Амфибии как биоиндикационная тест-система для экологической оценки водной среды обитания

При исследовании морфофизиологических индексов было обнаружено достоверное превышение индекса сердца амфибий в загрязненном водотоке по сравнению с экологически чистым водотоком (р<0,05) (рис. 2).

Действие загрязняющих факторов водной среды на организм амфибий приводит к мобилизации его защитных функций и ускорению обмена веществ, что в свою очередь обусловливает нагрузку на сердце и вызывает его морфофизиологические перестройки.

Рис. 2. Индексы сердца самцов и самок в популяциях

R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

При анализе коэффициентов корреляции индексов сердца самцов была обнаружена связь средней силы между величиной индекса и содержанием свинца, кадмия, никеля и хрома в воде (r=0,70). Для самок была характерна сильная связь между величиной индекса сердца и уровнем кадмия (r=0,79), связь средней силы по отношению к содержанию свинца, никеля и хрома (r=0,75).

Поэтому индекс сердца озерных лягушек может быть эффективно использован для биоиндикации экологического состояния водной среды обитания.

Стандартным критерием экологического своеобразия популяции является индекс печени. Печень в организме амфибий играет большую роль по детоксикации вредных веществ. Известно, что масса печени изменяется преимущественно за счёт накопления или расходования жиров и углеводов (Ковылина, 1999). Запасов гликогена в печени достаточно лишь на короткий период переживания неблагоприятных условий. При более длительном периоде нагрузки начинаются расходоваться жиры. Снижение веса печени сигнализирует о длительном устойчивом воздействии внутренних или внешних неблагоприятных факторов на организм. Печени присуща сезонная изменчивость в связи со сменой характера питания, расходами энергетических запасов на размножение, но при сильном негативном воздействии снижение массы печени выходит за рамки обычной «нормы» (Шварц и др., 1968).

Полученные результаты свидетельствуют, что у амфибий из загрязненного водотока индекс печени был достоверно ниже (р<0,05), чем в популяциях из экологически чистого водотока (рис. 3).

Было установлено наличие отрицательной связи средней силы (r=-0,60) между величиной индекса печени самцов и самок и содержанием в воде свинца, кадмия и хрома. По мере увеличения концентрации этих металлов в воде снижается индекс печени.

 

Рис. 3. Индексы печени самцов и самок в популяциях

R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

Снижение индекса печени у лягушек, обитающих в загрязненных водотоках, скорее всего, связано с повышенными энергетическими затратами, ускоренным расходом гликогена и жиров. В условиях загрязнения восстановление пула гликогена и жиров в печени происходит гораздо медленнее. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование индекса печени для оценки экологического состояния водной среды.

По данным литературных источников, индекс почек является индикатором уровня обмена веществ (Шварц и др., 1968).

Определение индекса почек показало, что у амфибий загрязненного водотока он был достоверно выше (рис. 4). При анализе коэффициентов корреляции наблюдалась сильная связь между величиной индексов почек самцов и самок и содержанием свинца и хрома (r=0,80) и связь средней силы по отношению к содержанию никеля в воде (r=0,70). У самок и самцов наблюдалась сильная положительная связь индекса почек от содержания кадмия в водной среде (r=0,86; r=0,83 соответственно).

Озерные лягушки из загрязненного водотока имеют меньшие размеры тела, чем амфибии из экологически чистого водотока, а индекс почек обратно пропорционален размерам тела. Высокие величины индексов почек свидетельствуют о возрастании роли данного органа в выведении продуктов метаболизма и токсических соединений. Это может рассматриваться как один из возможных механизмов адаптации к средовому стрессу.

Рис. 4. Индексы почек самцов и самок R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

По данным литературы, интенсификация функций органов и тканей под влиянием токсикантов способствует повышению резистентности и выведению ядов из организма (Мисюра, 1989). Нельзя исключить, что выявленные изменения морфофизиологических особенностей почек являются адаптивными приспособлениями и проявлением движущей формы отбора при обитании в загрязненном водотоке.

Наши исследования показали, что индекс почек, как самцов, так и самок, может быть использован в качестве индикатора степени загрязнения водотока.

