Чувствительность почвенных энхитреид (Oligochaeta, Enchytraeidae) к поллютантам различной природы

Горшкова, Ирина Алексеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Чувствительность почвенных энхитреид (Oligochaeta, Enchytraeidae) к поллютантам различной природы
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Чувствительность почвенных энхитреид (Oligochaeta, Enchytraeidae) к поллютантам различной природы"

На правах рукописи 005052355

ГОРШКОВА ИРИНА АЛЕКСЕЕВНА

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ЭНХИТРЕИД (О^ос/юеГа, ЕпсНуиаййае) К ПОЛЛЮТАНТАМ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

Специальность 03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 2013

1 я апр гт

005052355

Работа выполнена в лаборатории экологических функций почв Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Научный руководитель: Терехова Веря Александровна,

доктор биологических наук, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

Официальные оппоненты: Ганин Геннадий Николаевич

доктор биологических наук Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, ведущий научный сотрудник

Рахлеева Анна Алексеевна

кандидат биологических наук Московский государственный университет им. МВ. Ломоносова, факультет почвоведения, старший преподаватель

Ведущая организация: Федеральное бюджетное учреждение науки «Научно-

исследовательский центр токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов» Федеральное медико-биологическое агентство Российской Федерации (ФГБУН НИЦ ТБП ФМБА России).

Защита диссертации состоится «16» апреля_2013 г. в 15 ч. 30 м.часов в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ им. Ломоносова по адресу:119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. Ломоносова, факультет почвоведения.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ им. Ломоносова.

Автореферат разослан «15» марта 2013 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. Ломоносова, факультет почвоведения. Факс: (495)939-29-47, (495)939-21-47.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Алла Сергеевна Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время перспективным для оценки воздействия загрязняющих веществ на почвы и сопредельные среды считают «триадный» подход (TRIAD approach), основанный на интеграции данных химического анализа, биоиндикации природных сообществ и организмов (in situ) и биотестирования токсичности образцов (ex situ), определяемой по реакциям стандартизованных лабораторных тест-культур (Chapman, 1996; 2002; Dagnino et al., 2008; Amorim, 2013 и др.). Биологическим методам в оценке экологического риска загрязнений отводится особая роль, поскольку они позволяют установить биодоступность поллютантов. При этом лабораторное биотестирование относят к методам «опережающего» контроля. В краткосрочных экспериментах по реакциям чувствительных тест-организмов, среди которых в настоящее время преимущественно гидробионты, можно оценить биобезопасность сред до проявления видимых (индицируемых) изменений в природных сообществах (Воробейчик и др., 1997; Филенко и др., 2007; Терехова, 2007, и др.).

Интерес к почвообитающим беспозвоночным животным - энхитреидам как тест-организмам обусловлен относительной простотой культивирования. Энхитреиды предложены в странах ЕС для определения опасности индивидуальных соединений и синтезируемых химических веществ (Phillips, 1993; Römbke, 1995; Römbke, Moser, 1999; Filimonova, Pokarzhevskii, 2001; Didden, 2003). Чувствительность биотестов определяется пороговыми концентрациями реагирования тест-культур на действующее вещество. Она зависит от видовой принадлежности организмов. Пригодность энхитреид для оценки разных типов загрязнений почв исследована недостаточно. Мало данных о видовой чувствительности энхитреид и механизмах их устойчивости к токсикантам, о влиянии на эти процессы свойств разных типов почв, эффективности измерения стандартных тест-параметров при анализе субстратов, сорбирующих многообразные формы загрязняющих веществ. Биотестирование на основе реакций почвообитающих организмов - неотъемлемый элемент экологического контроля почв. Использование представителей педобионтов в разработке системы оценок экологического риска от различных загрязнений приобретает особое значение в условиях активизации процессов деградации почв, накопления токсикантов и их смесей, появления продуктов и отходов новых технологий.

В связи с этим актуальным представляется исследование чувствительности отдельных видов энхитреид к химическим веществам неорганической и органической природы, которые представляют потенциальную опасность при загрязнении почв в составе отходов производства и потребления.

Цель работы: определение чувствительности биотестов по реакциям почвообитающих беспозвоночных животных - энхитреид (Oligochaeta: Enchytraeidae) на загрязняющие почву химические вещества разной природы.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Выявить влияние тяжелых металлов (на примере кадмия) на выживаемость энхитреид и уровень его накопления в тканях двух видов -ЕпскуШеия сгурйсиь и ЕпскуШеия аШйиъ .

2. Охарактеризовать выживаемость энхитреид Епску1гаеш сгурНст при воздействии особо опасного азотсодержащего химического вещества несимметричного диметилгидразина (НДМГ) в воде и почве.

3. Оценить воздействие органических азотсодержащих отходов белковой природы и продуктов их разложения на выживаемость и размножение энхитреид Епску^аеия сгурйсиь.

4. Установить место энхитреид в ряду стандартизованных тест-культур разной таксономической принадлежности по чувствительности к поллютантам почв.

Научная новизна. Настоящая работа представляет первое сравнительное исследование видовой чувствительности энхитреид к поллютантам почв разной природы.

При анализе реакций двух видов - Епску^ает сгурЧст и Епску^аеш а1Ыс1и5 на загрязнение почв кадмием впервые установлена более высокая чувствительность ЕпсИуКаеиБ а1Ыс1и$. Полученные данные о динамике аккумуляции и экскреции кадмия в биомассе животных свидетельствуют о том, что в более мелких особях Епску1гаем- сгурНсиБ катионы Сё медленнее накапливаются и быстрее выводятся из организма при перемещении их в чистую почву, что может служить объяснением большей устойчивости этого вида.

Впервые продемонстрированы различия в чувствительности таких тест-параметров как выживаемость и размножение энхитреид при анализе поллютантов почв органической и неорганической природы. Доказано, что экспресс-анализ токсичности тяжелых металлов и азотсодержащих химических отходов (НДМГ) в почве можно проводить в краткосрочных экспериментах (96 ч.) на основе подсчета выживших особей, тогда как для оценки избыточного содержания азотсодержащих продуктов органической (белковой) природы целесообразно использовать показатель изменения прироста численности энхитреид в более продолжительной экспозиции (30 сут.). Получены экспериментальные подтверждения влияния почвенных свойств на проявление токсичности поллютантов.

Определено положение энхитреид в «батарее» стандартизованных тест-организмов, ранжированных по чувствительности к модельному токсиканту. Сравнение эффективных концентраций кадмия по отношению к микроводорослям, высшим растениям и ракообразным позволяет заключить, что чувствительность почвенных энхитреид высока. По этому показателю они уступают лишь представителям ракообразных (дафниям).

Практическая и теоретическая значимость. Результаты работы способствуют пониманию механизмов устойчивости энхитреид к поллютантам,

связанных с различной способностью особей разных размеров накапливать химические вещества.

Определены условия применения показателей выживаемости и изменения прироста численности особей при биотестировании почв, загрязненных разными видами поллютантов. Выводы о чувствительности энхитреид к органическим и неорганическим отходам могут быть использованы при разработке методики выполнения измерений (МВИ) токсичности почв при проведении экологического мониторинга. Полученные данные служат основой для расчета метрологических показателей метода лабораторного тестирования загрязненных почв по реакциям энхитреид. Текст методики и экспериментальные данные подготовлены для метрологической аттестации МВИ токсичности почв и отходов по реакциям энхитреид с целью последующего включения в Федеральный реестр МВИ и реестр природоохранных нормативных документов (ПНД Ф).

