Скачать 356.13 Kb.
|
На правах рукописи ПАВЛОВСКАЯ Валерия Владимировна ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РЕАКЦИИ МОЛЛЮСКОВ DREISSENA POLYMORPHA (PALLAS, 1771) НА ДЕЙСТВИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ 03.00.16 - «Экология» Диссертация на соискание ученой степеникандидата биологических наук Калининград – 2007Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет» Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент Залуцкая Елена Андреевна Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Саускан Владимир Ильич доктор биологических наук, профессор Сынзыныс Борис Иванович Ведущая организация: Казанский государственный университет Защита состоится 14 ноября 2007 г. в 16.30 часов на заседании диссертационного совета К 212.084.05 в ФГОУ ВПО «Российский государственный университет им. И. Канта» по адресу: 236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2, факультет биоэкологии, аудитория 143 Отзывы на автореферат направляются по адресу: 236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2, факультет биоэкологии, кафедра ботаники и экологии растений С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Российского государственного университета им. И. Канта (236040, г. Калининград, ул. Университетская, 2) Автореферат разослан «__11__» _октября_______ 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент И.Ю. Губарева ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последние десятилетия в экосистемах водоемов наблюдаются изменения, которые происходят под влиянием естественных факторов окружающей среды и хозяйственной деятельности человека. Поэтому особую актуальность приобретают исследования закономерностей реакций водных организмов на меняющиеся условия окружающей среды. Угрозу для жизнедеятельности гидробионтов представляют тяжелые металлы и их соединения (Кадмий:…, 1994; Челомин, 1998; Яп, 2003; Подгурская, 2006). Высокий уровень загрязнения среды тяжелыми металлами приводит к снижению видового разнообразия гидробионтов (Брень, 1998). Использование гидробионтов в качестве биоиндикаторов позволяет судить о значении этих токсикантов. Как организмы-индикаторы токсичности водной среды исследовались многие группы гидробионтов: водоросли (бурые, красные, зеленые) и животные (костистые рыбы, ракообразные, моллюски полихеты и др.). Установлено (Христофорова, 1989; Киричук, 2006), что именно моллюски являются наиболее чувствительными организмами к содержанию ионов тяжелых металлов в воде. Для определения действия ионов тяжелых металлов на гидробионтов используют метод определения удельного содержания белков - металлотионеинов в тканях (Ротт, 1995; Morris, 1999; Raspor, 1999; Данилин, 2002). В качестве тест-объектов использовались морские и речные рыбы (Hamilton, 1986; Christer, 1991), морские беспозвоночные (омар, моллюски) (Roesijadi, 1994; Bebiano, 1999; Danilin, 2005), пресноводные моллюски Anodonta cygnea и Unio pictorum (Данилин, 2002). Синтез белков - металлотионеинов в теле моллюсков, представляет собой ответ на действие стрессорных факторов физической и химической природы, в том числе тяжелых металлов (Lafontaine, 2000; Pourang, 2005). В связи с этим весьма актуальным является изучение влияния концентрации тяжелых металлов в воде на содержание тяжелых металлов и металлотионеинов в теле D. polymorpha. Цель работы – исследование особенностей накопления тяжелых металлов (Zn2+, Cd2+, Cu2+ и Pb2+) и металлотионеинов в теле D. polymorpha; установление возможности использования моллюска D. polymorpha в качестве тест-объекта при определении загрязнения тяжелыми металлами водоемов. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Положения, выносимые на защиту 1. Содержание в теле D. polymorpha Pb2+, Cd2+, Zn2+ и Cu2+ , а также накопление металлотионеинов зависит от содержания в воде тяжелых металлов. 