Селезенка в организме амфибий выполняет функции детоксикации и кроветворения. У животных из загрязненного водотока наблюдалось достоверное снижение относительного веса селезёнки (р<0,05).

Анализ морфофизиологических особенностей селезенки у лягушек загрязненных местообитаний выявил ее высокую реактивность. В популяциях озерной лягушки на всех участках р. Свияга наблюдалось статистически достоверное снижение индекса селезенки (р<0,05), по сравнению с величиной этого индекса в популяциях р. Уса (рис. 5). Анализ коэффициентов корреляции индекса селезенки по отношению к тяжелым металлам выявил между ними отрицательную связь средней силы (по свинцу, кадмию и хрому (r=-0,65).

Рис. 5. Величины индексов селезенки самцов и самок R. rudibunda Pall.

р. Уса и р. Свияга

 

Сниженные индексы селезенки лягушек из загрязненного водотока скорее всего обусловлены угнетением кроветворения. Можно рекомендовать индекс селезенки амфибий как информативный показатель для биоиндикации водной среды.

Сравнительные исследования общей упитанности амфибий в экологически чистом водотоке и в условиях загрязнения показали достоверное снижение этого показателя при повышенном содержании тяжелых металлов в воде (рис. 6). На фоне загрязнения, по данным литературных источников, отмечается истощение организма и снижение его массы (Метелев и др., 1971; Лукьяненко, 1983). Анализ коэффициента корреляции между упитанностью лягушек и содержанием тяжелых металлов в воде выявил отрицательную связь средней силы между этим показателем и содержанием свинца, кадмия и хрома в воде (r=-0,70). Эта тенденция была характерна для самцов и самок.

Рис. 6. Упитанность самцов и самок R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

По нашему мнению, снижение упитанности озерных лягушек может быть обусловлено преобладанием в популяции особей с высоким уровнем обмена веществ, способных на эффективное выведение из организма экотоксикантов или снижением количества пищевых объектов (насекомых и других беспозвоночных) на территории загрязненного водотока.

Основываясь на концепции С.С. Шварца (1980) о том, что любые дополнительные энергетические затраты ведут к увеличению массы внутренних органов, мы пришли к заключению, что на всех этапах исследований мы наблюдали разные формы проявлений защитных функций организма, которые реализовывались через увеличение индексов сердца, почек и снижение индексов печени и селезёнки. Выявленные нами тенденции подтверждают концепцию С.С. Шварца (1980) о дополнительной «энергетической плате» организма в условиях хронического средового стресса.

Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными литературных источников, утверждающих, что в условиях средового стресса адаптивную ценность приобретают перестройки организма, направленные на повышение уровня метаболизма. Это эволюционно отработанный механизм повышения жизнеспособности в ходе преадаптации к неблагоприятным условиям (Моисеенко, 2000). Увеличение массы внутренних органов позволяет организму выдерживать напряжённый энергетический баланс при дополнительных энергетических затратах на детоксикацию. Поэтому все исследованные индексы внутренних органов и упитанность организма могут быть эффективно использованы для биоиндикации экологического состояния водной среды обитания.

3. Тератогенез популяции

В условиях средового стресса изменяется разнообразие типов аномалий и общая частота аберраций (Flax, Borkin, 1997; Вершинин, 1990; Замалетдинов, 2000), поэтому разнообразие и частота аномалий может служить показателем степени трансформации природной среды.

В результате проведенных исследований были обнаружены 12 типов морфологических отклонений (по Руцкому, Шведу, 1991; Максимову и др., 2001; Lada, 1999; Замалетдинов, 2003; Файзулин, 2004) с модификациями: эктромелия, полидактилия, эктродактилия, брахидактилия, клинодактилия, гиперплазия, увеличение размеров рудимента, удлиненный палец, циклопия, аномалии зрачка, левосторонний сколиоз, недоразвитие предплечия.

Характеристика общей частоты морфологических аномалий представлена на рис. 7.

 

Рис.7. Частота встречаемости фенодевиантов в популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

Наиболее высокая частота аномалий отмечена в популяциях озерной лягушки, обитающих в р. Свияга. В этих популяциях были обнаружены особи с заболеванием «красных ног», которое вызывается микроорганизмами Aeromonas hydrophyla (Carey, 1992; Crawshaw, 1992). Данное заболевание возникает как следствие иммунодепрессии на фоне понижения температуры тела. Эти микроорганизмы атакуют особей с пониженным иммунитетом и резко снижают их выживаемость.

В качестве критериев типового разнообразия аномалий мы использовали показатель внутрипопуляционного разнообразия μ и долю редких фенотипов h, рекомендованную Л.А. Животовским (1982). Значение параметров разнообразия и доли редких типов аномалий в районах исследования представлены в таблице 4.

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что типовое разнообразие аномалий максимально в р. Свияга, около с. Спешневка, в зоне г. Ульяновска, около с. Стоговка, Лаишевка, с. Луговое и минимально в р. Уса. При анализе коэффициентов корреляции среднего числа типов аномалий (μ) была выявлена сильная связь данного параметра с содержанием кадмия (r=0,75) и связь средней силы с содержанием свинца, никеля и хрома в воде (r=0,60), то есть при увеличении концентрации тяжелых металлов в воде происходит увеличение типового разнообразия аномалий у озерных лягушек.

Таблица 4

Показатели внутрипопуляционного разнообразия морфологических аномалий

 

Популяция	Численность, N	Среднее число типов, μ±Sμ	Доля редких фенотипов, h±Sh
р. Уса с. Елшанка	68	2,890±0,360	0,518±0,061
р. Уса с. Михайловка	60	2,924±0,318	0,415±0,064
р. Уса с. Гавриловка	72	2,369±0,232	0,408±0,058
р. Свияга с. Спешневка	151	12,041±0,629	0,290±0,037
р. Свияга с. Стоговка	60	9,120±0,768	0,298±0,059
р. Свияга с. Луговое	73	6,150±0,639	0,441±0,058
р. Свияга г. Ульяновск	66	9,303±0,814	0,336±0,058
р. Свияга с. Лаишевка	88	8,180±0,669	0,371±0,052

 

По нашему мнению, высокая частота и разнообразие типов аномалий могут служить показателем хронического средового стресса, обусловленного повышенным содержанием тяжелых металлов в воде. По данным литературы, аномалии - это результат критического нарушения стабильности развития (Захаров и др., 1997).

Частота встречаемости и разнообразие морфологических аномалий могут быть высокоэффективно использованы в системах экологического мониторинга.

4. Стабильность развития

3.4.1. Морфогенетический гомеостаз

Оценка стабильности развития в популяциях озерной лягушки, обитающих в р. Свияга и в р. Уса, дала следующие результаты (рис. 8) .

Рис. 8. Показатели морфогенетического гомеостаза в популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

Наибольшие нарушения стабильности развития были обнаружены у озерных лягушек, отловленных в р. Свияга, они характеризуются пятым баллом, что соответствует критическому состоянию организмов. Среди обследованных выборок наиболее благополучными по своему состоянию оказались популяции из экологически чистого района (р. Уса), они характеризовались первым баллом, что соответствовало условно нормальному состоянию.

Значения показателя асимметрии, полученные для выборок из экологически чистых точек (р. Уса с. Елшанка, с. Гавриловка, с. Михайловка), статистически значимо отличались от значений, полученных для лягушек из популяций р. Свияга (p<0,05). При анализе коэффициентов корреляции между частотой проявления асимметрии и содержанием тяжелых металлов в воде была выявлена сильная связь в отношении содержания свинца, кадмия (r=0,80), и связь средней силы в отношении содержания никеля и хрома в воде (r=0,70). Показатель флуктуирующей асимметрии также может быть рекомендован для оценки экологического состояния водной среды обитания.

3.4.2. Цитогенетический гомеостаз

Для оценки цитогенетического гомеостаза озерной лягушки использовали микроядерный тест, который основан на подсчете эритроцитов с микроядрами.

Микроядерный тест выявил статистически значимые различия между цитогенетическим гомеостазом лягушек, обитающих в р. Уса и в р. Свияга (p<0,05)  
(рис. 9).

Рис. 9. Частота встречаемости нарушений ядра в популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

У амфибий, обитающих в р. Уса, р. Свияга, были обнаружены клетки, содержащие микроядра. Были выявлены микроядра всех видов (табл. 5).