Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние условий местообитания и антропогенной нагрузки на симбиотическую ассоциацию морских звезд Asterias rubens L.

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние условий местообитания и антропогенной нагрузки на симбиотическую ассоциацию морских звезд Asterias rubens L."

На правах рукописи

Поромов Артём Андреевич

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МЕСТООБИТАНИЯ И АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА СИМБИОТИЧЕСКУЮ АССОЦИАЦИЮ МОРСКИХ ЗВЕЗД ASTERIAS RUBENS L.

Специальность: 03.02.08 - Экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 <¡¿3 2015

005558622

Москва 2015

005558622

Работа выполнена на кафедре обшей экологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Смуров Андрей Валерьевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Пересыпкин Валерий Иванович заведующий лабораторией химии океана Института океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук

кандидат биологических наук, доцент Медянкина Мария Владимировна заведующий лабораторией эколого-токсикологических исследований ФГУП «Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии»

Ведущая организация: Институт проблем экологии и эволюции

им. А.Н. Северцова Российской академии наук

Защита состоится «19» марта 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119234, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет МГУ, ауд. 389. Факс:8(495)939-43-09; e-mail: dissovet_00155@mail.ru

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан ««?.-£»>...........2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Иглокожие (Echinodermata) - тип исключительно морских донных животных, большей частью свободно-живущих, реже сидячих. Насчитывается около 7000 современных видов. Наряду с хордовыми, иглокожие относятся к ветви вторичноротых животных (Deuteroslomia).

Одним из важных и перспективных направлений является использование иглокожих в качестве биоиндикаторов, а отдельные их молекулярные и цитогенетические характеристики - в качестве биомаркеров состояния' морской среды. В морской экотоксикологии иглокожие перспективны в связи с их высокой экологической значимостью и эволюционной близостью к хордовым [Canty, 2009].

Однако для использования организмов в качестве биоиндикаторов, а их отдельных характеристик в качестве биомаркеров, необходимо изучение физиологических эффектов действия загрязняющих веществ (токсическое действие и адаптация) на организм с учетом сложности и многокомпонентное™ морской среды и условий местообитания.

Ответные реакции иглокожих на токсическое воздействие могут проявляться на всех уровнях организации биосистем от молекулярно-генетического до уровня ценозов. При этом наиболее общие и быстрые токсические эффекты проявляются на клеточном и молекулярном уровне. Именно на этом уровне вырабатываются механизмы адаптации к токсическому действию загрязняющих веществ [Canty и др., 2009]. Более глубокие и отсроченные изменения возможно оценить при изучении биологии иглокожих и ассоциированных с ними оргашгемов.

Объект исследования Asterias rubens L. - вид морских звезд отряда Forcipulatida. Обитают на мелководьях северной части Атлантического океана (от Каролины на западе до Сенегала на востоке), типичный представитель прибрежных донных сообществ Северного, Белого и западной части Балтийского морей. Модельный объект гистологических и цитологических исследований. На морских звездах A. rubetis обитают эктосимбионты - копеподы Scoítomyzon gibberum Scott, впервые описанные для Белого моря А.В Смуровым [Смуров, 1993].

Учет симбионтов позволяет получать достоверную информацию о качестве среды, так как степень экстенсивности заселенности (относительное количество хозяев, имеющих симбионтов) и интенсивности заселенности (среднее количество симбионтов на хозяине) напрямую зависит от условий, в

которых находится популяция хозяев. Многие симбионты более чувствительны к изменениям внешней среды [Смуров, 2003]. При этом термин «симбиоз» используется изначально широком смысле, включающем все типы межвидовых взаимодействий (мутуализм, комменсализм, паразитизм).

Помимо антропогенных воздействий на многие физиологические характеристики организмов, на численность и разнообразие влияют условия местообитания, что особенно актуально для морской среды. Многокомпонентный состав морской воды и донных осадков, физические условия, течения, особенности микроместообитаний в значительной степени влияют на проявление токсических эффектов веществ в морской воде [Alls и др., 2004].

Задачи исследования

1. Охарактеризовать типы экосистем и оценить уровни загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) в районе исследования;

2. Оцепить уровни биоаккумуляции и биоконцентрации ТМ в морских звездах A. rubens в природных и экспериментальных условиях;

3. Оценить влияние ТМ на клеточные элементы целомической жидкости морских звезд A. rubens в природных популяциях и в условиях эксперимента;

4. Оценить влияние ТМ на поведенческий ответ морских звезд А. rubens в экспериментальных условиях;

5. Оценить влияние ТМ на выживаемость морских звезд A. rubens и плодовитость копепод S. gibberum в условиях эксперимента;

6. Оценить заселенность морских звезд A. rubens копеподами S. gibberum в акваториях с различным уровнем антропогенной нагрузки;

7. Оценить морфологические и репродуктивные особенности самок копепод S. gibberum в акваториях с различным уровнем антропогенной нагрузки.

Научная новизна работы

В работе впервые выявлена неоднородность распределения ТМ в донных осадках Ругозерской, Чернореченской, Кислой губах и в «Бабьем море» Кандалакшского залива Белого моря, что связано с гидрологическими особенностями и характером хозяйственной деятельности. Впервые описаны особенности сезонной, пространственной и глубинной динамики заселенности морских звезд A. rubens и копеподами S. gibberum и

особенности заселенности различных размерных классов морских звезд. Впервые описаны различия в концентрации клеток в целомической жидкости морских звезд из разных точек исследуемой акватории и доли микроядер в этих клетках, что связано с различными уровнями антропогенной нагрузки и заселенностью копеподами.

