Залежність продукційно-енергетичних показників біосистем від рівня забруднення середовища важкими металами

Размещено на http://www.allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

АВТОРЕФЕРАТ

ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ

КАНДИДАТА БІОЛОГІЧНИХ НАУК

03.00.16. Екологія

Залежність продукційно-енергетичних показників біосистем від рівня забруднення середовища важкими металами

Ігнатюк Олексій Анатолійович

КИЇВ-1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізіології та екології рослин

Київського університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Мусієнко Микола Миколайович,

Київський університет імені Тараса

Шевченка, завідувач кафедрою

фізіології та екології рослин.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Брагінський Лев Павлович,

“Гидробиологический журнал”,

заступник головного редактора з

наукових питань;

доктор біологічних наук, професор

Бучацький Леонід Петрович,

Київський університет імені Тараса

Шевченка, провідний науковий

співробітник лабораторії екології і

токсикології біологічного факультету.

Провідна установа: Центральний ботанічний сад НАН

України імені М.М.Гришка.

Захист дисертації відбудеться “14” вересня 1999 р. о 12-00

годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24

біологічного факультету Київського університету імені Тараса

Шевченка за адресою: Київ-127, проспект академіка Глушкова,

2, біологічний ф-т, ауд. 215.

Поштова адреса: 252033, Київ-33, вул. Володимирська,64.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету:

вул. Володимирська, 58.

Автореферат розіслано “25” червня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Брайон О.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Зміна стану довкілля та забруднення біосфери зростає з кожним роком, спостерігається різке погіршення умов існування більшості видів рослин і тварин, випадають ланки трофічних ланцюгів, порушуються зв`язки в екосистемах, падає продуктивність біоценозів. Одним з чинників процесу погіршення є токсичні забрудники, здебільшого антропогенного походження. Серед них провідне місце належить важким металам.

Адекватна оцінка стану довкілля є важливим питанням, пов`язаним із його забрудненням. Традиційний спосіб оцінки забруднення -- порівняння концентрації токсиканту в середовищі з величинами гранично припустимих концентрацій (ГПК) токсиканту в сучасних умовах не завжди дає відповідну картину взаємин організмів з довкіллям. За таких обставин оцінка якості середовища саме за станом біосистем може виявитись більш вдалою [Брагінський,95]. Однією з властивостей, що характеризує стан будь-яких біосистем, є здатність до створення біопродукції -- продуктивність. Продуктивість є властивістю живої матерії, що представлена на всіх рівнях її організації, крім того, вона характерна як для автотрофних, так і для гетеротрофних організмів. Істотно, що продуктивність є також інтегральною характеристикою живих об`єктів, кінцевою функцією їх життєдіяльності, яка враховує весь комплекс і адаптивних, і компенсаторних відносин з усіма факторами середовища.

В цілому показано, що загальною реакцією екосистеми на токсичний прес є зниження її продуктивності і зсув продукційно-деструкційних процесів у бік збільшення ентропії [Брагинский,88]. Але отримані результати ще не вдалося пов`язати з найбільш важливими продукційно-енергетичними показниками, такими як чиста та валова питома продукція, ефективність (чиста та валова) конвертування корму, ефективність використання фотосинтетично активної радіації, що не дозволяє вийти на кількісний рівень оцінки екотоксикологічної ситуації за продукційними параметрами біосистем різного рівня.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, проведені по темі дисертаційної роботи, є частиною третього етапу науково-дослідної роботи “Вивчення впливу екзогенних чинників на продукційно-енергетичні параметри експериментальної моделі рослинного угруповання”, що входить до комплексної наукової програми “Агропродкомплекс” як держбюджетна науково-дослідна робота за темою “Екзогенна індукція адаптивних реакцій для стабілізації продуктивності зернових культур в несприятливих екологічних умовах”, ТЗ НДР №97/090, державний реєстраційний №0197U003136, що виконується в лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка; та теми Міністерства з питань науки і технологій України “Продуктивність екосистем різного ступеня забруднення та кількісні інтегральні критерії оцінки якості середовища за продукційно-енергетичними параметрами біологічних систем” №6.4/249, державний реєстраційний №0197U017066.

Мета і задачі дослідження. Мета даної роботи -- виявити в модельних дослідах кількісні та якісні зміни показників біопродукційного процесу за умов забруднення середовища токсикантами (на прикладі важких металів), пов`язати основні продукційно-енергетичні показники біосистем та їх зміну з рівнем забруднення середовища.

