Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биомониторинг нефтяного загрязнения устья реки Дон с использованием водных позвоночных

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биомониторинг нефтяного загрязнения устья реки Дон с использованием водных позвоночных"

На правах рукописи

КАРМАЗИН Антон Павлович

БИОМОНИТОРИНГ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ УСТЬЯ РЕКИ ДОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДНЫХ ПОЗВОНОЧНЫХ

Специальность 03.02.08 — экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

48423»э

Краснодар — 2010

4842995

Работа выполнена на кафедре зоологии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кубанский госу-

дарственный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент

Пескова Татьяна Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Стрельников Виктор Владимирович;

Защита диссертации состоится « 17 » декабря 2010 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.101.14по биологическим наукам при ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет» по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет». Автореферат диссертации размещён на сайте: http://www.kubsu.ru.

кандидат биологических наук Замалетдинов Ренат Ирекович

Ведущее учреждение:

Институт экологии Волжского бассейна РАН

Автореферат разослан « 15 » ноября 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

В. В. Тюрин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нефтяное загрязнение в настоящее время имеет глобальное распространение и затрагивает не только акватории морей и океанов, но также участки суши, реки и пресные водоёмы [Данилова, 1990]. Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространённых и опасных веществ, загрязняющих поверхностные воды. Нефть и продукты её переработки представляют собой смесь веществ — низко- и высокомолекулярные предельные, непредельные алифатические, нафтеновые, ароматические углеводороды, кислородные, азотистые, сернистые соединения, ненасыщенные гетероциклические соединения. Такой сложный состав обусловливает самые разнообразные эффекты влияния нефти на различных уровнях организации материи — от клеточного до популяционного.

Одним из важнейших аспектов проблемы загрязнения окружающей среды нефтью является токсикологический — выяснение влияния нефти на гидробион-тов и раскрытие механизмов токсического действия растворённых углеводородов нефти. Биотестирование и биоиндикация являются основными элементами биологического мониторинга состояния окружающей среды. Биотестирование выполняет функцию оперативного контроля происходящего загрязнения, нацеленного на получение информации о токсичности того или иного загрязнителя. Биоиндикация представляет собой выявление последствий загрязнения водного объекта по функциональным и морфологическим показателям его обитателей или по экологическим характеристикам сообщества. Изменения, зарегистрированные методами биоиндикации, являются результатом уже состоявшегося ранее загрязнения [Киреева, Кабиров, Дубовик, 2007]. Таким образом, использование комплексного (биоиндикация + биотестирование) подхода позволяет интегрально оценить реальный уровень загрязнения изучаемого водоёма нефтью.

Цели и задачи исследования. Цель исследования — определить индивидуальные и популяционные показатели широко распространённых видов водных позвоночных для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Определить с помощью гидрохимического анализа уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон.

2. Оценить показатели стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася из различных рукавов р. Дон.

3. Дать интегральную оценку состояния биотопов в дельте р. Дон с использованием видов-биоиндикаторов.

4. Экспериментальным путём оценить динамику основных физиологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефтяного загрязнения.

5. Установить изменения параметров раннего онтогенеза озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти.

6. Определить пороговые, эффективные и летальные концентрации нефти для водных позвоночных.

Научная новизна. Впервые определены особенности влияния нефти на клеточном, организменном и популяционном уровнях организации водных позвоночных животных. Установлена динамика гематологических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти в различных концентрациях. По показателям перекисного окисления липидов определён уровень окислительного стресса органов озёрной лягушки. Впервые установлены показатели бионакопления нефти в различных органах озёрной лягушки. Выявлены особенности раннего развития водных позвоночных в растворах нефти различных концентраций. Впервые изучено состояние (уровень нефтяного загрязнения) южных рукавов дельты р. Дон. Установлены показатели флуктуирующей асимметрии серебряного карася и озёрной лягушки, обитающих в устье р. Дон, и их связь с уровнем нефтяного загрязнения данной акватории. Дифференцированы адаптивные и патологические процессы, происходящие под влиянием нефти различных концентраций на клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Теоретическая и практическая значимость результатов. Предложена система мониторинга экологического состояния рек с использованием половозрелых особей двух фоновых видов позвоночных гидробионтов — озёрной лягушки и серебряного карася. В эксперименте установлены изменения основных цитогематологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти в различных концентрациях. Рассмотрены особенности развития головастиков озёрной лягушки в растворах нефти. Выявлены адаптивные и патологические процессы, развивающиеся в организме под действием нефти.

Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедр зоологии, водных биоресурсов и аквакультуры ГОУ ВПО Куб-ГУ, а также при мониторинговых исследованиях лабораториями КрасНИИРХ, АзНИИРХ и ФГУ «Ростовский референтный центр Россельхознадзора».

Личный вклад соискателя. Автор в 2008—2010 гг. провёл полевые исследования в основных притоках устья р. Дон. Работы, связанные с камеральной обработкой полевого материала, постановкой и проведением экспериментов и интерпретацией полученных данных, а также с написанием текста диссертации, выполнены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного вклада соискателя в различных компонентах работы составляет 40—100 %.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Нефтяное загрязнение оказывает на водных позвоночных животных дозозависимое воздействие на клеточном и организменном уровнях.

2. Изменения стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася в устье р. Дон происходят под влиянием нефтяного загрязнения.

3. Индивидуальные характеристики озёрной лягушки такие как уровень бионакопления нефти, гематологические показатели, скорость перекисного окисления липидов могут быть использованы для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

4. Озёрная лягушка адаптируется к концентрациям нефти < 1 ПДК на всех стадиях онтогенеза, к концентрациям 1—10 ПДК адаптируются взрослые

особи, в концентрациях > 10 ПДК у лягушки отмечены только патологические процессы.

Апробация н публикации. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях различных уровней, в том числе: на XXI, XXII, XXIII Межреспубликанских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», г. Краснодар, 2008—2010 гг.; на Международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований — 2009», г. Одесса, 2009 г.; на V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009 г.; на Международной научно-практической конференции «Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора», Туапсе, 2010 г.; X Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология), Ростов-на-Дону, 2010 г.; VII Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений в науке, технике и экологии», Туапсе, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 154 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 20 рисунками и 17 таблицами. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы, в котором приведено 189 источников, в том числе 19 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы по литературным источникам

Глава посвящена анализу литературы по различным аспектам влияния нефтяного загрязнения на индивидуальные и популяционные показатели рыб и земноводных. Показаны особенности хронического и кратковременного влияния нефти на биоразнообразие водоёмов, определены летальные, сублетальные и эффективные концентрации нефти для различных видов водных позвоночных. Представлены сведения о возможности использования отдельных показателей позвоночных гидробионтов для биоиндикации нефтяного загрязнения водоёмов.

Глава 2. Материал и методы исследования

2.1. Материал

Исследования проводили в устье р. Дон в 2008—2010 гг. Материалом для диссертационной работы послужили головастики и взрослые особи озёрной лягушки Rana ridibunda (Pal.), а также взрослые особи серебряного карася Carassius auratus gibelio (Bloch). Статистическую обработку полученных данных проводили стандартными биометрическими методами [Лакин, 1980].

2.2. Методы биоиндикации состояния водоёмов

В течение 2008—2010 гг. весной, летом и осенью осуществляли отборы проб воды на содержание нефтепродуктов в 10 точках, расположенных в узлах деления водотоков устья р. Дон. Места отбора проб указаны на рисунке 1. Обследования акватории на участке пос. Донской — судоходное устье Старого Дона производили на арендованных судах типа КС-100 «Надежда» и «Ипомея», обследование проток, малых рек и гирл — на моторных лодках «Прогресс».

|ртогр^ф!а, ® Ъ'.О <рГА».2006 - Ус

1 — р. Дон у пос. Донской; 2 — устье Нижнего Дона в районе косы Песчаной; 3 — устье Нижнего Дона в районе его впадения в Таганрогский залив; 4 — Мериново гирло в районе ответвления от Нижнего Дона; 5 — Мериново гирло в районе впадения в Таганрогский залив; 6 — проток Бирючий в районе ответвления от Нижнего Дона; 7 — проток Бирючий в районе впадения в Таганрогский залив; 8 — р. Азовка; 9 —• р. Мокрый Кагальник; 10 — р. Кагальник Рисунок 1 — Места отбора проб в устье р. Дон

Пробы воды отбирали с помощью батометра в водах прибрежной зоны и в центре водотока. Концентрацию нефтепродуктов в воде определяли комбинированным спектрофотометрическим методом с использованием инфракрасного Фурье спектрометра «Инфралюм ФТ-02». Под нефтепродуктами подразумевали сумму углеводородов алифатического, алициклического и ароматического рядов [Сборник методик ..., 1996; Другов, Родин, 2007; Скрыпник, 2008].

