Изменение содержания тяжелых металлов в теле D. polymorpha при действии ионов тяжелых металлов
Установлено, что в условиях эксперимента при содержании в воде Zn2+, Cd2+, Cu2+ и Pb2+ на уровне 1 ПДК происходит накопление этих металлов в теле D. polymorpha (табл. 5). За ПДК принимается наибольшая допустимая (недействующая) концентрация токсического вещества для наиболее слабого (чувствительного) звена среди всех тест-объектов (Владимиров, 1991).
Таблица 5 – Концентрация тяжелых металлов (мг/кг сухой массы) в теле D. polymorpha в условиях эксперимента
Металл
|
Вода, мг/л
|
Период эксперимента, сутки
|
Контроль
|
Эксперимент
|
1
|
9
|
21
|
Контроль
|
Контроль
|
Эксперимент
|
Контроль
|
Эксперимент
|
Cd
|
0,0005 ± 0,0001
|
0,001
|
0,27 ± 0,02
|
0,22 ± 0,02
|
0,36 ± 0,03а
|
0,31 ± 0,02
|
0,45 ± 0,04а,b
|
Cu
|
н/о
|
1
|
6,2 ± 1,11
|
5,4 ± 0,92
|
10,03 ± 1,16a
|
2,13 ± 0,22 a
|
16,25 ± 1,1a,b
|
Pb
|
н/о
|
0,03
|
0,37 ± 0,14
|
0,28 ± 0,04
|
0,55 ± 0,04
|
0,12 ± 0,02 a
|
1,06 ± 0,15a,b
|
Zn
|
0,001 ± 0,0002
|
1
|
37,0 ±2,94
|
36,8 ± 2,2
|
40,46 ± 2,68
|
37,17 ± 3,12
|
37,05 ± 2,2
|
Примечание: a – достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с 1 сут.; b - достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с 9 сут.
На 9 сутки в эксперименте при раздельном содержании в воде с Cd2+, Cu2+ и Pb2+ на уровне 1 ПДК содержание этих металлов в теле D. polymorpha увеличилось соответственно в 1,3, 1,7 и 1,5 раза по сравнению с 1-ми сутками.
В эксперименте на 21 сутки концентрации Cd2+, Cu2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha возросли соответственно в 1,7; 2,6 и 2,9 раза по сравнению с 1-ми сутками и соответственно - в 1,3; 1,6 и 1,9 раз по сравнению с 9-ми сутками.
Необходимо отметить, что в течение всего периода эксперимента не происходило статистически значимого увеличения содержания Zn2+ в теле D. polymorpha при концентрации Zn2+ в воде на уровне 1 ПДК.
В контроле на 9 сутки наблюдалось понижение содержания Pb2+, Cd2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha соответственно в 1,3; 1,2; 1,1 раза по сравнению с 1 сутками. На 21 сутки в эксперименте содержание Pb2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha понизилось также в 2,3 и 2,5 раза соответственно по сравнению с 9 сутками, в то время как концентрация Cd2+ увеличилась в 1,4 раза. При этом, в контроле в течение всего периода эксперимента не выявлено статистически значимого изменения концентрации Zn2+ в теле D. polymorpha.
Выявлены отличия в динамике накопления Pb2+, Cd2+, Cu2+ и Zn2+ в теле D. polymorpha. Различия в степени аккумуляции Zn2+, обусловлены, по нашему мнению, более выраженной физиологической регуляцией моллюсками аккумуляции данного металла, что согласуются с данными Amiard (Amiard, 1987) на M. edulis. По мнению Amiard моллюски способны регулировать концентрацию Zn2+ в теле, такая закономерность обнаружена у всех изученных двустворчатых моллюсков (Lakshmanan, 1989; Lushibtzky, 2005), амфипод (Ahsanullah, 1991; Borgmann, 1993) и других изученных беспозвоночных (Raindow, 1989; Smolders, 2002).
Таким образом, выявлены отличия в динамике накопления Pb2+, Cd2+, Cu2+ и Zn2+ в теле D. polymorpha. Показана способность D. polymorpha регулировать концентрацию Zn2+ в теле независимо от содержания его в окружающей среде. Эти данные исключают возможность использовать D. polymorpha для мониторинга загрязнения водной среды Zn2+.
Выживаемость моллюсков D. polymorpha при действии ионов тяжелых металлов
Биохимические механизмы формирования повышенной устойчивости гидробионтов к воздействию тяжелых металлов разнообразны. Одним из показателей устойчивости организма к токсическому действию ионов тяжелых металлов является выживаемость.
Установлено влияние содержания в воде Pb2+, Zn2+, Cd2+ , Cu2 на уровне 1 ПДК на выживаемость D. polymorpha (рис. 5).