Для досягнення цієї мети потрібно було вирішити наступні задачі:

--провести комплексний порівняльний аналіз змін продукційно-енергетичних показників автотрофних і гетеротрофних організмів за умов різного ступеня забрудненості середовища;

--виявити кількісну залежність між продукційно-енергетичними параметрами та рівнем забруднення середовища;

--знайти чутливі і інформативні продукційно-енергетичні показники-індикатори, що найбільш адекватно характеризують екотоксикологічну ситуацію;

--рекомендувати найбільш чутливі і інформативні продукційно-енергетичні параметри біосистем для можливого використання в екотоксикологічних дослідженнях та застосування в системі екологічного моніторингу.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна даної роботи полягає в тому, що вперше:

--проведено системні дослідження змін цілого ряду основних продукційно-енергетичних показників автотрофних та гетеротрофних організмів в залежності від рівня забруднення середовища важкими металами на прикладі іонів свинцю та нікелю;

--простежено динаміку зміни продукційно-енергетичних показників у часі за умов хронічного затруєння;

--для оцінки рівня токсичності застосовано інтегральні показники продукційного процесу (інтегральний показник продуктивності та показник оптимальності); запропоновано інтегральний показник продуктивності (ІПП) для автотрофних організмів;

--запропоновано математичну модель дії токсикантів на біопродуктивність молоді риб, що перебувають за умов забруднення (аналітичний опис зміни продукційно-енергетичних показників від концентрації та часу дії токсикантy).

Практичне значення одержаних результатів. Отримані дані щодо змін продукційно-енергетичних показників різних біосистем в залежності від рівня забруднення середовища важкими металами дають можливість:

--обгрунтувати прогнозування змін, що зазнають природні угруповання під впливом забрудників;

--врахувати вплив іонів свинцю та нікелю при розрахунках енергетичного балансу водойм, які зазнали токсичного впливу;

--почати створення банку даних по зміні продукційно-енергетичних показників основних груп гідробіонтів під впливом токсикантів в системі екологічного моніторингу;

--використати найчутливіші продукційно-енергетичні показники для діагностування екотоксикологічної ситуації у водоймах.

Особистий внесок здобувача. Автором роботи осoбисто були поставлені і проведені досліди по вивченню впливу токсикантів на продукційно-енергетичні показники різних організмів; запропоновано математичну модель дії токсикантів на гетеротрофні організми; інтерпретовано результати впливу токсикантів на автотрофні організми та запропоновано Інтегральний показник продуктивності для автотрофних організмів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на:

--річних наукових конференціях професорсько-викладацького складу Київського університету імені Тараса Шевченка (Київ, 1997, 1998);

--ІІ з`їзді гідроекологічного товариства України (Київ, 1997);

--Всеукраїнській міжвузівській науково-методичній конференції з проблем природничих наук “Четверті Каришинські читання” (Полтава, 1997);

--Всеукраїнській науково-практичній конференції спеціалістів та студентської молоді “Сучасні погляди з популяризації природничих наук” (Полтава, 1998).

Публікації. За матеріалами дисертаційних досліджень опубліковано 9 друкованих робіт, в тому числі статті в наукових журналах -- 3, статті в збірниках наукових праць -- 4, тези в матеріалах конференцій -- 2.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, огляду літератури, розділу, що характеризує об`єкти та методи досліджень, та 2-х розділів, що містять експериментальні результати. Повний обсяг дисертаційної роботи займає 121 сторінку машинопису, включає 9 таблиць, 10 рисунків. Список використаних джерел включає 161 найменування, з них 50 англомовних.

Матеріал та методика досліджень

Модельні токсиканти. Як модельні токсиканти в роботі були використані іони свинцю та нікелю. Вибір цих двох важких металів для проведення продукційно-токсикологічних досліджень зумовлений такими факторами: вивченістю, токсичністю та значенням для біологічних систем.

Об`єкти для досліджень біопродукційного процесу. Найбільш уразливим до дії токсикантів є водне середовище. Аналіз літературних відомостей з приводу дії забрудників на продуктивність різних груп гідробіонтів показав, що найменш вивченими групами є вищі водні рослини та водні хребетні (риби). гетеротрофний біосистема забруднення популяція

В даній роботі як гетеротрофні модельні об`єкти були використані молодь золотої рибки -- Carasius auratus auratus (L.) та гупі Poecilia reticulata Peters; як автотрофні модельні об`єкти -- гідромакрофіти Elodea canadensis Michx. та два види рясок Lemna minor L. та Lemna trisulca L., які є типовими представниками флори прісних водойм України.

Методика визначення біопродуктивності. Піддослідні організми вирощувались в лабораторних умовах за стандартними методиками протягом 0.5-1.5 місяця (в залежності від сили прояву токсичного ефекту). Токсиканти додавалися у воду у вигляді розчину солей Pb(NO₃)₂ та NiSO₄ відповідної концентрації, розрахунок концентрації вівся на іон токсиканту. За результатами експерименту визначались такі продукційно-енергетичні показники:

Питома швидкість росту [Заика,83] за формулою:

g = ln(m₂/m₁)/(t₂-t₁)

де m₂ і m₁ -- відповідні значення біомаси в моменти часу t₂ і t₁.

Валова ефективність конвертування корму (для гетеротрофних організмів) [Заика,83] за формулою:

K₁ =m/R

де m -- приріст біомаси за певний час, R -- величина спожитого раціону за той же час.

Показник оптимальності (для гетеротрофних організмів) [Гандзюра, 93] за формулою:

ПО =gK₁

де g -- питома швидкість росту за певний період, K₁ -- валова ефективність конвертування корму за той же період.

