Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика содержания каротиноидов в тканях моллюсков в связи с качеством среды обитания

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Бедова, Прасковья Владимировна, Йошкар-Ола

А / > й й - 3

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Марийский государственный университет

на правах рукописи

Бедова Прасковья Владимировна

ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ КАРОТИНОИДОВ В ТКАНЯХ МОЛЛЮСКОВ В СВЯЗИ С КАЧЕСТВОМ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

Специальность 03.00.16 "Экология'

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Б.И. Колупаев

Йошкар-Ола, 1999

С О ДЕРЖАНИЕ

! Аналитический обзор литературы 7

1.1, Биоиндикация и биотестирование - методы контроля качества природных и сточных вод 7

1.2. Моллюски- биоиндикаторы и тест-объекты качества водной среды 14

13. Каротиноиды и их роль в растительных и

животных организмах 20

2. Краткая характеристика условий обитания гидробионтов региона . ^ 35

3. Материал и методика исследовании 42

3.1 „ Материал исследований 42

3.2. Методы исследований 45

Л1

-41}

59

4. Малакофауна водоемов разной степени загрязнения чу

5. Содержание каротиноидов в тканях пресноводных

моллюсков

5.1. Зависимость содержания каротиноидов в тканях моллюсков от степени загрязнения среды обитания

5.2. Содержание каротиноидов в тканях моллюсков

разной морфофизиологичеекой организации 83

5.3. Сезонные колебания каротиноидных пигментов

в тканях пресноводных моллюсков 106

5.4. Обсуждение полученных результатов \ 17 Выводы 128 Список использованной литературы Приложения

'2 4 1

ВВЕДЕНИЕ

В результате деятельности человека загрязнение окружающей среды, в том числе и водоемов, в настоящее время приобрело глобальный характер. По своим отдаленным последствиям загрязнение окружающей среды опасно не только для живой природы, но и для будущего существования человечества.

Для наблюдения и прогнозирования изменений в окружающей среде применяют различные методы биологического мониторинга наземных и водных экосистем. Многокомпонентность природных и сточных вод затрудняет их анализ. Разработка способов оценки качества вод принадлежит к числу наиболее актуальных задач в проблеме охраны водоемов. Несмотря на всю ценность традиционных методов химического и физико-химического анализа, они не позволяют интегрально оценить качество вод как среды обитания для жизнедеятельности гидробионтов. Поэтому в последние годы большое внимание уделяется биологическим методам оценки качества окружающей среды (биоиндикации и биотестированию), основанных на определении качества вод по их влиянию на гидробионтов.

Преимущество живых биоиндикаторов состоит в том, что они интегрально характеризуют состояние окружающей среды; при их использовании можно значительно снизить количество дорогостоящих и трудоемких физико-химических анализов; присутствуя постоянно в окружающей человека среде они чутко реагируют как на кратковременные, так и длительные выбросы токсикантов в сублетальных концентрациях, которые не всегда регистрируются даже автоматизированными системами контроля с периодическим отбором проб на анализы.

Актуальность работы. Современный этап развития биоиндикационных исследований в основном связан с поисками чувствительных к загрязнителям и удобных в практической работе видов - индикаторов. Это могут быть организмы планктона, бентоса, перифитона, нектона и других

эко;адгиче<;ких .групп /29, 169/, Одними из перспективньк объектов дли био-

»}<■•> / г 1 Л "I \ ! ((_) ! 5 I ( 1 - ¡-г | - ^ ' ) Я 1 ,

! „ ' -< ' < > 4 ) г !Н Г ( "

а оно по сравнению с другими сообществами наиболее стабильно в про-с!ранстве я времени, Повсеместное распространение (моллюски населяют все типы водоемов, на всех глубинах), большая количественная представленность малоподвижный образ жизни, большие фильтрационные возможности, способность накапливать загрязняющие вещества, простота добывания делает эту группу животных пригодной для проведения работ по онкологическому мониторингу. Правильное ис? 'ч < ^ > 1 < > ^ ' ^ экологическом мониторинге возможно только пр! 1