Показатели флуктуирующей асимметрии анализировали у живых озёрных лягушек и серебряных карасей из рукавов устья р. Дон согласно методике В. М. Захарова [1987]. Так как формирование меристических признаков обоих видов происходит во время личиночного развития, то сеголетки рыб дают возможность оценить текущую ситуацию в водоёме, а рыбы и земноводные старших возрастов — экологическую ситуацию в предыдущие годы [Методи-

ческие рекомендации ... , 2003]. Оценку отклонения стабильности развития земноводных и рыб от условно нормального состояния проводили по соответствующим шкалам [Методические рекомендации ... , 2003; Пескова, Жукова, 2007]. Всего было исследовано 200 особей озёрных лягушек и 270 особей серебряных карасей из 10 мест обитания в устье р. Дон.

2.3. Методы экспериментального изучения влияния нефти

Озёрные лягушки для экспериментов были отловлены в Ботаническом саду ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет». В общей сложности в эксперименте было исследовано 105 взрослых особей озёрной лягушки и 360 головастиков. Для проведения экспериментов была использована сырая нефть марки «Light».

Гематологические исследования проводили на половозрелых озёрных лягушках, помещённых на 5 суток в нефть, в концентрациях соответствующих 0,2—10 ПДК. Основные показатели красной и белой крови определяли с помощью стандартных методов фиксации, окраски мазков крови, их микроскопического исследования, а также подсчёта микроядер эритроцитов [Кост, 1973; Давыдов и др., 2006].

Интенсивность процессов перекисного окисления липидов у половозрелых особей озёрной лягушки оценивали по перекисному числу липидов в таких органах как печень, мышцы, головной мозг и сердце. Определение содержания перекисных соединений в тканях проводили по стандартной методике [ГОСТ Р 51487-99, 2001]. Бионакопение нефти в мышцах, печени, почках, коже, лёгких, тонком кишечнике и гонадах озёрной лягушки определяли методом газовой хроматографии [Другов, Родин, 2000] на хроматомасс-спектроме-тре Shimadzu, 2010.

Изучение влияния нефти (концентрации 0, 0,01, 0,05, 0,1, 0,25 и 0,5 мг/л) на ранние стадии онтогенеза озёрной лягушки проводили на головастиках, полученных из икры, взятой из условно чистого водоёма. Эксперимент проводили в лабораторных условиях по стандартной методике [Пястолова, 1989] до завершения метаморфоза или наступления смерти. Фиксировали смертность личинок, темпы их роста, дни достижения основных стадий развития и метаморфоза [Дабагян, Слепцова, 1975].

Глава 3. Уровень кумуляции нефти в воде устья р. Дон и органах озёрной лягушки

3.1. Содержание нефтепродуктов в рукавах устья р. Дон

Дельта р. Дон — уникальное в своём роде природное образование, имеющее большое значение для функционирования экосистемы всего бассейна р. Дон, Таганрогского залива и в целом Азовского моря. Бассейн Нижнего Дона отличается равнинным характером рельефа со значительной расчленённостью. Каждый рукав (проток) дельты р. Дон представляет собой большую плёсовую лощину, относительно более глубокую, чем ограничивающие её с обоих концов развилочные перекаты. Эта особенность характерна и для больших рукавов, и для малых мелких зарастающих протоков. Одной из характер-

ных деталей дельтовых перекатов Дона являются небольшие острова, тяготеющие к одному из берегов русла [Жукова и др., 2009].

Мы в течение весны, лета и осени 2008—2010 гг. ежемесячно отбирали пробы воды в 10 точках устья р. Дон (см. рисунок 1). Места отбора проб выбраны так, что 5 точек расположены в судоходной части устья по которой перемещаются крупномерные суда, остальные 5 — в сравнительно неглубоких рукавах, по которым передвигаются только маломерные суда.

Результаты токсикологического анализа воды за период с 2003 г. по 2010 г. по основным устьевым створам р. Дон свидетельствуют об отсутствии в воде реки других токсикантов, кроме нефти. В рукавах дельты Дона нефтепродукты встречается в различных состояниях: растворённая в воде нефть, молекулярная плёнка, плёнка толщиной до нескольких миллиметров («слик»), эмульсии «вода в нефти» и «нефть в воде», донные отложения и нефтяные агрегаты. В последние 5 лет содержание нефтепродуктов в воде снижается, однако, оно всё ещё превышает ПДК как для воды, так и для грунта.

В 2008—2010 гг. мы определяли содержание нефти в основных рукавах южной части устья р. Дон. Достоверных сезонных и годовых различий в содержании нефти в воде одной и той же точки нами не обнаружено. За три года исследований средние показатели содержания нефти в исследованных водотоках составляли от 1 до 1,8 ПДК. Максимальное количество нефти было отмечено весной 2010 г. в точках 2 (5,6 ПДК), 4 (4,6 ПДК), 6 (4,2 ПДК), 7 (4,0 ПДК) и 8 (4,4 ПДК) и летом 2009 г. в точках 2 (6,2 ПДК), 7 (4,4 ПДК) и 8 (4,2 ПДК). При этом сравнение средних величин содержания нефти в различных точках в один и тот же год и/или сезон достоверно не различается. Таким образом, хотя интенсивность движения и размеры проходящих по исследованным рукавам дельты Дона судов различаются, уровень нефтяного загрязнения исследованных водотоков одинаковый. Объяснить это можно тем, что при отсутствии крупных выбросов нефтепродуктов в воду, нефтяное загрязнение воды поддерживается за счёт вымывания тяжёлых фракций нефти из донных отложений [Кармазин, Буков, Пескова, 2010].

Компоненты нефти подразделяют на три основных псевдофракции — лёгкие, средние и тяжёлые [Дембицкий и др., 2003; Земков, Журавлева, 2004]. Нефтепродукты, загрязняющие воды устья р. Дон, относятся к первой и второй группам. Они представлены моторными бензинами, судовыми дизельными то-пливами и лёгкими мазутами [Кармазин, Буков, Пескова, 2010].

В лаборатории химического факультета ГОУ ВПО «Кубанский государственный университет» был проведён анализ нефти марки Light, который показал, что в исследуемой нефти преобладают указанные выше компоненты первой и второй группы. На основании хроматографического анализа состава нефти мы сочли возможным использовать её в лабораторном эксперименте с животными.

3.2. Кумуляция нефти в тканях озёрной лягушки

Озёрная лягушка является аккумулирующим биомонитором, для неё характерен достаточно высокий уровень кумуляции различных токсикантов, таких как пестициды, тяжёлые металлы [Пескова, 2001; Мисюра, 20066; Кар-

мазин, Пескова, 2010]. В известной нам литературе нет сведений об особенностях накопления в органах озёрной лягушки нефти. Поэтому мы изучили уровень кумуляции углеводородов нефти у озёрных лягушек после 10 дней пребывания в растворах нефти концентраций 0, 0,05 и 0,5 мг/л (рисунок 2).

Печень

\

Кожа 'Мышцы

————Омг/л— " — 0,05мг/л ~ - ' — 0,5мг/л

Рисунок 2 — Уровень кумуляции нефти (мкг/мг) в органах озёрной лягушки в зависимости от содержания нефти в воде

У контрольных особен озёрной лягушки в печени и мышцах количество углеводородов достоверно ниже, чем в других исследованных органах. На порядок выше содержание нефти в лёгких, коже, гонадах, тонком кишечнике и почках. При сравнительно низком содержании нефти в воде (0,05 мг/л) достоверно не изменяется содержание нефти в печени, мышцах, коже, почках и тонком кишечнике по сравнению с контролем, а в лёгких и гонадах оно достоверно повышается. Кроме того, при данной концентрации нефти в воде, в гонадах и лёгких количество углеводородов достоверно больше, чем в почках и тонком кишечнике. При повышении содержания нефти в воде в 10 раз увеличивается накопление нефти в печени и почках; в коже, тонком кишечнике и мышцах оно остаётся постоянным. В лёгких и гонадах уровень содержания углеводородов снижается по сравнению с их накоплением в тех же органах после пребывания в растворе нефти меньшей концентрации.