Рисунок 5 – Выживаемость моллюсков D. polymorpha в опытах при раздельном содержании в воде Pb2+ , Zn 2+, Cd2+ и Cu2+
На 9 день эксперимента в опыте при раздельном введении Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ выживаемость снижается соответственно на 17; 15; 12 и 2% по сравнению с контролем.
На 21 сутки эксперимента в опытах с Cu2+ , Zn2+ , Pb2+ и Cd2+ выживаемость D. polymorpha понизилась на 72, 25, 17 и 7 % по сравнению с контролем, а по сравнению с 9 сутками - соответственно на 55, 10, 5 и 5%.
Известно, что синтез металлотионеинов в организме гидробионтов является ответом на действие стрессорных факторов физической и химической природы, в том числе тяжелых металлов, которым отводится главная роль в развитии толерантности при воздействии тяжелых металлов (Doherty,1988; Bebianno, 1991; Klaassen, 1989; Posthuma, 1993; Lafontaine, 2000; Pourang, 2005). При этом металлотионеины участвуют в метаболизме необходимых клеткам металлов (Zn, Mn, Cu и др.) и детоксифицируют тяжелые металлы (Pb, Cd и др.).
Полученные нами данные о влиянии содержания в воде Cu2+ , Zn2+ , Pb2+ и Cd2+ на содержание металлотионеинов в теле D. polymorpha в эксперименте представлено в таблице 6.
Таблица 6 – Содержание металлотионеинов (мкг/г) в теле D. polymorpha в условиях эксперимента
Сутки
|
Контроль
|
Cd
|
Cu
|
Pb
|
Zn
|
1
|
2,73 ± 0,17
|
9
|
3,1 ± 0,11
|
7,25 ± 0,4a
|
7,05 ± 0,39a
|
6,13 ± 0,1a
|
5,69 ± 0,2a
|
21
|
2,8 ± 0,09
|
18,05 ± 2,14a,b
|
17,2 ± 1,9a,b
|
17,77 ± 1,2a,b
|
10,28 ± 0,91a,b
|
Примечание: a – достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с 1 сут.; b - достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с 9 сут.
На 9 сутки эксперимента в опыте с Pb2+, Zn2+, Cd2+ и Cu2+ отмечено повышение уровня металлотионеинов в теле моллюсков соответственно в 2,9; 2; 2,6 и 2,6 раза по сравнению с 1 сутками. На 21 сутки эксперимента содержание металлотионеинов в теле моллюсков возросло соответственно в 6,5, 3,8, 6,6, 6,2 раза по сравнению с 1 днем, а по сравнению с 9 днем уровень металлотионеинов в теле D. polymorpha понизился соответственно - в 2,9; 1,8; 2,5 и 2,4 раза.
В контроле, в течение всего эксперимента, не происходило статистически значимого изменения содержания металлотионеинов в теле D. polymorpha (таб. 12), при снижении концентрации Cu2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha в 2,6 и 2,9 раза соответственно на 21 сутки. Отсутствие изменения содержания металлотионеинов в теле D. polymorpha связано с обезвреживанием ионов исследуемых металлов и будет определяться скоростью выведения ионов металлов из организма моллюсков.
Водородный показатель (рН) представляет собой фактор, регулирующий активность организмов. Оптимальное значение рН среды для жизни D. polymorpha лежит в пределах рН 7,0-8,0. Показатель рН оз. Форелевое приблизительно составляет рН 7,9.
При содержании моллюсков в течение 21 дня при раздельном введении Cd2+, Pb2+, Zn2+, Cu2+ на уровне 1 ПДК отмечено изменение рН межстворчатой жидкости в сторону увеличения кислотности по сравнению с контролем (рис. 9). Известно, что ионы тяжелых металлов изменяют рН межстворчатой жидкости в сторону увеличения кислотности (Шкорбатов, 1990).
*
*
*
*
*
* Отличие от контроля достоверно, p<0,05.
Рисунок 9 – рН межстворчатой жидкости D. polymorpha после 21 дня содержания в воде с ионами тяжелых металлов
Снижение рН межстворчатой жидкости отмечалось при экспозиции моллюсков в среде с тяжелыми металлами и составило Cu2+- 7,5, Zn2+- 7,57, Pb2+- 7,62, Cd2+- 7,65. Наибольшее влияние на изменение рН оказывали Cu2+: отмечено самое низкое значение рН.
Установлено влияние рН на выживаемость D. polymorpha. При рН межстворчатой жидкости 7,77 выживаемость в контроле составляла 100%, при раздельном введении в воду Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ рН межстворчатой жидкости изменилась соответственно на 0,27, 0,20, 0,15 и 0,12. Самая низкая выживаемость D. polymorpha отмечена в воде с содержанием Cu2+ - 1,0 мг/л, при наименьшем значении рН межстворчатой жидкости, что можно объяснить токсическим действием Cu2+ на организм D. polymorpha вследствие нарушения структуры медьсодержащего белка гемоцианина (Стадниченко, 1998; Божков, 1991), входящего в состав гемолимфы моллюсков.
