Биоиндикация токсичности природных вод с помощью ракообразных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биоиндикация токсичности природных вод с помощью ракообразных

Биоиндикация (bioindication) - обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками, свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений [1].

Критерий токсичности - значение тест-параметра или правило, на основании которого делают вывод о токсичности исследуемой среды.

Токсичность воды - свойство воды вызывать патологические изменения или гибель организмов, обусловленное присутствием в ней токсичных веществ.

Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования [2].

Биологический анализ определяет наличие токсических веществ, влияющих на водные организмы. Конечной целью биотестов является оценка безопасности или иных свойств исследуемого объекта на организмах моделях и на основании полученных результатов прогнозирование реакции организма человека и / или животных. По чувствительности и степени изученности среди организмов, используемых для биоиндикации водных объектов, выделяют дафний (Daphnia magna, Daphnia рulex), несколько видов микроскопических одноклеточных зелёных водорослей из класса протококковых (сценедесмус Scenedesmus quadricauda, хлорелла Chlorella sp.) и пять-шесть видов рыб как аквариумных (гуппи, даниорерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян).

Во второй половине ХХ века в связи с необходимостью оценки токсичности природных и сточных вод, а также некоторых химических веществ во многих странах мира стали использовать биотестирование на Daphnia magna Straus. Впервые Daphnia magna как индикатор токсичности воды была предложена в 1929 г. Позже также стали использовать Ceriodaphnia a/finis Lilljeborg, и этот вид, наряду с Daphnia magna и Daphnia pulex, был введен в руководства по биотестированию во многих странах мира.

Дафнии или «водяные блохи» (Daphnia) - род ветвистоусых рачков, внешний вид и строение которых представлены на рисунке 1. Под общим названием «дафнии» фигурирует несколько сот различных видов ветвистоусых рачков, относящихся примерно к 10 семействам. Все они характеризуются двумя парами усиков, ясно выраженной головой с большим сложным глазом, 4 - 6 парами ножек и мешковидным выростом с яйцами на спине. Тело нередко заключено в двустворчатую хитиновую раковину, размер её до 10 мм, чаще 3 - 6 мм. На зиму откладывают покоящиеся яйца - эфиппии. Рачок имеет овальное тело, двигается в воде скачками при помощи антенн, развитых несоразмерно с телом. Тело сжато с боков и неявственно сегментировано на головной, грудной и брюшной отделы. Самцы меньше самок в 2 ? 2,5 раза. Снаружи туловище покрыто прозрачным двустворчатым хитиновым панцирем (раковиной), состоящим из двух слоев и несущим защитную функцию туловища вместе с 5 парами конечностей. Пространство между верхней и верхнебоковой стенками раковины и спиной туловища образуют выводковую камеру, в которой вынашиваются яйца и протекает их эмбриональное развитие.

Дафнии широко распространены в стоячих и слабопроточных водоёмах, особенно в больших количествах встречаются во временных (лужи, канавы) и непроточных водоемах (небольшие озера). Чаще всего в водоёмах встречаются представители рода Daphnia. Самый крупный представитель рода дафния магна (Daphnia magna) достигает 5 - 6 мм длины, живет она обычно в мелких водоёмах (пруды, ямы, лесные лужи). Более мелкая дафния пулекс (Daphnia pulex De Geer) имеет размер 3 - 4 мм и также предпочитает мелкие водоёмы.

Очень вариативная дафния лонгиспина (Daphnia Iongispina Muller) живет как в мелких, так и в глубоких водоёмах. Также повсеместно распространены представители родов Ceriodaphnia и Moina.

Можно добывать дафний в природе, однако некоторые виды (например, Daphnia magna, Daphnia pulex, Moina rectirostris и др.) возможно вполне успешно разводить и в домашних условиях. Обычно дафнии отлавливаются в теплое время года. Осенью можно в больших количествах собрать эфиппии на поверхности воды и уже из них выводить культуру. Но тут заранее невозможно предугадать, какие именно виды в ней будут преобладать. Оптимальные условия: pH = 7,2 - 8,0, температура 20 - 24°С, слабая аэрация, свет 14 - 16 ч в день.