Можно говорить о том, что количество углеводородов нефти в органах

озёрной лягушки изменяется в зависимости от концентрации нефти в воде. Так, в печени и почках, являющихся основными органами детоксикации в организме, количество нефти увеличивается по мере увеличения концентрации её в воде. В почках нефти накапливается в 3,8—5,5 раз больше, чем в печени, так что основным органом, аккумулирующим углеводороды нефти, у озёрной лягушки являются почки.

В тонком кишечнике и коже отмечена обратная картина — снижение содержания нефти в органах при увеличении её количества в воде. Указанные органы служат для выведения токсикантов из организма. Видимо, их работа интенсифицируется по мере роста концентрации нефти в окружающей среде, и её концентрация в них снижается.

Обращает на себя внимание низкое и одинаковое содержание нефти в мышцах и печени, оно на порядок ниже, чем в других исследованных органах. Если для мышц это ожидаемо, т. к. они не участвуют ни в выведении, ни в детоксикации загрязнителей, то для печени данное явление ранее в литературе не отмечалось. Видимо, в этом проявляется специфическое воздействие нефти.

Глава 4. Особенности развития водных позвоночных в условиях нефтяного загрязнения среды

4.1. Биоиндикания состояния устья р. Дон по показателям стабильности развития фоновых видов позвоночных гидробионтов

Для оценки экологического состояния различных рукавов дельты р. Дон мы определяли показатели стабильности развития фоновых видов водных позвоночных, обитающих в устье реки — озёрной лягушки и серебряного карася. В таблице 1 приведена балльная оценка состояния указанных водотоков, базирующаяся на показателях флуктуирующей асимметрии (частоты асимметричного проявления на особь) озёрной лягушки и серебряного карася.

Судя по данным таблицы 1, экологическая обстановка в исследованных рукавах устья Дона стабильно тяжёлая. Большинство рукавов характеризуется 4 (существенное отклонение от нормы) и 5 (критическое состояние) баллами по шкале оценки отклонения стабильности развития от условной нормы.

В 2010 г. мы отлавливали половозрелых особей озёрной лягушки, их индивидуальное развитие (и нарушения его стабильности, соответственно) происходили в 2008—2009 гг. Наименьший уровень нарушений у лягушек отмечен нами в Мериновом гирле, р. Кагальник и Мокрый Кагальник. Мы объясняем это сравнительно небольшими глубинами указанных рукавов, по которым курсируют только маломерные суда.

В 2010 г. в точках отбора проб мы отлавливали также разновозрастных особей серебряного карася. Его сеголетки характеризуют текущее состояние изученных рукавов Нижнего Дона, для которого отмечено увеличение показателей флуктуирующей асимметрии и, следовательно, ухудшение экологической обстановки на этих водотоках. Действительно, в 2010 г. показатели химического анализа регистрировали увеличение максимальных величин содержания нефти в воде.

Таблица 1 — Балльная оценка состояния исследованных водотоков из устья р. Дон по показателям флуктуирующей асимметрии озёрной лягушки и серебряного карася в 2004—2010 гг.

Точки отбора Озёрная лягушка (2008— 2009 гг.) Серебряный карась

сеголетки (2010 г.) 2—3 летние (2008— 2009 г.) 4—5 летние (2006— 2007 г.) 6—7 летние (2004— 2005 г.)

р. Дон у пос. Донской —точка 1 4 5 5 5 5

Устье Нижнего Дона — точка 2 4 5 5 5 5

Устье Нижнего Дона — точка 3 4 5 5 5 5

Мериново гирло —точка 4 3 5 4 5 5

Мериново гирло —точка 5 3 5 4 5 5

Проток Бирючий — точка 6 4 5 5 5 5

Проток Бирючий — точка 7 4 5 5 5 5

р. Азовка — точка 8 4 5 4 4 5

р. Мокрый Кагалышк — точка 9 3 4 4 5 5

р. Кагальник — точка 10 3 4 4 4 4

2-х и 3-х летние караси, как и особи озёрной лягушки, характеризуют состояние рукавов Нижнего Дона в 2008—2009 гг. Сравнение данных, полученных по двум видам позвоночных гидробионтов, указывает на сравнительно меньшую чувствительность земноводных по сравнению с рыбами. «Нормальный» уровень отклонения развития у земноводных выше, чем у рыб, поэтому, несмотря на более высокие абсолютные величины показателей флуктуирующей асимметрии озёрной лягушки, ей соответствуют меньшие баллы по шкале [Методические рекомендации ..., 2003; Пескова, Жукова, 2007].

Судя по величине флуктуирующей асимметрии А—7-летних серебряных карасей экологическое состояние южной части устья р. Дон в 2004—2007 гг., можно оценить как критическое или близкое к нему состояние.

Таким образом, исходя из оценки показателей стабильности развития водных позвоночных, можно говорить о некотором улучшении экологической обстановки на Нижнем Дону. Данные химического анализа содержания нефти в воде показывают значительное снижение абсолютных максимальных величин (при сохранении средних), однако в воде обычно определяется содержание только лёгких и средних фракций нефтепродуктов. Для определения общего экологического состояния водоёма необходимо учитывать также тяжёлые фракции нефтепродуктов, которые быстро кумулируются донными илами, а затем постепенно высвобождаются, превращаясь в формы других фракций нефтепродуктов. Использование гидробионтов-биоиндикаторов даёт возможность получения комплексной оценки степени загрязнения водоёмов нефтью.

4.2. Влияние различных концентраций нефти на личиночное развитие озёрной лягушки

В экспериментальных условиях было изучено влияние некоторых (0,01— 0,5 мг/л) концентраций нефти на личиночное развитие головастиков озёрной лягушки. Динамика гибели головастиков озёрной лягушки в контроле и растворах нефти различных концентраций на протяжении опыта показана на рисунке 3. Видно, что гибель головастиков возрастает в изученном нами градиенте токсической нагрузки.

120

а

о

а Б

я са о Ч о

ё а

о к

и §

Ё &

о а С

100 -

80 60 40 20

Ж * * *

Ж / / / —■■■ж ф -* - X -

/ У _/_/_ ._ •X - -хГ

г ■ - -1 -А- -

/ _/ * - ж У}' .• Г^Г. Ф'' Ф Ф Ф Ф Ф Ф ♦

5

-4-

57 64 70

9 16 22 27 33 39 46 52

День наблюдения — контроль —□-— 0,01 мг/л - - -А- • ■ — 0,05 мг/л

- -Х---0,1 мг/л -Ж-—0,25 мг/л — 0,5 мг/л

Рисунок 3 — Смертность головастиков озёрной лягушки в контроле и в присутствии нефти различных концентраций

В самых низких концентрациях нефти — 0,01 и 0,05 мг/л — кривые гибели головастиков сходны — сначала смертность нарастает постепенно, затем происходит некоторое её торможение — наблюдается плато длительностью в 6—20 дней, после чего гибель продолжает нарастать. Однако в обеих исследованных концентрациях 100%-ная гибель не достигнута. Данные кривые соответствуют линейной регрессии, что подтверждено теоретически вычисленными уравнениями регрессии. В более высоких исследованных концентрациях нефти (0,25 и 0,5 мг/л) гибель головастиков происходит иначе; отмеченного для более низких концентраций плато не наблюдается. Кривая гибели в концентрации 0,1 мг/л имеет промежуточную форму между кривыми, описанными выше для менее и более высоких концентраций, — до 22 дня гибнет 40 % головастиков, затем наблюдается торможение гибели, длящееся около 10 дней, после чего погибает большинство особей. Все кривые гибели головастиков озёрной лягушки в более

высоких концентрациях нефти описываются с помощью нелинейной регрессии, теоретически вычисленные уравнения регрессии являются квадратичными.

По мнению Т. Ю. Песковой [2001], гибель головастиков, как правило, начинается не сразу после помещения их в раствор токсиканта, так как необходимо время для накопления этого токсиканта в организме животных. При низких концентрациях токсиканта гибнут особи с наиболее высокой индивидуальной чувствительностью к нему, а при повышении концентрации число погибших увеличивается за счёт гибели более резистентных особей.