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены на конференции «Зоокультура и биологические ресурсы» (Москва, 2004), на 6 Международном симпозиуме по энхитреидам (Эстония, 2004), на Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2004), на Конференции молодых сотрудников и аспирантов Института проблем экологии и эволюции РАН «Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых» (Москва, 2004), на 16 Международном коллоквиуме по почвенной зоологии и экологии в Руане (Франция, 2004), на 11 Международной конференции аспирантов по эволюционной биологии (Франция, 2005), на 3 ежегодном совещании общества экотоксикологов SETAC в Кракове (Польша, 2012), Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» в МГУ (Москва, 2013).

Публикации результатов исследований.

По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 120 страницах текста, содержит 10 таблиц, 15 рисунков. Список литературы включает 210 наименований, из них 80 на английском языке.

Личный вклад автора. Соискатель принимал участие в постановке и решении задач исследования, в отборе и пробоподготовке почвенных проб, разработке схемы экотоксикологических экспериментов, в их проведении и анализе данных.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю - д.б.н. Тереховой В.А за ценные советы и рекомендации по представлению работы и обработке результатов исследования. Искренняя благодарность автора |проф. А.Д. Покаржевскому|, инициировавшему экотоксикологические исследования с использованием энхитреид в России и руководившему этими исследованиями на начальном этапе работы, к.б.н. К.Б. Гонгальскому, к.г.н. A.C. Зайцеву (ИПЭЭ РАН), к.б.н. Ж.В.Филимоновой (ТГПУ

им.Л.Толстого), к.б.н. П.П. Кречетову и к.г.н. Т.А. Королевой (географический факультет МГУ) за помощь и поддержку в период сбора экспериментальных данных. Автор благодарен коллегам: к.б.н. Т.А.Семеновой, к.б.н. Т.О. Попутниковой и всем сотрудникам лаборатории экотоксикологического анализа почв факультета почвоведения МГУ за помощь в организации исследования и проведении анализов.

Особая признательность автора заведующему лаборатории изучения экологических функций почв ИПЭЭ РАН академику Г.В. Добровольскому за пристальное внимание, постоянные консультации и общую поддержку работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы.

В обзоре представлен материал об истории почвенно-экотоксикологических исследований. Описаны критерии выбора биотических показателей при оценке негативного воздействия на экосистемы (Виноградский, 1952; Левич, 1980; Умаров, 1986; Звягинцев, 1987; Гузев, Левин, 1991; Круглов, 1991; Ананьева, 2003; Заварзин, 2003; Терехова, 2004, 2011; Кожевин, 2006; Опекунов, 2006; Kenega, 1978; Chapman, 1990; Cairns, 2005; Dagnino et al., 2008; Natal-da-Luz et al. 2012; Nováis et al., 2013 и др.).

Большое внимание уделено особенностям биологии энхитреид малощетинковым червям (Oligochaeta, Enchytraeidae), их значению для экологических исследований почв (Курт, 1961; Финогенова, 1977; Гиляров, Залесская, 1978; Гиляров, Криволуцкий, 1985; Филимонова, 1995; Nielsen, 1955; Huhta et al., 1967; Springett et al., 1970; Abrahamsen, 1972; Dunger, 1974; Solhoy, 1975; Healy, Böiger, 1984; Römbke, 1989, 1995; Castro-Ferreira et al., 2012).

Акцентируется внимание на необходимости разработки нормативных документов, регламентирующих применение биотестов на основе педобионтов для оценки экологической токсичности загрязненных почв (Терехова, 2004; Олькова, 2013).

Глава 2. Материалы и методы исследования

Энхитреиды

В работе исследованы два вида - энхитреид: Enchytraeus crypticus (Westheide, Graefe, 1992) и Enchytraeus albidus (Henle, 1837). Культура E. albidus получена в 1994 г. из лаборатории известного экотоксиколога Йорга Ромбке (Германия) Этот вид широко распространен в природе, особи имеют длину тела 21-37 мм. Культура Е. crypticus выделена в лаборатории биоиндикации ИПЭЭ РАН из материала, полученного из Института почвенной биологии (Чехия, Ческе-Будейовице) и поддерживается в лаборатории изучения экологических функций почв ИПЭЭ РАН. Особи вида Е. crypticus беловатые или желтоватые с хорошо выраженной сегментацией. По размерам они значительно (в 1,5-2 раза) мельче особей вида Е. albidus. Животные культивировали в лабораторных условиях при комнатной температуре во влажной искусственной почве (ИС011268-1). Для кормления лабораторной культуры использовали овсяные хлопья.

Поллютанты

Кадмий хлорид (С(Ю2), относящийся к загрязняющим веществам 1-го класса опасности (Сборник нормативных актов, 1996), использовали в качестве модельного токсиканта в лабораторных экспериментах. Испытуемые концентрации кадмия - О (контроль), 5, 25, 50 и 250 мг/кг вносили в виде водных растворов в почвы.

НДМГ (несимметричный диметилгидразин, гептйл), относящийся к азотсодержащим химическим веществам 1-го класса опасности и представляющий собой наиболее токсичный компонент ракетного топлива, изучали при действии водных растворов и в загрязненной почве.

Азотсодержащие вещества белковой природы исследовали в лабораторных экспериментах при сравнении чувствительности разных тест-функций энхитреид. В качестве модельных загрязняющих веществ этой группы рассматривались соединения белковой природы и продукты их распада. Исследовали чувствительность энхитреид к образцам искусственной почвы, загрязненной белками - бычим сывороточным альбумином (БСА), бактериальным пептоном (БП) и продуктами их гидролиза -аминокислотами: метионином (М) и триптофаном (Т). Почвенные субстраты.

Исследование проводили на образцах нескольких типов природных почв и стандартной искусственной почвы.

Образцы природных почв отбирались из верхних горизонтов А1 (0-5 см) в нескольких регионах. В таблице 1 представлены описания участков отбора образцов и некоторые их характеристики.

Таблица 1. - Основные характеристики почв, используемых в экспериментальной работе (по данным А.Д.Кондратьев и др., 2007)

Регион Место отбора образцов Горизонт рн Гумус, % Ил, % Физ.глина, %

Московская область, Сергиев Посадский район Южно-таежная зона на водораздельной поверхности, под березово-еловым с участием сосны злаково-широкотравно-кисличным лесом на дерново-среднеподзолистой среднесуглинистой почве А1. 0-5 см 4,5 3,8 9,79 29,99

Центральный Казахстан Зона северных пустынь под полынно-кокпековой растительностью на песчаной пустынной почве А1. 0-5 см 7,8 2,2 0,74 3,92

Центральный Казахстан Зона северных пустынь под солянково-тасбиюргу новой растительностью на серо-бурой пустынной легкосуглинистой почве А1. 0-5 см 8,3 3,1 2,06 18,90

Тестируемый субстрат освобождали от корней и других органических остатков, высушивали при температуре 30 °С, просеивали, использовали навески почв с частицами размером 0,25-2 мм.