В лабораторных условиях дафний подкармливают ежедневно хлореллой (200 тыс. клеток/мл) или пекарскими дрожжами (2 мл суспензии на 1 л воды). Вода должна быть слабозеленого или слабокоричневого цвета. Коричневый цвет воды - показатель неблагоприятных условий, в этом случае кормление необходимо немедленно прекратить. Обычно через день вода снова становится зеленоватой, если этого не происходит, то лучше систему перезапустить. Через несколько месяцев культура дафний начинает истощаться, в таком случае рекомендуется устроить им «зимовку» чтобы стимулировать откладку эфиппиев. Достаточно постепенно снизить интенсивность кормежки, а потом и вовсе перестать подкармливать культуру и немного понизить температуру, чтоб через неделю вся популяция вымерла и образовалась масса эфиппиев. Для лучшей стимуляции эфиппиев можно проморозить их несколько дней в морозилке или подсушить. После такой искусственной диапаузы культура начинает расти с новой силой.

Источником питания дафний в природных водоемах являются бактерии, одноклеточные водоросли (хлорелла или сценедесмус), детрит, растворенные органические вещества. Интенсивность потребления корма зависит от его характера, концентрации в среде, температуры, возраста рачков и т.д. Процесс питания дафний непосредственно связан с движением грудных ножек, направляющих ток воды внутрь панциря. У дафний между грудными ножками пролегает брюшной желобок. Ритмическое движение ножек, которое можно наблюдать сквозь полупрозрачные стенки раковины, создает в желобке ток воды. Этот ток не только приносит кислород к жабрам, но и доставляет ко рту пищевые частицы (микроскопические водоросли, бактерий, инфузорий и т.п.). Для дафний характерна беспрерывная фильтрация потоков частиц и сортировка их приротовыми органами (крупные кусочки удаляются). Чрезмерно высокое содержание кормовых частиц снижает активность питания дафний, и они могут погибнуть вследствие засорения пищевого аппарата. Если кишечник заполняется до отказа пищей, то продолжающаяся фильтрация совершается без захода частиц в рот, которые, пройдя по брюшному желобку, выбрасываются в воду. Процессу питания способствует поддержание на определенном уровне водносолевого баланса дафний. Полную замену воды в своем организме рачок проводит в течение 2 - 3 мин. Рост дафний в течение всей жизни неравномерный, с возрастом он замедляется и связан с периодическими линьками; первые три - ювенильные следуют через 20, 24, 36 ч, четвертая - созревание яиц в яичнике, и пятая - откладывание яиц в выводковую камеру следуют с интервалом 24 - 36 ч. Начиная с шестой, каждая линька сопровождается откладыванием яиц. Окраска дафний зависит от состава потребляемой пищи, содержания гемоглобина в крови и численности животных. При хорошем газовом режиме дафнии имеют розовожелтую окраску, а при дефиците кислорода краснеют. В теплое время года дафнии выглядят как желтоватокрасные пятна, перемещающиеся в воде.

В природе в летнее время, а в лаборатории при благоприятных условиях круглый год дафнии размножаются без оплодотворения - партеногенетически, причем рождаются в большинстве самки. При резком изменении условий существования (недостаток пищи, перенаселенность, понижение температуры и т.д.) в популяции дафний появляются самцы, и дафнии переходят к половому размножению, откладывая после оплодотворения «зимние яйца» (1 - 2 шт.), которые падают на дно водоёма, где проходят стадию покоя. Такие яйца опускаются на дно, где легко переносят замораживание или высыхание, с пылью они далеко переносятся ветром, благодаря чему мы и имеем дафний во всех постоянных лужах.

Весной, попав в воду, яйца активируются, и из них снова выводятся самки, которые в дальнейшем дают партеногенетические поколения дафний, и в течение нескольких поколений, фактически до осени, размножаются без самцов.