Газообмінні показники продукції та деструкції: питома продукція біомаси NPP (чиста) та GPP (валова), показник дихання - R_A. Показники визначались в процесі газообміну за відношенням виділеного або поглинутого кисню до сирої біомаси, за принципом темних і світлих склянок. Експозиція тривала 2 години, розрахунок вівся на 24 години з урахуванням тривалості світлого і темного періоду. Концентрацію кисню у воді визначали хімічно за методом Вінклера. Вміст сухої речовини, визначався після двогодинного висушування при температурі +105⁰С.

Вміст органічного вуглецю в сухій речовині визначався за Тюріним (мокре біхроматне окислення), застосовували модифікацію Остапеня (1965).

Інтегральний показник продуктивності (для автотрофних організмів)[Мусієнко 98], що визначався за формулою:

ІПП=gNPP

де g -- питома швидкість приросту біомаси за певний період, NPP - чиста питома продукція, визначена за газообміном наприкінці цього періоду.

Для оцінки ефекту дії токсикантів на певні продукційно-енергетичні показники була застосована формула Габера (Хабера) [Количественная токсикология 73]:

E=Ct

де E - це ефект дії токсиканту, C - його концентрація, а t - час дії на досліджуваний об`єкт.

Отримані результати було оброблено статистично [Бейли 62]. Достовірність відмінностей оцінювалась за t-критерієм Стьюдента при рівні значимості Р=0.05. Всі отримані результати нормовано відносно контролю і для зручності порівняння виражено у відсотках. Побудова графічних залежностей та їх математичний опис здійснювались на персональному ІВМ сумісному комп`ютері за допомогою програми MicroCal Origin: Version 3.0. Придатність математичного опису впливу токсикантів оцінювали за коефіцієнтом парної кореляції між математично очікуваними і експериментально зафіксованими значеннями продукційних показників та за Х² критерієм Пірсона.

Зміна біопродуктивності риб за умов забрудненого середовища

Вплив йонів свинцю на продукційно-енергетичні параметри молоді риб. Вивчення впливу йонів свинцю на біопродуктивність риб проводилось на молоді C. auratus віком півтора місяці. Протягом трьох тижнів піддослідні тварини утримувалися в воді з концентрацією йонів свинцю 0.2; 0.4; 0.8; 1.6; 3.2; 6.4; 12.8 мг/дм³.

Отримані нами результати показали в цілому негативний вплив іонів свинцю на продукційний процес у молоді риб. Перший тиждень токсичного впливу йонів свинцю характеризується достовірним падінням питомої швидкості росту при концентраціях 0.2 і 0.4 мг/дм³, валової ефективності конвертації їжі та показника оптимальності при 0.2 мг/дм³. Більш високі концентрації токсиканту виявляють стимулюючу дію і викликають достовірне підвищення питомої швидкості росту при концентраціях 0.8; 1.6; 12.8 мг/дм³, валової ефективності конвертації їжі та показника оптимальності при концентраціях 0.8; 1.6; 3.2; 6.4; 12.8 мг/дм³. Причому стимулюючий ефект, підвищення показника оптимальності на 26%, найяскравіше проявляється при найбільшій концентрації токсиканту. Стимуляція продуктивності, яка досить чітко прослідковувалась на сьому добу, зникає на чотирнадцяту. Залишається достовірним зниження усіх трьох продукційно-енергетичних показників при концентраціях 0.2 і 0.4 мг/дм³ і спостерігається подальше зниження продуктивності при більш високих концентраціях токсиканту. Питома швидкість росту достовірно знижується при 6.4 і 12.8 мг/дм³, а показник оптимальності при 1.6; 3.2; 6.4; 12.8 мг/дм³. Найбільше зниження продуктивності -- зменшення питомої швидкості росту і показника оптимальності на 76% порівняно з контролем спостерігається знову ж таки при найбільшій концентрації йонів свинцю 12.8 мг/дм³. Необхідно звернути увагу на те, що ефективність конвертації їжі при цій концентрації залишається досить високою і лише на 1.6% нижчою від контролю. Це пояснюється різким зниженням поглинання піддослідними рибами кормового раціону. Третій тиждень експерименту характеризується вирівнюванням показників продуктивності піддослідних риб при концентраціях свинцю до 6.4 мг/дм³. Достовірне зниження питомої швидкості росту відмічено при концентраціях 0.2; 1.6 та 6.4 мг/дм³, а показника оптимальності лише при 6.4 мг/дм³. Концентрація 12.8 мг/дм³ призвела до елімінації усіх піддослідних риб з 16-ї по 19-у добу експерименту.

Процентний вміст сухої речовини, що визначався наприкінці експерименту, для всіх груп піддослідних риб, окрім концентрації 12.8 мг/дм³, коливався від (19.2±0.2)% в контролі до (20.4±0.2)% при концентрації 3.2 мг/дм³.

Аналіз експериментальних точок, що відображають дозовий ефект дії забрудника на питому швидкість росту та показник оптимальності піддослідних риб, був проведений за формулою Габера. За допомогою ЕОМ по експериментальних точках була побудована поліноміальна регресія для питомої швидкості росту з рівнянням:

y=93.83+0.311x-0.004x²; R=0.99; Х² = 3.98

для показника оптимальності з рівнянням:

y=93.76+0.488x-0.005x²; R=0.98; Х² = 3.69

де х - це доза, що визначалась як добуток концентрації токсиканту на час його дії. В даному випадку позитивні коефіцієнти біля х характеризують стимулюючий вплив, а негативні -- інгібуючий. Аналіз рівнянь показує, що стимуляція продуктивності зростає лінійно токсичному навантаженню, а інгібування -- квадратично. Оскільки коефіцієнт стимуляції за абсолютною величиною значно перевищує коефіцієнт інгібування, то існує проміжок концентрацій йонів свинцю та часу їх дії, де стимулюючий ефект перекриває інгібуючий і відбувається збільшення продуктивності. Таким чином, теоретично пояснюється поява стимулюючих ефектів.

Вплив йонів нікелю на продукційно-енергетичні параметри молоді риб. Вивчення впливу йонів нікелю на біопродуктивність риб проводилось на молоді C.auratus та P.reticulata віком півтора місяці.

Протягом шести тижнів молодь C.auratus утримувалась у воді з концентрацією йонів нікелю 0.01; 0.1; 1 мг/дм³. Всі досліджувані концентрації йонів нікелю викликають стимуляцію всіх досліджуваних продукційно-енергетичних показників протягом усього експерименту. Максимальна стимуляція спостерігається при концентрації 1 мг/дм³, для питомої швидкості росту на 12.6% наприкінці першого тижня, для валової ефективності конвертування їжі та показника оптимальності на 13.2% та 27.2%, відповідно, наприкінці шостого тижня. Найбільші відхилення від контролю дає показник оптимальності.

Відсутність інгібуючого ефекту викликала необхідність проведення подальших досліджень зі збільшенням концентрації забрудника. Максимальна концентрація токсиканту була збільшена у десять разів. Молодь P.reticulata утримувалась протягом місяця при концентрації йонів нікелю 0.1; 1; 10 мг/дм³. Продукційно-енергетичні показники (g, K₁, ПО) фіксувались кожні десять діб. Пригнічування продуктивності при концентрації 10 мг/дм³ починається вже з першої декади експерименту і, посилюючись надалі, призводить до елімінації 25% піддослідних риб у групі на тридцяту добу експерименту. Більш низькі концентрації токсиканту дають стимуляцію продуктивності. Значна стимуляція спостерігається при концентрації 0.1 мг/дм³ з двадцятої доби і на тридцяту для показника оптимальності вдвічі перевищує контроль. Концентрація 1 мг/дм³ дає пригнічення питомої швидкості росту і показника оптимальності на двадцяту добу. На тридцяту добу рівень цих показників зростає і навіть дещо перевищує контроль.

Процентний вміст сухої речовини, що визначався наприкінці експерименту, падав зі збільшенням концентрації забрудника.

Результати обох серій дослідів по вивченню нікелевого затруєння показали, що, як і у випадку свинцевого затруєння, найчутливішим з досліджених продукційно-енергетичних показників є показник оптимальності. Він дає найбільші відхилення від контролю і найвиразніше показує ефект стимуляції або інгібування продукційного процесу.

На жаль, в зв`язку з недостатньою кількістю експериментальних точок дозова залежність для показника оптимальності P.reticulata не піддається математичному опису поліномом. Експериментальних точок, що характеризують залежність доза -- ефект для С.auratus, більше, і за допомогою ЕОМ вона була описана рівнянням:

y=111.98+0.87x-0.015x²; R=0.72; Х² = 3.09

На рис. 1 зображено експериментальні точки, що відповідають зміні показника оптимальності для обох видів риб. Таким чином, зроблена спроба вивести єдине рівняння для опису дії низьких концентрацій йонів нікелю на обидві піддослідні групи. Поліноміальне рівняння:

y=111.05+0.81x-0.02x²; R=0.87; Х² = 26.98

Рис.1 Дозова залежність показника оптимальності обох видів риб при нікелевому затруєнні.

Описує експериментальні значення показника оптимальності обох видів риб. При порівнянні числових коефіцієнтів обох рівнянь істотної різниці між ними не спостерігається. Отже, проаналізувавши отримані експериментальні дані та їх теоретичну обробку, можна стверджувати, що вплив як іонів свинцю, так і іонів нікелю на продукційно-енергетичні показники молоді риб є олігодинамічним. Малі концентрації забрудника стимулюють біопродуктив-ність, більш високі -- інгібують.

Зміна біопродуктивності гідромакрофітів за умов забрудненого середовища

Вплив йонів свинцю на продукційно-енергетичні параметри гідромакрофітів. При вивченні впливу йонів свинцю на біопродуктивність вищих водних рослин об`єктом досліджень були два види рясок Lemna minor L. та Lemna trisulca L., і елодея -- Elodea canadensis Michx. Рослини вирощувались при концентрації свинцю 0.1, 1, 10 і 100 мг/дм³.

Динаміка зміни продукційно-енергетичних показників елодеї від концентрації йонів свинцю виявилась олігодинамічною. При концентрації 0.1 мг/дм³ спостерігалась стимуляція питомої швидкості росту рослин, яка лишалась достовірною лише протягом перших двох тижнів. Більш високі концентрації токсиканту дали деякі коливання питомої швидкості росту, але всі їх значення достовірно менші від контролю. Величина стимуляції показника протягом експерименту з часом зменшується, а величина інгібування збільшується. Чиста питома продукція біомаси елодеї, що визначалась за газообміном, в перший день затруєння дала класичну картину залежності від концентрації токсиканту, пригнічення показника відбувалось монодинамічно. Надалі чиста питома продукція елодеї змінюється досить нерівномірно і при всіх концентраціях йонів свинцю, крім максимальної, давала значні відхилення від контролю, як у бік стимуляції, так і у бік інгібування, лише при концентрації 100 мг/дм³ чиста питома продукція весь час залишалась значно меншою за контроль.

Застосувавши для оцінки ефекту дії свинцю на елодею формулу Габера і розглянувши цей показник в координатах доза-ефект, ми отримаємо криву, зображену на рис.2. Картина зміни чистої питомої продукції нагадує періодичні гармонійні коливання, що затухають.

Рис.2 Динаміка зміни чистої питомої продукції елодеї при свинцевому затруєнні.

Тому для інтерпрeтації отриманих результатів ми пропонуємо гіпотетичну модель “біологічного осцилятора”. Для цього розглянемо організм з його здатністю створювати продукцію як систему, що знаходиться в стані рівноваги з оточуючим середовищем, а забрудник, що потрапляє в середовище, як стресовий фактор, що порушує цю рівновагу. Модель передбачає, що організм має певний запас міцності (адаптивний потенціал), і може протидіяти стресовому фактору. Якщо токсикант буде діяти в межах зони толерантності організму і не призведе до швидкого руйнування біосистеми організм -- середовище, а лише виведе її зі стану рівноваги, то ми отримаємо коливальний процес. Коливання припиняться тоді, коли зникне дія стресового фактора, або його значення перевищать межі зони толерантності і зруйнують систему. За запропонованою моделлю процес буде повторюватись до повного виснаження системи. На рис.2 ми бачимо, що зі зростанням дози максимуми коливань показника продуктивності зменшуються, мінімуми залишаються відносно постійними. Організм виснажується, проявляється токсичний вплив забрудника.

При порівнянні дії йонів свинцю на біопродуктивність елодеї з використанням ІПП видно, що концентрація 0.1 мг/дм³ діє на рослини стимулююче, а більш високі концентрації продуктивність інгібують.

При вивченні впливу йонів свинцю на біопродуктивність ряски нами досліджувалась також залежність продукційно-енергетичних показників від концентрації токсиканту при різній інтенсивності освітлення. Зменшення інтенсивності освітлення в поєднанні зі зростанням токсичності середовища призводить до більш різкого спаду питомої швидкості росту. На рис. 3 показані зміни питомої швидкості росту біомаси L.minor, що протягом двох тижнів вирощувалась за умов забруднення середовища свинцем при інтенсивності освітлення 3000 лк та 2000 лк.

Результати в обох випадках нормовані відносно контролю з відповідним рівнем освітленості, що дає можливість показати саме ефeкт дії токсиканту і позбавитися “нормального” зниження прoдуктивності рослин при зменшенні рівня освітлення.

Значне збільшення різниці біопродукційних параметрів при високих рівнях забруднення свідчить, з одного боку, про зростання енергетичних витрат організму в умовах токсичного середовища, зміну його енергетичного балансу в напрямку деструкції, з іншого -- про велику енергоємність процесу адаптації рослин до існування за умов забрудненого середовища. При розгляді продукційного процесу L.trisulca виявилася значно чутливішою до дії йонів свинцю досліджуваних концентрацій, ніж L.minor. Питома швидкість росту L.trisulca при концентрації 0.1 мг/дм³ дає істотне збільшення в перший тиждень експерименту. На другому тижні стимуляція показника продуктивності зникає і його значення майже не перевищує контроль. Повне припинення росту рослин спостерігається при концентраціях свинцю 10 і 100 мг/дм³. Процентний вміст сухої речовини в рослинах, що зазнали токсичного впливу, дещо зростає при концентрації 0.1 мг/дм³, при більш високих концентраціях забрудника знижується. Достовірних відмінностей вмісту органічного вуглецю від концентрації йонів свинцю не виявлено.

Рис.3 Залежність питомої швидкості росту ряски маленької від концентрації свинцю та інтенсивності освітлення.

Вплив йонів нікелю на продукційно-енергетичні параметри гідромакрофітів. Вивчення впливу йонів нікелю на біопродуктивність вищих водних рослин проводилося, як і при вивченні дії йонів свинцю, на двох видах ряски -- Lemna minor L. та Lemna trisulca L., і Elodea canadensis Michx. Концентрація забрудника становила з розрахунку на йон Ni²⁺ -- 0.1, 1.0, 10, 100 мг/дм³. Додатково визначалися показник автотрофного дихання R_А та валова питома продукція GPP, обидва показники визначалися для елодеї у процесі газообміну за виділеним киснем.

Як показали результати проведених дослідів, продуктивність елодеї канадської в умовах нікельзабрудненого середовища також в цілому падає, але динаміка зміни продукційно-енергетичних показників відрізняється від динаміки при свинцевому затруєнні. При найвищій концентрації 100 мг/дм³ ми спостерігаємо найбільший стимулюючий ефект дії іонів нікелю, як для процесів продукування (чиста і валова питома продукція), так і для процесів деструкції (показник дихання). При більш низьких концентраціях обидва показники продукції коливаються з невеликими відхиленнями від контролю, а процеси дихання стимулюються при концентраціях 0.1 і 1 мг/дм³ та інгібуються при 10 мг/дм³.

На сьому добу токсичність іонів нікелю проявляється більш помітно. Спостерігається значне падіння чистої і валової питомої продукції. Зниження цих показників добре апроксимується прямими з коефіцієнтами лінійної регресії -22.53.9; R=-0.96; P=0.01 і -26.34.3; R=-0.96; P=0.01 для валової і чистої питомої продукції, відповідно. Ці залежності показані на рис. 4. Необхідно зазначити, що зменшення чистої питомої продукції відбувається більш різко, ніж валової. Очевидно, це пов'язано зі стимуляцією процесів дихання. Показник дихання змінюється олігодинамічно, спочатку зростає (при концентрації 0.1 мг/дм³ на 30% перевищує контроль), а потім зменшується до 39% при концентрації 100 мг/дм³. Питома швидкість росту елодеї також змінюється олігодинамічно, проте, динаміка її зміни дещо відрізняється. Залишаючись значно меншою в порівнянні з контролем, вона спочатку зменшується (мінімум при концентрації 10 мг/дм³), а потім дає підвищення. Інтегральний показник продуктивності найкраще характеризує рівень забруднення, даючи найменші значення порівняно з контролем при відповідних концентраціях. Пригнічення цього показника відбувається монодинамічно.

На 14 добу спостерігається ще більш сильне пригнічення продукційних показників елодеї, ніж на сьому, при концентраціях 0.1 і 1 мг/дм³, і повне пригнічення при 10 і 100 мг/дм³. Показник дихання при 100 мг/дм³ зменшується до 15%, а при менших концентраціях залишається більшим за контроль. Вміст сухої речовини в рослинах, що зазнали токсичного впливу, дещо знижується і лише при 100 мг/дм³ в межах похибки перевищує контроль. Достовірних відмінностей вмісту органічного вуглецю не виявлено.

Вирощування обох видів ряски в середовищі, забрудненому іонами нікелю, показало негативний вплив забрудника на біопродуктивність рослин. Концентрації металу 10 і 100 мг/дм³ повністю пригнічують продуктивність обох видів рослин вже на сьому добу експерименту. Пригнічення питомої швидкості росту L.trisulca відбувається монодинамічно зі збільшенням концентрації йонів нікелю. Зміна питомої швидкості росту L..minor проходить олігодинамічно і після зменшення цього показника до 43% при концентрації 0.1 мг/дм³ спостерігається його зростання до рівня контролю при 1 мг/дм³ та подальше падіння до нуля при вищих концентраціях нікелю. На чотирнадцяту добу олігодинамічна залежність падіння питомої швидкості росту L.minor від концентрації забрудника стає не достовірною (значення цього показника при концентраціях 0.1 і 1 мг/дм³ відрізняються в межах похибки).

Рис.4 Залежність біопродукційних показників елодеї від концентрації нікелю на сьому добу затруєння.

Для L.trisulca повністю пригнічується продуктивність при концентрації 1 мг/дм³.Достовірних відмінностей вмісту органічного вуглецю в залежності від концентрації нікелю для обох видів рослин не виявлено. Для L.minor відмічено деяке підвищення вмісту сухої речовини при концентраціях 0.1 і 10 мг/дм³. Вміст сухої речовини в L.trisulca монодинамічно збільшується зі зростанням концентрації іонів нікелю.

За результатами проведених досліджень можна стверджувати, що наявність як іонів свинцю, так і іонів нікелю в середовищі негативно впливає на біопродуктивність гідромакрофітів. Вплив іонів свинцю на всі види досліджуваних рослин виявився олігодинамічним. Іони нікелю, навпаки, монодинамічно пригнічують біопродуктивність. В роботі використані однакові концентрації обох модельних токсикантів. Загибель або повне пригнічення продукційних показників усіх досліджуваних рослин при дії іонів нікелю спостерігались раніше і при більш низьких концентраціях, ніж при дії іонів свинцю. Це свідчить, що іони нікелю є більш токсичними для гідромакрофітів.

Висновки

1. Наявність іонів свинцю та нікелю в середовищі негативно впливає на досліджувані біосистеми, спостерігається різке зниження біопродуктивності всіх об`єктів при максимальних (більше 10 мг/дм³) концентраціях забрудників.

2. Динаміка впливу свинцю на продукційно-енергетичні показники всіх досліджуваних об`єктів та нікелю на гетеротрофні організми (молодь риб) є олігодинамічною, при концентраціях до 10 мг/дм³ проявляється стимулюючий (горметичний) вплив токсикантів.

3. Іони нікелю монодинамічно пригнічують біопродуктивність гідромакрофітів.

4. Аналітична залежність між рівнем забруднення середовища і продукційно-енергетичними показниками молоді риб може бути виражена рівнянням виду:

y = Ax - Bx² + C

де у - продукційно-енергетичний показник, х - доза (дозове навантаження) токсиканту, А, В і С - видоспецифічні константи.

5. Найбільш чутливими і інформативними з усіх досліджених продукційно-енергетичних показників є інтегральні показники -- показник оптимальності (ПО) для гетеротрофних організмів та інтегральний показник продуктивності (ІПП) для автотрофних організмів.

6. Для досліджуваних видів гідромакрофітів іони нікелю виявились більш токсичними, ніж іони свинцю, для молоді риб токсичність обох іонів приблизно однакова.

7. Прояв токсичної дії забрудників на автотрофні біосистеми збільшується зі зменшенням потоку доступної енергії.

8. Низькі концентрації токсикантів (менше 10 мг/дм³) інгібують продукційні процеси і стимулюють деструкційні, більш високі концентрації пригнічують обидва процеси.

9. Показники ПО та ІПП найбільш адекватно відображають токсикологічну ситуацію і можуть бути рекомендовані як біопродукційні критерії токсичності при біотестуванні забруднених вод.

Список робіт, опублікованих за темою дисертації

1.Гандзюра В.П., Игнатюк А.А.Влияние ионов свинца и аммония на биопродукционные параметры молоди рыб//Гидробиол. журн.-- 1998.--34,№1.-- С.85-90.

2.Gandziura V.P., Ignatyuk A.A. The use of productive energetic parameters for estimation of an ecotoxicological situation//Доповіді Національної академії наук України.-- 1998.-- №11.-- С.182-184.

3.Мусієнко М.М., Гандзюра В.П., Ігнатюк О.А. Вплив свинцю на біопродукційні параметри гідромакрофітів//Укр.бот.журн.--1998.--№6.-- С. 609-614.

4.Ігнатюк О.А. Застосування нетрадиційних моделей в екотоксикологічних дослідженнях//Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Інтродукція та збереження рослинного різноманіття.-- Вип.2.-- Київ, 1999.-- С.69-70.

5.Ігнатюк О.А. Прояв парадоксальних ефектів в продукційно-токсикологічних дослідженнях//Зб. наук. праць “Екологія.Біологічні науки”.-- Вип.1.-- Полтава, 1999.-- С.83-91.

6.Гандзюра В.П., Ігнатюк О.А. Біопродукційний підхід до екотоксикологічних досліджень//Четверті Каришинські читання (збірник статей).-- Полтава, 1997.--Т.1.--С.45-47.

7.Ігнатюк О.А., Скороход М.В. Продуктивність плейстофітів в умовах токсичного середовища//П`яті Каришинські читання (збірник статей).-- Полтава, 1998.-- С.108-110.

8.Ігнатюк О.А. Зміна біопродукційних параметрів молоді риб в умовах хронічного токсикозу//Другий з`їзд гідроекологічного товариства України.Тези доповідей.-- Том 2.-- Київ, 1997.-- С.83-84.

9.Ігнатюк О.А. Оцінка стану довкілля за допомогою біопродукційних показників//Матеріали конф. пам`яті Вернадського.--Полтава, 1998.--С.25.

Анотації

Ігнатюк О.А. Залежність продукційно-енергетичних показників біосистем від рівня забруднення середовища важкими металами.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 екологія. - Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1999.

Дисертація присвячена вивченню в хронічних дослідах якісного й кількісного зв'язку між рівнем забруднення середовища іонами свинцю та нікелю та продукційними показниками авто- і гетеротрофних біосистем на прикладі лабораторних популяцій вищих водних рослин та риб. Отримано нові результати по зміні інтенсивності та ефективності біопродукційного процесу в токсичному середовищі. Показано олігодинамічне пригнічення продукційно-енергетичних показників досліджуваних рослин і тварин зі збільшенням концентрації забрудників. Встановлено аналітичний зв`язок між дозою токсиканту та біопродуктивністю молоді риб. Зроблено припущення, що зі збільшенням дози стимулюючий ефект зростає лінійно, а інгібуючий квадратично. Продемонстровано зростання токсичного ефекту зі зменшенням потоку доступної енергії. Знайдено найбільш чутливі та інформативні продукційно-енергетичні показники. Обгрунтовано можливість їх подальшого використання для оцінки стану середовища за функцією відгуку біосистем.

Ключові слова: важкі метали, якість середовища, екотоксикологія, продуктивність, біоіндикація, продукційно-енергетичні показники.

Игнатюк А.А. Зависимость продукционно-энергетических параметров биосистем от уровня загрязнения среды тяжёлыми металлами.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 экология. - Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1999.

Диссертация посвящена изучению в хроническом эксперименте качественной и количественной связи между уровнем загрязнения среды ионами свинца и никеля и продукционными показателями авто- и гетеротрофных биосистем на примере лабораторных популяций высших водных растений и рыб. Получены новые данные по изменению интенсивности и эффективности биопродукционного процесса в токсической среде. Исследована зависимость удельной скорости роста, валовой эффективности конвертирования корма, Показателя оптимальности (определяется как произведение двух предыдущих параметров) для гетеротрофов и удельной скорости роста, чистой и валовой удельной продукции, показателя дыхания, содержания сухого вещества и органического углерода, Интегрального показателя продуктивности (определяется как произведение удельной скорости роста на показатель чистой удельной продукции) для автотрофов от концентрации ионов свинца и никеля в среде. Угнетение продукционных показателей всех исследованных объектов наблюдалось при максимальных, более 10 мг/дм³ концентрациях ионов металлов. Более низкие концентрации постоянно или временно вызывали стимуляцию (гормезис) тех или иных продукционно-энергетических показателей. Однако, стимуляция параметров под действием загрязняющих реагентов также свидетельствует о возникновении токсического эффекта, что связано с наличием различных фаз реакции-ответа биосистемы на действие токсиканта. Это даёт право утверждать, что наличие ионов свинца и никеля в среде в целом негативно влияет на биопродуктивность молоди рыб и гидромакрофитов. Снижение продукционных параметров высших водных растений при возрастании концентрации никеля происходит монодинамично. Олигодинамическое угнетение продукционно-энергетических показателей с увеличением концентрации загрязнителей отмечено для исследованных растений в случае использования ионов свинца, для животных -- при использовании ионов и свинца, и никеля. Для изучения дозовых зависимостей применена формула Габера. Установлена аналитическая зависимость между дозовой нагрузкой (произведение концентрации на время действия токсиканта) и биопродуктивностью молоди рыб. Математически эта зависимость может быть описана уравнением вида:

y = Ax - Bx² + C

где у - это продукционный параметр, х - доза (дозовая нагрузка), А, В, С - видоспецифические константы. На основании анализа уравнения сделано предположение, что с увеличением дозы стимулирующий эффект возрастает линейно, а ингибирующий квадратично. Для интерпретации дозовых зависимостей автотрофных объектов предложена гипотетическая модель гармонического биологического осциллятора, которая рассматривает организм (биообъект), находящийся в состоянии равновесия со средой, как систему, имеющую определённый запас прочности, а токсикант -- как стрессовый фактор, выводящий систему из равновесия и вызывающий колебания до тех пор, пока его действие не исчезнет или превысит границы зоны толерантности объекта по отношению к действию стрессового фактора и разрушит систему. На автотрофных объектах продемонстрировано увеличение токсического эффекта с уменьшением потока доступной энергии. Показано, что увеличение концентрации ионов никеля вначале ингибирует продукционные процессы и стимулирует деструкционные, а затем ингибирует оба процесса. Установлены наиболее чувствительные и информативные продукционно-энергетические показатели -- Показатель оптимальности и Интегральный показатель продуктивности. Обоснована возможность их дальнейшего применения для оценки качества водной среды по функции отклика биосистем.

Ключевые слова: тяжёлые металлы, качество среды, экотоксикология, продуктивность, биоиндикация, продукционно-энергетические параметры.

Ignatyuk A.A. The dependence of productive-energy parameters of biosystems on the level of environment pollution by heavy metals.- Manuscript.

The dissertation for the degree of Candidate of Biological Sciences on speciality 03.00.16 - ecology. Taras Shevchenko Kyiv University. Kyiv,1999.

The dissertation is devoted to study of the qualitative and quantitative correlation between the level of an environment pollution by lead and nickel ions and productive indeces of auto- and heterotrophic biosystems by a chronic experiment within the laboratory populations of the aquatic Higher Plants and Fishes. The new results have been obtained on a change of intensity and efficiency of a bioproductive process in the toxic sphere. The oligodynamic oppression of the productive-energy indeces in the studied plants and animals results from the increase of a toxicant concentration. The correlation between a dose of toxicant and bioproductivity of young fishes has been defined. According to our supposition, a stimulating effect increases linearly and inhibiting effect increases squarely if to increase a dose of pollution. An increasing of a toxicant effect correlates with the decreasing of a flow of an accessible energy. The most sensible and informative productive-energy indeces have been established. The possibility of use of the above indeces for the estimation of the aquatic sphere quality by the function of biosystems response has been proved.

Key words: heavy metals, quality of environment, ecotoxicology, productivity, bioindication, productive-energy indeces.

Размещено на Allbest.ru

...