Искусственная почва (модельный почвогрунт, МПГ) была изготовлена в соответствии с международным стандартом ИСО 11268-1. Состав МПГ: 70 % по весу тонкий силикатный песок (не менее 50 % частиц около 0,1 мм; 20 % каолиновая глина (70 % каолинита); 10 % перемолотый хорошо разложившийся сфагновый торф (размер частиц менее 2 мм). Почвогрунт такого состава применяется для разработки регламентов содержания вредных веществ, в частности, предельно допустимых концентраций пестицидов, а также для анализа или сравнения почв под влиянием различных видов механической обработки (Фомин, 2002). МПГ по основным свойствам значительно однороднее любой природной почвенной разности, что позволяет решить ряд важных проблем, возникающих обычно при проведении агрохимического опыта: минимизировать влияние неоднородности почвенного покрова; значительно повысить репрезентативность получаемых результатов; минимизировать зависимость результатов от истории участка. Методы.

Физико-химический анализ. Определяли рН почвы до и после эксперимента в вытяжке 1 M растворе КС1 и в водной вытяжке потенциометрическим методом, максимальную влагоудерживающую способность, потери при прокаливании. Анализ содержания хлорида кадмия в почве и животных проводили с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии. В ряде экспериментов оценивали дополнительно эмиссию С02 на газовом хроматографе модели Кристаллюкс 4000М с детектором по теплопроводности (Методическое руководство, 1991). Результаты анализа обрабатывались в компьютерной программе NetChrom for Windows 2.0.

Экотоксикологический анализ (биотестирование). Оценку токсичности загрязненных субстратов проводили по эффективным концентрациям (effective concentration - ЕС), вызывающим отклонение тест-параметров лабораторных культур от контроля в соответствии с общепринятыми методиками биотестирования. Виды и характеристики биотест-систем приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Биотест-системы на основе реакций организмов разной таксономической принадлежности, использованные для сопоставления чувствительности энхитреид

Тест-культуры Тест-функция Время экспозиции Методика выполнения измерений

Высшие растения всхожесть 96 ч ISO 11269-1

горчица белая Sinapis alba длина корней 96 ч ISO 11269-1

Микроводоросли изменение прироста 72 ч ФР.1.39.2007.03

сценедесмус Scenedesmus численности клеток

quadricauda 223

Ракообразные дафнии Daphnia magna смертность 96 ч ПНДФТ 14.1:2:4.12-06

Беспозвоночные животные выживаемость. 14, 30 сут

энхитреиды изменение прироста ISO 16387

Enchytraeus albidits и численности

Enchytraeus crypticus

Процедура биотестирования на энхитреидах.

Подготовленный субстрат вносили в небольшие пластиковые контейнеры, куда помещали выборку из расчета 10 или 20 особей животных на 10 г субстрата, выдерживали в термошкафу при 20 °С 14 или 30 сут. Еженедельно контролировали влажность почвы. По окончании экспозиции проводили 24-часовую выгонку животных. Подсчет животных проводили в воде. Для этого субстрат, перемещенный в сито, погружали в воду, либо (для учета молодых особей) обрабатывали спиртовым раствором с красителем (на 10 мл спирта добавляли по 2-3 капли 1%-ного спиртового раствора бенгалроз). Результаты рассчитывали как среднее значение из трех повторностей (Методическое руководство, 2003). При исследовании динамики выживаемости и накопления кадмия в животных на каждый из семи дней отбора проб ставили 3 повторности.

Пробы для анализа накопленного животными и остаточного содержания кадмия в почве отбирали через 1,2,4,7,9,11 и 14 сут. экспозиции в загрязненной почве. Исследуемый материал высушивали при температуре 105 °С. Оценку экскреции кадмия из тела животных (элиминацию кадмия в биомассе энхитреид) проводили с таким же интервалом после перемещения животных из загрязненного субстрата в чистую почву. Содержания кадмия в образцах почв и биомассе животных оценивали с помощью масс-спектрометра.

При оценке выживаемости энхитреид под воздействием НДМГ применяли модификацию стандартной методики ISO 16387. Работа проводилась с соблюдением мер предосторожности в специально оборудованной лаборатории.

Токсичность водных растворов НДМГ оценивали в широком диапазоне концентраций 0-25000 мг/л в чашках Петри. Для этого энхитреид пересаживали в чашки Петри из расчета 10 энхитреид на каждые 15 мл раствора НДМГ с испытуемыми концентрациями - 0 (контроль), 1,5,10,50,100,500,1000,5000,10000, 25000 мг/л. Через 24 часа подсчитывали количество выживших животных и рассчитывали процент выживаемости (как среднее значение 3-х повторностей).

Токсичность НДМГ в почве оценивали в образцах, отобранных на экспериментальных участках, предварительно обработанных различными дозами НДМГ: 600 г/м 2 (высокая степень загрязнения), 60 г/м2 (средняя), 6 г/м2 (низкая). Одну площадку на каждом участке использовали в качестве контроля.

Оценку реакции энхитреид Е. crypticus на воздействие органических отходов проводили в следующем диапазоне вносимых концентраций веществ: 1,0; 1,8; 3,2; 5,6 и 10,0 мг/г почвы. Белки или аминокислоты вносили по отдельности в сухую почву и

распределяли в стаканы по 10 г. Субстрат доводили до 60%-ной влажности от максимальной влагоудерживающей способности. В каждый стакан вносили по 10 взрослых энхитреид. После 2-х недель эксперимента взрослых животных удаляли, а через 4 недели контейнеры заливали 10 мл спирта и добавляли по 2-3 капли 1%-ного спиртового раствора бенгалроз. Через сутки подсчитывали количество окрашенных молодых животных.

Токсикометрические параметры рассчитывали с помощью пробит-анализа (Платонов, Ахалая, 2006). ЕС ¡о - концентрация токсиканта, при которой отклонение значений тест-параметра (например, снижение числа особей) от контроля составляет 20 %; ЕС so - такая концентрация, которая вызывала, соответственно, 50 %-ное уменьшение исследуемого параметра по сравнению с контролем.

Статистическую обработку проводили с использованием программ MS Office, Statistica 6.0, ProbitAnalysis, NetChrom for Windows 2.0.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ !. Чувствительность энхитреид Е. albidus и Е. crypticus к действию тяжелых металлов (на примере кадмия).

1.1. Влияние кадмия (CdCI2) на выживаемость энхитреид..

При анализе выживаемости энхитреид Е. albidus в искусственной почве (МПГ), загрязненной кадмием CdCl2(Cd 0, 5, 25 и 50 мг/кг)_ установлено, что при повышении концентрации поллютанта в почве количество выживших энхитреид закономерно снижается.

Действующая концентрация кадмия ЕС20, вызывающая гибель 20 % особей и более, равнялась к концу острого опыта (согласно ИСО - 14 сут.) 5 мг внесенного кадмия на кг искусственной почвы, что соответствует уровню гигиенических ПДК (валовому содержанию Cd ПДК в гигиенических нормативах европейских стран, по Ильину, 1991). Гибель 90 % выборки особей (ЕС90) вызывала концентрация 50 мг/кг почвы.