Праюическое значение

Практические приложения результатов связаны с решением задач оценки качества морской среды, которые состоят в том, чтобы отличить изменения природного характера от тех, которые вызваны антропогенным воздействием; связать эффекты в экосистеме, особенно в биотической компоненте, с уровнем загрязнения; выявить «критические» уровни воздействия и наиболее уязвимые звенья в биологической цепи; создать систему наблюдений за факторами воздействий и биологическими эффектами в экосистемах океана, различающихся уровнем трофности и степенью антропогенной нагрузки [Израэль, Цыбань, 2009].

Практический интерес к использованию морских звезд и их ассоциированных симионов, а так же отдельных биологических характеристик этих организмов, в экотоксикологических исследованиях обуславливает необходимость изучения особенностей проявления токсических эффектов веществ с учетом влияния природных условий местообитания и отдельных факторов в экспериментальных условиях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Морские звезды Asterias rubens способны к биоконцентрации ионов свинца, меди и кадмия из воды, к биоаккумуляции, при этом концентрации меди, цинка, кадмия и ртути в теле морских звёзд превышают их содержание в донных осадках, концентрации марганца, никеля и свинца ниже.2. Число клеток целомической жидкости и образование микроядер в них коррелирует с уровнем антропогенной нагрузки и заселенностью копеподами S. gibberum.

3. Смесь металлов при значениях при ИИТ 500 вызывает прекращение вылупленные науплиев копепод S. gibberum, летальная концентрация для морских звезд A. rubens составляет 4000.

4. На размер карапакса S. gibberum влияют условия местообитания и металлы, аккумулированные в теле морских звезд A. rubens.

5. Заселенность морских звезд A. rubens копеподами S. gibberum зависит от уровней антропогенной нагрузки и условий местообитания.

Апробация работы

Основные материалы диссертации были представлены на 6-ти конференциях, среди которых: Международная конференция SETAC Europe 24th Annual Meeting, (Базель, Швейцария) 2014; Международная конференция «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, МГУ, 2013); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013» (Москва, МГУ, 2013); Международная конференция «Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря» (Петрозаводск, 2013) и других.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 9 работ, 2 - в журналах из списка ВАК, 1 в иностранном издании, 5 - материалы и сборники конференций, 1 -в сборниках результатов полевых исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4-х глав, заключения и выводов. Работа иллюстрирована 18-ю таблицами и 25-ю рисунками. Список литературы включает 140 источников, в том числе 113 на иностранных языках.

Благодарности

Автор выражает благодарность коллективу кафедры общей экологии биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, научному руководителю проф. A.B. Смурову, коллективу Беломорской биологической станции им. Н.А.Перцова и Кандалакшского государственного заповедника за помощь в организации исследований, сотруднику Факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова Михаилу Карпухину, сотруднику Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов Н.В. Козловой, студенту кафедры энтомологии МГУ им.М.В.Ломоносова Илье Гомыранову за помощь при проведении химических анализов. Сотруднику Института Океанологии РАН им. П.П.Ширшова Галине Антоновне Колючкиной за ценные рекомендации при написании работы. Аспиранту кафедры общей экологии биологического факультета МГУ им.М.ВЛомоносова Анне Каспарсон за помощь во время полевых работ. О.Ю. Вишняковой за помощь при редактировании текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

В главе приводится обзор литературы по подходам к оценке состояния окружающей среды на разных уровнях организации биосистем: молекулярном, клеточном, для организменного уровня описан морфологический подход, основанный на размерных характеристиках организмов, для ценогаческого уровня - сообществ - приведены наиболее используемые методы, отдельно описаны примеры исследований действия факторов на симбиоценозы.

Приведена характеристика морских звезд А. гиЪепз как целевого объекта для оценки состояния морской среды, с точки зрения требований, выдвигаемых современной системой биоиндикации к тест-организмам.

Дана краткая характеристика токсических эффектов ТМ для морских звезд А. гиЪет, обитающих в загрязненных районах и в условиях эксперимента. Приведены подходы к оценке биоаккумуляции и биоконцентрации ТМ в водных организмах.

Глава 2. Материалы и методы

Сбор морских звезд А. гиЬет проводился в Белом море на акваториях Ругозерской, Чернореченской, Кислой губ и «Бабьего моря». Морские звезды собирались в полиэтиленовые пакеты в районе Беломорской биологической станции имени НА. Перцова (Мурманская область, Россия (66.55359° Ы, 033.10403° Е). Каждую морскую звезду помещали в индивидуальный пакет. Объем выборки составил 1015 экземпляров. Отбирались неповрежденные пятилучевые морские звезды диаметром 66-100 мм с 6-ти стационарных точек в течение всего вегетационных периодов 2012-2013 годов со средней частотой раз в три недели по 30-40 экземпляров. С 6-ти дополнительных точек собирали 2-3 раза. Станции сбора морских звезд представлены на рис. 1. С глубины до двух метров морских звезд собирали сачком, на глубинах 3-8 метров - с использованием легкого водолазного снаряжения.

Измеряли следующие параметры морских звезд: Нг (расстояние ог мадрепоровой пластинки до внутренней окружности, контррадиус), г (расстояние от центра до внутренней окружности, малый радиус), Я (расстояние от центра до большой окружности, большой радиус).

Копепод 5. g¡bberum с морских звезд собирали препаровальными иглами с использованием бинокулярных очков с увеличением 1.8х. Самок копепод помещали в чашки Петри, диаметром 50 мм и фиксировали 5%

раствором формалина в течение суток. После фиксации самок S. gibberum просматривали на бинокулярном микроскопе Leica.

