp. 975–1001. https://doi.org/10.1016/0043-1354(80)90143-8
Liang B., Qian X., Peng S., Liu X., Bai L., Cui B., Bai J. Speciation variation and comprehensive risk assessment of metal(loid)s in surface sediments of intertidal zones. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2018, vol. 15, iss. 10, art. no. 2125 (16 p.). https://doi.org/10.3390/ijerph15102125
Macdonald D. D., Scott Carr R., Calder F. D., Long E. R., Ingersoll Ch. G. Development and evaluation of sediment quality guidelines for Florida coastal waters. Ecotoxicology, 1996, vol. 5, iss. 4, pp. 253–278. https://doi.org/10.1007/BF00118995
Saroop Sh., Tamchos S. Monitoring and impact assessment approaches for heavy metals. In: Heavy Metals in the Environment: Impact, Assessment, and Remediation / V. Kumar, A. Sharma, A. Cerdà (Eds). Amsterdam ; Oxford ; Cambridge : Elsevier, 2021, pp. 57–86. http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-821656-9.00004-3
Yoshimizu M., Kimura T. Study of intestinal microflora of salmonids. Fish Pathology, 1976, vol. 10, iss. 2, pp. 243–259. https://doi.org/10.3147/jsfp.10.243
Zhang Ch., Yu Zh., Zeng G., Jiang M., Yang Zh., Cui F., Zhu M., Shen L., Hu L. Effects of sediment geochemical properties on heavy metal bioavailability. Environment International, 2014, vol. 73, pp. 270–281. https://doi.org/10.1016/j.envint.2014.08.010