Динамика выживаемости двух видов энхитреид. Анализ временной динамики гибели энхитреид двух видов под действием Cd (концентрация 5 мг/кг) показал различия в чувствительности животных вида Е. albidus и вида Е. crypticus. Из полученных данных следует, что чувствительность вида Е. albidus достоверно выше по сравнению с Е. crypticus. Процент выживших особей Е. albidus в выборке на 14 сутки - 80 %, тогда как для вида Е. crypticus этот показатель равен 93,5 %.

Сравнительный анализ двух исследуемых видов по динамике гибели особей в период двухнедельной экспозиции подтверждает более высокую чувствительность Е. albidus. ЕС20 кадмия по отношению к Е. albidus зафиксирована уже на 7 сутки, в то время как ЕС20 для Е. crypticus отмечалась за пределами острого опыта (краткосрочная экспозиция 14 сут.) (рис.1).

Дни отбора проб

Рис.1. Динамика гибели энхитреид Е. а/Ыс/ия и Е. сгурИсиз в период 2-х недельной

экспозиции при [Сс1] 5 мг/кг почвы. Данные дисперсионного анализа: для Е. ЫЫс1из

Р=5,5; р=0.00411; для Е.сгурпсиа Р=1,05; р<0.4325.

Таким образом, оба вида обнаружили высокую чувствительность к присутствию кадмия в почве по показателю выживаемости за краткосрочный период экспозиции (14 сут.). При этом, однако, заметны видовые различия, которые возможно, связаны с особенностями поглощения токсиканта животными разных видов.

1.2. Биоаккумуляция кадмия разными видами энхитреид

На следующем этапе работы проведено сравнение двух видов по поглотительной способности и накоплению кадмия в теле животных.

Исследование биоаккумуляции подтвердило четкие видовые различия по этому показателю. Так, на 1 сутки концентрация токсиканта в Е. а1Ы(1и$ составила 0,14 мг/кг биомассы, а на 14 сутки - 0,54 мг/кг. Максимальное содержание кадмия в особях вида Е. сгурНсиз достигало 0,12 мг/кг, для Е. а1Ы(1и$ этот показатель составил 0,54 мг/кг (рис.2).

Дни отбора образцов

Рис. 2. Динамика накопления кадмия в массе тела энхитреид, экспонировавшихся в загрязненной почве (при внесении Сс1 5000 мкг/кг). Данные дисперсионного анализа для £.а/Шг«Р=743,46;р=0.0000; для Е.сгурЧсш Р=202,30; р<0.0000.

Различия в показателях биоаккумуляции токсиканта исследуемыми видами энхитреид могут быть обусловлены как особыми физиологическими механизмами, противодействующими накоплению токсиканта в теле животных при увеличении антропогенной нагрузки, так и более очевидными факторами, в частности, различиями в соотношении площади поверхности и массы тела у мелких (Е. сгурЧсш) и более крупных (Е. а1Ыс1и.ч).

В серии экспериментов проведено специальное исследование динамики экскреции кадмия из организмов энхитреид. После перемещения выживших энхитреид из загрязненной почвы в чистую через определенные интервалы времени измеряли остаточное содержания вещества в животных. Выявлены достоверные различия в скорости освобождения от токсиканта у разных видов энхитреид. Большей способностью к очищению своих тканей от кадмия характеризовались мелкие особи вида Е. сгурИсия. Так, в теле Е. сгурИсих на 10 сутки экспозиции оставалось лишь 14,3 % от ранее накопленного вещества, а у Е. а1Ыс1ш 35,3 % .

Возможно, именно механизмом более интенсивного выведения кадмия из организмов относительно более мелких особей Е. сгурйст можно объяснить большую устойчивость этого вида к действию токсиканта. Не исключено влияние физиологических механизмов, которые могут так же противодействовать увеличению концентрации токсиканта при увеличении антропогенной нагрузки.

2. Выживаемость энхитреид Е. сгурЧсш при воздействии азотсодержащего химического соединения - несимметричного диметилгидразина (НДМГ).

2.1. Оценка чувствительности энхитреид вида Е. crypticus к водным растворам НДМГ.

Детальный анализ экологических эффектов высокотоксичного несимметричного диметилгидразина (гептила), который поступает при штатной эксплуатации ракетно-космической техники в почву представляет большой интерес для водных и наземных объектов.

В наших исследованиях экспериментально установлено, что токсическое влияние водного раствора проявляется уже при концентрации НДМГ 10 мг/л. Концентрация 1000 мг/л является абсолютно губительной для животных, и смертность составила 100 %, ЕС50- 150 мг/л (рис. 3)

Концентрация, мг/л

Рис.3. Выживаемость энхитреид в водном растворе НДМГ различной концентрации через 24 ч.

2.2. Оценка чувствительности энхитреид в вытяжках из пустынных почв Казахстана, загрязненных НДМГ.

Почвы Центрального Казахстана с наибольшей вероятностью подвергаются риску загрязнения ракетным топливом и гептилом (НДМГ). Для исследования ответных реакций энхитреид на действие НДМГ были выбраны две почвы, различающиеся, в первую очередь, по гранулометрическому составу - пустынная песчаная и пустынная легкосуглинистая почва (табл.1).

Полученные экспериментальные данные позволяют говорить о том, что свойства почв оказывают влияние на степень токсичности для энхитреид. Оценка влияния токсиканта в вытяжках из образцов, представляющих собой по физическим свойствам легкий суглинок и песок, показала, что 100 % смертность в первом образце была зафиксирована при концентрации 80 мг/л, во втором (песок) - 20 мг/л (рис. 4).

О 20 80 150 200 400 10 40 100 170 300 500 Концентрация, мг/л Легкий суглинок (1)_ Песок (2)-------------

Рис.4. Выживаемость Е. crypticus в вытяжке из образцов двух почв Казахстана, загрязненных НДМГ Данные дисперсионного анализа: для 1 - F=58,57;p=0.0000 , для 2 - F=36,41; р=0.0000.

Иными словами, в песчаной почве загрязняющее вещество обнаруживает больший токсический эффект по отношению к тест-культуре Е. crypticus . Таким образом, подтверждено положение о том, что гранулометрический состав почв во многом влияет на степень токсичности поллютантов.

2.3. Оценка чувствительности энхитреид к действию НДМГ в дерново-подзолистой почве Подмосковья.

Специальные исследования проведены при загрязнении почв в полевых условиях в естественных лесных биоценозах Московской области. Были проанализированы образцы дерново-подзолистой почвы, отобранные на пробных площадках, искусственно загрязненных различными концентрациями НДМГ (600 г/м2, 60 г/м2, 6 г/м2) (в районе Сергиева Посада).

Лабораторные биотесты показали, что выживаемость Е. crypticus колебалась в пределах 13,3-34,2 % и была максимальной через 3 суток после внесения НДМГ. В течение 10 суток после внесения НДМГ отмечали дальнейшее снижение выживаемости Е. crypticus (рис. 5).

о-----.-.-31 3 день

о 6 60 600 ^ зо день

Концентрация, мг/м 2 3: 10 день

Рис.5. Выживаемость особей Е. сгурНсш при действии НДМГ в дерново-подзолистой почве. Данные дисперсионного анализа 3 день Р= 19,96 ;р=0.0000; 10 день Р=42,48; р<0.0000; 30 день Р=29,27; р<0.0000.