Рис. 1 Станции сбора материала на акватории Кандалакшского залива Белого моря (в скобках указана глубина сбора). Условные обозначения: 1 - Половые острова (2-10 м.), 2 -Черные щели-Ермолинская губа(1-5 м.), 3 -«У Креста» на территории ББС МГУ (1-15 м.), 4 - у острова Великий (8 м.), 5 - Пирс ББС МГУ (2-8 м.), б - Бабье море (2-7 м.), 7 - у Еремеевских островов (1-5 м.), 8 - Крестовые острова (2-10 м.), 9 - Кислая губа (1-5 м.), 10 - Черная речка, у входа в залив (2 м.), 11 - Черная речка, в заливе (2 м.), 12 - Черная речка, за порогом (под кладбищем) (3 м.).

Для характеристики заселенности морских звезд копеподами рассчитывались основные показатели численности симбионтов, широко используемые в паразитологических исследованиях [Яогза, 2000; Аниканова, 2007].

Для характеристики токсичности металлов рассчитывали интегральный индекс токсичности (ИИТ), по следующим формулам [ОУсЫпшкоу, 1997]:

0.1 0.01 0.001 0.005 0.1 0.05 0.01 0.00001

В представленной формуле в знаменателе значения ПДК для рыбохозяйственных водоемов, согласно «Нормативам качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения»» (Приказ Росрыболовства от 18 января 2010 года № 20). При этом в качестве значений могут применяться и другие нормы.

В связи с тем, что для морских донных осадков и вод в Российской Федерации отсутствуют закрепленные нормы, возможно использование кларка (среднее содержание) элемента в морской воде:

[Fe] [Pb] [Cu] [Cd] [Mn] [Zn] [Ni] [Hg] ИИТ = —+ i—- + ^—- + -—- + -—- + -—- +1—- +

50 0.1 3.5 0.1 2 5 2 0.03

В представленной формуле в знаменателе значения кларка элемента (мг/кг) в морской среде [Соловов, Архипов, Бугров, 1990]

Целомическую жидкость экстрагировали из полости морских звезд, для этого использовали шприц па 1 мл, снабженный 21 мм иглой, не менее, чем из 10 морских звезд. Средний объем собранной жидкости составлял 0.6 мл. Численность клеток в целомической жидкости подсчитывали с помощью камеры Горяева в двух повторах с окрашиванием раствором Романовского-Гимзы. Общая численность посчитанных клеток - 1000 штук [Venier, Marón, Canova, 1997].

Выживаемость морских звезд и плодовитость копепод исследовали в токсикологических экспериментах в течение 3-х и 10-ти суток при значениях ИИТ, добавленной смеси металлов, от 0 (котнроль) до 6500.

Для исследования влияния солености на токсичность и биоконцентрацию ТМ в 10-ти литровые аквариумы добавляли смесь тяжелых металлов (хлориды железа III, свинца II, кадмия II, меди II) до значений ИИТ, равного 100, 400, 800. В 4-х аквариумах поддерживалась «низкая» соленость 2196о (наиболее низкая соленость для района исследований), в 4-х других -«нормальная» соленость - 25.7%о (средняя соленость морской воды в этом регионе составляет 25-26%о). В каждый из 8-ми аквариумов помещалось по пять равноразмерных пяти лучевых морских звезд A. rubens. При проведении эксперимента температура воды составляла 15°С ± 3°С, с естественным освещением и суточным циклом. Длительность эксперимента составляла 10 суток, воду меняли на половину объема раз в три дня, с соответствующей солёностью и концентрацией металлов. На третьи, седьмые и десятые сутки эксперимента измеряли скорость переворота и экстрагировали целомическую жидкость. На 10-е сутки эксперимента морских звезд высушивали в открытом сухожарочном шкафу при температуре 400° С. Каждую звезду упаковывали в индивидуальный пакет для последующего анализа содержания химических элементов.

Поведенческую реакцию измеряли до сбора целомической жидкости. Каждую морскую звезду помещали в 20-ти литровый аквариум, содержащий чистую морскую воду (температурой 15°С) соответствующей солености. Измерялось время, необходимое животному для полного переворота на оральную сторону. Эту процедуру повторяли пять раз. Размеры аквариума и

9

объема воды не позволяли морским звездам прикасаться к сторонам аквариума и поверхности воды, так как это содействовало бы перевороту животного и приводило бы к ошибочным результатам.

Содержание металлов измерялось в средневзвешенных пробах донных осадков, собранных в месте сбора морских звезд в пяти точках на расстоянии не менее метра друг от друга (метод конверта). В морских звездах конценграцию металлов измеряли во всем теле, без разделения на отдельные органы, организмы высушивали при температуре 400°С в открытом сухожарочном шкафу. Для определения содержания металлов в средневзвешенной навеске пять морских звезд, из каждой станции сбора или экспериментального аквариума, измельчали и перемешивали. Измерения проводились согласно методике ФР 1.31.2009.06787. Измерения проводились на атомно-абсорбционном спектрометре ContrAA 300 (Analytic Jena) на факультете почвоведения МГУ им М.В. Ломоносова.

Коэффициент биоаккумуляции (BAF) определяется как весовое соотношение между концентрацией химического вещества в теле морских звезд и ее концентраций в донных осадках соответствующей станции сбора. Коэффициент биоконцентрации (BCF) определяется как весовое соотношение между концентрацией химического вещества в теле морских звезд и ее концентраций в воде, в данном случае воде, в экспериментальных аквариумах.

Глава 3. Краткая характеристика района исследования

В данной главе приведена кратка характеристика района исследования, источников и уровней антропогенного загрязнения, описаны гидрологические особенности исследуемой акватории, приведены результаты анализа донных осадков на содержание ТМ.

