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

В клетках периферической крови лягушек, отловленных в р. Свияга и в р. Уса, наиболее часто встречались клетки с микроядрами вида (а), далее по частоте встречаемости были клетки с микроядрами вида (б) и (г-II) (табл. 5).

По мнению Л.Ю. Жулевой и Н.П. Дубинина (1994), наличие в клетках периферической крови озерной лягушки микроядер вида (а) является естественным, тогда как наличие в клетках микроядер других видов является результатом цитогенетического нарушения, произошедшего в организме лягушки под воздействием загрязнителей окружающей среды. При анализе коэффициентов корреляции, между количеством микроядер типа (а) и содержанием тяжелых металлов в воде была выявлена линейная зависимость в отношении свинца, кадмия, никеля и хрома (r=0,95).

Кроме того, по размерам микроядер можно судить об изменениях, произошедших в хромосомном наборе клеток. Так, появление клеток с крупными микроядрами в основном связано с нарушениями веретена деления, а появление клеток с мелкими микроядрами вызвано преимущественно структурными аберрациями хромосом.

Таблица 5

Доля клеток с микроядрами разных видов у озерных лягушек

разных мест обитания

 

Районы исследований	N	Кол-во исследованных клеток		Доля клеток с микроядрами разных видов (%)
		Всего	Доля с микроядрами, %	а	б	в	г-I	г-II	д
р. Уса с. Елшанка	39	78000	0,206	0,163	0,008	0,015	0,004	0,015	0,001
р. Уса с. Михайловка	37	74000	0,203	0,174	0,004	0	0	0,024	0
р. Уса с. Гаврловка	41	82000	0,209	0,158	0,010	0,017	0,006	0,015	0,002
р. Свияга с. Спешневка	29	58000	0,710	0,417	0,103	0,007	0,050	0,122	0,010
р. Свияга с. Стоговка	27	54000	0,561	0,350	0	0,011	0,033	0,150	0,017
р. Свияга с. Луговое	35	70000	0,814	0,579	0,066	0	0,047	0,097	0,026
р. Свияга г. Ульяновск	37	74000	0,836	0,626	0,035	0,007	0,055	0,093	0,020
р. Свияга с. Лаишевка	34	68000	0,878	0,544	0,146	0,007	0,441	0,116	0,021

 

По результатам наших исследований, появление микроядер типа «б» имеет линейную зависимость от содержания кадмия (r=0,90), имеет сильную связь с содержанием свинца и хрома (r=0,84) и связь средней силы с содержанием никеля в воде (r=0,70). Наличие микроядр типа «в» свидетельствует о сильной отрицательной связи с содержанием свинца, кадмия, никеля и хрома в воде (r=-0,80). Поэтому можно предположить, что образование клеток с микроядрами вида (б) и (в) коррелирует с нарушениями в структуре хромосом. При анализе коэффициентов корреляции микроядер типа (г-I) была выявлена сильная связь с содержанием в воде свинца, кадмия и хрома (r=0,84) и связь средней силы с содержанием никеля (r=0,62). Появление микроядер типа (г-II) характеризуется связью средней силы с содержанием свинца, кадмия и хрома в воде (r=0,63). Наличие микроядер типа (д) связано сильной связью с содержанием свинца, кадмия и хрома (r=0,80) и связью средней силы с содержанием никеля (r=0,73). Образование клеток с микроядрами вида (г-I), (г-II) и (д) вызвано отставанием расхождения хромосом в мета- или анафазе.

При оценке состояния популяций озерных лягушек цитогенетическими и морфогенетичеcкими методами нами были получены сходные результаты. Наибольшие нарушения были зафиксированы в популяциях лягушек на всем течении р. Свияга (рис. 10). При анализе коэффициентов корреляции содержания клеток с микроядрами от наличия в воде тяжелых металлов, была выявлена сильная связь, переходящая в линейную зависимость от содержания свинца, кадмия, хрома и никеля (r=0,95).

Применение комплексного подхода, когда состояние организма оценивается не по одному, а по нескольким параметрам (в данном случае по показателям стабильности развития и цитогенетического гомеостаза), позволяет получить более объективную информацию. Следует отметить особенности использованных подходов. Показатели цитогенетического гомеостаза являются отражением физиологической реакции организма на стресс-фактор и при его снятии могут вернуться к норме. Оценка стабильности развития по флуктуирующей асимметрии позволяет судить об условиях, в которых находились животные на ранних стадиях онтогенеза, при формировании изучаемых признаков. Флуктуирующая асимметрия является неспецифической реакцией организма на разовое или хроническое стресс-воздействие.

Рис. 10. Сравнение показателей морфогенетического и цитогенетического

гомеостаза R. ridibunda Pall.

 

Показатель флуктуирующей асимметрии отражает морфогенетический гомеостаз. Микроядерный тест, помимо оценки мутагенной активности, дает возможность судить об уровне цитогенетического гомеостаза. Синхронность изменений обоих этих показателей свидетельствует о том, что каждый из них характеризует общий гомеостаз организма. Это позволяет предположить, что первичная оценка состояния популяции может быть получена при использовании каждого из указанных тестов при экологическом мониторинге.

В заключении всесторонне обсуждаются результаты исследований, их теоретическая и практическая значимость. Высокий уровень тяжелых металлов в водной среде приводит к повышенной смертности, морфофизиологическим и цитогенетическим нарушениям амфибий. Изменяются индексы органов, морфометрические показатели и популяционная структура вида. Адаптивные изменения обеспечивают выживаемость амфибий в неблагоприятных условиях и являются первичным материалом микроэволюционного процесса, а патологические изменения свидетельствуют о биологическом и морфофизиологическом регрессе вида.