Число живых энхитреид существенно снижается при экспозиции в почвах, загрязненных даже самыми малыми дозами НДМГ. Интересно, что наименьшая выживаемость энхитреид наблюдалась в образцах, которые отобраны через 10 дней после внесения токсиканта в почву, что может быть связано с влиянием продуктов разложения НДМГ. В образцах почв, отобранных через 30 дней после внесения НДМГ, погибших особей энхитреид было несколько меньше по сравнению с образцами с 10 суточной экспозицией токсиканта.

Таким образом, энхитреиды показали высокую чувствительность к действию химических органических соединений (НДМГ). Проявление токсического действия токсиканта зависит как от времени экспозиции, так и свойств почвенных образцов.

3. Исследование чувствительности Е. сгурйсиш к азотсодержащим веществам органической (белковой) природы.

В широком спектре отходов производства и потребления важное место занимают вещества, относящиеся к группе азотсодержащих органических соединений. Их влияние, несомненно, сказывается на выживаемости почвообитающих организмов. Как показали ранее проведенные исследования, под руководством д.б.н. А.Д. Покаржевского, в результате загрязнений почвы органическими веществами (белоксодержащими отходами БСО) подавляется естественная почвенная биота, меняется соотношение между отдельными группами микроорганизмов и в целом изменяется направление метаболизма, приводящее к нарушению естественных процессов самоочищения (Покаржевский, 1985).

В контексте настоящей работы представлялось целесообразным рассмотреть данные о выживаемости и размножении животных в образцах почв, загрязненных

веществами белковой природы и продуктами их разложения. Особый интерес исследование биобезопасности подобных продуктов в почвах представляет в эпоху широкого распространения биотехнологий.

Анализировали 2 тест-функции энхитреид (выживаемость и изменение прироста численности) в образцах, содержащих разные концентрации азотсодержащих соединений - белков и аминокислот (1,0; 1,8; 3,2; 5,6 и 10,0 мг/г почвы).

3.1. Оценка влияния белков и аминокислот на выживаемость Е. сгурист._

Бактериальный пептон (БП), бычий сывороточный альбумин (БСА) и триптофан не вызывали токсический эффект у животных вида Е. сгурИсш (выживаемость выше 80 % от контроля); ЕС50 для них равна 58,17 (1,05^-2,37), 60,63 (1,02-^2,54) и 0,10 (-1,89-Ю,И) мг/г, соответственно. При этом желатинав концентрации 10 мг/г токсичен: выживаемость составила 77,5 % от контроля, ЕС!0=2Ъ,9\ (0,88-И,86) мг/г.

Метионин во всем диапазоне исследованных концентраций является токсичным для взрослых особей энхитреид. Токсический эффект усиливается с увеличением концентрации аминокислоты. Полуэффективная концентрация метионина составляет ЕС50= 16,96 (0,97-И,49) мг/г (табл.3).

Таблица 3 - Выживаемость и прирост численности Е. сгурИсш в зависимости от концентрации белков и аминокислот в почве, % от контроля._

Вещество Показатель Концентрация, мг/г

0 1 1,8 3,2 5,6 10

БП выживаемость 100 97,5 92,5 92,5 100 100

прирост 100 50,0 277,8 450,0 238,9 22,2

численности

БСА выживаемость 100 100,0 95,0 97,5 87,5 85,0

прирост 100 515,6 382,2 193,3 191,1 68,8

численности

Желатин выживаемость 100 100,0 97,5 100,0 80,0 77,5

прирост 100 111,9 149,2 83,1 76,3 64,4

численности

Метионин выживаемость 100 70,0 60,0 62,5 55,0 55,0

прирост 100 75,3 64,9 48,1 44,2 18,2

численности

Триптофан выживаемость 100 100,0 92,5 92,5 97,5 100

прирост 100 167,5 157,1 185,7 106,5 7,8

численности

Примечание: курсивом выделены концентрсп\ии, вызвавшие токсический эффект

3.2. Оценка влияния белков и амийокислот на размножение Е. сгурИст.

Изучение реакций энхитреид на присутствие избыточного количества в почвах белковых компонентов и продуктов их разложения, показало, что, несмотря на то, что эти вещества могут быть отнесены к короткоживущим поллютантам, на

протяжении 30 сут. можно зафиксировать их отрицательное воздействие на прирост численности животных. Так, метионин оказывал токсический эффект во всем диапазоне вносимых концентраций. Внесение БП, БСА, триптофана и желатина - 5,6 и 10 мг/г подавляло размножение животных Е. сгурЧсиБ. Следовательно, энхитреиды позволяют оценить риск от попадания в почву короткоживущих поллютантов, к которым относятся белки и аминокислоты.

Таким образом, для биотестирования токсических эффектов этой группы веществ более пригоден показатель прироста численности молодых особей, т.е. более продолжительная экспозиция и определение, так называемой «хронической» токсичности.

4. Сравнение чувствительности энхитреид Е. а1Ы(1ии и стандартизованных тест-культур к кадмию.

В лабораторных условиях сравнивали чувствительность энхитреид Е. аШйш и стандартизованных тест-культур различной таксономической и трофической принадлежности - продуцентов (микроводорослей, высших растений) и консументов (ракообразных) к модельному токсиканту (кадмий хлорид). Такая схема экспресс-анализа отражает системный подход и в определенной мере способствует выявлению основных трофических уровней, наиболее уязвимых при действии неблагоприятных факторов.

По результатам проведенных экспериментов по анализу водных экстрактов образцов МПГ, загрязненных кадмием (5, 25 и 50 мг/кг) рассчитаны токсикометрические параметры - эффективные концентрации. Полученные данные ЕС50 представлены в таблице 4

Таблица 4,- Эффективные по отношению к разным видам тест-культур концентрации кадмия (ЕС¡о, внесенного в почвенные образцы).

Группа организмов Тест-культура Тест-функции ECso Cd мг /кг почвы

Водоросли изменение прироста

Scenedesmus quadricauda численности клеток 50

Продуценты водорослей

Высшие растения длина проростков к 50

Sinapis alba контролю

Консументы Ракообразные Daphnia magna выживаемость 7

Почвенные энхитреиды выживаемость 28

Enchytraeus albidus

В результате проведенного исследования выявлена достоверная зависимость числа выживших энхитреид от концентрации хлорида кадмия в почве. По

результатам биотестирования проведен расчет токсикометрического параметра -ЕСю, Эта величина составила 28,08 (1,28-И,62) мг/кг (табл.4).

Из приведенных данных о токсичности водных экстрактов загрязненных почв следует, что большая доля токсиканта, очевидно, сорбировалась на почвенных частицах и не переходила в водный экстракт. Поэтому показатели ЕС50 для энхитреид довольно высоки и значительно превышают ПДК рассчитанныые по валовому содержанию кадмия в почве (Воробейчик и др., 1994).