Таким образом, выявлено отрицательное влияние Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ при раздельном введении на уровне 1 ПДК на выживаемость D. polymorpha. Установлена прямая зависимость между снижением выживаемости и изменением рН межстворчатой жидкости у D. polymorpha. Одновременное увеличение уровня металлотионеинов в теле D. polymorpha и изменение рН межстворчатой жидкости, что по нашему мнению, можно рассматривать как механизм защиты организма от токсического действия Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+.
D. polymorpha как индикатор загрязнения водоема тяжелыми металлами
К преимуществам биологического мониторинга относится то, что полученная с его помощью информация позволяет дать интегральную картину, учитывающую всю совокупность действующих факторов, а также синергические и антагонистические эффекты их взаимодействия, в том числе и тех, которые не отслеживают контролирующие уровень техногенного загрязнения службы, поскольку они ориентированы на анализ фиксированной номенклатуры техногенных токсикантов. Данная проблема особенно актуальна при биоиндикации разовых, залповых сбросов предприятии в водоемы. За короткий промежуток времени в воде достигаются значительные концентрации поллютантов токсическое действие которых будет испытывать экосистема водоема. В этот период необходимо, что бы используемый биоиндикатор в кратчайшие сроки дал информационный отклик, и был специфичен к определенному типу загрязнения. После прекращения действия загрязнителя, в результате разбавления, переноса с током воды и т.д., биоиндикатор должен как можно быстрее вернуться на контрольный уровень. Однако, одним из существенных недостатков методов биологического мониторинга является сохранения повышенных показании биоиндикатора значительное время после прекращении действия стрессорного фактора.
Использование в целях биологического мониторинга уровня металлотионеинов в моллюсков позволяет прямо оценить биологическое действие физических и химических агентов окружающей среды.
Полученные нами данные показывают способность D. polymorpha накапливать в теле тяжелые металлы. Изменение содержания МТ свидетельствует об информативности данного биохимического показателя как биоиндикатора токсического действия ионов тяжелых металлов.
Полученные данные позволяют предположить, что уровень белков – металлотионеинов в теле D. polymorpha может быть использован для экологического мониторинга действия ионов тяжелых металлов. Действительно, показано, что при действии Pb2+, Cd2+, Cu2+ и Zn2+ индукция металлотионеинов в теле D. polymorpha будет обусловлена в большей степени поступлением ионов Cd2+ что позволяет судить об избирательности данного показателя на действие ионов Cd2+.
Представленные результаты свидетельствуют об эффективности и информативности использования содержания металлотионеинов в теле D. polymorpha в качестве биоиндикационного параметра в программах биологического мониторинга антропогенно загрязненных тяжелыми металлами территорий.
ВЫВОДЫ
Содержание Cd2+, Zn2+, Pb2+ и Сu2+ в теле D. polymorpha имеет сезонную динамику. Концентрация Pb2+ и Cd2+ теле D. polymorpha зависит, а Zn2+ и Сu2+ — не зависит от их содержания в воде.
Постоянный уровень Zn2+ в теле D. polymorpha свидетельствует об ее способности регулировать концентрацию Zn2+ независимо от его содержания в окружающей среде.
Рассчитанные коэффициенты накопления Cd2+, Zn2+, Pb2+ и Сu2+ для D. polymorpha: KНPb (28) > KНCu (295) > KНCd (385) >KНZn (1682) показывают, что моллюски обладают различной способностью к аккумуляции тяжелых металлов.
Установлена сезонная динамика содержания металлотионеинов в теле D. polymorpha, которая зависит как от концентрации Zn2+ и Cd2+ в воде, так и в теле D. polymorpha.
Межвидовые различия в содержании тяжелых металлов и металлотионеинов в теле D. polymorpha обусловлены как экологическими факторами, так и физиолого-биохимическими особенностями вида.
При содержании в воде Pb2+ (0,03 мг/л), Zn2+ (1,0 мг/л), Cd2+ (0,001 мг/л), Cu2+ (1,0 мг/л) отмеченое ПДКиоиндикационного параметра в системе биомониторинга.ым факторам среды обитания и понять физиологи-биохимические снижение выживаемости D. polymorpha на фоне увеличения содержания уровня металлотионеинов в теле D. polymorpha и изменения рН межстворчатой жидкости.
Изменение уровня белков - металлотионеинов в теле D. polymorpha можно рассматривать как механизм защиты организма от токсического действия Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ и может быть использован в качестве биоиндикатора в системе биомониторинга.
|