Оптимальные условия созревания рачков - температура 20 ± 2°С и хорошее питание дафнии в течение 5 - 8 суток. Наступление половозрелости отмечают по моменту выхода яйцеклеток в выводковую камеру. Длительность эмбрионального развития обычно 3 - 4 сут, а при повышении температуры до 25°С - 46 ч. Вывод молоди идет через каждые 3 - 4 сут. Число яиц в кладке увеличивается от 10 - 15 (в первых пометах) до 30 - 40 и более (у самок среднего возраста), а затем снижается (по мере старения) до 3 - 8. В лабораторных условиях продолжительность жизни дафний 3 - 4 месяцев и более.

Дафнии легко культивируются в лабораторных условиях в любое время года. Чувствительность дафний к ядовитым веществам зависит от их возраста, вследствие этого возраст дафний должен отмечаться в описании эксперимента. Пик численности дафний приходится на весну и лето. В это время они активно питаются различными микроорганизмами: водорослями, бактериями, инфузориями. На этом основан один из старинных способов очистки аквариумной воды при нарушении биологического равновесия - в аквариум с помутневшей водой выпускается большое количество дафний, которые быстро поедают размножившихся бактерий или «зелёную воду». А рыбы, тем временем, активно поедают дафний. Причём дафнией невозможно перекормить рыбу - рыбы поедают дафний постепенно, так что возможно длительное совместное содержание дафний в аквариуме с рыбами.

Биоиндикация с использованием ветвистоусых рачков рода Daphnia очень удобна, так как дафнии широко распространены в природе, легко культивируются, обладают высокой чувствительностью к токсикантам различной природы (вещества, токсичные для дафний: бихромат калия, медь, кадмий, ртуть и их комбинированное (аддитивное) воздействие, а также хлор, тяжёлые металлы, пестициды, аммиак, полихлорфенилы). Оценка токсичности проводится по разнообразным тест-функциям: выживаемости, плодовитости, двигательной активности, поведенческим реакциям, а также по качеству потомства. Дафнии довольно чувствительны к повреждениям, и поэтому для достижения хороших результатов в опыте необходимо, особенно при переносе рачков, соблюдать осторожность.

Большинство методов определения токсичности водоемов с использованием дафний базируется на регистрации визуально или автоматически гибели рачков под воздействием вредных веществ. Однако еще до гибели действие токсиканта проявляется в изменении поведенческих реакций организмов. Эти реакции можно разделить на функциональные и органические. Функциональные реакции проявляются на ранних стадиях отравления и носят обратимый характер, если воздействие токсиканта прекратится. Органические реакции свидетельствуют о глубоком отравлении организма и носят необратимый характер. У дафний наиболее показательной поведенческой реакцией является их двигательная активность. Рачки находятся в постоянном движении, чтобы поддерживать оптимальное положение тела в водной толще, осуществлять функцию дыхания, питания и размножения. На воздействие токсикантов дафнии реагируют либо резким повышением двигательной реакции, хаотическим передвижением в пространстве, быстрым вращением на одном месте, либо замедлением гребных движений, что приводит к скоплению их в придонном слое и в конечном итоге к обездвиживанию.

Дафниевый тест обязателен при установлении ПДК отдельных веществ в воде рыбохозяйственных водоемов. Метод определения угнетения подвижности дафний позволяет изучить влияние воды или веществ, растворенных в ней, на жизнедеятельность живых организмов. Кратковременная биоиндикация - до 96 ч позволяет определить острое токсическое действие воды на дафний по их выживаемости. Показателем выживаемости служит среднее количество объектов, выживших в тестируемой воде или в контроле за определенное время. Критерием токсичности является гибель 50 и более процентов дафний за период времени до 96 ч в исследуемой воде по сравнению с контролем.