2. D. polymorpha способна регулировать концентрацию Zn2+ в теле независимо от его содержания в окружающей среде. 3. При раздельном введении в воду Pb2+, Cd2+, Zn2+и Cu2+ выявлено понижение выживаемости на фоне повышения металлотионеинов и изменения рН межстворчатой жидкости. Наиболее токсическое действие на организм D. polymorpha оказывает Cu2+. 4 Содержание в воде Pb2+, Cd2+, Zn2+ и Cu2+ определяет уровень металлотионеинов в теле D. polymorpha, который можно рассматривать как механизм защиты организма от действия тяжелых металлов среды и использовать в качестве биоиндикатора в системе биомониторинга. Научная новизна. Впервые установлены зависимости между содержанием Pb2+, Cd2+, Zn2+ и Cu2+ и уровнем металлотионеинов в теле D. polymorpha от содержания тяжелых металлов в воде. Выявлено влияние содержания в воде Pb2+, Cd2+, Zn2+ и Cu2+ на выживаемость на фоне повышения металлотионеинов и изменения рН межстворчатой жидкости. Установлено, что Cu2+ оказывает наиболее токсическое действие на организм D. polymorpha. Показана способность D. polymorpha регулировать концентрацию Zn2+ в теле независимо от его содержания в окружающей среде. Практическая значимость. Результаты, полученные при исследовании особенностей накопления металлотионеинов в теле D. polymorpha позволяют определить пути адаптации гидробионтов к неблагоприятным факторам среды обитания и понять физиолого-биохимические механизмы их устойчивости. Поэтому установление закономерностей накопления металлотионеинов под действием экологических факторов (тяжелых металлов) имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение для решения конкретных задач биомониторинга. Обоснована возможность использования уровня металлотионеинов в теле D. polymorpha в качестве биоиндикационного параметра в системе биомониторинга. Полученные результаты можно использовать при чтении курсов по «Гидробиологии», «Экологии», «Экологической токсикологии». Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на 9-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых (Пущино, 2005), на 5-й и 6-й Международных научных конференциях «Сахаровские чтения 2005, 2006 гг.: Экологические проблемы XXI века» (Минск, Беларусь, 2005, 2006), The 2nd International Conference on Radioactivity in the Environment & the 6th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and the Antarctic (Nice, France, 2005), II региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Техногенные системы и экологический риск» (Обнинск, 2005), Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2005» (Калининград, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2006), V съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2006), The Сonference «Technology Science Works in the Western Lithuania» (Klaipeda, Lithuania, 2006). Декларация личного участия автора. Автором самостоятельно в полевых условиях собран и обработан в лаборатории материал по D. polymorpha; определены концентрации Pb2+, Cd2+, Zn2+ и Cu2+, а также уровень удельного содержания металлотионеинов в теле D. polymorpha; определено влияние содержания в воде Pb2+ (0,03 мг/л), Cd2+ (0,001 мг/л), Cu2+ (1,0 мг/л), Zn2+ (1,0 мг/л) на выживаемость D. polymorpha; проведены эксперименты по оценке возможности использования белков - металлотионеинов в теле D. polymorpha, как показателя загрязнения водной среды тяжелыми металлами. Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, включает 12 таблиц и 9 рисунков. Библиографический список содержит 116 отечественных и 89 зарубежных источников. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы исследований Материалом для проведенных исследований послужили двустворчатые моллюски вида D. polymorpha, обитающие в оз. Форелевое. Исследования проводили в течение 2004 – 2006 гг. посезонно: - весной (апрель); - летом (июнь); - осенью (сентябрь);- зимой (декабрь). Сбор материала осуществляли с помощью орудия «кошка-грабли». Сбор производился с берега вручную. Моллюсков идентифицировали до вида, используя «Определитель беспозвоночных Европейской части СССР (планктон и бентос)» (1977), а также определитель В.