День начала гибели головастиков в различных концентрациях нефти, по нашим данным, не изменяется. 50%-ная гибель в концентрации 1 ПДК — 0,05 мг/л наступает значительно позже, чем в более высоких концентрациях. Во всех исследованных концентрациях нефти, кроме максимальной, 100 % гибель не достигнута и часть головастиков (от 13,3 до 40 %) метаморфизирует. По нашему мнению, это свидетельствует о возможности выживания личиночных стадий земноводных в природных условиях, где мы отмечали концентрации нефти до 0,28 мг/л.

В сравнительно низких концентрациях нефти — 0,02 и 0,05 мл/л и контроле число головастиков, завершивших метаморфоз, составляет в среднем 80 % [Пескова, Жукова, Белоконь, 1998], причём сроки метаморфоза головастиков в растворах нефти сдвигаются. Более высокие концентрации нефти, исследованные нами, действуют аналогично, сдвигая эти сроки, но при этом количество головастиков, закончивших развитие, также изменяется. Метаморфоз в растворах нефти начинается на 13—31 день позднее по отношению к контролю.

Анализ сроков наступления наиболее важных стадий развития у головастиков озёрной лягушки в контроле и опытных растворах нефти показан в таблице 2.

Таблица 2 — Дни достижения основных стадий развития личинками озёрной лягушки в контроле и в присутствии нефти

Концентрация нефти, мг/л Стадия развития

47-я — хорошо развитые задние конечности 51-я — хорошо развитые передние конечности 54-я — конец метаморфоза

Контроль — 0 27—46 39—57 39—70

0,01 27—52 39—52 52—57

0,05 33—52 46—57 52—64

0,1 39—64 52—64 57—64

0,25 46—64 52—70 64—70

0,5 46—52 52—57 _*

Примечание — * — все головастики погибли

В контроле и самой низкой концентрации нефти 47-я и 51-я стадии развития происходят одновременно. Более высокие концентрации нефти отодвигают дни наступления 47-й стадии на 6—19, а 51 -й — на 7—13 дней, соответственно.

Таким образом, отмечено замедление развития головастиков озёрной лягушки в присутствии нефти в концентрациях от 1 до 10 ПДК по сравнению с контролем и самой низкой из исследованных концентраций нефти. Нарастание отставания в сроках достижения 47-й и 51-й стадий развития происходит дозозависимо.

Метаморфоз у контрольных головастиков растянут более чем на 30 суток. Видимо, это связано с большим абсолютным числом метаморфизирующих в контроле особей. В низких концентрациях нефти (0,01 и 0,05 мг/л) метаморфоза достигает 30—40 % особей, они проходят эту стадию в сжатые сроки — за 5—12 дней. Под действием концентрацийх нефти, увеличенных в 10 раз по сравнению с предыдущими, метаморфизирует только 6,7—13,3 % головастиков. В концентрации нефти 0,5 мг/л до стадии метаморфоза не дожил ни один головастик.

Одним из проявлений хронической интоксикации личинок амфибий является удлинение личиночного развития [Пескова, 2001]. По нашим данным, большинство исследованных концентраций нефти замедляют развитие головастиков озёрной лягушки: позднее наступают 47-я и 51-я стадии развития, позднее происходит и метаморфоз, однако головастики в большинстве вариантов опыта проходят эти стадии в более сжатые сроки.

Все головастики (контроль и опыты) были одинаковых размеров: длина тела колебалась в пределах 24—30 мм. Замедление темпов их роста наступало не сразу, а через месяц после начала опыта, когда головастики находились на 46-й стадии развития (зачатки задних конечностей). При этом различий в средних линейных размерах головастиков из вариантов опыта с различными концентрациями нефти, не обнаружено. Аналогичные данные были получены для головастиков озёрной и остромордой лягушек и дальневосточной жерлянки, развивавшихся в низких концентрациях нефти [Данилова, 1990; Пескова, Жукова, Белоконь, 1998]. У осетровых рыб, наоборот, к 2—4 месяцу от начала наблюдений в растворах нефти был отмечен скачкообразный прирост длины тела [Обухов, Крючков, 2004].

Таким образом, данные, полученные при анализе комплекса показателей личиночного развития, свидетельствуют о том, что концентрации нефти в диапазоне 0,01—0,05 мг/л не оказывают токсического действия на головастиков озёрной лягушки. Концентрации 0,1—0,25 мг/л являются эффективными, то есть делают выживание головастиков затруднительным, но возможным, снижая их численность за счёт наиболее чувствительных особей. При этом достаточно резистентные особи могут существовать и в таких условиях. Только концентрация нефти 0,5 мг/л (10 ПДК) является для личинок озёрной лягушки летальной. В ней происходит 100%-ная гибель головастиков до достижения ими метаморфоза.

Глава 5. Изменения некоторых физиологических и биохимических характеристик озёрной лягушки под действием нефти

5.1. Гематологические показатели озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти

Были рассмотрены изменения показателей красной и белой крови озёрных лягушек под действием следующих концентраций нефти — 0 (контроль), 0,05, 0,1 и 0,5 мг/л, результаты приведены на рисунке 4.

Гемоглобин Эритроциты Лейкоциты

□ — контроль В — 0,01 мг/л О — 0,05 мг/л □ — 0,5 мг/л Рисунок 4 — Количество гемоглобина, эритроцитов и лейкоцитов в крови озёрной лягушки при экспозиции в различных концентрациях нефти (в % по

отношению к контролю)

По нашим данным, количество гемоглобина в крови озёрной лягушки во всех исследованных концентрациях нефти достоверно выше, чем в контроле — в 1,1, 1,3 и 1,45 раза соответственно, причём, это возрастание происходит до-зозависимым образом. Аналогичная картина отмечена и для числа эритроцитов, их количество статистически достоверно возрастает в 1,1, 1,2 и 1,5 раза. Увеличение кислородной ёмкости крови у амфибий при постоянном обитании в водоёмах, загрязнённых поллютантами, можно считать адаптивным [Пескова, 2001].

В литературе есть сведения, что под действием нефти как у земноводных, так и у рыб отмечен достоверный эритроцитоз, а содержание гемоглобина может колебаться как в сторону его повышения, так и понижения [Абдуллаева, 2007; Габибов, Курбанова, 2008; Каниева, 2002; Пескова, Шарпан, 2007]. Существует мнение, что у водных позвоночных, уровень гемоглобина не является характерным показателем токсикоза [Житенева, Макаров, Рудницкая, 2004].

В мазках мы обнаруживали микроядра эритроцитов. В контроле и концентрации нефти 0,01 мг/л у озёрной лягушки количество эритроцитов с микроядрами одинаковое. При повышении градиента концентрации нефти процент клеток с микроядрами достоверно возрастает с 1,7/1 000 клеток в контроле до 5,3/1 000 клеток в растворе нефти самой высокой концентрации (Чфакт = 5,63 при 105 = 1,96). В крови рыб в растворе нефти концентрации, равной 10 ПДК, было отмечено 7,3/1 000 клеток [Абдулаева, 2007].

Общее количество лейкоцитов, по нашим данным, максимально у лягушек в контроле (рисунок 4), а во всех вариантах опыта отмечена статистически достоверная лейкопения. Степень лейкопении разная; в самой низкой концентрации нефти число лейкоцитов в 1,2 раза ниже, чем в контроле, а в самой высокой концентрации нефти — ниже почти вдвое (в 1,85 раза). Трёхсуточное пребывание в нефти концентраций от 0,0005 до 0,2 мг/л вызывает у лягушек существенный и возрастающий по мере увеличения концентрации токсиканта лейкоцитоз в 1,9—8,3 раза [Пескова, Шарпан, 2007]. Можно говорить о том,

что при кратковременном воздействии токсиканта проявляется лейкоцитоз, свидетельствующий о защитной функции организма. При более длительном содержании лягушек в тех же концентрациях нефти происходит снижение защитной функции крови.

Известно, что показатель содержания лейкоцитов неполноценен без анализа соотношения числа различных их типов. В целом, кровь озёрной лягушки, по нашим данным, имеет лимфоидный характер, как это отмечалось и в других исследованиях [Жукова, 1987; Чернышева, Старостин, 1994; Жукова, Пескова, 1999; Романова, 20056]. Количество лимфоцитов достоверно увеличивается во всех вариантах опытов по сравнению с контролем в 1,4 раза (рисунок 5).