Сбор материала проводился в Кандалакшском заливе Белого моря на акваториях Ругозерской, Чернореченской, Кислой губ и «Бабьего моря», в районе расположения Беломорской биологической станции МГУ имени М.ВЛомоносова и на территории Кандалакшского государственного заповедника. Точки сбора материала представлены на рис. 1.

В течение вегетационного периода 2012 и 2013 годов проведены измерения температуры поверхностного слоя воды и воздуха в точках сбора. Для конца июля и начала августа отмечается наивысшие значения температуры, для воздуха +22 С0 и для воды +15 С0.

Район исследования по гидролого-химическим условиям можно разделить на несколько участков:

- кута Ругозерской губы и «Бабье море» (северо-западная часть акватории). Участок, наиболее подверженный антропогенному воздействию за счет хозяйственной деятельности и особенностям осадконакопления, с постоянной соленостью и слабым течением.

Рис. 2 Значения ИИТ в районе сбора материала

Л - значения ИИТ по отношению к ПДК для рыбохозяйственных водоемов; Б - значения ИИТ (по отношению к к ПДК для рыбохозяйственных водоемов) без учета вклада Ре; В - значения ИИТ по отношению к кларку в морской воде.

В

-район Биостанции МГУ (центральная часть). Участок, подверженный воздействию с биостанции, стоку временных ручьев и характеризуемый высокой скоростью течения и широкой литоралью.

- район Кресговых островов, деревни Черная речка и губа Кислая. Участок с меньшим воздействием человека и за счет речного стока более опресненный.

Для каждой станции определялся тип донного сообщества по доминирующим видам зообентоса и макрофитов. Для проведения ковариационного анализа все точки разделены по трем типам биотопов, по характеру грунта и доминирующим макрофитам ( песчаный грунт с зостерой, каменистый заиленный грунт, каменистый грунт с зарослями ламинарии)

д. Черная

Глава 4. Результаты и их обсуждение

4.1 Биоаккумуляция тяжелых металлов (BAF) в морских звездах Asterias rubens

По уровням биоаккумуляции металлы можно разделить на две группы: накапливающиеся в теле морских звезд, со значениями ВАР больше 1 (медь, цинк, кадмий ртуть) и ненакапливающиеся, со значениями BAI" меньше 1 (марганец, железо, никель, свинец). Статистически достоверных корреляций между содержанием мет&члов в теле морских звезд и в донных осадках не выявлено. Ковариационный анализ не показал статистически достоверной связи между концентрациями металлов в теле морских звезд и уровнями биоаккумуляции с типом биотопа и соленостью, со средними значениями F<1.5 и Р>0.5).

4.2 Биоконцентрация тяжелых металлов (BCF) в морских звездах Asterias rubens в экспериментальных условиях

Концентрация железа не увеличивалась при увеличении содержаний этого металла в морской воде (рис. 3). Однако наблюдались различия в концентрациях железа в морских звездах при разной солености, содержащейся в аквариумах без добавления металлов (контроль) и при добавлении железа 2.5 мг/л. Естественное содержание железа в морских звездах в районе сбора материала (166.1±57.8 мг/кг) значительно выше концентрации железа, добавленного в воду аквариумов ходе эксперимента.

Концентрации металлов, добавленных в воду в ходе эксперимента, мг/л Рис. 3 Содержания металлов в морских звездах Asterias rubens

Для остальных металлов отмечается увеличение их содержания в морских звездах при увеличении их концентрации в воде, что показывает положительные значения коэффициента наклона линии регрессии. Содержание РЬ в морских звездах после эксперимента в три раза превышало концентрации, добавленные в морскую воду в ходе эксперимента, а для Си в 15-20 раз. Содержание СсЗ в морских звездах дозозависимо увеличилось при увеличении его концентрации в морской воде, однако не превысило его концентрацию в воде. Для кадмия и меди при солености 25.7%о, наблюдается статистически достоверная линейная зависимость между содержаниями этих металлов в теле морских звезд и концентрациями металлов, добавленных в воду в ходе эксперимента.

4.3 Особенности клеточных элементов целомической жидкости в морских звездах Asterias гиЬею

4.3.1 Численность целомоцитов и доля микроядер в них Как число клеток, так и доля микроядер в клетках отличаются в морских звездах, собранных с разных станций (рис. 4). Можно выделить две точки у Половых островов и в «Бабьем море», характеризуемые высокими значениями обоих показателей, три точки с относительно низкими значениями в центре акватории и точку в эстуарии р. Черная речка с более высокими, относительно предыдущих, значениями. Морские звезды в районе Черной речки обитают в условиях пониженной солености. Ковариационный анализ показывает статистически зависимые различия между числом клеток (долей микроядер) и типом биотопа (РР;5]=14.2; Р<0.029; Р[2;5]=7.9; Р<0.063).

10О

с

1

1 80

ъ

+ 60

О

0) 40

О

5 20

5

Т

с

о

а

■

1.||

Рис. 4 Число клеток и доля микроядер в целомической жидкости морских звезд А. гиЬет 1- Бабье море; 2 - Половые острова; 3 - Пирс ББС; 4 - Кислая губа; 5 - Крестовые острова; 6 - Черная речка.