И. Жадина «Моллюски пресных вод СССР» (1952). Производили измерение высоты, длины и выпуклости раковины, их соотношения с помощью штангенциркуля с точностью до 1мм. Препарирование осуществляли, ориентируясь по анатомическому атласу внутреннего строения двустворчатых моллюсков (Цихон-Луканина, 1987). Извлеченное тело моллюсков очищали от посторонних включений и взвешивали на торсионных весах с точностью до 0,1 мг. Подготовленные таким образом пробы до анализа хранили при температуре минус 40С. Материал готовили к анализу согласно методике (Eaton, 1982, Данилин, 2004). Определение уровня металлотионеинов в теле D. polymorpha осуществляли во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии г. Обнинск радиохимическим методом. Исследования по содержанию тяжелых металлов (Zn, Pb, Cd, Cu) в воде и теле D. polymorpha были проведены в физико-химической лаборатории ВНИИ АТЛАНТНИРО г. Калининград по следующим стандартам: ГОСТ 26929-86, ГОСТ 30178 – 96, ИСО 8288 – 86. Тяжелые металлы во всех видах проб определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии: Zn, Cu, Pb, Cd (спектрометр плазменно-эмиссионный Varian Liberty AX Sequential ICP-AES). Токсикологическому исследованию предшествовал период акклимации животных, моллюсков выдерживали в аквариумах с водопроводной водой в течение 14 дней с постоянной аэрацией. Моделирование загрязнения водоема свинцом, кадмием, цинком и медью проводили в лабораторных условиях. Для проведения экспериментов моллюски были отсортированы по размеру (1,6–2,2 см). Опытных животных разделили на пять групп по 90 особей в каждой. Первая группа животных служила контролем и содержалась в аквариуме с водопроводной водой, вторая группа была помещена в аквариум, содержащий Pb2+ (0,03 мг/л), третья группа –Cd2+ (0,001 мг/л), четвертая –Cu2+ (1,0 мг/л), пятая – Zn2+ (1,0 мг/л). Все группы животных находились в примерно сходных условиях: аквариумах одинакового объема, при одинаковом освещении, температуре и аэрации, без кормления. Экспозицию опытных животных проводили в течение 21 суток. Для экспериментов брались концентрации токсикантов, соответствующие значениям их ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения. Для математической обработки полученных результатов использован пакет компьютерных программ Excel 2000 (Microsoft Inc., 1999), Statistica for Windows, v.5.0 (Statsoft Inc., 1995). Основной массив экспериментальных данных обрабатывали с помощью программ описательной статистики с вычислением среднего арифметического, среднего квадратического отклонения, стандартной ошибки, коэффициента корреляции Пирсона. При оценке достоверности различий средних данных использовали t-критерий Стьюдента. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Сезонные изменения содержания тяжелых металлов в теле D. polymorpha На биоаккумулирование металлов может влиять целый ряд физиологических и экологических факторов, в то же время данных о влиянии сезона на содержание тяжелых металлов в теле моллюсков недостаточно. Полученные нами данные о влиянии содержания Zn2+, Cd2+, Cu2+ и Pb2+ в воде оз. Форелевое на динамику тяжелых металлов в теле D. polymorpha представлены в таблице 1, а их графические зависимости представлены - на рисунке 1. Таблица 1 – Сезонные изменения содержания тяжелых металлов в теле D. polymorpha (мг/кг сух. массы) и воде оз. Форелевое (мг/л)
a – достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с данными для весны ; b - достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с данными для лета; c - достоверное отличие (р 0,05) по сравнению с данными для осени.