На основании полученных данных о выживаемости энхитреид и изменению тест-функций широко распространенных стандартных биотестов при внесении разных доз модельного токсиканта (кадмия хлорида) можно сделать сравнение чувствительности биотестов. Как видно из таблицы 4, по этому показателю уступали лишь известным своей высокой чувствительностью к загрязняющим веществам ракообразным. Полуэффективная концентрация ЕС50 для D. magna равна 7 мг/кг; для Е. albidus - 28,08 мг/г; для S. quadricauda и S. alba - 50 мг/кг.

Ряд испытанных тест-организмов в порядке снижения их чувствительности к кадмию можно представить следующим образом: Daphnia magna > Enchytraeus albidus > Scenedesmus quadricauda > Sinapis alba.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью определения пригодности лабораторных культур беспозвоночных животных - олигохет для эффективной экспресс-оценки загрязненных почв изучены реакции двух энхитреид E.albidus и E.crypticus (Oligochaeta: Enchytraeidae) на химические вещества разной природы. Показаны различия в выживаемости, размножении, биоаккумуляции и экскреции поллютантов у животных разных видов. Большей чувствительностью к известным высокотоксичным компонентам характеризуется вид Е. albidus. Особи этого вида способны быстро аккумулировать и значительно медленнее выделять токсикант из организма по сравнению с К crypticus.

Поллютанты почв органической белковой природы целесообразно тестировать по показателю изменения прироста численности особей в хронических продолжительных экспериментах (30 сут). Такой вариант биотестирования с на энхитреидах может хорошо дополнить тест с дождевыми червями (Aporrectodea sp. и др.), так как учитывает экологические механизмы устойчивости к поллютантам, связанные с различиями в длительности жизненного цикла у организмов разных размерных групп.

Сопоставление эффективных концентраций модельного токсиканта по отношению к энхитреидам и набору широко используемым стандартизованных тест-культур, а также отдельным компонентам почвенной биоты (микромицетам) (Терехова и др., 2012) показало, что энхитреиды по чувствительности уступают лишь низшим ракообразным - дафниям (Daphnia magna).

В настоящее время в реестр природоохранных нормативных документов включен ограниченный набор методик измерения токсичности. Полученные результаты дают основания для рекомендации энхитреид (прежде всего, Е. albidus) в

качестве представителей педобионтов, с помощью которых можно оценивать не только водорастворимые, но и токсические фракции, осажденные на частицах почвы.

ВЫВОДЫ

Охарактеризована чувствительность энхитреид к поллютантам различной природы по эффективным концентрациям, воздействующим на жизненно важные функции животных.

1. Установлены видовые различия в чувствительности особей энхитреид двух видов к кадмию по показателям выживаемости, аккумуляции и экскреции токсиканта. Показано, что Enchytraeus albidus характеризуется большей чувствительностью по показателю выживаемости. В загрязненной почве максимальное накопление кадмия в биомассе особей вида Е. albidus - 0,54 мкг/г, тогда как в особях Е. crypticus менее 0,12 мкг/г.

2. Чувствительность энхитреид к водным растворам несимметричного диметилгидразина (НДМГ) проявляется уже при концентрации 10 мг/л. Концентрация 1000 мг/л является абсолютно губительной для животных.

3. Экспериментально доказано, что почвенные свойства, в частности, гранулометрический состав, оказывают влияние на степень токсичности поллютантов для энхитреид. Так, в водных вытяжках из образцов легкосуглинистой почвы 100 %-ная смертность была зафиксирована при концентрации НДМГ 80 мг/л, тогда как в вытяжке из песчаной - при 20 мг/л.

4. Показатель выживаемости энхитреид малопригоден для оценки воздействия азотсодержащих отходов белковой природы и продуктов их распада в почве. Токсический эффект желатина и метионина, например, проявился лишь при очень высокой концентрации (> 16 мг/г почвы). Более чувствительным к этим видам поллютантов является показатель изменения прироста численности, поэтому анализ воздействия этой группы веществ целесообразно проводить при более длительной экспозиции (30 сут.), в которой определяют, так называемую «хроническую» токсичность.

5. Определено положение энхитреид в системе стандартизованных тест-организмов, ранжированных по чувствительности к модельному токсиканту. Сравнение эффективных концентраций кадмия по отношению к микроводорослям, высшим растениям и ракообразным позволяет заключить, что чувствительность почвенных энхитреид высока. По этому показателю они уступают лишь представителям ракообразных (дафниям).

В порядке убывания чувствительности тест-функции выживаемости исследованные виды располагаются следующим образом: Daphnia magna > Enchytraeus albidus > Scenedesmus quadricauda > Sinapis alba.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ автора (И.А Панченко - И.А Горшкова) В журналах, рекомендованных ВАК

1. Гонгальский К.Б., Савин Ф.А., Панченко И.А.. Покаржевекий А.Д. Количественная оценка активности почвенной фауны зимой // Доклады Академии наук. 2003. Т. 392. № 1. С. 135-137.

2. Панченко И.А. Сравнение двух методов экстракции энхитреид// Зоологический журнал. 2006. Т. 85. № 8. С. 659-661.

3. Gongalsky К.В., Gorshkova I.A.. Karpov A.I., Pokarzhevskii A.D. Do boundaries of soil animal and plant communities coincide? A case study of a Mediterranean forest in Russia// European Journal of Soil Biology. 2008. V. 44. N 4. P. 355-363.

4. Горшкова И.А. Влияние вносимого в почву бычьего сывороточного альбумина, желатины и бактериального пептона на успех размножения энхитреид (Olygochaeta, Enchytraeidae) //Вестник Южного научного центра РАН. 2008. Т. 4. № 2. С. 83-86.

5. Зайцев А.С., Гонгальский К.Б., Горшкова И.А., Кречетов П.П., Королева ТВ-Влияние ракетного топлива (несимметричного диметилгидразина) на почвенную фауну //Доклады Академии наук. 2011. № 2. Т.С. 262-265.

В других журналах, материалах и тезисах конференций

6. Гонгальский К.Б., Савин Ф.А., Филимонова Ж.В., Покаржевекий А.Д., Панченко И.А. Определение базовых физико-химических почвенных характеристик // Методы исследования структуры, функционирования и разнообразия детритных пищевых цепей. Методическое руководство. М.: ИПЭЭ РАН, 2003. С. 27-37.

7. Покаржевекий А.Д., Панченко И.А. Определение ферментативной активности почвы // Методы исследования структуры, функционирования и разнообразия детритных пищевых цепей. Методическое руководство. М.: ИПЭЭ РАН, 2003. С. 38-44.

8. Покаржевекий А.Д., Панченко И.А. Эвакуация содержимого пищеварительного тракта у крупных почвенных беспозвоночных для оценки биомассы // Методы исследования структуры, функционирования и разнообразия детритных пищевых цепей. Методическое руководство. М.: ИПЭЭ РАН, 2003. С. 70-71.

9. Gongalsky К.В., Savin F.A., Pokarzhevskii A.D., Panchenko I.A. // Quantitative assessment of trophic activity of soil fauna in winter // 7th Eurorean Workshop on Soil Zoology. Abstract book. Ceské Budejovice. 2003. P. 24.

10.Pokarzhevskii A.D., Panchenko I.A., Gongalsky K.B., Savin F.A., Zaitsev A.S. Protein sources for a detritial food web // The 14th International Colloquium on Soil Zoology and Ecology. Abstract book. Université de Rouen (France), 2004. P. 172.

