Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние температурного режима и некоторых антропогенных факторов водной среды на жизнедеятельность дафний

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сапрыкина, Елена Анатольевна, Йошкар-Ола

Марийский государственный университет

На правах рукописи САПРЫКИНА Елена Анатольевна

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА И НЕКОТОРЫХ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДАФНИЙ

Специальность 03.00.16 - «Экология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук профессор Б. И. КОЛУ ПАЕВ

Йошкар-Ола 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

1. ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР И ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ НА БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ГИДРОБИОНТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..........................................9

1.1. Повышенные температуры.........................................................9

1.2. Токсические вещества в водной среде......................................16

1.3. Перспективы использования данных о морфофизиологическом состоянии гидробионтов при оценке токсичности атмосферных осадков (снегового покрова)..................................................................................31

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................36

2.1. Тест-объект исследований........................................................36

2.2. Методики проведения экспериментов.....................................42

2.3. Токсические вещества...............................................................47

2.4. Биотестирование токсичности снегового покрова..................49

3. РЕАКЦИЯ ДАФНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПОКОЛЕНИЙ НА ПОВЫШЕННУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ВОДНОЙ СРЕДЫ...................... 54

4. ВЛИЯНИЕ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНОЙ

СРЕДЕ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДАФНИЙ............................64

4.1. Ртуть..........................................................................................66

4.2. Симазин.....................................................................................77

4.3. Фастак.......................................................................................87

4.4. Сравнительная оценка действия ксенобиотиков на дафний, родительские особи которых подверглись токсическому воздействию

на разных стадиях развития....................................................................100

5. ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДАФНИЙ В ЧИСТОЙ СРЕДЕ, ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РОДИТЕЛЬСКИХ ОСОБЕЙ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ...............................................................................................109

6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КИСЛОРОДНОГО РЕЖИМА ОРГАНИЗМА И РЕПРОДУКТИВНОЙ

' ФУНКЦИИ ДАФНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПОКОЛЕНИЙ ПРИ БИОТЕСТИРОВАНИИ ТОКСИЧНОСТИ СНЕГОВОГО ПОКРОВА

(ТАЛЫХ ВОД)........................................................................................118

ВЫВОДЫ................................................................................................124

РЕКОМЕНДАЦИИ................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Последние десятилетия характеризуются возрастанием роли антропогенных факторов в функционировании водных экосистем. Наибольший вред наносят сточные воды бытовой, производственной и сельскохозяйственной деятельности человека. Особый вид загрязнения водных объектов - тепловое (или термическое) загрязнение, которое вызывается сбросом в водоемы нагретой воды, используемой для охлаждения агрегатов промышленных предприятий или тепловых и атомных электростанций.

В настоящее время при выявлении антропогенного загрязнения водной среды широко используются химико-аналитические методы, которые не всегда достаточно эффективны. Многие исследователи (Лукьяненко, 1967, 1983; Брагинский, 1970; 1972; Строганов, 1970, 1971, 1983, 1989; Лесников, 1971, 1979; Филенко, 1976; Патин, 1979; Флеров, 1983; Колупаев, 1992; Butler, 1978; Schmiedt-Nelsen, 1974; и другие) считают, что наряду с ними необходимо использовать биологические, основанные на оценке состояния сообщества и отдельных особей гид-робионтов, подвергнувшихся воздействию загрязненной среды, так как живые организмы способны регистрировать более низкие концентрации веществ, чем некоторые аналитические датчики.

Одним из основных критериев качества среды служит выживаемость организмов. Однако, при отсутствии сильных воздействий фактора, например, при воздействии малых доз токсических веществ, этого критерия недостаточно, так как при этом не принимаются во внимание многочисленные реакции организма в промежуток времени между первым контактом животных с чужеродными веществами и последующим проявлением отравления. Поэтому биоконтроль целесообразно основывать не на данных гибели, а на информации об отклонениях в процессах жизнедеятельности гидробионотов и, в частности, процессов размножения и дыхания. В связи с этим большое значение

имеют длительные опыты на нескольких поколениях, когда учитывается действие фактора на гаметогенез. Однако, большинство сведений получены в исследованиях на одном поколении животных и, как правило, на одновозрастных особях, тогда как данные ряда исследований (Володин, 1973; Бочаров, 1975; Путинцев, 1975; Корде, 1981; Лузгин, 1990; Migliore, Marina, 1990) свидетельствуют об определенной зависимости между возрастом животных и токсическим эффектом. Не меньшего внимания заслуживает изучение последействия интоксикации гидробионтов и обратимости процессов отравления у потомства последующих поколений, находящихся в чистой среде. Данный вопрос так же далек от окончательного решения. Между тем, использование этих данных позволило бы внести определенные коррективы в принятии нормативов содержания загрязняющих веществ.

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение последствий воздействия ряда экологических факторов водной среды (повышенная температура, токсические вещества антропогенного происхождения) на жизнедеятельность дафний на протяжении ряда поколений. При этом были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать реакцию системы газообмена и репродуктивной функции у дафний в ряду поколений на изменение температуры.