По осям – Концентрация металла. Зависимость аппроксимирована логарифмическим уравнением. В квадратных скобках – коэффициент корреляции Пирсона (R) и уровень значимости (P) Рисунок 1 – Зависимость между концентрацией Zn2+, Cd2+, Cu2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое Выявлено, что, начиная с апреля, содержание Pb2+, Zn2+, Cd2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha из оз. Форелевое понижалось. Так, в июне концентрации Cd2+, Cu2+ и Pb2+ понизились соответственно на 48, 35 и 78% по сравнению с апрелем. Необходимо отметить повышение к осени концентрации Cd2+, Cu2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha: так, в сентябре концентрации Cd2+, Cu2+ и Pb2+ повысились соответственно на 33, 31 и 20% по сравнению с июнем. При этом содержание Pb2+ в теле D. polymorpha, достигнув максимума в сентябре (1,45 мг/кг), к декабрю снизилось на 30%. В то же время концентрация Zn2+ снижалась непрерывно с апреля по декабрь: в июне снизилась на 16, в сентябре - 59, в декабре - 56 по сравнению с апрелем. Регрессионный анализ зависимости концентрации Pb2+, Zn2+, Cd2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое показал, что значение R логарифмических уравнений было выше для зависимостей между концентрацией Pb2+ и Cd2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое, чем для зависимостей между концентрацией Zn2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое (рис. 1). Коэффициент корреляции Пирсона между концентрацией Zn2+, Cu2+, Cd2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha и в воде составило соответственно 0,44, 0,37, 0,92, 0,87 (рис. 1). Высокие значения коэффициента корреляции между концентрацией Cd2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое показывают, что концентрация этих металлов в теле моллюсков зависит от их содержания в воде. И, наоборот, более низкие значения коэффициента корреляции между концентрацией Zn2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha и в воде оз. Форелевое показывают более эффективное регулирование организмом моллюсков аккумуляции данных металлов. Сезонную изменчивость содержания Zn2+, Cu2+, Cd2+ и Pb2+ в теле D. polymorpha можно объяснить особенностью репродуктивного цикла этого вида. Так, в апреле происходит активное созревание гонад у моллюска, в мае– июне начинается нерест, интенсивность которого повышается до июля, а затем к сентябрю наступает стадия покоя (Bragina, 2004). Во-первых, в период созревания гонад масса половых продуктов резко возрастает и составляет от 5 до 50% ежегодного прироста у D. polymorpha, что приводит к понижению относительного содержания тяжелых металлов в теле моллюска (Chase, 1999). Нами показано, что созревание гонад и последующий нерест в течение лета объясняют особенности сезонных колебаний концентрации металлов в теле D. polymorpha. Так, концентрация Zn2+ и Cu2+ в теле D. polymorpha снизилась к июню, когда созревание гонад у большинства моллюсков было завершено, а нерест находился в самой активной фазе. Во-вторых, снижение концентрации Zn2+ в теле моллюсков во время нерестового периода происходит за счет выноса Zn2+ вместе с половыми продуктами (Kwan, 2003). После нереста содержание липидов в теле моллюсков снижается, в то время как концентрация Zn2+, Cu2+, Cd2+ и Pb2+ в теле моллюсков начинает увеличиваться (Kwan, 2003). Установлено, что Zn2+, Cd2+, Cu2+, Pb2+ накапливаются моллюсками всех крупных таксонов: пластинчатожаберными (D. polymorpha, Unio rostratus, U. pictorum), переднежаберными (Viviparus viviparus) (Киричук, 2006) и легочными (Lymnea stragnalis, Planorbarius purpura) (Киричук, 2006). Для оценки степени аккумуляции металлов в теле D. polymorpha нами использован коэффициент накопления (КН), под которым понимают отношение концентрации металлов в теле гидробионтов к их содержанию в окружающей среде (Кадмий …, 1994). Величина КН для моллюсков разных видов приведена в таблице 2. Выявлено, что разные виды моллюсков обладают не одинаковой способностью к аккумуляции перечисленных выше металлов в своих организмах. Самые высокие значения КНZn отмечены у моллюсков D. рolymorpha, U. pictorum, A.cygnea, L. stragnalis, P. purpura, V. viviparus, при этом КНZn для V. viviparus в 16 раз выше, чем для D. рolymorpha. Величина КНCd у D. рolymorpha выше соответственно в 16 и 19 раз по сравнению с V. viviparus и U. pictorum. Коэффициенты накопления Zn2+, Cd2+, Cu2+, Pb2+ у моллюсков разных видов отличаются, при этом, нами отмечена одна общая закономерность: в наибольшей степени моллюски видов D. рolymorpha, U. pictorum, A. сygnea, L. stagnalis, P. purpura, V. viviparus накапливают Zn2+, а моллюски видов U. rostratus, C. ponderosum в большей степени - Pb2+. Таблица 2 – Коэффициенты накопления Zn, Cu, Cd иPb в теле моллюсков разных видов