Высокие концентрации целомоцитов и долей в них микроядер из морских звезд, обитающих на Половых островах и в «Бабьем море», можно связать с более высокими уровнями антропогенной нагрузки. Сходные данные получены при изучении морских звезд из загрязненных районов Норвегии [Coteur и др., 2003]. Регрессионный анализ показывает статистически достоверную прямую линейную зависимость между концентрацией целомоцитов и интенсивностью заселенности морских звезд копеподами S. gibberum, (11=0.68; F[1;5)=16.06, Р=0.015)

4.3.2 Доля микроядер в морских звездах Asterias rubens в экспериментальных условиях

При солености 25.7%о на 3 и 7 сутки эксперимента наблюдается дозозависимое увеличение доли клеток с микроядрами, что вызвано генотоксическим действием металлов, R2= 0.98, Р<0.05 и R2= 0.92, Р<0.05. На 10 сутки различий между долями микроядер в клетках в контрольном и экспериментальных аквариумах не наблюдается.

При солености 21 %о дозозависимого эффекта увеличения генотоксичности не наблюдается в течение всего эксперимента. На препаратах со значениями ИИТ 400 и 800 на 3-й и 7-е сутки эксперимента наблюдается бактериальное заражение грамм-положительными палочковидными бактериями, после 10-ти суток наблюдаются фагоцитированные синие гранулы внутри клеток при микроскопировании препаратов. Ковариационный анализ не показывает статистически достоверного влияния солености на долю микроядер в клетках целомической жидкости.

4.4 Изменение поведенческих реакций морских звезд Asterias rubens в экспериментальных условиях

После трех суток эксперимента наблюдается увеличение среднего времени переворота морских звезд, на 7-е и 10-е сутки различий во времени переворота не наблюдается. Не выявлено влияние исследуемых различий солености на скорость переворота.

4.5 Выживаемость морских звезд Asterias rubens при воздействии тяжелых металлов

Летальные значения ИИТ для морских звезд составляют 4000 после эксперимента в течение десяти суток (хронический эксперимент). После трех суток (острый эксперимент) полулегальные значения ИИТ - 5800.

Высокое значения ИИТ, при котором наступает гибель морских звезд, позволяет говорить об их устойчивости к воздействию ТМ, что обуславливает распространение звезд в биотопах с высокими уровнями

антропогенной нагрузки. Средние значения ИИТ воды для данного региона 300-400.

4.6 Плодовитость копеиод Зсоиптугоп о1ЬЬегит при воздействии тяжелых металлов и оседание на морские звезды

Вылупление науплиев прекращается при значениях ИИТ больше 500, что свидетельствует о чувствительных ювенильных стадий копепод. При высоких концентрациях металлов в воде такая чувствительность может влиять на уровень заселённости.

4.7 Особенности размера карапакса и относительного возраста копепод ЭсоНотугоп gibbeгum

Относительный возраст копепод коррелирует с площадью карапакса, значение коэффициента корреляции Кендала 0.165 (Р<0.01), однофакторный дисперсионный анализ Р[1;719]=30.9, Р<0.0005. Но при этом значение коэффициента линейной регрессии 112=0.041. Ковариационный анализ показывает статистически достоверное влияние типа биотопа на площадь карапапкса Г^^ор' 5.8, Р0.001 (Рис. 5 В). Наблюдаются различия в размере карапакса для разных точек исследуемой акватории, что связано с типом биотопа и гидрологическими условиями. Можно отметить статистически достоверное влияние типа биотопа и гидрологических условий (соленость, глубина сбора) на площадь карапакса копепод и температуры воды на возраст копепод.

Ртуть вызывает уменьшения размеров карапакса копепод, в то время как медь увеличение: А - ртуть (Р=49.3, Р=0.002); Б - медь (Р=12.54; Р -= 0.017) (Рис.5 А,Б)

Рис. 5 Взаимосвязь площади карапакса и содержания металлов в теле морских звездах (А: Б).

В - Площадь карапакса ког.епод 5соиотугоп огЬЬегит

1 - Бабье море; 2 - Половые острова; 3 -Черные щели; 4 - Пирс ББС; 5 -Еремееевские острова; 6 - Кислая губа;7 -Крестовые острова; 8 - Черная речка.

4.8 Особенности заселенности морских звезд Asterias rubens копеподами Scottomyzon gibberum

После анализа размерной структуры морских звезд выделен наиболее заселенный класс особей исключительно среднего размера. Полученные размерные границы показателей: контррадиуса, малого радиуса, большого радиуса использовались при сборе морских звезд A. rubens для анализа их заселенности копеподами S. gibberum. Сбор морских звезд проводился в определённом размерном классе, не собирались ювенильные особи и особи с диаметром более 16 см.

Достоверная сезонная цикличность заселенности морских звезд в течение вегетационного периода не наблюдается, однако в течение одного вегетационного периода 2012 года можно отметить максимальные значения в июле-августе и увеличение доли самцов S. gibberum.

Прибрежная зона глубиной 1 метр характеризуется низкими значениями индексов заселенности. Возможно, это связано с различиями в размерной структуре морских звезд. Для прибрежной зоны характерны ювенильные морские звезды, которые еще не заселены копеподами, а заселение происходит при миграции звезд с литорали на большие глубины. На глубине 1 метр неблагоприятные гидрологические условия для подвижных стадий копепод - приливно-отливные течения, перепады температур, опреснение.

По значениям интенсивности, экстенсивности, индекса обилия можно выделить точки с высокими значениями - у Половых островов, в «Бабьем море» характеризуемые высокими значениями заселенности. Наименьшее значение характерно для района Еремеевских островов и точки Черная речка (за порогом) в 2013 г. По значениям индексов агрегированное™ (к и D)

можно выделить точки у Еремеевских островов и д. Черная речка (Рис. 5 Д, Е).

Наблюдаются различия в значениях заселенности в 2012 и 2013 годах в районе д. Черная речка, при этом увеличилась агрегированность. Заселённость значительно уменьшилась, при этом морские звезды в 2012 году собирались с глубины 3 метра, а в 2013 году поднялись на глубину до 0.5 метров. Коэффициент корреляции Кендала показывает статистически достоверную корреляцию с соленостью воды, что может свидетельствовать о чувствительности копепод к пониженной солености (Рис. 6).

В зарослях ламинарии (точки у Еремеевских и Крестовых островов) плотность популяции морских звезд наиболее низкая, мелкие размеры и преобладание ювенильных особей обуславливает низкую заселенность.

Можно предположить, что различия могут быть также связаны со степенью антропогенного воздействия. Точка у Половых островов, наиболее приближенная к куту Ругозерской губы и верховья Чернореченской губы, характеризуется повышенной антропогенной нагрузкой за счет хозяйственной деятельности и интенсивного использования маломерных судов. «Бабье море» за счет гидрологических особенностей и рельефа береговой линии характеризуется высокой интенсивностью аккумуляции веществ, в том числе и загрязняющих, поступающих сюда с одной стороны из пос. Пояконда, с другой из г. Кандалакша. [Пересыпкин, 1996; Пересыпкин, 2004] Взаимосвязь между значения индексов заселенности и содержанием металлов подтверждается корреляционным анализом, коэффициент корреляции Кендала составляет 0.7, Р<0.05.

4.9 Распределение копепод БсоНотугоп gibberuтa на поверхности тела морских звезд А8(ег'ю8 гиЬею и доля копепод в галлах

Преимущественно копеподы обитают на латеральных сторонах лучей и оральной стороне морских звезд, где наиболее мягкие покровы и меньше воздействие воды, чем на аборальной стороне.

Для статистического анализа доли особей на разных поверхностях тела преобразовали методом главных компонент. Использовали факторные метки первой компоненты, собственное значение 1.9, объясняющей 65% дисперсии. Коэффициент корреляции Кендала показывает статистически достоверные корреляции со значениями солености (111;19]=2.6, Р<0.01) и значения ИИТ без учета железа (1[1;15]=2.1, Р<0.05). Уменьшение солености приводит к увеличению доли особей на аборальной стороне.

Галлы образуют взрослые половозрелые самки, однако механизм галлообразования не известен [Марченков, 2001]. Сезонной динамики,

увеличения или уменьшения доли особей в галлах не наблюдается ни для одной из точек на акватории, что скорее всего связано с индивидуальным характером устойчивости морских звезд к заселению. Однофакторным дисперсионным анализом выявлена зависимость доли особей в гатлах с типом биотопа (F(1;i8pl4.6, PO.OOl) и значениями ИИТ без учета железа (t[,;[5¡=2.11, Р<0.05). Это может быть связано с тем, что устойчивость во многом определяется состоянием окружающей среды, в которой обитает хозяин (Смуров, 2003).

4.10 Распределение копепод Scottomyzon gibberum на поверхности тела морских звезд Asterias rubens и доля копепод в галлах

Преимущественно копеподы обитают на латеральных сторонах лучей и оральной стороне морских звезд, где наиболее мягкие покровы и меньше воздействие воды, чем на аборальной стороне.

Для статистического анализа доли особей на разных поверхностях тела преобразовали методом главных компонент. Использовали факторные метки первой компоненты, собственное значение 1.9, объясняющей 65% дисперсии. Коэффициент корреляции Кендала показывает статистически достоверные корреляции со значениями солености (t[i;¡9)=2.6, Р<0.01) и значения ИИТ без учета железа (t[i;u]=2.1, Р<0.05). Уменьшение солености приводит к увеличению доли особей на аборальной стороне.

Галлы образуют взрослые половозрелые самки, однако механизм галлообразования не известен [Марченков, 2001]. Сезонной динамики, увеличения или уменьшения доли особей в галлах не наблюдается ни для одной из точек на акватории, что скорее всего связано с индивидуальным характером устойчивости морских звезд к заселению. Однофакторным дисперсионным анализом выявлена зависимость доли особей в галлах с типом биотопа (F[I;i8pl4.6, PO.OOl) и значениями ИИТ без учета железа (t[1;i5¡=2.11, Р<0.05). Это может быть связано с тем, что устойчивость во многом определяется состоянием окружающей среды, в которой обитает хозяин (Смуров, 2003).

4.11 Обобщение результатов

Район исследования включает в себя несколько биотопов с различными физико-химическими и гидрологическими условиями, а также источниками и уровнями антропогенной нагрузки.

В связи с тем, что загрязнение тяжелыми металлами является одним из приоритетных типов загрязнения побережья Белого моря, в качестве тестируемых параметров выбраны концентрации металлов.

Бабье море * \ 2D Sties». 0.01 Черная речка

Половые острова А/

Пирс ББС МГУ

▼

Кислая губя

Тип биотопа ▼ Пирс Б50

л. 3 т 2 Крестовые острова $ грд-Чврные и-вли

$ 1 Черная речка (за порогом)

Similarity • ________во;

Рис. 6. Пространственные различия заселенности морских звезд Аз/егкю гиЬет копеподами ЯсоПотусоп &ЬЪегит (ординационный анализ). Типы биотопов: 1 - каменистый грунт с зарослями ламинарии, 2 - песчаный грунт с зостерой, 3 - каменистый заиленный грунт. А, Б -экстенсивность заселенности в 2012. и 2013 г.; В, Г - интенсивность заселенности в 2012 и 2013 г.; Д, Е - константа отрицательного биноминального распределения.

Тип биотопа А 3

■ Т 2

: % 1______

; Simiiariiy]

I ...............- 70!

: ............. 80i

90 i

у Еремеевских островов

Кислая губа

Пирс ББС МГУ

Черная речк,Ч, за порогом (поп кладбищем) «У креста» но территорий ББС МГУ

По уровням биоаккумуляции и биоконцентрации металлов в теле морских звезд возможно оценить их биодоступность, в связи с тем, что большая часть металлов находится в связанном виде и не оказывает влияние на организмы.

По значению фактора биоаккумуляции металлы можно разделить на две группы: накапливающиеся в теле морских звезд, со значениями BAF больше 1 (медь, цинк, кадмий ртуть), и ненакапливающиеся, со значениями BAF меньше 1 (марганец, железо, никель, свинец). В экспериментальных условиях биоконцентрация наблюдалась для меди. Эти данные соответствует результатам, полученным на морских звездах вдоль побережья Норвегии [Тешагаа и др., 1997].

Для уровней биоаккумуляции марганца, железа, меди, цинка, никеля и свинца наблюдается отрицательная корреляция с соленостью воды. В экспериментальных условиях статистически достоверного влияния солености на биоконцентрацию не выявлено, однако линии регрессии биоконцентраций металлов в аквариумах с низкой и нормальной соленостью различаются.

По уровням биоаккумуляции при ординационном анализе выделяется Кислая губа. В этом биотопе обитает популяция морских звезд, которая отличается менее ярким красным цветом, запахом и пищевым рационом.

Самки копепод S. gibberum обитают на поверхности морских звезд А. rubens, прикрепляясь, индуцируют образование галлов, самцы и науплии -свободноживущие планктонные организмы. Металлы, накапливаемые в теле морских звезд, влияют на копепод обитающих на поверхности. Так, ртуть вызывает уменьшения размеров карапакса копепод, в то время как медь -увеличение.

Самки могут располагаться на оральной, аборальной и латеральной стороне, распределение особей по поверхности тела морских звезд коррелирует со значениями солености и интегральным индексом токсичности металлов в донных осадках. Понижение солености увеличивает долю особей на аборальной стороне, при этом в предшествующих исследованиях отмечалось, что копеподы S. gibberum на аборальной стороне не встречаются [Смуров, 1993].

Галлы сформированы за счет разрастания мягких покровов, образующих связанную небольшим отверстием с внешней средой полость, в которой находится одна или несколько шарообразных половозрелых самок. Можно предположить, что внутри галл создаются более благоприятные условия для обитания копепод, чем на поверхности тела. Выявлены

корреляция между долей особей в галлах и типом биотопа, ИИТ. При этом в более загрязненных районах акватории доля особей в галлах выше, что может являться защитным механизмом от токсического действия загрязняющих веществ. Механизм образования галлов пока не исследован [Марченков, 2001]

В значительной степени на заселенность в влияет возраст морских звезд, который условно можно определить через размер. Для сравнительной оценки заселенности морских звезд А. гиЬет копеподами 51. gibbenlm выбран наиболее заселённый «средний» размерный класс морских звезд. При этом в ходе анализа размерной структуры, выявлена размерная изменчивость морских звезд А. гиЪет. Ювенильные особи практически не заселены, взрослые особи большого размера также заселены незначительно, что, возможно, связано с их большей устойчивостью и соответственно выживаемостью.

Заселенность увеличивается с глубиной. Возможно, это связано с различиями в размерной структуре морских звезд. Для прибрежной зоны характерны ювенильные особи, а заселение их происходит при миграции звезд с литорали на большие глубины. Также в прибрежной зоне на глубине 1 метр неблагоприятные гидрологические условия для подвижных стадий копепод - приливно-отливные течения, перепады температур, опреснение.

Различий сезонной динамики заселенности не выявлено. В 2012 году максимальные значения заселенности наблюдались в июле-августе, что можно связать с жизненным циклом и появлением самцов во второй половине лета [Яейдег, 1969].

Для исследуемой акватории заселенность связана с типом местообитания. Наибольшие значения индексов заселенности характерны для заиленных каменистых грунтов, встречающихся в районе «Бабьего моря» и Половых островов. Наименьшие значения для Крестовых и Еремеевских островов, для которых характерны заросли ламинарии и преобладают мелкие особи.

На заселенность влияет соленость, что можно наблюдать на примере популяции звезд, обитающих в эстуарии р. Черная речка. В 2013 году, по сравнению с 2012, заселённость значительно уменьшилась и увеличилась агрегированность.

Показаны корреляции между индексами заселенности и значениями ИИТ донных осадков. Наблюдаемые высокие значения к (константа отрицательного биноминального распределения) у Половых островов и в «Бабьем море» могут свидетельствовать о низкой индивидуальной

устойчивости и слабых иммунных реакциях [Иешко, Бугмырин, 2009]. В наиболее загрязненных районах исследуемой акватории («Бабье море» и у Половых островов) заселенность выше.

Условия местообитания влияют также и на самих копепод. Площадь карапакса различается в зависимости от типа местообитания и коррелирует с соленостью воды и глубиной сбора морских звезд.

Для морских звезд из природных местообитаний наблюдаются различия в числе клеток целомической жидкости и доли микроядер в них, эти значения коррелируют уровнями загрязнения и с заселенностью копеподами. Высокая численность клеток в целомической жидкости наблюдаются у звезд, собранных у Половых островов и в «Бабьем море», где значения индексов заселенности наибольшие, как и уровни загрязнения. Можно предположить, что повышенный уровень антропогенной нагрузки ослабляет защитные механизмы морских звезд, в результате чего повышается заселенность, вызывающая увеличение клеток в целомической жидкости. С другой стороны, увеличение клеток целомической жидкости может являться адаптационным механизмом к токсическому воздействию металлов, обеспечивающих их связывание и выведение.