11. Покаржевекий А.Д., Забоев Д.П., Панченко И.А. Химический состав дождевых червей и вермикультура // Труды II Международной научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв». Владимир: Грин-Пик, 2004.

С. 63-64.

12.Panchenko I.A.. Pokarzhevskii A.D. Effects of protein addition on enchytraed reproduction in a sod-podzol soil // 6th International Symposium on Enchytraeidae. Abstracts. V6rtsjarv Limnological station (Estonia), 2004. P. 10-11.

9. Pokarzhevskii A.D., Persson Т., Panchenko I.A. Influence of different nitrogen and phosphorus compounds on enchytraeid Cognettia sphagnetorum in mor-humus // 6th International Symposium on Enchytraeidae. Abstracts. Vdrtsjarv Limnological station, Estonia, 2004. P. 12-13.

Ю.Панченко И.А.. Першон Т., Покаржевский А.Д. Влияние чужеродного белка на размножение энхитреид в почве //Тезисы Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 2004. С. 75-76.

П.Панченко И.А. Влияние внесения белка в почву на размножение энхитреид // Актуальные проблемы экологии и эволюции в исследованиях молодых ученых. Материалы конференции молодых сотрудников и аспирантов ИПЭЭ РАН. М.: Т-во научных изданий КМК, 2004. С. 125-128.

12. Покаржевский А.Д., Першон Т., Панченко И.А. Влияние различных форм азота на популяцию энхитреид Cognettia sphagnetorum в мор-гумусе // Тезисы 14 Всероссийского совещания по поченной зоологии «Экологическое разнообразие почвенной биоты и биопродуктивность почв». Тюмень, 2005. С. 205-207.

13. Panchenko LA. Effects of protein addition on enchytraeid reproduction // 11th PhD Meeting in Evolutionary Biology. Abstracts. Bordeaux (France), 2005. P. 24-25.

Н.Филимонова Ж.В., Корчуганова T.M., Кугаевская E.B., Гонгальский К.Б., Панченко И.А. Экотоксикология как научное направление // Материалы 12 Всероссийской научно-технической конференции Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томский политехнический университет, 6-8 декабря 2006. С. 299-302.

15.Гонгальский К.Б., Першон Т., Покаржевский А.Д., Зайцев А.С., Панченко И.А. Континентальные различия в восстановлении сообществ почвенных беспозвоночных на гарях в бореальных лесах // Устойчивость экосистем и проблема сохранения биоразнообразия на Севере. Тезисы докладов международной конференции. Т. II. Кировск: ПАБСИ КНЦ РАН, 2006. С. 160161.

16. Горшкова И.А. Влияние ракетного топлива (несимметричного диметилгидразина) на почвенных энхитрид // Проблемы почвенной зоологии: материалы XVI Всерос. совещания по почвенной зоологии. М. - Ростов-на-Дону, 2011. С. 29.

17. Panchenko I.. Poputnikova Т., Terekhova V. Effect of cadmium polluted soil on test-organisms at different trophic levels. Ecotoxicology revisited. CEE SETAC. Annual Meeting, Krakow, Poland. 2012. P. 17-19.

18. Терехова B.A., Семенова Т.А., Горшкова И.А. Сравнение чувствительности микромицетов и стандартизованных тест-культур к модельному токсиканту. Современная микология в России, Материалы 3-го Съезда микологов России,

М.: Национальная академия микологии Москва, 2012. Т 3. С. 420.

19. Горшкова И.А.. Филимонова Ж.В. Влияние кадмия на выживаемость и уровень его накопления в тканях двух видов энхитреид (ЕпскуШею сгурИсиэ и ЕпскуКаеия а1Ы<1и$). Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред: Тезисы докладов Международной конференции, МГУ, 4-6 февраля 2013 г. -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. С. 51.

Заказ № 33-П/03/2013 Подписано в печать 14.03.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

, "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30

^ 1; IV!vw.cfr.ru ; е-таИ: info@cfr.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Горшкова, Ирина Алексеевна, Москва

российская академия наук

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ экологии и эволюции

им. А.Н. Северцова

На правах рукописи

04201355626

ГОРШКОВА ИРИНА АЛЕКСЕЕВНА

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПОЧВЕННЫХ ЭНХИТРЕИД {ОИдосПаеЬа, ЕпсЪуЬгаегдаё) К ПОЛЛЮТАНТАМ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

Специальность 03.02.08 - экология ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

КАНДИДАТА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель доктор биологических наук Вера Александровна Терехова

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ.......................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................11

1.1. Биотестирование как необходимый этап экологической оценки природных сред и техногенных объектов...............................................................11

1.2. Проблемы оценки почвы как многофазной системы...........................22

1.3. Проблемы химического загрязнения почв.........................................31

1.4. Значение энхитреид для биотического контроля почв...........................39

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................44

2.1 .Энхитреиды.................................................................................45

2.2. Загрязняющие вещества................................................................45

2.3. Почвенные субстраты...........................................................................46

2.4.Экотоксикологический анализ (биотестирование)................................48

2.5. Физико-химические методы анализа.................................................55

2.6.Статистическая обработка данных.....................................................55

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ......................................................56

ГЛАВА 3. Чувствительность энхитреид Е. аШйиБ и Е. сгурйст к действию тяжелых металлов (на примере

кадмия).........................................................................................56

3.1. Влияние разных концентраций кадмия на выживаемость энхитреид Е. сйЫйт............................................................................................

3.2. Временная динамика выживаемости двух видов энхитреид - Е. аШёт и Е.

сгурйст при действии кадмия...........................................................58

3.3. Биоаккумуляция кадмия разными видами энхитреид........................59

ГЛАВА 4. Выживаемость энхитреид Е. сгурйст при воздействии азотсодержащего химического соединения - несимметричного диметилгидразина (НДМГ)............................................................65

4.1. Оценка чувствительности энхитреид вида Е. сгурИст к водным растворам НДМГ.........................................................................................65

4.2. Оценка чувствительности энхитреид в вытяжках из пустынных почв Казахстана, загрязненных НДМГ......................................................67

4.3. Оценка чувствительности энхитреид к действию НДМГ в дерново-

подзолистой почве Подмосковья......................................................68

ГЛАВА 5. Исследование чувствительности Е. сгурйст к азотсодержащим веществам органической (белковой)

природы....................................................................................72

5.1. Оценка влияния белков и аминокислот на выживаемость Е.

сгурНсш.....................................................................................73

5.2.. Оценка влияния белков и аминокислот на размножение Е.

сгурйст.....................................................................................75

ГЛАВА 6. СРАВНЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ЭНХИТРЕИД Е. АЬВЮШ

И СТАНДАРТИЗИРОВАННЫХ ТЕСТ-КУЛЬТУР К КАДМИЮ..............81

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................90

ВЫВОДЫ.......................................................................................92

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ...........................................................94

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................96

ВВЕДЕНИЕ

реагирования тест-культур на действующее вещество. Она зависит от видовой принадлежности организмов. Пригодность энхитреид для оценки разных типов загрязнений почв исследована недостаточно. Мало данных о видовой чувствительности энхитреид и механизмах их устойчивости к токсикантам, о влиянии на эти процессы свойств разных типов почв, эффективности измерения стандартных тест-параметров при анализе субстратов, сорбирующих многообразные формы загрязняющих веществ.