взаимодействия и.х с изменяющейся средой обитания и особенностей физиологических и. биохимические механизмов адаптации их к антропогенным воздействиям. По этому вопросу известно, что в загрязненных во-

^ 1 \ 5 * > 1 » ( „ , » > N . * 1 > »1 4 1 /! } { и 1 « { 5 »

Л'ЮСК'ОВ ¡У^Л У9 ' 14-- * ОЧ-Р 5 ]"ОЧ ^ПЛ С*-! ИИ Н-^О.'ТЯ ОЭПО^ЯТИЛ-?X "СТОВИЙ чвтгО»

торые ВИДЫ моллюсков погибают, другие - мт- . - , - - -

третьи - ^приспосабливаются к неблатопр »м , * < ¡м - , » изучен вопрос о том, какие виды покидаю р

Ч !(■> ) 1 Л « 1 , . ^ ! I 1 * 11 , • , \ А 1,5 V >

н! г- .Пь'чч» ^<>-V |11(( II ^Ониси" , 5 '

( < .< И ] ъ - 1 > I г I Ч , мг » 1 < 1( М ,

!>>-». ! V 1 ' > »<!?'- , 4г-1 1

роды с двойными сопряженными связями, широко расгшостраненные в

» 114 !<■ Ч ' ><-»,(■ I 4 1 , « Ч > г ; , » » < 11 ,

( 1 > } » ' 1 >% , V ! > ,1 г " ^ 1

1 - * ■ ч > ^достаточно

' -1 ' 1 1 - - . - мошдоеков,

' < > ч ' | 1 ' , ун ц тканял

животных от условий их. обитания. Отсутствие таких данных -

можности более полно оценить значение каротиноидов в приспособлении животных организмов к изменяющимся условиям обитания и использовать этот показатель в биомониторинге состояния водной среды.

Цель и задачи исследования. Целью данных исследований является определение динамики содержания каротиноидов в тканях пресноводных моллюсков в связи с качеством среды обитания. Для выполнения этой цели были поставлены следующие задачи:

-) провести фаунистические исследования по изучению видового состава и численности моллюсков в водоемах разной степени загрязнения;

-) определить удельное содержание каротиноидов в тканях моллюсков. обитающих в данных водоемах;

-} изучить содержание каротиноидов в тканях моллюсков, отличающихся морфофизиологической организацией;

-) определить сезонную динамику содержания каротиноидных пигментов в тканях пресноводных моллюсков.

Научная новизна. Комплексное исследование видового состава и численности моллюсков проточных и стоячих водоемов региона, подвергающихся различной антропогенной нагрузке и содержания в их тканях каротиноидов позволило установить зависимость между содержанием каротиноидов в тканях моллюсков и степенью загрязнения их среды обитания. Впервые на пресноводных моллюсках показано, что количество каротиноидов в тканях животного влияет на устойчивость вида к неблаго-прятным условиям. Получены новые материалы о содержании каротиноидов в тканях моллюсков, относящихся к разным систематическим и экологическим группам, о сезонных колебаниях каротиноидов в тканях гидро-бионтов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты данной работы вносят вклад в развитие теоретических основ экологии гидробион-тов, и в частности, взаимодействия их с изменяющейся средой обитания, в понимание механизмов приспособления водных животных к антропоген-

ному загрязнению водных экосистем. Результаты изучения влияния загрязнения среды обитания на удельную концентрацию каротиноидов в тканях мош1Юсков различных систематических групп, их сезонные изменения являются научной основой применения данного биохимического показателя морфо-функционадьного состояния моллюсков как тест-функцию _>р.« ■доведении работ по биологическому мониторингу качества гюверхнолчых «сточных вод. Получены новые данные о роли каротиноидных пигментов в адаптации пресноводных моллюсков к условиям загрязнения»