* - по собственным данным; ** - по данным Минакова 2005 г.; *** - по данным Киричук 2006 г. По величине аккумуляции тяжелых металлов гидробионты подразделяются на макро-, микро-, деконцентраторов (Никаноров, 1985). К макроконцентраторам относятся виды у которых KН > 15000, к микроконцентраторам – виды с KН = 10000-15000, к деконцентраторам – с KН < 10000. По показателям KН D. рolymorpha, U. pictorum, A. сygnea, U. rostratus, C. ponderosum, L. stagnalis относятся к деконцентраторам. По КНCu, КНCd и КНPb виды P. purpura, V. viviparus - декноцентраторы, по КНZn вид P. purpura - микроконцентраторы, а вид V. viviparous - макроконцентраторы. Таким образом, моллюски поглощают значительные количества тяжелых металлов. Коэффициенты накопления свидетельствуют как о загрязнении среды Zn2+, Cd2+, Cu2+ и Pb2+, так и о биологической доступности и возможности их включаться во все физиологические и биохимические процессы организма. Рассчитанные КН отражают, что разные виды моллюсков обладают различной способностью к аккумуляции тяжелых металлов. |
Рыбы Пузанок каспийский – Caspialosa caspia (Eichwald, 1838) – Хырăмламас çарлан. Птицы Севчук Лаксманна – Onconotus laxmanni (Pallas, 1771). Степной вид, распространенный в Чувашии у северной границы своего ареала | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... «Соединения щелочных металлов. Качественное определение ионов щелочных металлов» | ||
Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Оценка аккумулирующей... «Оценка аккумулирующей способности тяжелых металлов древесными растениями полезащитных лесонасаждений» | Научно-технологического сотрудничества с ес Совместный конкурс интас и Общества по исследованию тяжелых ионов (Gesellschaft fur Schwerionenforschung), Дармштат, Германия | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Ядерные реакции и термоядерные реакции. Ядерная энергетика. Биологическое действие радиоактивных излучений | Экологическое состояние почв г. Свирска иркутской области: особенности... | ||
Урока химии по теме «Окислительно-восстановительные реакции и реакции ионного обмена» Овр, окислитель и восстановитель, процесс окисления и восстановления, закономерности протекания ионных процессов с участием растворов... | Курсовая работа по дисциплине «Введение в специальность» Гигиеническое нормирование содержания тяжелых металлов в объектах окружающей среды“ | ||
Реферат по радиационной биофизике на тему «Действие ионизирующих излучений на клетку» В основе лучевого поражения сложных биологических систем, таких как органы и ткани, конечно, лежат реакции различных клеток на действие... | Протон-протонная реакция 9 Углеродно-азотный цикл 10Глава III: солнечная... | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Д. И. Менделеева; общие физические и химические свойства металлов и основные способы их получения; основные свойства и применение... | Реферат по теме: «Металлы. Свойства металлов.» Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов | ||
Пояснительная записка Данный курс, предназначенный для учащихся 9-11-х... Круговороты азота, углерода и кислорода в природе это то же окислительно-восстановительные реакции. Данные реакции протекают при... | Рекомендации к уроку 23 Запись химической реакции (§ 17) Цель урока. Научить записывать схемы химической реакции с использованием формул веществ и различать реагенты и продукты реакции,... | ||
Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Металлы. Общие свойства металлов. Положение металлов в периодической таблице, физические свойства, химические, получение металлов,... | Реферат на тему: «Мировые ресурсы никеля» Проверил: Рудницкий В. Ф Относясь к группе тяжелых цветных металлов никель используется в различных отраслях индустрии, начиная производством легированной... |