Выводы

 

1. Разработана тест-система биоиндикации экологического состояния водоемов и водотоков с использованием бесхвостых амфибий.
2. Тест-система основана на популяционных, морфофизиологических и цитогенетических параметрах амфибий, чувствительных к изменению среды обитания, и включает изменение структурных характеристик популяций, показателей стабильности развития и морфофизиологических параметров.
3. В водотоках, загрязненных тяжелыми металлами, численность популяций бесхвостых амфибий снижается в 2 раза, половое соотношение смещается в сторону самок и составляет 2:1.
4. В популяциях R. ridibunda Pall., в норме, доля морфы striata не превышает 24,7±1,7 %. В популяциях, обитающих в среде, загрязненной тяжелыми металлами, доля морфы striata возрастает до 44,4±3,7% (p<0,05).
5. У половозрелых особей R. ridibunda Pall., обитающих в водотоках, загрязненных тяжелыми металлами, достоверно уменьшены размеры тела, увеличены индексы сердца и почек, снижены индексы печени, селезенки и общей упитанности (p<0,05).
6. Высокие значения коэффициентов корреляции между содержанием тяжелых металлов и уменьшением размеров тела (r=-0,86); увеличением индексов сердца и почек (r=0,75); снижением индекса печени (r=-0,60), селезенки (r=-0,60), упитанности (r=-0,60) озерной лягушки свидетельствуют, что выявленные морфофизиологические изменения вызваны загрязнением среды обитания тяжелыми металлами.
7. В среде с повышенным содержанием свинца и кадмия расширяется типовое разнообразие фенодевиантов и возрастает доля их носителей с 14,6±1,07 до 51,88±7,29 % (p<0,05).
8. Цитогенетический гомеостаз озерной лягушки является высокоинформативным показателем экологического благополучия водной среды обитания; между нарушением цитогенетического гомеостаза и загрязнением вод тяжелыми металлами существует сильная положительная связь (r =0,95).

 

Практические предложения

 

Для оперативной первичной биоиндикации экологического состояния водоемов и водотоков целесообразно использовать популяционные характеристики бесхвостых амфибий: соотношение самцов и самок, долю морфы striata и оценку флуктуирующей асимметрии.

Для расширенной, углубленной оценки экологического состояния водоемов и водотоков может быть рекомендован весь комплекс апробированных популяционных, организменных и цитологических характеристик, чувствительных к загрязнителям среды обитания. Этот комплекс включает (помимо характеристик для первичной биоиндикации) также вариации морфометрических параметров, индексы внутренних органов и упитанности, выявление спектра фенодевиантов, оценку цитогенетического гомеостаза по уровню стабильности ядерных структур.

Высокая частота встречаемости и широкое разнообразие фенодевиантов могут быть рекомендованы в качестве индикаторов загрязнения водоемов и водотоков тяжелыми металлами.

Разработанная тест система биоиндикации может быть использована в системах оперативного экологического мониторинга и для экологического прогнозирования развития ситуации.

Полученные результаты могут рассматриваться как базовые для дальнейших экологических исследований водоемов и водотоков Ульяновской области.

Результаты исследований могут быть рекомендованы для использования в учебном процессе при подготовке специалистов экологического профиля.

 

Список работ, опубликованных по теме диссертации

 

1. Романова Е.М. Оценка состояния природных популяций озерной лягушки (R. ridibunda Pall.) в Ульяновской области / Е.М. Романова, О.А. Индирякова, Е.В. Спирина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Естественные науки. – Пенза: ПГУ, 2006. – №5 (26). -  
   С. 259-266.
2. Спирина Е.В. Биоиндикация качества окружающей среды / Е.В. Спирина // Всероссийский конкурс инновационных проектов «Живые системы». – Киров: Вятский государственный университет, 2005. – С. 267-268.
3. Спирина Е.В. Встречаемость морфы Striata у озерной лягушки / Е.В. Спирина, О.А. Индирякова // Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы. – Пенза: ПГСХА, 2005. – С. 138-141.
4. Спирина Е.В. Амфибии как биоиндикаторы качества окружающей среды Ульяновской области / Е.В. Спирина, О.А. Индирякова // Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России. - Пенза: ПГСХА, 2006. – С. 208-211.
5. Спирина Е.В. Влияние тяжелых металлов на индексы внутренних органов / Е.В. Спирина // Проблемы биологии, экологии и образования: история и современность. – СПб.: ЛГУ, 2006 г. – С. 217-219.
6. Спирина Е.В. Морфологические аномалии у бесхвостых амфибий / Е.В. Спирина // Материалы докладов XIII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006», серия «Биология» (12-15 апреля, г. Москва). – М.: МГУ, 2006. – С. 215-216.
7. Романова Е.М. Морфологические адаптации амфибий под влиянием загрязнения / Е.М. Романова, Е.В. Спирина // Ученые записки Ульяновского государственного университета. Серия Биология / Под ред. В.Ф. Сыча. – Ульяновск: УлГУ, 2006. – Выпуск 1 (10). – С. 54-56.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать _________. Формат 60х84/16.

Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 2,0.

Тираж 100 экз. Заказ №____

 

Отпечатано с оригинал-макета в типографии

Ульяновского государственного университета

432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42