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях: Экология и охрана окружающей среды, Пермь, 1995; Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия защиты окружающей среды. Сыктывкар, 1997; Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере, Тюмень.,!997: Экология и генетика популяций, Йошкар-Ола, 1998; Региональных конференциях: II Республиканской научной конференции молодых ученых н специалистов, Казань, 1996; Эколого-биологические проблемы Волжского региона и Северного Прикаспия, Астрахань, 1996; Природопользование: состояние, проблемы и пути их решения, Йошкар-Ола, 1997; Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан, Казань, 1997; Вавилонские чтения: диалог наук на рубеже ХХ-ХХ1 веков , Йошкар-Ола., 1996, 1997, 1999; Состояние малых рек Республики Марий Эл, Йошкар-Ола, 1997: II Республиканской научно-практической конференции "Охрана и рациональное использование водных ресурсов",. Йошкар-Ола, 1998; Молодежь и природы; Состояние популяций в гетерогенной среде, Йошкар-Ола, ;

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 25 печатных работах, 11 из которых в соавторстве.

Структура работы, Диссертация состоит из введения,, 5 глав, выводов,,

¡1 1/1 1 _ _ -4 * ), 1 < 1 , , / ч 5! , » 1 ч ^ I Г*

шли ... 1гпнсок литет)а:пгоы включает зВУ наименований* из которых У,3 за-

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ - МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

В настоящее время большинством специалистов признается, что система контроля качества окружающей природной среды, основанная на дифференцированном определении концентраций контролируемых загрязнителей и сопоставление их с предельно допустимыми концентрациями, мало эффективна /43, 232,238/.

Эти обстоятельства стимулируют поиск таких методов исследования природных и сточных вод, которые могли бы дать интегральную оценку их качества и оценить возможную опасность для водной флоры и фауны , не прибегая к химическому анализу.

Любая экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются при воздействии антропогенных факторов. Влияние антропогенных факторов отражается на видовом составе сообществ и соотношении численности слагающих их видов. Биологические методы оценки состояния окружающей среды позволяют решить задачи, разрешение которых с помощью физических и химических методов невозможно. Необходимость биологических наблюдений становится особенно очевидной, если принять во внимание, что в настоящее время с городскими и промышленными сточными водами (даже когда они подвергаются очистке современными методами) в природные воды поступают сотни различных веществ разного химического состава. Практически невозможно с помощью химических анализов проследить малые концентрации всех загрязнений, которые могут нарушать биологические процессы, в особенности при их длительном воздействии на протяжении многих поколений водных организмов. Немыслимо детально изучить влияние на все многообразные биологические явления в водных экологических системах каждого из многих со-

тен поступающих в водоем веществ, не говоря о том, что нельзя предусмотреть последствия комбинированного действия многих химических соединений в их разнообразных сочетаниях и, наконец, продуктов их трансформации в воде и в донных отложениях. Поэтому особую ценность представляют полевые биологические наблюдения за интегральным конечным эффектом действия загрязнений /198/.

Биологические методы при их правильном и квалифицированном применении обладают высокой чувствительностью. Они дают возможность проследить последствия загрязнений за пределами чувствительности принятых в практике охраны вод гидрохимических и гидрофизических методов /298,299/.

Существующие биологические методы оценки токсичности природных и сточных вод можно разделить на две группы: биоценотические методы, базирующиеся на исследовании природных сообществ гидроби-онтов, и методы, основанные на исследовании в экспериментальных условиях реакций на токсическое воздействие отдельных тест-объектов, в качестве которых используют либо целостный организм, либо изолированные органы, ткани или клетки. Они позволяют оперативно и с достаточной чувствительностью выявить наличие в водной среде токсических веществ, сигнализировать об аварийных сбросах сточных вод, своевременно принять необходимые водоохранные меры. Биологические методы контроля должны занять подобающее место в системе контроля природных и сточных вод, дополнив химико-аналитические и общие санитарно-гигиенические методы.

Биоиндикационные исследования влияния человека на природную среду приобрели в последние годы широкий размах, привлекая внимание биологов практически всех специальностей (от генетиков и биохимиков до этологов и систематиков) и специалистов по всем основным таксономическим группам живых организмов /43, 210/. Научно-обоснованный выбор биоиндикаторов, особенно в урбанизированной среде, остается одной из

основных задач биоиндикационных исследований. Для выбора биоиндикаторов рядом авторов предложены некоторые критерии /165/. Требования, предъявляемые к индикатору, который используется для оценки изменений в системе, это - зависимость процессов, определяющих видимые изменения биоиндикатора, от процессов, протекающих в системе в целом, и возможность более легкого обнаружения этих изменений в биоиндикаторе по сравнению с прямыми исследованиями системы. Удачный выбор видов - индикаторов позволит установить пороговые уровни нарушений системы, то есть те пределы отклонений, в которых сохраняется качество среды необходимое для функционирования системы как целостной самостоятельной единицы /297/.

Большая роль в мониторинге раннего предупреждения загрязнения окружающей среды принадлежит биохимическим методам, возможности которых не реализованы в полной мере /231 /. Одним из основных направлений экологического мониторинга является биоиндикация интегральных ответных реакций окружающей среды на антропогенное воздействие /228/. Использование биологических объектов имеет ряд преимуществ перед чисто техническими методами при оценке состояния природных ресурсов, а главное преимущество состоит в прямом ответе организма: стимулирующее или угнетающее воздействие оказывает на него изучаемый фактор.

В настоящее время все чаще производится оценка степени загрязнения водных объектов, почв и воздуха биоиндикационными методами /60, 104, 243/. Поиск объектов для биоиндикации химических и других загрязнителей идет во всех звеньях биологического цикла. Исследователи предлагают самые различные организмы - биоиндикаторы /46, 153, 232,370/.

Очень распространенным объектом биоиндикации являются лишайники, которые используются для биондикации атмосферного воздуха /119, 207, 240, 262, 286, 345/.

Ряд исследователей в качестве биоиндикаторов антропогенного воздействия используют почвенную флору и фауну /22, 56, 65, 66, 210, 211, 263/. Однако мир почвенных организмов огромен от простейших до крупных многоножек, поэтому выбор объектов среди населения почвы ограничен. Маркелов A.B. с соавторами /170/ и другие исследователи предлагают использовать в системе биомониторинга грибы /171, 281, 369/. Отмечается, что грибы как существенный элемент экосистемы, могут использоваться в качестве средства биомониторинга состояния окружающей среды, отражающего изменения состава почвы, осадков и атмосферы.

Активно используются для контроля загрязнения наземных экосистем медоносные пчелы и продукты пчеловодства /9, 42, 219/. Наряду с достоинствами апимониторинг имеет некоторые недостатки: поступление загрязнителей в организм пчел и продукты пчеловодства происходит через нектар и пыльцу. В связи с этим необходимо точное определение ботанического и временного происхождения пыльцы и нектара /298/. Кроме перепончатокрылых в биоиндикационных исследованиях используются и представители отряда прямокрылых /148/, чешуекрылых, двукрылых и жесткокрылых насекомых /178, 226/.

Накопленный к настоящему времени опыт изучения наземных и водных экосистем показывает, что и позвоночные животные могут использоваться в качестве биоиндикаторов состояния окружающей природной среды /8, 39, 59, 85, 116, 120, 151, 205, 220, 260, 279/. Удобнее всего их использовать для неспецифической биоиндикации, когда регистрируется реакция организмов на комплекс факторов: РН среды, действие загрязнителей,изменение структуры биотопа и других /93, 151, 389/.

В последнее время часто используются в качестве биоиндикаторов птицы /54, 163/. С ухудшением экологических условий уменьшаются линейные размеры и объем птиц, снижается плотность рисунка, возрастает уровень внутрикладковой изменчивости параметров.

Наряду с животными в биоиндикации загрязнения окружающей среды применяются и растения /7, 41, 45. 101, 162, 200, 273, 380/. Так, имеется довольно много публикаций об использовании водорослей в качестве организмов-биоиндикаторов для биологической оценки загрязненности вод /83, 118, 223, 275, 294, 357, 362, 372/. Геоботаники обратили внимание на то, что фитоценозы, популяции (иногда отдельные виды растений) могут отражать режим ведущих экологических факторов /278/.

Микробные комплексы в силу большого разнообразия их биохимических функций и высокой чувствительности к изменениям среды используются в диагностике и мониторинге состояния различных элементов техногенных экосистем /24, 30, 89, 214, 250, 264, 343, 348, 381/. Микроорганизмы могут