Биотестирование на основе реакций почвообитающих организмов -неотъемлемый элемент экологического контроля почв. Использование представителей педобионтов в разработке системы оценок экологического риска от различных загрязнений приобретает особое значение в условиях активизации процессов деградации почв, накопления токсикантов и их смесей, появления продуктов и отходов новых технологий (Санитарные правила СП 2.1.7.1386-03; Приказ МПР России от 15.06.2001 № 511; Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов. Методические указания. МУ 1.2.2520-09 и др.).

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Выявить влияние тяжелых металлов (на примере кадмия) на выживаемость энхитреид и уровень его накопления в тканях двух видов -ЕпсИу^ает сгурйсш и Епску^аеш а1Ыс1ш .

2. Охарактеризовать выживаемость энхитреид Епску^аеш сгурйсш при воздействии особо опасного азотсодержащего химического вещества -несимметричного диметилгидразина (НДМГ) в воде и почве.

3. Оценить воздействие органических азотсодержащих отходов белковой природы и продуктов их разложения на выживаемость и размножение энхитреид ЕпсИу^аеш сгурйсш.

При анализе реакций двух видов - Епску^аеш сгурйсш и ЕпсИу^аеш а1Ы(1ш на загрязнение почв кадмием впервые установлена более высокая чувствительность Епску^аеш а1Ыс1т. Полученные данные о динамике аккумуляции и экскреции кадмия в биомассе животных свидетельствуют о том, что в более мелких особях Епскуггаеш сгурйсш катионы Сё медленнее

накапливаются и быстрее выводятся из организма при перемещении их в чистую почву, что может служить объяснением большей устойчивости этого вида.

связанных с различной способностью особей разных размеров накапливать химические вещества.

эволюционной биологии (Франция, 2005), на 3 ежегодном совещании общества экотоксикологов БЕТАС в Кракове (Польша, 2012), Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» в МГУ (Москва, 2013).

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Биотестирование как необходимый этап экологической оценки природных сред и техногенных объектов

В последние десятилетия заметно возрос интерес к внедрению методов биологической оценки в практику экологического контроля почв и сопредельных сред. Это связано с масштабными биоэкологическими и социально-техническими изменениями на Земле (климатические колебания, инвазии видов, транспортные потоки, электромагнитные излучения и пр.). Глобальная деградация природы в большой степени обусловлена запредельным загрязнением почвы. Разные формы воздействия человека на природные комплексы (расширение площадей под сельскохозяйственные угодья, урбанизация, развитие промышленности и транспортных сетей) приводят к преобразованию биотопов и интенсивному насыщению ксенобиотиками (Терехова, 2011а).

В настоящее время в нашей стране широко используются наборы биотестов, регламентированные к применению для оценки качества почв приказами соответствующих министерств, методическими указаниями и руководствами. Установлены реестры методик экотоксикологического анализа в трех разных сферах: в контроле агроценозов (при оценке безопасности продукции и плодородия почв), санитарно-эпидемиологическом контроле (при определении уровня вредных воздействий относительно безопасности для здоровья человека), в экологическом контроле природных экосистем (с целью характеристики биоразнообразия и сбалансированного развития) (Терехова и др, 2008; 2011).

На сегодняшний день известно несколько десятков методик биотестирования, но лишь около десяти из них внесены в федеральный реестр (ФР) и реестр природоохранных нормативных документов (ПНД Ф) как рекомендованные для целей практического экологического контроля окружающей среды, включая почву .

Внизу представлен список наиболее широко распространенных стандартизованных методик биотестирования, рекомендованных в настоящее время для целей токсикологического контроля почв и других объектов в природоохранной сфере.

ФР. 1.39.2007.03222. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний (ООО «Акварос»),

ФР. 1.39.2007.03221. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний (ООО «Акварос»).

ФР. 1.39.2007.03223. Методика определения токсичности вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей (ООО «Акварос»).

ФР. 1.39.2006.02506. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06) Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием

равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg (ф-т почвоведения МГУ).

ФР 1.39.2006.0250. ПНД Ф Т 14.1:2.14-06 (ПНД Ф Т 16.1:3.11-06) Методика определения токсичности высокоминерализованных поверхностных и сточных вод, почв и отходов по выживаемости солоноватоводных рачков Artemia salina L. (ф-т почвоведения МГУ, биологический ф-т МГУ, ЭАЦ «Экотерра»),

ФР. 1.39.2007.04104. ПНД Ф Т 16.3.12-07 Методика определения токсичности золошлаковых отходов методом биотестирования на основе выживаемости парамеций и цериодафний (ф-т почвоведения МГУ и ОАО «Всероссийский теплотехнический институт»),

ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.7-04) Методика определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла {Chlorella vulgaris Beijer). (Красноярский государственный университет).

ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06) Методика определения токсичности водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia magna Straus. (Красноярский государственный университет).

ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8-04) Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по

изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой «Эколюм» на приборе «Биотоке-Ю».(000 НЦ «Экологическая перспектива»).

ПНД Ф Т 16.2:2.2-98 Методика определения токсичности почвы и донных осадков по хемотаксической реакции инфузорий (АОЗТ «Спектр-М»).

ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.2-98 Методика определения токсичности воды по хематаксической реакции инфузорий. (АОЗТ «Спектр-М»),

ФР. 1.31.2009.06301 Методика выполнения измерений индекса токсичности почв, почвогрунтов вод и отходов по изменению подвижности половых клеток млекопитающих in vitro (ф-та почвоведения МГУ, Институт экологического почвоведения МГУ, ЗАО ФИРМА "БМК-ИНВЕСТ", ООО НПФ "Биогнозис", ЭАЦ ЭКОТЕРРА и Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН)

Обзор нормативных документов показал, что используемые в экотоксикологическом контроле методики, главным образом, основаны на реакциях гидробионтов разной таксономической принадлежности: низшие ракообразные, зеленые протококковые водоросли, равноресничные инфузории. Оценка воздействия токсикантов производится на основании подсчета показателей смертности особей, плодовитости, подавления прироста численности популяции клеток водорослей, потере подвижности инфузорий и др. Кроме того, для анализа природных сред и техногенных объектов рекомендованы люминесцентные бактерии (лиофильно высушенный препарат «Эколюм»). Тест-

функцией в этом случае служит снижение интенсивности свечения препарата под влиянием токсиканта.

Необходимость диагностики качества почвы по биотическим показателям обоснована тесной взаимозависимостью "косного" и "биологического" начал. Биотические показатели могут дать информацию о трансформировании почвенной экосистемы, о состоянии организмов и степени приемлемости воздействий для сохранения разнообразия форм жизни и их сбалансированного развития (Казеев и др., 2000; Биологические аспекты..., 2007). Аналитический контроль загрязнения, проводимый химическими методами, показывает наличие лиш�

Информация о работе

Горшкова, Ирина Алексеевна
кандидата биологических наук
Москва, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Чувствительность почвенных энхитреид (Oligochaeta, Enchytraeidae) к поллютантам различной природы - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы