Поступающие в моря и океаны экотоксиканты распределяются в них неравномерно. Максимально загрязненными оказываются прибрежные воды, причем в содержании токсикантов обычно наблюдаются мозаичность и зональность. Многие из них преимущественно локализуются на границах раздела фаз (вода – воздух, вода – донные отложения), где происходят сложные и многообразные физико-химические и биологические процессы.
Значительная часть загрязняющих компонентов, проходя через толщу воды в составе взвесей, осаждается на дно. Поэтому содержание многих токсикантов в придонных и поровых водах, а также в донных отложениях, намного выше, чем в водной толще. Вследствие накопления экотоксикантов в придонных водах и осадках наиболее уязвимыми оказываются малоподвижные или прикрепленные бентосные организмы, обитающие в прибрежных зонах. Сидячий образ жизни и локализация на небольших глубинах благоприятствуют использованию их в качестве биоиндикаторов.
Бурые водоросли (Рhаеорhуtа) – фукусы, ламинарии, цистозиры, саргассы – накапливают тяжелые металлы в меньших количествах, чем это характерно для многих видов морских зеленых и красных водорослей-макрофитов и фитопланктона. Однако, в отличие от последних, поглощение бурыми водорослями ионов металлов линейно связано с их концентрациями в окружающей среде. Кроме того, они более прочно удерживают металлы в своих тканях.
Способность накапливать большие количества токсичных металлов и при этом выживать связывают с высоким содержанием специфических для отдела Рhаеорhуtа полисахаридов – полимеров L-гулуроновой и D-маннуровой кислот, называемых альгиновыми кислотами. Их соли, альгинаты, содержатся преимущественно в клеточных стенках слоевищ, составляя до 40 % массы сухих водорослей. Альгиновые кислоты обладают высоким сродством к двухвалентным ионам. Связывание ими ионов тяжелых металлов с образованием нерастворимых альгинатов происходит по механизму ионного обмена. Поэтому выделенные из бурых водорослей альгинаты применяют для выведения радиоактивного стронция из организмов человека и домашних животных.
Вероятно, альгиновые кислоты выполняют не только структурные функции (подобно лигнину и целлюлозе наземных растений): эти полисахариды препятствуют проникновению в клетки водорослей ионов токсичных тяжелых металлов. Устойчивость образующихся альгинатов определяет исключительно большой период полувыведения связанных металлов. В опытах с изотопом железа 59Fe было установлено, что время его полувыведения для фукусовой водоросли Fисиs vesiculosis составляет около 180 суток.
Наряду с водорослями в биоиндикации загрязнения морских экосистем тяжелыми металлами используются двустворчатые (Виа1viа) и брюхоногие (Gastropoda) моллюски. Эти беспозвоночные животные широко распространены в прибрежных водах всех морей и обычно образуют большие популяции. Многие двустворчатые моллюски (мидии, устрицы, гребешки) употребляются в пищу. Крупные двустворчатые моллюски ежесуточно пропускают через мантийную полость многие десятки и сотни литров воды, содержащей взвешенные частицы. Их способность накапливать токсиканты из неорганической взвеси и, таким образом, характеризовать полное загрязнение рассматривается как преимущество перед биоиндикаторами-водорослями. Однако металлы гораздо быстрее выводятся из организмов этих животных (τ 1/2 = 2 недели), т.е. возможность получения с их помощью усредненных по времени показателей загрязненности ограничена.
В качестве биомониторов используют мидии, илоеды-макомы, тридакны и брюхоногие моллюски колизеллы, пателлы, нуцеллы. Содержание тяжелых металлов в организмах моллюсков колеблется в широких пределах в зависимости от загрязненности среды обитания.
Так же как и в случае водорослей, у моллюсков существует особый механизм связывания ионов тяжелых металлов, обеспечивающий высокую пластичность и позволяющий им выживать в условиях как природных геохимических аномалий, так и сильного антропогенного загрязнения вод этими токсикантами. В цитоплазме моллюсков из загрязненных вод обнаружены большие количества водорастворимых низкомолекулярных белков-металлотионеинов, обладающих высоким сродством к ионам металлов.
Водоросли-макрофиты и моллюски могут использоваться также в качестве биоиндикаторов загрязнения морских экосистем органическими полихлорированными соединениями. Данные о накоплении этих экотоксикантов в гидробионтах получены для многих районов Мирового океана, в том числе для восточной части Балтийского моря.