Более длительная биоиндикация позволяет определить хроническое токсическое действие воды на дафний по снижению выживаемости и плодовитости. Показателем выживаемости служит количество выживших исходных особей в контроле и исследуемой воде, показателем плодовитости - среднее количество молоди, выметанной в течение биоиндикации, в пересчете на одну выжившую исходную самку. Критерием токсичности является гибель 20% и более дафний или достоверное снижение их плодовитости в тестируемой воде по сравнению с контролем за период до 7 суток [2,3,4].

Пример биоиндикации с использованием дафний

Применительно к позвоночным животным понятие биоиндикатор традиционно имеет собственные акценты, связанные с той областью интересов, в которой животных преимущественно используют (охота и рыболовство, заповедное дело). В этом смысле американские ученые (Landres et al., 1988) соотносят понятия биондикатор (indicator species) - вид, оцениваемый нами (evaluation species) - интересующий нас вид (species of interest). При таком подходе утверждается, что вид, который мы используем как индикатор, находится в тех же отношениях со средой, что и вид, состояние которого нам надлежит определить.

Среди позвоночных животных предложено выделять т.н. директивные индикаторные виды (Management Indicator Species, MIS). К ним относятся:

* виды с восстанавливаемой численностью, то есть легализованные федеральным правительством или властью штатов как угрожаемые, вызывающие опасение или редкие виды;

* потенциально используемые виды, то есть имеющие социальную или экономическую ценность;

* чувствительные виды (sensitive species), выделяемые региональными лесничими, как имеющими требования частичной чувствительности к управленческой деятельности;

* экологические индикаторы (ecological indicators), которые используются для мониторинга состояния окружающего ментального фактора, популяционных тенденций других видов или условий существования.

Позвоночные животные служат хорошими индикаторами состояния среды благодаря следующим особенностям:

* являясь консументами, они находятся на разных трофических уровнях экосистем и аккумулируют через пищевые цепи загрязняющие вещества;

* обладают активным обменом веществ, что способствует быстрому проявлению воздействия негативных факторов среды на организм;

* имеют хорошо дифференцированные ткани и органы, которые обладают разной способностью к накоплению токсических веществ и неоднозначностью физиологического отклика, что позволяет исследователю иметь широкий набор тестов на уровне тканей, органов и функций;

* сложные приспособления животных к условиям среды и чёткие поведенческие реакции наиболее чувствительны к антропогенным изменениям, что дает возможность непосредственно наблюдать и анализировать быстрые отклики на оказываемое воздействие;

* животных с коротким циклом развития и многочисленным потомством можно использовать для проведения ряда длительных наблюдений и прослеживать воздействие фактора на последующие поколения; для долгоживущих животных можно выбрать наиболее чувствительные тесты в соответствии с особо уязвимыми этапами онтогенеза.

Преимущество использования позвоночных животных в качестве биоиндикаторов заключается в их физиологической близости к человеку. Основные недостатки связаны со сложностью их обнаружения в природе, поимки, определения вида, а также с длительностью морфоанатомических наблюдений. Кроме того, эксперименты с животными, как правило, дороги, требуют многократной повторяемости для получения статистически достоверных выводов.

Оценка и прогнозирование состояния природной среды с привлечением позвоночных животных проводятся на всех уровнях их организации. На организменном уровне с помощью сравнительного анализа оцениваются морфо-анатомические, поведенческие и физиолого-биохимические показатели.

Морфо-анатомические показатели описывают особенности внешнего и внутреннего строений животных и их изменение под воздействием определенных факторов (депигментация, изменение покровов, структуры тканей и расположения органов, возникновение уродств, опухолей и других патологических проявлений).

Поведенческие и физиолого-биохимические параметры особенно чувствительны к изменению внешней среды. Токсиканты, проникая в кости или кровь позвоночных животных, сразу же воздействуют на функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Даже при узкоспецифичном влиянии токсиканта на определенную функцию её сдвиги отражаются на состоянии всего организма вследствие взаимосвязанности процессов жизнедеятельности. Достаточно отчетливо присутствие токсикантов проявляется в нарушении ритма дыхания, сердечных сокращений, скорости пищеварения, ритмике выделений, продолжительности циклов размножения.

Стрессовое воздействие среды можно оценивать по эффективности биохимических реакций, уровню ферментативной активности и накоплению определённых продуктов обмена. Изменение содержания в организме определённых биохимических соединений, показателей базовых биохимических процессов и структуры ДНК в результате биохимических реакций могут обеспечить необходимую информацию о реакции организма в ответ на стрессовое воздействие [2,6].

Классическими индикаторными организмами, широко используемыми для решения многих медико-биологических проблем, являются амфибии. На изолированных органах и тканях лягушки Rana ridibunda либо на всем организме проверяется физиологическая активность многих фармацевтических препаратов. Биопотенциал нервной ткани можно использовать в качестве индикатора для определения концентрации кислот и щелочей, некоторых тяжелых металлов. По усилению либо угнетению биоэлектрической активности седалищного нерва лягушки можно оценить содержание хлорида марганца на уровне 1 нМ либо 1 мкМ соответственно.

В биохимических методах анализа возможно использование вазомоторных реакций организма млекопитающих. Известны несколько путей, по которым реализуется действие химических соединений на тонус сосудов: мембрану гладкомышечных тканей, метаболизм сосудов, специфические клеточные рецепторы сосудов и т.д. Высокой чувствительностью к микроэлементам обладают мозговые сосуды, что позволяет определять следовые количества кадмия, ртути, свинца, марганца, кобальта, никеля, меди; при этом предел обнаружения, например, меди(II) составляет 0,6 нг [5].

При выборе органов и тканей амфибий, пригодных для взятия проб на загрязненность, следует учитывать размещение животных на территории, особенности развития, функциональное значение органов и тканей, их способность аккумулировать различные токсиканты. Следует также иметь ввиду, что в воде токсические вещества способны находиться в растворенном виде и проникать в организм через кожные покровы. В качестве критерия опенки загрязненности организма можно использовать содержание, распределение и динамику микроэлементов, в отдельных органах и тканях и в целом организме. У взрослых амфибий для определения содержания микроэлементов используют кости, мышцы, печень, гонады. С помощью методики полуколичественного эмиссионного спектрального анализа можно определить до 40 химических элементов. Печень - мультифункциональый орган, выполняющий экскреторную, трофическую, защитную, кроветворную и др. функции. Токсические вещества, попадающие в организм, в первую очередь накапливаются в печени и богатых липидами тканях. Одним из наиболее чувствительных показателей, реагирующим на повышенное содержание в среде микроэлементов считают относительные размеры печени. Так, повышенное содержание в воде меди вызывает резкое увеличение, а никеля - торможение роста печени у головастиков остромордой лягушки. Наблюдения, проведенные в природе, в условиях техногенного ландшафта показали, что относительные размеры печени могут увеличиваться до 60-70%, что превышает контрольные показатели на 10-30%. Учитывая, что большинство личинок амфибий развиваются в небольших водоемах и лужах, питающихся в основном за счет талых вод и атмосферных осадков, и способность их печени концентрировать токсиканты, считаем возможным использовать относительный вес печени в качестве критерия оценки загрязнения организма. Известно, что внешние и внутренние факторы, нарушающие физиологическое состояние организма, оказывают влияние на размер клеток. Однако сведений о влиянии химических веществ на размеры гепатоцитов, ядер и их соотношение крайне мало. Под влиянием промышленных загрязнений клетки печени могут измениться, при этом увеличивается размер ядра, а цитоядерное соотношение уменьшается. В благоприятных условиях клетки имеют тенденцию сохранять постоянное отношение между цитоплазмой и ядром. Экспериментально установлено, что в слабых растворах некоторых химических соединений (сульфат меди, сульфат натрия, хлористый натрий) в среднем клетки печени сеголеток больше варьировали, чем у контрольных животных, и количество клеток более крупных размерных классов было выше. В растворах этих же солей, но сильных концентраций, средние размеры гепатоцитов меньше. Скорее всего, это связано с более жестким отбором, высоким уровнем обмена и интенсивным расходованием питательных веществ. К началу метаморфического климакса в гепатоцитах увеличивается содержание гликогена, полисахаридов, липидов. Исследуя клетки печени, отслеживают содержание в них липидов и используют этот показатель в качестве индикатора загрязнения среды. В период метаморфического климакса, когда животные не питаются, а затраты энергии в связи с перестройкой личиночных органов и тканей увеличиваются, идет интенсивное расходование жировых запасов. В клетках животных из «чистых» водоемов липиды сохраняются после окончания метаморфоза. Таким образом, развитие животных под воздействием неблагоприятных факторов сопровождается замедлением процесса накопления и интенсивным расходом липидов в период метаморфического климакса. Это снижает жизнеспособность молодых особей, рекрутируемых в популяцию. Наряду с перечисленными параметрами при выборе критериев оценки загрязненности среды и ее влияния на биоту может быть использован уровень обмена веществ. Показано, что интенсивность обмена животных, развитие которых проходило в антропогенном ландшафте, выше, чем сеголеток из «чистых» районов. Это в свою очередь ведет к увеличению энергозатрат и отражается на выживаемости животных [7].

Таким образом, биохимические методы анализа, основанные на использовании в качестве аналитического сигнала специфических отклонений индикаторных организмов от нормы, позволяют с достаточно высокой чувствительностью определять широкий круг неорганических и органических физиологически активных соединений в различных объектах, прежде всего объектах окружающей среды, лекарственных препаратах. По чувствительности они превосходят химические методы, сопоставимы, как правило, с традиционными физическими методами анализа, уступая таким современным спектроскопическим методам, как атомная абсорбция с термической атомизацией, атомная эмиссия с возбуждением в высокочастотной плазме, методу инверсионной вольтамперометрии и некоторым другим. Избирательность этих методов, которая не всегда достаточно высока, может быть повышена обычными способами: разделением, маскированием, изменением параметров среды (рН, температуры). Биохимические методы часто не являются экспрессными, но их достоинства заключаются в том, что они не требуют специальной пробоподготовки и выделения определяемого соединения; позволяют проводить анализ вод, почв в экспедиционных условиях непосредственно на месте отбора проб. С их помощью возможно значительно упростить анализ самых разных, в частности природных, объектов, оценивая на первой его стадии степень общего загрязнения и общей токсичности объекта для живого организма и целесообразность его дальнейшего детального анализа другими более сложными и дорогостоящими методами [5].

Список использованных источников

биоиндикация дафния рачок токсичность

1. Мелехова, О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / О.П. Мелехова [и др.]. ? М.: Издательский центр «Академия», 2007. 288 с.

2. Бубнов, А.Г. Биотестовый анализ - интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды: учебно-методическое пособие / А.Г. Бубнов [и др.]; под общ. ред. В.И. Гриневича; ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т. Иваново, 2007. ? 112 с.

3. Афанасьев Ю.Я. Мониторинг и методы контроля окружающей среды: Учеб. пособие в двух частях: Часть 2. Специальная / Ю.А. Афанасьев [и др.] ? М: Изд-во МНЭПУ, 2001 ? 337 с.

4. Семенченко, В.П. Принципы и системы биоиндикации текучих вод / В.П. Семенченко Мн.: Орех, 2004, 125 с.

5. Шеховцова Т.Н. Биологические методы анализа / Т.Н. Шеховцова // Соросовский образовательный журнал, том 6, №11, 2000, С. 17-21.

6. Радченко, Н.М. Методы биоиндикации в оценке состояния окружающей среды / Н.М. Радченко, А.А. Шабунов. - Вологда: Издательский центр ВИРО, 2006. - 148 с.

7. Пястолова, О.А. Использование бесхвостых амфибий в биоиндикации природной среды / О.А. Пястолова, Е.А. Трубецкая // Биоиндикация наземных экосистем. Сб. науч. работ. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. С. 18 - 30

Размещено на Allbest.ru