Относительно высокое число клеток целомической жидкости и доли микроядер в них характерно и для района Черной речки, в популяции морских звезд, обитающих в условиях низкой солености (21%о). В экспериментальных условиях при низкой солёности токсическое действие металлов проявлялось в появлении бактериального заражения целомической жидкости. При этом на 10 сутки эксперимента генотоксичность тяжелых металлов для клеток целомической жидкости не отличалось от контрольных экспериментов.

Для морских звезд А. гиЬет характерна устойчивость к высоким содержаниям тяжелых металлов в воде, о чем свидетельствуют эксперименты по оценке выживаемости. В свою очередь, копеподы более чувствительны и вылупление науплиев прекращается при значительно меньших концентрациях металлов.

Поведенческий ответ морских звезд проявляется только при краткосрочном воздействии тяжёлых металлов и уже на седьмые сутки после начала эксперимента различия не наблюдался.

Таким образом, для понимания природы симбиотических ассоциаций, взаимодействий в системе «симбионт-хозяин», их места и роли в существовании и динамике сообществ необходимо изучение различных аспектов, включающих трофические и топические взаимодействия, сезонну ю

и пространственную динамику, влияние условий местообитания, защитные механизмы хозяина.

ВЫВОДЫ

1. Исследуемая акватория характеризуется неравномерным распределением металлов в донных осадках, различной солёностью воды, в диапазоне 21-26%о, различными типами донных сообществ.

2. Морские звезды Asterias rubens способны к биоконцентрации ионов свинца, меди и кадмия из воды и к биоаккумуляции, при этом концентрация меди, цинка, кадмия и ртути в теле морских звёзд превышают их содержание в окружающей среде, концентрация марганца, никеля и свинца ниже.

3. Количество клеток в целомической жидкости и доля микроядер в них коррелируют с уровнем заселённости морских звёзд A. rubens копеподами Scottomyzon gibberum и уровнем антропогенной нагрузки, тяжелые металлы оказывают генотоксическое действие, а при низкой солености вызывают нарушение защитных функций целомоцитов в условиях краткосрочного эксперимента

4. Тяжёлые металлы при значениях ИИТ 300 не вызывают значительных изменений поведенческих реакций морских звезд A. rubens, вылупленные науплиев копепод S. gibberum прекращается при значениях ИИТ 500, летальные значения ИИТ металлов для морских звезд A. rubens в условиях 10-ти дневного эксперимента составляет 4000.

5. Тип донного сообщества, соленость, глубина и уровень антропогенной нагрузки влияют на заселенность морских звезд A. rubens копеподами S. gibberum.

6. Тип донного сообщества и солёность влияют на расположение копепод по поверхности морских звезд, ртуть и кадмий, содержащиеся в теле морских звезд, влияют на размер карапакса S. gibberum.

7. Симбиогическую ассоциацию морских звезд A. rubens и копепод S. gibberum возможно использовать для биоиндикации качества морской среды на разных уровнях организации этой биосистемы.

Список публикаций по теме диссертации

Журналы из перечня изданий, рекомендованных ВАК:

1. Поромов A.A., Смуров A.B. Характеристика заселенности морских звезд Asterias rubens L. копеподами Scottomyzon gibberum Scott в условиях различной антропогенной нагрузки // Вестник Московского университета. Серия 16. Биология, № 2.2014 г. С. 35-41.

2. Поромов A.A., Перетыкин A.A., Смуров A.B. Влияние солености на

биоконцентрацию и гснотоксичность тяжелых металлов для морских звезд Asterias rubens L. // «Известия МГТУ «МАМИ». Номер 4 (22). Том 3. 2014 г. С. 54-63.

В сборниках тезисов конференций:

1. Поромов A.A. Индексы зараженности морских звезд Asterias rubens копеподами Scottomyzon gibberum, как биоиндикаторы качества прибрежных морских вод // В сборнике Тезисы докл. межд. конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред», Москва, МГУ, 4-6 февраля 2013 г, г. Москва, тезисы. 2013, С. 173-173.

2. Поромов A.A. Особенности заселенности морских звезд Asterias rubens L. копеподами Scottomyzon gibberum Scott в Кандалакшском заливе Белого моря. В сборнике Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря, тезисы. 2013 . С. 252-255.

3. Поромов A.A., Смуров A.B. Особенности заселенности морских звезд Asterias rubens копеподами Scottomyzon gibberum в окрестностях беломорской биологической станции им. H.A. Перцова // В сборнике Материалы конференции «Морская биология, геология, океанология, тезисы. 2013 С. 251-254.

4. Poromov A. Influence anthropogenic pollution on starfish's Asterias rubens at different level of biological organization //в сборнике SETAC Europe 24th Annual Meeting, Basel, Switzerland. May 11-15. 2014. [Электронный ресурс: meetings.setac.org/frontend.php/presentation/listForPublic]

5. Поромов A.A. Индексы зараженности морских звезд Asterias rubens копеподами Scottomyzon gibberum, в условиях различной антропогенной нагрузки //Сборник трудов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013». 2013. С. 110-111.

Зарубежные издания:

Poromov A., SmurovA. Scottomyzon gibberum (copepoda) associated with White Sea starfish Asterias rubens in spatial and temporal aspects // Water Research and Management, Vol. 4, No. 1. 2014. P. 43-46.

Подписано в печать:

12.01.2015

Заказ № 10461 Тираж - 70 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru