Особенности накопления тяжелых металлов в организме муравьев в окрестностях среднеуральского медеплавильного завода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт экологии растений и животных УрО РАН

Особенности накопления тяжелых металлов в организме муравьев в окрестностях среднеуральского медеплавильного завода

Е.А. Бельский, А.В. Гилев

Annotation

адаптация популяция лесной муравей

Accumulation of heavy metals in ants in the vicinity of the middle Ural copper plant

Belskii E.A., Gilev A.V.

Accumulation of Cu, Zn, Pb and Cd in material of ants` nest mounds and in the body of Formica aquilonia, F. lugubris was studied in the vicinity of the Middle Ural copper plant (Sverdlovsk oblast, city of Revda) in 2006. An increase of metal concentrations in material of nest mounds was registered along the pollution gradient. Both ant species showed increased metal concentrations in zones of pollution but accumulation ability was higher in F. lugubris. Strong correlation between metal concentrations in ants and material of nest mounds was registered only for Pb. Analysis of metal concentrations in ants of two groups of phenotypes (dark ad light) showed that dark individuals tend to reach higher mean concentrations than the light ones.

Гетерогенность популяций живых организмов - важнейшая их особенность, обеспечивающая адаптацию к воздействию экстремальных факторов среды. Фенотипическое разнообразие является проявлением этой внутрипопуляционной разнокачественности. Особенности фенотипов маркируют важные эколого-физиологические характеристики особей. Познание процессов адаптации популяций к экстремальным геохимическим условиям требует изучения закономерностей биоаккумуляции токсикантов в организме особей разных фенотипов. Необходимость учета половой, возрастной и фенотипической принадлежности особей, используемых в биогеохимических исследованиях, продемонстрирована в ряде работ [7].

Большое количество работ по накоплению тяжелых металлов насекомыми выполнено на представителях отряда жесткокрылых. Не меньшего внимания заслуживают муравьи в силу их большого значения в экосистемах благодаря большой биомассе, высокому положению в пищевых цепях, перемещению больших количеств субстрата и другим особенностям [11, 13]. В ряде работ затрагивается накопление тяжелых металлов муравьями в условиях загрязнения среды выбросами предприятий цветной металлургии в странах Европы [10, 12, 14]. Однако в таком промышленном регионе, как Средний Урал, подобные исследования не проводились. Тем более остаются неизученными закономерности накопления элементов особями муравьев разных фенотипов.

Цель работы - сравнительный анализ накопления тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb и Cd) в организме двух видов рыжих лесных муравьев (подрод Formica s. str.) в зависимости от уровня токсической нагрузки и фенотипа особей на юге Свердловской области.

Материал и методы

Работа проведена в окрестностях Среднеуральского медеплавильного завода (г. Ревда Свердловской обл.) - мощного источника выбросов тяжелых металлов и диоксида серы. Объем выбросов этого предприятия в атмосферу в 2004 г. составил 28,3 тыс. т [8]. Несмотря на значительное сокращение выбросов в последние годы (со 150 тыс. т/год в 1986-1990 гг.), за период с начала пуска комбината в 1940 г. в почве накопилось большое количество тяжелых металлов, обуславливающих высокую токсическую нагрузку на экосистемы. Подробное описание района исследований изложено в коллективной монографии [2].

Пробы собраны в 2006 г. на трех участках с разным уровнем токсического воздействия: в импактной зоне (сильное загрязнение, 1-2 км от завода); в буферной (умеренное, 6 км) и фоновой (уровень выпадений в пределах регионального фона, 16 км). Анализ проведен на двух видах рыжих лесных муравьев: Formica lugubris Zett. (3 зоны загрязнения, по 4 муравейника в каждой зоне) и F. aquilonia Yarr. (фоновая и буферная зоны, 4 и 3 муравейника соответственно). Для химического анализа с каждого муравейника собирали строительный материал и около 50 рабочих особей, которых высушивали при комнатной температуре до воздушно-сухой массы. Материал гнезд был представлен хвоей сосны, собранной муравьями ориентировочно год назад. В каждом муравейнике отбирали особей 2 групп фенотипов: светлых и темных. К группе светлых относили особей с баллами окраски передне- и среднегруди 1-3 по шкале А.В. Гилева [3], к группе темных - особей с баллами 4-6.

Масса навески для химического анализа составляла в среднем 250 мг для материала муравейников и 50 мг (15-20 особей) - для муравьев. Навески озоляли в особо чистой азотной кислоте в тефлоновых стаканах в печи для микроволнового разложения проб «СВЧ-лаборант».

Химический анализ проведен методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборе AAS-6 Vario фирмы Analytik Jena AG (Германия) в лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ УрО РАН. Исследовано 19 проб материала муравейников, 23 пробы муравьев F. lugubris и 14 - F. aquilonia (всего 224 элементо-определения).

Для выборок из каждой зоны загрязнения рассчитывали среднее и стандартное отклонение. Значимость различий средних между зонами определяли по t-критерию Стьюдента. Для оценки роли факторов «зона» и «фенотип» в накоплении муравьями тяжелых металлов применили двухфакторный дисперсионный анализ раздельно для каждого вида. Для оценки роли факторов «вид», «зона» и «фенотип» провели трехфакторный дисперсионный анализ данных по обоим видам в двух зонах загрязнения. Для дисперсионного анализа индивидуальные концентрации были преобразованы в десятичные логарифмы.

Результаты

Известно, что расстояние от источника загрязнения служит довольно грубой оценкой уровня токсического воздействия на компоненты природных экосистем вследствие мозаичного пространственного распределения выпадений и влияния орографических факторов. Поэтому величину токсической нагрузки на муравьев мы оценивали по содержанию металлов в материале муравейников. Результаты анализа материала муравейников представлены в таблице 1. Различия в химическом составе материала гнезд обоих видов муравьев недостоверны. Отмечено закономерное увеличение концентраций тяжелых металлов в материале муравейников по мере роста загрязнения местообитаний. Кратность увеличения концентраций элементов в строительном материале у F. lugubris в градиенте загрязнения составила для свинца 231, для меди 163, кадмия 68, цинка - 17. Интенсивность накопления металлов в материале муравейников буферной зоны по отношению к фоновой у обоих видов была сходной для меди и кадмия (около 10 раз), для цинка (около 4), но различалась для свинца: у F. lugubris 25 раз, у F. aquilonia - 12 раз.

Таблица 1. Концентрации тяжелых металлов (среднее ± стандартное отклонение) в материале гнезд муравьев F. lugubris и F. aquilonia в разных зонах загрязнения.

** отличия от фонового показателя значимы при p<0.01

Концентрации металлов в муравьях представлены в таблицах 2 и 3. В организме обоих видов отмечено повышение концентраций тяжелых металлов на загрязненных территориях. У F. lugubris для меди, цинка и кадмия отношения концентраций в импактной / фоновой зонах составили 1,4-1,5 раза, а для свинца 10,9 раз. Уровни металлов у этого вида не только в импактной, но и в буферной зонах достоверно отличаются от фонового уровня (табл. 2). В то же время у F. aquilonia различия между буферной и фоновой зонами значимы лишь для свинца (табл. 3).

Трехфакторный дисперсионный анализ показал, что фактор «зона загрязнения» достоверно влияет на накопление в организме муравьев всех металлов, фактор «вид» влияет на накопление только меди и кадмия, от фактора «фенотип» зависят лишь концентрации свинца в муравьях (табл. 4).

Таблица 2. Концентрации тяжелых металлов (среднее ± стандартное отклонение) в организме муравьев F. lugubris в разных зонах загрязнения.

Из всех взаимодействий только взаимодействие факторов «вид» и «зона» оказывает влияние на накопление меди и свинца. Двухфакторный анализ концентраций металлов в организме F. lugubris также не выявил влияния фактора «фенотип» на биоаккумуляцию тяжелых металлов муравьями. Тем не менее, темные особи имеют тенденцию накапливать несколько большие количества металлов по сравнению со светлыми. Среднее отношение концентраций в темных и светлых особях у обоих видов как на фоновой, так и на буферной территориях составляло 1,12-1,21, и лишь в импактной зоне оно приблизилось к 1 (табл. 2, 3).

Таблица 3. Концентрации тяжелых металлов (среднее ± стандартное отклонение) в организме муравьев F. aquilonia в разных зонах загрязнения.

Отбор проб строительного материала из тех же муравейников, что и самих муравьев у F. lugubris, позволил проанализировать зависимость концентраций металлов в муравьях от их содержания в материале гнезд. Лишь для свинца выявлена четкая связь между этими двумя показателями (рисунок). Отсутствие значимой корреляции по меди, цинку и кадмию связано с тем, что их концентрации в муравьях и материале гнезд ведут себя по-разному в градиенте загрязнения. Содержание этих металлов в строительном материале монотонно увеличивается с приближением к заводу, что связано, по-видимому, с оседанием частиц аэрозолей на поверхности хвои. В то же время концентрации этих элементов в муравьях достигают максимальных значений в буферной зоне и остаются на том же уровне в импактной (табл. 2).

Таблица 4. Результаты дисперсионного анализа концентраций металлов в организме муравьев F. lugubris и F. aquilonia. Факторы: 1 - вид, 2 - зона загрязнения, 3 - группа фенотипов. Взаимодействия факторов опущены.

Рис. 1 . Зависимость концентрации свинца в организме муравьев F. lugubris от его концентрации в материале муравейника.

Обсуждение

Наши результаты согласуются с данными других авторов [10, 12, 14] о том, что уровни тяжелых металлов в организме муравьев коррелируют с их содержанием в объектах окружающей среды. Эта особенность наряду с высокой биомассой муравьев, их положением в пищевой цепи, значением в биогеоценозах и широким распространением обусловливает высокие биоиндикационные качества этой группы [9].

Различия в содержании элементов в организме муравьев между фоновой и импактной зонами выражены гораздо менее резко, чем в материале муравейников. Большие различия уровней металлов в градиенте загрязнения в окрестностях СУМЗ показаны нами ранее для лесной подстилки: в 100 раз для меди, в 10 раз для кадмия и 20 раз для свинца [1]. В то же время, концентрации этих металлов в свежей хвое и листьях деревьев варьируют в гораздо более узком диапазоне: различия между фоновой и импактной зонами не превышают 4 раз. Значительный разрыв между уровнями металлов в живой листве и подстилке указывает на роль прямого поступления загрязнителей из атмосферы как основного фактора, определяющего содержание металлов в растительном опаде и, следовательно, в строительном материале муравейников.

В то же время, в организме муравьев концентрации меди, цинка и кадмия в градиенте загрязнения различаются в гораздо меньшем диапазоне, чем в материале гнезд. Это свидетельствует о том, что у живых организмов уровни элементов определяются не столько пассивным осаждением пыли на покровах, сколько физиологическими регуляторными механизмами. В пользу таких механизмов свидетельствует то, что после достижения определенных уровней меди, цинка и кадмия у F. lugubris в буферной зоне дальнейшее накопление останавливается, и их концентрации в муравьях импактной зоны не превышают таковые в буферной (табл. 2). Однако в случае свинца такие механизмы, по-видимому, отсутствуют, и его концентрации монотонно возрастают вдоль всего градиента загрязнения. Наши данные согласуются с результатами других авторов, показавших, что при наличии зависимости содержания тяжелых металлов в организме муравьев от уровня загрязнения территории именно свинец показывает наибольшую амплитуду изменений, тогда как уровни меди более стабильны [14].

Известно, что химический состав муравьев зависит от их видовой принадлежности и объясняется спецификой рационов разных видов [14]. Чем большую роль в их рационе составляют выделения тлей, тем выше уровни металлов в организме муравьев. Различия отмечаются даже среди близких видов, например, рода Formica. Наши данные позволяют полагать, что в градиенте загрязнения диапазон варьирования концентраций тяжелых металлов в организме F. lugubris шире, чем у F. aquilonia. По-видимому, F. lugubris обладает более выраженными биоаккумуляционными способностями по сравнению с F. aquilonia и более пригоден для биоиндикации загрязнений.

Анализ накопления металлов у особей разных фенотипов был проведен ранее на жужелицах: Pterostichus oblongopunctatus F. и у P. melanarius Ill. [5, 7]. Эти авторы не выявили различий между фенотипами в уровнях накопления цинка и свинца, по-видимому, из-за большой индивидуальной вариабельности концентраций металлов и небольших выборок. Тем не менее, установлено, что в одной и той же популяции могут сосуществовать морфы, различающиеся по способности к накоплению тяжелых металлов [6]. Мы попытались выявить различия в химическом составе у особей муравьев разных фенотипов. Проведенный анализ можно считать предварительным, поскольку все фенотипические классы были объединены в две большие группы: «светлые» и «темные». Нам не удалось выявить статистически значимых различий между этими группами, возможно, из-за малого количества проб. Тем не менее, следует отметить, что при фоновых и средних уровнях загрязнения содержание металлов у темных особей на 10-20 % выше, чем у светлых.

Следует отметить, что между особями разных фенотипов существуют различия по величине тела [4]. По нашим данным, средняя масса тела светлых особей у F. lugubris составила 3,3 ± 0,2 мг воздушно-сухой массы (среднее по всей выборке ± ошибка, n = 12 муравейников), а у темных 2,1 ± 0,1 мг. У F. aquilonia соответственно 2,0 ± 0,1 мг (n = 7 муравейников) у светлых фенотипов и 1,6 ±0,1 мг у темных. Различия между группами фенотипов в обоих случаях значимы при p < 0,01. Показано, что накопление металлов у насекомых (жесткокрылые) в пределах вида может зависеть от размеров тела: мелкие особи имеют тенденцию аккумулировать больше металлов по сравнению с крупными [7]. Подобная тенденция, по-видимому, проявляется и у муравьев. Однако вопрос о том, что в большей степени определяет уровни накопления металлов в организме муравьев: фенотип или размеры тела, остается нерешенным.

Заключение

Таким образом, рыжие лесные муравьи подрода Formica обладают хорошими биоаккумуляционными способностями и могут быть использованы для биоиндикации загрязнения лесных экосистем тяжелыми металлами, прежде всего свинца. Недостаток этих объектов - необходимость учета видовой принадлежности и возможное наличие физиологических механизмов, ограничивающих накопление ряда металлов при высоких токсических нагрузках. Роль фенотипа в детерминации химического состава особей у муравьев требует дальнейшего изучения.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-04-0075). Авторы выражают благодарность инженеру лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ Ахуновой Э.Х. за проведение химических анализов.

Литература

1. Безель В.С., Бельский Е.А., Ермаков А.И., Ракитина Л.В. Тяжелые металлы в трофических цепях лесных экосистем Среднего Урала (экотоксикологический аспект) // Урал. Радиация. Реабилитация. - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - С. 315-339.

2. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений экосистем. - Екатеринбург: Наука, 1994. - 280 с.

3. Гилев А.В. Дискретные вариации окраски и некоторые закономерности изменчивости пигментации рабочих особей рыжих лесных муравьев подрода Formica (Hymenoptera, Formicidae) // Зоологический журнал. - 2002. - Т. 81, № 3. - С. 336-341.

4. Длусский Г.М. Муравьи рода Формика. М.: Наука, 1967. 236 с.

5. Емец В.М., Жулидов А.В. Изменчивость содержания цинка в популяциях жужелицы Pterostichus oblongopunctatus F. (Coleoptera, Carabidae) в условиях заповедного режима и комбинированного воздействия загрязнения и рекреации // ДАН СССР. - 1985. - Т. 283, № 3. - С. 760-763.

6. Жулидов А.В. Особенности содержания тяжелых металлов у генетически детерминированных морф трехиглой колюшки Gasterosteus aculeatus (Gasterosteidae, Pisces) // Экология. - 1992. - № 1. - С. 87-89.

7. Никаноров А.М., Жулидов А.В., Емец В.М. Тяжелые металлы в организмах ветлендов России. - СПб: Гидрометеоиздат, 1993. - 294 с.

8. О состоянии окружающей природной среды и влиянии факторов среды обитания на здоровье населения Свердловской области в 2004 г.: Гос. доклад / Министерство природных ресурсов Свердловской обл. и др. Под ред. Г.Ю. Пахальчак и др. - Екатеринбург, 2005. - 318 с.

9. Степанов А.М. Методология биоиндикации и фонового мониторинга экосистем суши // Экотоксикология и охрана природы. - М.: Наука, 1988. - С. 28-108.

10. Eeva T., Sorvari J., Koivunen V. Effects of heavy metal pollution on red wood ant (Formica s. str.) populations // Environmental pollution. - 2004. - Vol. 132. - P. 533-539.

11. Lyford W.H. Importance of ants to brown podsolic soil genesis in New England // Harvard Forest Paper. - 1963. - № 7. - P. 1-18.

12. Nuorteva P. Levels of cadmium and some other metals in insects // Proceedings of the XXIV Nordic Congress of Entomology. - 1999. - P. 125-137.

13. Petal J. The role of ants in ecosystems // Production ecology of ants and termites, ed M.V. Brian. IBP 13. - Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 1977. - P. 293-325.

14. Rabitsch W.B. Metal accumulation in arthropods near a lead/zinc smelter in Arnoldstein, Austria. II. Formicidae // Environmental pollution. - 1995. - Vol. 90, № 2. - P. 239-247.

Размещено на Allbest.ru