90--------------------------

80 --

70 ^--

60 ---

50 ---

40 ---

30 --

20 --

10 ---

0 --,

0 0,01 0,05 0,5

ЕЗ — лимфоциты □ — моноциты

Рисунок 5 — Относительное количество агранулоцитов в крови озёрных лягушек под действием нефти различных концентраций

Уровень лимфоцитоза, по нашим данным, не зависит от величины исследованной концентрации нефти. При трёхсуточной экспозиции лягушек в концентрациях нефти 0,01 и 0,05 мг/л уровень числа лимфоцитов не менялся по сравнению с контрольными животными [Пескова, Шарпан, 2007]. Следовательно, лим-фоцитоз появляется при увеличении продолжительности воздействия нефти.

В крови озёрной лягушки во всех исследованных концентрациях нефти достоверно и резко (в 10 раз) снижено содержание моноцитов по сравнению с контролем. Моноцитопения озёрных лягушек в присутствии нефти, по нашему мнению, является признаком патологии. У пресноводных рыб загрязнение воды нефтью вызывало увеличение количества моноцитов, сохраняющееся как в остром, так и хроническом опытах [Абдуллаева, 2007; Габибов, Курбанова, 2008], а в другом эксперименте (с морскими видами рыб) — моноцитопению [Котов, 1976].

В крови опытных лягушек под влиянием нефти различных концентраций изменяется также и количество клеток гранулоцитного ряда: нейтрофилов, ба-зофилов и эозинофилов (рисунок 6).

О

0,01

0,05

0,5

□ — палочкоядерные нейтрофилы □ — сегментоядерные нейтрофилы В — базофилы ■ — эозинофилы

Рисунок 6 — Относительное количество гранулоцитов в крови озёрных лягушек под действием нефти разных концентраций

Базофилы — самая редкая группа гранулоцитов в периферической крови и кроветворных органах, выполняющая дезинтоксикационную функцию в организме [Житенева, Макаров, Рудницкая, 2004]. В наших исследованиях среди лейкоцитов контрольных озёрных лягушек базофилы были единичны, а у подопытных лягушек базофилы вообще не были обнаружены.

Эозинофилы проявляют ту же тенденцию, что и базофилы — в самой низкой концентрации нефти их количество снижено в 20 раз по сравнению с контролем, а в более высоких концентрациях они вообще не встречены. Отсутствие эозинофилов в крови лягушек после трёхдневного пребывания в нефти и эозинофилопения у рыб при хронических стрессах и тяжёлых токсикозах различной природы отмечено в литературе [Житенева, Макаров, Рудницкая, 2004; Пескова, Шарпан, 2007].

У лягушек из всех исследованных концентраций нефти по сравнению с контрольными особями отмечено достоверное снижение количества сегмен-тоядерных нейтрофилов и возрастание количества палочкоядерных нейтрофилов. При этом общее число нейтрофилов также несколько снижено. Расчёт индекса сдвига ядер нейтрофилов показал, что у лягушек во всех вариантах опыта происходил сдвиг влево, увеличивающийся по мере возрастания кон-

центрации нефти (индекс сдвига ядер 0,79,1,02 и 2,27 против 0,10 в контроле). Известно, что перемещение картины крови влево, т. е. увеличение числа молодых, незрелых нейтрофилов является одним из важнейших признаков наличия в организме инфекционного процесса или токсикоза [Тодоров, 1968].

В целом, лейкограмма крови озёрной лягушки под действием нефти показывает достоверное увеличение числа лимфоцитов и палочкоядерных нейтрофилов при очень сильном снижении количества моноцитов, менее существенном — сегментоядерных нейтрофилов и исчезновении эозинофилов и базофилов. Если принять во внимание, что общее количество лейкоцитов у лягушек уменьшается, то имеет место истинная нейтропения, моноцитоиения, базопения и эозинопения.

Описанного комплекса изменений лейкоцитарной формулы крови земноводных не было отмечено ни в одном из предыдущих исследований, где рассматривалось влияние других токсикантов. Следовательно, в этом проявляется специфичность действия нефти как вещества, загрязняющего среду обитания амфибий.

Действие исследованных концентраций нефти на кровь озёрной лягушки проявляется в появлении морфологических изменений клеток красной и белой крови. В мазках крови озёрной лягушки из контроля наблюдается обратимая агглютинация эритроцитов. У части эритроцитов имеется вакуолизированная цитоплазма. Под действием различных концентраций нефти отмечена вакуолизация, пойкилоцитоз, инвагинация и токсическая зернистость цитоплазмы эритроцитов, увеличивающие степень своего проявления в градиенте концентраций нефти. Часто эритроциты имеют фестончатые контуры, что свидетельствует о нарушении их осмотической резистентности, наблюдается гипохромазия — по-светление окраски цитоплазмы и её неравномерное окрашивание. В концентрации 0,5 мг/л нефти в белой крови земноводных наблюдается явный агранулоци-тоз: подавляющее большинство лейкоцитов представлено лимфоцитами.

5.2. Интенсивность перекисного окисления липидов в тканях озёрной лягушки под действием нефти

Процессы перекисного окисления липидов, играя важную роль в нормальном функционировании клетки, выступают и как ранние ключевые звенья ответной реакции организма на стрессорные состояния. Для водных позвоночных установлено, что изменения интенсивности перекисного окисления липидов, происходящие под действием токсикантов, являются надёжным индикаторным признаком загрязнения водоёма [Руднева, 2005].

Мы определяли интенсивность процессов перекисного окисления липидов в тканях озёрной лягушки в контроле и под влиянием нефти различных концентраций по содержанию одного из первичных продуктов окисления липидов — перекисей. Результаты опытов приведены в таблице 3.

Наибольшая активность перекисных процессов из исследованных нами органов характерна для почек и сердца озёрной лягушки. В литературе показано, что наибольшая интенсивность процессов перекисного окисления липидов характерна для сердца земноводных [Айвазян, 2008].

Таблица 3 — Перекисное число липидов различных тканей земноводных после экспозиции в растворах нефти (мМоль О/кг)

Орган Концентрация нефти, мг/л

0 0,05 0,5

Печень 187,5 ± 12,34 288,9 ±20,68 199,3 ± 16,75

Мышцы 155,9 ± 10,20 166,7 ± 13,46 76,0 ± 8,67

Почки 944,4 ± 28,50 416,7 ±20,42 500,0 ± 18,94

Сердце 264,7 ± 11,32 650,0 ± 14,87 384,6 ± 10,45

Тонкий кишечник 80,1 ± 10,83 75,0 ±9,78 43,6 ± 6,55

Процессы перекисного окисления липидов в разных органах, по нашим данным, имеют различную динамику. Так, в печени и сердце лягушек, находившихся в растворе нефти концентрации 0,05 мг/л в течение 10 дней, происходит увеличение интенсивности перекисных процессов по сравнению с контролем (в 1,5 и 2,5 раза соответственно), в почках, наоборот, отмечено снижение в 2,25 раза, а содержание перекисей в мышечной ткани и тонком кишечнике не меняется. У лягушек, находившихся в более концентрированном растворе нефти (0,5 мг/л), количество перекисей в печени возвращается к контрольным показателям, в мышцах, почках и тонком кишечнике снижается по сравнению с контролем (в 1,8—2,0 раза), а в сердце увеличивается в 1,5 раза.

Необходимо отметить, что наиболее лабильной является система окисления липидов в органах мезодермального происхождения (сердце и почках). В целом можно говорить о том, что концентрация нефти, равная 1 ПДК, вызывает усиление интенсивности процессов перекисного окисления липидов по сравнению с контролем, а концентрация в 10 ПДК — угнетает.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нефть является комплексным токсикантом сложного строения. Обычно в момент поступления в водоём большая часть нефтепродуктов сосредоточена в плёнке на поверхности воды. Затем происходит перераспределение между её основными формами, направленное в сторону повышения доли растворённых, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов. Последние являются наиболее опасными, т. к. служат источником хронического загрязнения водоёма нефтью.

Определение уровня нефтяного загрязнения рукавов устья р. Дон с помощью химико-токсикологического анализа свидетельствует о сравнительно невысоком уровне содержания нефтепродуктов в воде — в пределах до 5,6 ПДК, тогда как биоиндикация по показателям флуктуирующей асимметрии позвоночных гидробионтов показала достаточно сильное влияние нефтепродуктов на гидробионтов из рукавов устья р. Дон. Однако, устойчивые виды водных позвоночных животных, такие как серебряный карась и озёрная лягушка, мо-

гут поддерживать своё существование на всех этапах онтогенеза в данных условиях.