2. Определить влияние токсических веществ на жизнедеятельность дафний в ряду поколений, родительские особи которых подверглись токсическому воздействию на разных стадиях развития.

3. Выявить последствия токсического воздействия родительских особей на размножение и функционирование системы обеспечения кислородного режима организма у последующих поколений дафний, находящихся в чистой воде.

Научная новизна работы. Получены новые данные о выживаемости, плодовитости и реакции системы обеспечения кислородного режима организма у дафний шести поколений при повышенных тем-

пературах водной среды. Установлена зависимость устойчивости дафний, процесса размножения и функционирования системы обеспечения кислородного режима организма у дафний шести поколений от интенсивности температурных воздействий. Выявлены особенности действия приоритетных токсических веществ (металлов, пестицидов) на процесс размножения и систему обеспечения кислородного режима организма у дафний шести поколений. Впервые показано, что влияние токсикантов на дафний в ряду генераций зависит от того, на какой стадии развития исходное поколение (родительские особи) подверглось токсическому воздействию. Впервые установлены особенности жизнедеятельности дафний шести поколений, находившихся в чистой воде, исходное поколение которых было подвергнуто воздействию токсикантов. Показано, что при отравлении родительских особей токсический эффект проявляется в первых поколениях дафний, находившихся в чистой среде. В последующих поколениях возможна обратимость реакции интоксикации. Впервые изучено воздействие токсических веществ, находившихся в снеговом покрове (талых водах), взятом из районов с различной степенью антропогенной нагрузки, на жизнедеятельность дафний нескольких поколений. Показана целесообразность использования данных о системе обеспечения кислородного режима организма и процесса размножения дафний в ряду поколений при определении токсичности атмосферных выбросов.

Теоретическое значение работы. Отраженные в диссертации результаты вносят вклад в развитие теоретических основ экологии гидробионтов, и, в частности, взаимодействия гидробионтов с изменяющейся средой обитания, в понимание механизмов приспособления водных животных к антропогенному загрязнению водных экосистем.

Практическое значение работы. Результаты, научные положения и выводы диссертационной работы могут быть использованы при нормировании содержания загрязняющих веществ в водной среде, а

также при биотестировании токсичности атмосферных осадков, природных и сточных вод.

Реализация результатов исследований. Материалы диссертации, опубликованные в научной печати, используются в учебном процессе, в научно-исследовательской работе студентов и сотрудников кафедры зоологии и прикладной экологии Марийского государственного университета, а также Комитетом природных ресурсов по Республике Марий Эл в работе по прогнозированию загрязнения окружающей среды.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 2-ой Международной научно-практической конференции "Экология и охрана окружающей среды" (Пермь, 1995), на Международной конференции "Экологические аспекты устойчивого развития регионов" (Новгород, 1995), на Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), на Междисциплинарной научной конференции "Вавиловские чтения" (Йошкар-Ола, 1996), на III республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (Казань, 1997), на Всероссийском популяционном семинаре "Экология и генетика популяций" (Йошкар-Ола, 1997).

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, 7 из которых в соавторстве.

Декларация личного участия автора. Исследования были проведены автором в течение 1992 - 1997 гг. на кафедре зоологии и прикладной экологии Марийского государственного университета. Сбор литературного и экспериментального материала, анализ полученных данных и оформление работы осуществлены автором лично. Доля участия автора в написании и подготовке публикаций, осуществленных в соавторстве, составляет 60 - 80%.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Водная среда в интервале температуры +25...+26°С является оптимальной для жизнедеятельности дафний. Температура воды в интервале -г29...+30°С приводит к изменениям в организме, характерным для пограничного состояния между нормой и патологией, а температура воды в диапазоне +32...+33°С является экстремальной, вызывая отчетливо выраженные сдвиги в процессе жизнедеятельности дафний в ряду поколений.

2. Жизнедеятельность дафний в ряду поколений зависит от того, на какой стадии развития исходного поколения было осуществлено токсическое воздействие ртути, симазина, фастака.

3. При воздействии ртути, симазина, фастака токсический эффект проявляется в первых поколениях дафний, находящихся в чистой среде. В последующих поколениях возможна обратимость реакции интоксикации, время (поколение) наступления которой зависит от химической природы токсиканта.

За ценные советы, критические замечания и всестороннее содействие в работе автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.б.н., проф. кафедры зоологии и прикладной экологии МарГУ Б.И.Колупаеву, д.б.н., проф. кафедры ботаники, экологии и физиологии растений МарГУ Н.В.Глотову, к.б.н., доц. кафедры анатомии и физиологии человека и животных МарГУ Л.Б.Киселевой, а также преподавателям и сотрудникам Марийского государственного и Самарского государственного университетов.

1. ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР И НЕКОТОРЫХ ТОКСИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ НА БЕСПОЗВОНОЧНЫХ ГИДРОБИОНТОВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Повышенные температуры

Изучение физиологии водных животных, как любых других организмов, не может быть абстрактным вне связи с внешними условиями, потому что реакция живых организмов на изменение среды чрезвычайно многообразна. Познать видовые особенности функционирования и правильно интерпретировать их в каждом конкретном случае помогают исследования, относящиеся к действию какого-либо одного фактора, важность которого не вызывает сомнений. К числу подобных факторов, в первую очередь, следует отнести температуру. Исключительная роль температуры проявляется прежде всего в том, что она является непременным условием жизни (Ивлева, 1981), а ее экологическое значение - через воздействие на распределение гидро-бионтов в водоемах и на скорость протекания различных жизненных процессов (Константинов, 1972).

Интервал температур, в пределах которого возможна жизнь, представлен лишь узкой строго ограниченной "зоной биокинетических температур", составляющей незначительную часть общего температурного диапазона известного для Земли. В отличие от других абиотических факторов, температура действует не только в случае экстремальных значений, очерчивающих границы существования видов, но и в пределах биокинетической зоны в целом, определяя скорость и характер жизненных процессов (Ивлева, 1981).

Ускоряющее влияние температур на обмен веществ и темп развития гидробионтов зависит от видовой принадлежности, стадии раз-

вития и того интервала, в котором повышается температура. Для сравнения влияния температуры на темп обмена веществ и скорость развития у разных объектов чаще всего пользуются температурным коэффициентом Вант-Гоффа (С^ю), отражающим эмпирически найденное правило, согласно которому с повышением температуры на 10 °С скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза (Константинов, 1972).

Причины гибели животных под действием высоких температур изучены недостаточно. Низкая устойчивость к теплу может быть обусловлена денатурацией белков, коагуляцией их в результате нагревания, термической инактивацией ферментов, идущей со скоростью, превышающей скорость их синтеза, различием в температурном коэффициенте (С^ю) для взаимосвязанных метаболических реакций, изменением структуры биомембран (Шмидт-Ниельсон, 1982). В ряде случаев губительное действие повышенных температур связано не с тепловым повреждением клеток, а с ухудшением условий газообмена. Потребность в кислороде по мере повышения температуры растет, поступление газа через дыхательные поверхности становится недостаточным, и организм погибает от удушья, а не от повреждающего действия тепла на структуру белковых тел. По данным Л.К. Лозина-Лозинского (1958) у речного рака с повышением температуры воды сначала наблюдается "тепловое оцепенение" вследствие недостатка кислорода, а затем наступает тепловая смерть (Константинов, 1972 ).

Поскольку температура служит мерой скорости движения молекул, она определяет скорость химических реакций и является, таким образом, одним из факторов, контролирующих рост и метаболизм живых организмов.

Сравнительный анализ данных о скорости развития и теплоустойчивости дафний при разных температурах в пределах зоны видовой толерантности показал, что характерная для каждой температуры

и

реакция нередко вырабатывается в ряду нескольких последовательных поколений (Галковская, Морозов, 1981). При адаптации широко- ' эвритермные виды способны вырабатывать относительную температурную независимость ускорения метаболизма по крайней мере в 10-градусном интервале температур. На основании анализа изменения скорости развития и соотношения продолжительности отдельных периодов онтогенеза в последовательных генерациях дафний констатировано существование длительной адаптивной настройки, которая, вероятно, формируется в результате участия не только компенсаторных физиологических, но и цитогенетических и мутационных процессов (Галковская, Ефремова, Молотков, Морозов, 1982; Галковская, Суще-ня, Митянина, Ефремова, 1983).

Многие авторы на самых разных объектах в первую очередь стремились выяснить количественную сторону рассматриваемой зависимости. Основополагающими в этом отношении являются работы А.Крога и его сотрудников (Krogh, 1914, 1916; Ege,Krogh, 1915-1916), в которых на представителях ряда классов животных показано, что зависимость интенсивности "стандартного обмена" от температуры подчиняется общей количественной закономерности, которая эмпирически достаточно хорошо описывается так называемой "нормальной кривой" Крога (Проссер, Браун, 1977).

Известно, что длительность стадий (периодичность линьки), сроки полового созревания, размножение и выживаемость у гидробионтов прямым образом зависят от температурного фактора. По мере увеличения температуры сокращается длительность жизни рачков (Кузичкин, 1974), возрастает скорость фильтрации и питания рачков (Трубецкова, 1984; Chisholm, Stoss, Nobbs, 1975; Hayward , Gallup, 1976) ускоряется их эмбриональное и постэмбриональное развитие (Галковская, Сущеня, 1978; Митянина, 1980, Митянина, Ефремова, 1984; Радченко, 1982; Weglenska, 1970; Bottrell, 1975; Munro, White

1975). В частности у ветвистоусых ракообразных скорость эмбрионального и постэмбрионального развития при разной температуре может быть приближенно передана "нормальной кривой" Крога (Крючкова, 1973).

В литературе рассматриваются воп