Динамика некоторых изученных физиологических и биохимических показателей является специфичной для действия нефти. Только после пребывания в растворах нефти у озёрных лягушек была обнаружена лейкопения, а также отсутствие базофилов и эозинофилов. Также отмечено отсутствие значимого вклада печени в процессы накопления и детоксикации нефти. Основная роль в кумуляции углеводородов нефти принадлежит почкам.

Под действием нефти увеличивается смертность головастиков, однако вариабельность скорости роста и развития, отмеченная под действием других токсикантов, не меняется по сравнению с контрольными особями.

Изменения физиолого-биохимических параметров озёрной лягушки могут быть как адаптивными, так и патологическими. К первым относятся лим-фоцитоз, эритроцитоз, увеличение кислородной ёмкости крови, увеличение скорости перекисного окисления липидов под действием сравнительно низких концентраций нефти, ко вторым — моноцитопения, сдвиг нейтрофилов влево, исчезновение базофилов и эозинофилов, угнетение перекисных процессов в более высоких концентрациях нефти.

Сдвиг равновесия между адаптационными и патологическими процессами, происходящий в организме водных позвоночных в ту или иную сторону, зависит от концентрации нефти в воде. При действии низких концентраций нефти (специфичных для отдельных видов позвоночных гидробионтов) на клеточном, организменном и популяционном уровнях преобладают адаптивные процессы, а при более высоких — патологические.

ВЫВОДЫ

1. Максимальный уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон в период исследований составлял 0,31 мг/л (6,2 ПДК), а средние величины колеблись в пределах 0,03—0,09 мг/л, что соответствует 0,6—1,8 ПДК.

2. Биоиндикация тех же водотоков по показателям флуктуирующей асимметрии меристических признаков озёрной лягушки и серебряного карася свидетельствует о глубоких нарушениях стабильности развития, оцениваемых 4—5 баллами по шкале отклонений.

3. Концентрации нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л вызывают смертность 60—100 % головастиков озёрной лягушки. Головастики 46-й стадии развития (хорошо развитые задние конечности) и 57-й стадии развития (хорошо развитые передние конечности) в различных вариантах опыта меньше контрольных на 10,7—11,9 мм. Наступление данных стадий происходит позже, чем в контроле на 6—19 дней и 7—13 дней соответственно.

4. Под действием концентраций нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л у озёрной лягушки отмечен дозозависимый эритроцитоз и возрастание количества гемоглобина (в 1,1—1,5 раз), а также увеличение количества микроядер в эритроцитах (в 3,0 раза). На фоне общей лейкопении (в 1,2—1,8 раз) достоверно

увеличивается относительное число лимфоцитов и палочкоядерных нейтро-филов при снижении количества моноцитов и сегментоядерных нейтрофилов и полном исчезновении базофилов и эозинофилов.

5. Под действием нефти в концентрации 0,05 мг/л максимальная интенсивность процессов ПОЛ отмечена в сердце озёрной лягушки (650,0 мМоль О/кг), в концентрации 0,5 мг/л — в почках (500,0 мМоль О/кг). Минимальная интенсивность ПОЛ в обоих случаях характерна для тонкого кишечника (43,6 и 75,0 мМоль О/кг).

6. Озёрная лягушка является аккумулирующим биомонитором по отношению к нефти. При концентрации нефти в воде 0,05 мг/л наиболее интенсивно накапливают нефть лёгкие, почки и гонады (26,1—49,3 мг/кг), а при концентрации в 0,5 мг/л — только почки (38,8 мг/кг). Уровень кумуляции нефти в печени озёрной лягушки минимален во всех вариантах опыта и составляет 4,7—10,0 мг/кг.

7. Концентрация нефти в 0,01 мг/л является для водных позвоночных пороговой, концентрации в пределах 0,01—0,5 мг/л (0,2—10 ЦЦК) оказывают токсический эффект на взрослых особей водных позвоночных, при этом максимальная из изученных концентраций (0,5 мг/л) — летальна для личинок водных позвоночных.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.* Кармазин А. П. Использование гематологических показателей озёрной лягушки Rana ridibimda (Pallas, 1771) для определения зоны токсического действия нефти / А. П. Кармазин, Т. Ю. Пескова // Современная герпетология. 2010. № 1/2. С. 3—7.

2* Буков Н. Н. К проблеме мониторинга минорных концентраций антропогенных поллютантов в водных экосистемах / Н. Н. Буков, К. В. Ларионов, В. Т. Панюшкин, А. П. Кармазин, Л. А. Костылева, Т. Ю. Пескова // Экология и промышленность России. 2010. № 6. С. 35—37.

3.* Кармазин А. П. Обследование загрязнения нефтепродуктами прибрежной зоны Таманского полуострова / А. П. Кармазин, Н. Н. Буков, Т. Ю. Пескова // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2010. № 5. С. 19—21.

4. Кармазин А. П. Загрязнения вод и придонного грунта устья Дона / А. П. Кармазин, Л. А. Костылева, Н. Н. Буков // Новые технологии и приложения современных физико-химических методов для изучения окружающей среды. Ростов н/Д, 2009. С. 179—180.

5. Костылева Л. А. Пестицидные загрязнения вод и придонного грунта восточного района Азовского моря / Л. А. Костылева, А. П. Кармазин, В. Т. Панюшкин, Н. Н. Буков // Современные направления теоретических и прикладных исследований — 2009. Одесса, 2009. С. 72—73.

* — работа опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ

6. Буков H. H. Мониторинг антропогенных поллютантов в водных экосистемах Краснодарского края / H. Н. Буков, К. В. Ларионов, В. Т. Панюшкин, А. П. Кармазин, Л. А. Костылева, Т. Ю. Пескова // Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора. Туапсе, 2010. С. 119—120.

7. Кармазин А. П. Сравнение различных типов организмов-биомониторов антропогенного загрязнения среды / А. П. Кармазин, Т. Ю. Пескова // Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора. Туапсе, 2010. С. 129—131.

8. Кармазин А.П. Динамика перекисного окисления липидов озёрной лягушки под действием нефти / А. П. Кармазин // Молодой учёный. 2010. № 8. С. 188—190.

Кармазин Антон Павлович

БИОМОНИТОРИНГ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ УСТЬЯ РЕКИ ДОН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОДНЫХ ПОЗВОНОЧНЫХ

Авторефераг

Подписано в печать 10.11.2010 г. Формат 60x84 Vi6. Бумага тип 1. Гарнитура Тайме Нью Роман. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 786.

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Центр "Универсервис", тел. 21-99-551.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Кармазин, Антон Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПО

ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Материал.

2.2. Методы биоиндикации состояния водоёмов.

2.3. Методы экспериментального изучения влияния нефти.

Глава 3. УРОВЕНЬ КУМУЛЯЦИИ НЕФТИ В ВОДЕ УСТЬЯ р. ДОН И

ОРГАНАХ ОЗЁРНОЙ ЛЯГУШКИ.

3.1. Содержание нефтепродуктов в рукавах устья р. Дон.

3.2. Кумуляция нефти в тканях озёрной лягушки.

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВОДНЫХ ПОЗВОНОЧНЫХ В

УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ.

4.1. Биоиндикация состояния устья р.Дон по показателям стабильности развития фоновых видов позвоночных гидробионтов.

4.2. Влияние различных концентраций нефти на личиночное развитие озёрной лягушки.

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЁРНОЙ

ЛЯГУШКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕФТИ.

I 5.1. Гематологические показатели озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти.

5.2. Интенсивность перекисного окисления липидов в тканях озёрной лягушки под действием нефти.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биомониторинг нефтяного загрязнения устья реки Дон с использованием водных позвоночных"

Актуальность темы диссертации. Нефтяное загрязнение в настоящее время имеет глобальное распространение и затрагивает не только акватории морей и океанов, но также участки суши, реки и пресные водоёмы [Данилова, 1990]. Нефть всегда присутствовала в морской воде, но при существующем антропогенном прессе самоочищение морской воды нарушается. В связи с этим возникает необходимость в ранней информации об уровне нефтяного загрязнения водной среды и реакции гидробионтов на него [Курбанова, Исуев, Габибов, 2004].

Предельно допустимая концентрация (ПДК) для нефти в воде — 0,05 мг/л. Диапазоны концентрации нефтяных углеводородов 0,001— 0,01 мг/л для воды и 0,01—0,10 мг/г для донных отложений рекомендованы в качестве таких диапазонов значений ПДК, при которых биологические эффекты отсутствуют, либо имеют вид обратимых физиолого-биохимических реакций водных организмов [Никаноров, Страдомская, Иваник, 2002]. Загрязнение водоёмов нефтью может происходить разными способами — из хозяйственно-бытовых сточных вод, отходами от переработки сырой нефти, в результате утечки в нефтепроводах, аварий на нефтехранилищах, вследствие выброса нефти при бурении скважин, от большого и малого флотов [Житенева, Макаров, Рудницкая, 2004; Квеситадзе и др., 2005]. В результате ПДК нефти и нефтепродуктов оказываются превышенными в некоторых водоёмах в 100 и более раз.

Нефтепродукты находятся в различных миграционных формах: растворённой, эмульгированной, сорбированной на твёрдых частицах взвесей и донных отложений, в виде плёнки на поверхности воды. Обычно в момент поступления большая часть нефтепродуктов сосредоточена в плёнке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворённых, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов.

Одним из важнейших аспектов проблемы загрязнения окружающей среды нефтью является токсикологический — выяснение влияния нефти на гидробионтов и раскрытие механизмов токсического действия растворённых углеводородов нефти [Ковалева, Мазманиди, 1978]. Такие исследования возможны в рамках экспериментального изучения динамики морфологических, физиологических и биохимических показателей гидробионтов [Матишов, Шпарковский, Муравейко, 2002]. Одновременно существует и требует решения ещё одна важная задача экотоксикологических исследований — биоиндикация общего состояния водоёма под действием токсикантов, и нефти в частности.

Биотестирование и биоиндикация являются основными элементами биологического мониторинга состояния окружающей среды. Биотестирование выполняет функцию оперативного контроля происходящего загрязнения, нацеленного на получение информации о токсичности того или иного загрязнителя. Биоиндикация представляет собой выявление последствий загрязнения водного объекта по функциональным и морфологическим показателям его обитателей или по экологическим характеристикам сообщества. Изменения, зарегистрированные методами биоиндикации, являются результатом уже состоявшегося ранее загрязнения [Киреева, Кабиров, Дубовик, 2007]. Таким образом, использование комплексного (биоиндикация + биотестирование) подхода позволяет оценить реальный уровень загрязнения среды токсикантом.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационного исследования— определить индивидуальные и популяционные показатели широко распространённых видов водных позвоночных для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить с помощью гидрохимического анализа уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон.

2. Оценить показатели стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася из различных рукавов р. Дон.

3. Дать интегральную оценку состояния биотопов в дельте р. Дон с помощью видов-биоиндикаторов.

4. Экспериментальным путём оценить динамику основных физиологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефтяного загрязнения.

5. Установить изменения параметров раннего онтогенеза озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти.

6. Определить пороговые, эффективные и летальные концентрации нефти для водных позвоночных.

Научная новизна. Впервые определены особенности влияния нефти на клеточном, организменном и популяционном уровнях организации водных позвоночных животных. Установлена динамика гематологических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти различных концентраций. По показателям перекисного окисления липидов определён уровень окислительного стресса органов озёрной лягушки. Впервые установлены показатели бионакопления нефти в различных органах озёрной лягушки. Выявлены особенности раннего развития водных позвоночных в растворах нефти различных концентраций. Впервые изучено состояние (уровень; нефтяного загрязнения) южных рукавов дельты р. Дон. Установлены показатели флуктуирующей асимметрии серебряного карася и озёрной лягушки, обитающих в устье р. Дон, и их связь с уровнем нефтяного загрязнения данной акватории. Дифференцированы адаптивные ' и патологические процессы, происходящие под влиянием нефти различных концентраций на клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Теоретическая и практическая значимость результатов.

Предложена система мониторинга динамики экологического состояния рек с использованием половозрелых особей двух широко распространённых пресноводных видов позвоночных — озёрной лягушки и серебряного карася. В эксперименте установлены изменения основных цитогематологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти различных концентраций. Рассмотрены особенности развития головастиков озёрной лягушки в растворах нефти. Выявлены адекватные показатели, определяющие уровень нефтяного загрязнения биотопов.

Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедр зоологии, водных биоресурсов и аквакультуры ГОУ ВПО КубГУ, а также при проведении мониторинговых исследований лабораториями КрасНИИРХ, АзНИИРХ и ФГУ «Ростовский референтный центр Россельхознадзора».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Нефтяное загрязнение оказывает на водных позвоночных животных дозозависимое воздействие на клеточном и организменном уровнях.

2. Изменения стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася в устье р. Дон происходят под влиянием нефтяного загрязнения.

3. Индивидуальные характеристики озёрной лягушки, такие как уровень бионакопления нефти, гематологические показатели, скорость перекисного окисления липидов могут быть использованы для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

4. Озёрная лягушка адаптируются к концентрациям нефти <1 ПДК на. всех стадиях онтогенеза, к концентрациям 1—10 ПДК адаптируются взрослые особи, в концентрациях >10 ПДК у лягушки отмечены только патологические процессы.

Личный вклад соискателя. Автор в 2008—2010 гг. лично провёл полевые исследования в основных притоках устья р. Дон. Все работы, связанные с камеральной обработкой полевого материала, с постановкой и проведением экспериментов и интерпретацией полученных данных, а также с написанием текста диссертации, осуществлены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в сборе материала, написании и подготовке публикаций составляет 40—100 %.

Апробация и публикации. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях различных уровней, в том числе: на XXI, XXII, XXIII Межреспубликанских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», г. Краснодар, 2008— 2010 гг.; на Международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований — 2009», г. Одесса, 2009 г.; на V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009 г.; на Международной научно-практической конференции «Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора», г. Туапсе, 2010 г.; X Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология), Ростов-на-Дону, 2010 г.; VII Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений в науке, технике и экологии», Туапсе, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 21 рисунком, 17 таблицами. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы, в котором приведено 189 источников, в том числе 19 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Кармазин, Антон Павлович

выводы 1 I !

1. Максимальный уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон в период исследований составлял 0,31 мг/л (6,2 ПДК), а средние величины колебались в пределах 0,03—0,09 мг/л, что соответствует 0,6—1,8 ПДК.

2. Биоиндикация тех же водотоков по показателям флуктуирующей асимметрии меристических признаков озёрной лягушки и серебряного карася I свидетельствует о глубоких нарушениях стабильности развития, оцениваемых 4—5 баллами по шкале отклонений. I

3. Концентрации нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л вызывают I смертность 60—100 % головастиков озёрной лягушки. Головастики 46-й стадии развития (хорошо развитые задние конечности) и 57-й- стадии развития (хорошо развитые передние конечности) в различных вариантах опыта меньше контрольных на 10,7—11,9 мм. Наступление данных стадий происходит позже, чем в контроле на 6—19 и 7—13 дней соответственно.

4. Под действием концентраций нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л у I озёрной лягушки отмечен дозозависимый эритроцитоз и возрастание количества гемоглобина (в 1,1—1,5 раз), а также увеличение количества I микроядер в эритроцитах (в 3,0 раза). На фоне общей лейкопении (в 1,2—1,8 раз) достоверно увеличивается относительное число лимфоцитов и| палочкоядерных нейтрофилов при снижении количества моноцитов и сегментоядерных нейтрофилов и полном исчезновении базофилов и эозинофилов.

5. Под действием нефти в концентрации 0,05 мг/л максимальная интенсивность процессов ПОЛ отмечена в сердце озёрной лягушки I

650,0 мМолъ О/кг), в концентрации 0,5 мг/л — в почках (500,0 мМоль О/кг). Минимальная интенсивность ПОЛ в обоих случаях характерна для тонкого кишечника (43,6 и 75,0 мМолъ О/кг). ! 1 интенсивно накапливают нефть лёгкие, почки и гонады (26,1—49,3 мг/кг), а I при концентрации в 0,5 мг/л — только почки (38,8 мг/кг). Уровень кумуляции нефти в печени озёрной лягушки минимален во всех вариантах опыта и составляет 4,7—10,0 мг/кг. | 1

7. Концентрация нефти 0,01 .мг/л является для водных позвоночных пороговой, концентрации в пределах 0,01—0,5 мг/л (0,2—10 ПДК) оказывают токсический эффект на взрослых особей водных позвоночных, при этом максимальная из изученных концентраций (0,5 мг/л) — летальна для личинок водных позвоночных. I I I

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нефть является комплексным токсикантом сложного строения. Обычно в момент поступления в водоём большая часть нефтепродуктов сосредоточена в плёнке. Затем происходит перераспределение между её основными формами, направленное в сторону повышения доли растворённых, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов. Последние являются наиболее опасными, т. к. служат источником хронического загрязнения водоёма нефтью в течение длительного времени с

I > I момента ее попадания в воду. I

Влияние нефтяного загрязнения на водных позвоночных проявляется в, изменении их индивидуальных и популяционных характеристик, таких как выживаемость личинок, темпы их роста и развития; гематологические и биохимические показатели взрослых особей; содержание углеводородов в органах и тканях. В зависимости от концентрации нефти эти изменения могут быть как адаптивными, т. е. позволять выживать в конкретных^ условиях, так и патологическими, т. е. приводить к гибели.

Динамика некоторых гематологических показателей являетря, специфичной для действия нефти. Так, только после пребывания | в растворах нефти у озёрных лягушек была обнаружена лейкопения, а также, отсутствие двух типов лейкоцитов гранулоцитарного ряда — базофилов и эозинофилов. Указанные изменения гематологических показателей озёрной лягушки могут быть использованы для достоверного и достаточно просто проводимого определения наличия нефтяного загрязнения воды. Так, в крови взрослых озёрных лягушек при действии нефти в пределах 0,2—10 ПДК наблюдаются различные изменения в количестве и морфологии клеток. Из них лимфоцитоз, эритроцитоз, увеличение кислородной ёмкости крови являются адаптивными, а моноцитопения, сдвиг нейтрофилов влево, исчезновение базофилов и эозинофилов -1—, патологическими.

В условиях загрязнения среды адаптивную ценность, приобретают перестройки организма, связанные с их способностью повышать уровень метаболизма для соответствующего повышения уровня их жизнеспособности I

Моисеенко, 2000]. Так, изменение скорости перекисного окисления липидов под действием сравнительно низких концентраций нефти (<1 ПДК), можно! отнести к адаптивным механизмам, увеличивающим выживаемость озёрной лягушки, а более высокие концентрации нефти (10 ПДК) угнетают перекисные процессы в клетках и оказывают патологическое воздействие на организм земноводных.

Накопление нефти в органах озёрной лягушки свидетельствует о специфичности этого процесса по сравнению с другими поллютантами. Так, отмечено отсутствие значимого вклада печени в процессы накопления | и детоксикации нефти. Основная роль в кумуляции углеводородов нефти принадлежит почкам. 1 !

На личиночных стадиях развития в растворах нефти у головастиков озёрной лягушки, как и у личинок рыб, отмечены увеличение смертности, замедление темпов роста и развития. Однако имеются и отличия — у личинок рыб наблюдались различные аномалии, тогда как у личинок земноводных их не отмечено. О. А. Пястолова [1985] отмечала проявление, однотипных неспецифических реакций головастиков земноводных под действием разных токсикантов, это увеличение личиночной смертности, вариабельности размеров тела и сроков развития. Под действием нефти также увеличивается смертность головастиков, однако вариабельность скорости роста и развития не' меняется по сравнению с контрольными особями.

Н. М. Акуленко [2006] считает, что основной отбор на выживаемость у водных позвоночных происходит на стадиях раннего онтогенеза. Выжившие особи могут впоследствии существовать в условиях хронического загрязнения среды токсикантами, в том числе и нефтью.

Сдвиг равновесия между адаптационными и патологическими процессами, происходящий в организме водных позвоночных в ту или иную I

127 ' сторону, зависит от концентрации нефти в воде. При действии низких концентраций нефти (специфичных для отдельных видов позвоночных гидробионтов) на организменном и популяционном уровнях преобладают адаптивные процессы, а при более высоких — патологические.

Определение уровня нефтяного загрязнения рукавов устья р. Дон с помощью химико-токсикологического анализа свидетельствует ^ о сравнительно невысоком уровне содержания нефтепродуктов в воде —1 в пределах до 5,6 ПДК, а средние величины этого показателя соответствуют, 1—1,8 ПДК и в донных илах — 0,4—3,6 ПДК.

Биоиндикация нефтяного загрязнения по показателям флуктуирующей асимметрии позвоночных гидробионтов показала достаточно сильное влияние нефтепродуктов на гидробионтов рукавов устья р. Дон, выражающееся в достаточно глубоких нарушениях стабильности развития, I как озёрной лягушки, так и серебряного карася. Однако, устойчивые виды водных позвоночных животных, такие как серебряный карась и озёрная лягушка, могут поддерживать своё существование на всех этапах онтогенеза I в данных условиях. 1 ,

128 I

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кармазин, Антон Павлович, Краснодар

1. Айвазян Н. М. Использование биофизических методов в современной герпетологии / Н. М. Айвазян // Современная герпетология. 2008. Т. 8, вып. 1. С. 3—9.

2. Абдуллаева Н. М. Цитогематологическое исследование рыб при воздействии тяжёлых металлов и сырой нефти / Н. М. Абдуллаева: автореф. ' ¡дис. . канд. биол. наук. Махачкала, 2007. 22 с. <i ¡

3. Акуленко Н. М. Антропогенное загрязнение как специфический 1фактор отбора / Н. М. Акуленко // Современные проблемы популяционной ' !iэкологии: материалы 9 Междунар. науч.-практ. экол. конф., Белгород, 2—5 '!октября, 2006. Белгород, 2006. С. 7—8. ¡ ¡

4. Аленичев С. В. Картина крови при отравлении нефтепродуктами /

5. С. В. Аленичев // Современные проблемы водной токсикологии. Борок, 2002. ' ' !1. С. 28—29. ! !i ¡

6. Бабаев X. Ф. Влияние сырой нефти на накопление продуктов ! \ перекисного окисления липидов и изменения активности АТФазных ' ферментов в тканях мышц карпа (Cyprinus carpió L.) / X. Ф. Бабаев,

7. М. И. Джабаров // Современные проблемы биологических ресурсов

8. Каспийского моря: материалы Междунар. конф., посвящ. 90-летнему юбилеюi

9. Азерб. НИИ рыб. хоз-ва. Баку, 15—17 сентября 2003 г. Астрахань, 2003. С. 104—108. I i

10. Безель В. С. Изменчивость популяционных параметров: адаптация к токсическим факторам среды / В. С. Безель, В. Н. Позолотина, Е. А. Вельский, Т. В. Жуйкова // Экология. 2001. № 6. С. 447—453.

11. БеловаЯ. В. Эколого-гистологическое исследование печени озёрной лягушки (Rana ridibunda) в условиях естественного обитания и при экзотоксикозе / Я. В. Белова, Ю. В. Алтуфьев, Н. С. Алтуфьева //

12. Естественные науки. 2008. № 1 (22). С. 37—41. I ,

13. Ю.Белюченко И. С. Содержание нефтепродуктов в водах рекреационной зоны Черноморского побережья / И. С. Белюченко, Д. А. Пирогов //' Экологические проблемы Кубани. Краснодар, 2007. № 33. С. 158—163.

14. П.Болотников А. М. Влияние физико-химического состава воды на жизнедеятельность амфибий / А. М. Болотников, JI. Л. Мажерина // Вопросы герпетологии: автореф. докл. 6 Всесоюзн. герпетол. конф. Ташкент, 18—20" сентября 1985 г. Л., 1985. С. 34.

15. Булгаков Н. Г. Индикация состояния природных экосистем инормирование факторов окружающей среды. Обзор существующихiподходов / Н. Г. Булгаков // Успехи современной биологии. 2002. Т. 122, №12. С. 115—135. ; i

16. Бутаев А. М. Каспий: статус, нефть, уровень/ А. М. Бутаев. Махачкала, 221 с.

17. Вартапетов Л. Г. Воздействие нефтегазобычи и урбанизации на сообщества мелких наземных позвоночных / Л. Г. Вартапетов, В. А. Юдкин // Успехи современной биологии. 1998. Т. 118, № 2. С. 216—226. ,

18. ВафисА. А. Реакция крови озёрной лягушки Rana ridibunda Pal. навоздействие сточных вод сахарных заводов / А. А. Вафис, Т. Ю. Пескова) //ii