ASYMMETRY OF BREAM SKELETON BILATERAL FEATURES IN THERMOELECTRIC POWER STATIONS BASIN-COOLERS IN THE MIDDLE URALS
Authors:
1.
Institute of Plant and Animal Ecology of Russian Academy of Sciences, Ural Branch
Type:
Article
Pages:
from 7
to 13
Status:
Published
Received:
05.06.2019
Accepted:
25.06.2019
Published:
25.06.2019
Subject area:
UDK 575.21: 597.554.3
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
fluctuating asymmetry, non-metric features, bream, basin-cooler, thermal and chemical pollution, the Middle Urals
Abstract (English):
The article analyzes the bilateral structures asymmetry of bream Abramis brama (Linnaeus, 1758) populations in pilot reservoirs (lake Shitovskoye, pond Sylvinskiy) and populations of impact basin-coolers of the thermal power stations (lake-reservoir Isetskoye, reservoir Reftinskoye) in the Middle Urals, which was carried out using 27 non-metric skeleton features. The non-metric features analysis was implemented on 4 bream paired head bones. 10 dentale features, 4 operculum features, 7 praeoperculum features and 6 pteroticum features were studied. There has been calculated the dispersion of directional DA 2, fluctuating FA 2, total asymmetry TA 2 and the values of asymmetry indices FAnm . The fluctuating asymmetry FA 2 is found to contribute the most part (72-84 %) to the total asymmetry ТА 2 of bilateral features. The share of dispersion of directional asymmetry DA 2 in the dispersion of total asymmetry TA 2 is 16-28%. Intergroup differences between control and impact bream samples in the dispersion of directional asymmetry DA 2 was not significant ( p > 0.001). Significant increase in the dispersion of fluctuating asymmetry FA 2 and the values of individual asymmetry indicators FAnm have been identified in impact bream populations of thermal power station basin-coolers ( p < 0.001). The increased level of fluctuating asymmetry indirectly indicates destabilization of the bream morphogenesis in long-term habitat under thermal and chemical pollution. The results of the study can be used for organizing and conducting the environmental monitoring to assess the condition of bream populations in technologically disturbed reservoirs
The article analyzes the bilateral structures asymmetry of bream Abramis brama (Linnaeus, 1758) populations in pilot reservoirs (lake Shitovskoye, pond Sylvinskiy) and populations of impact basin-coolers of the thermal power stations (lake-reservoir Isetskoye, reservoir Reftinskoye) in the Middle Urals, which was carried out using 27 non-metric skeleton features. The non-metric features analysis was implemented on 4 bream paired head bones. 10 dentale features, 4 operculum features, 7 praeoperculum features and 6 pteroticum features were studied. There has been calculated the dispersion of directional DA 2, fluctuating FA 2, total asymmetry TA 2 and the values of asymmetry indices FAnm . The fluctuating asymmetry FA 2 is found to contribute the most part (72-84 %) to the total asymmetry ТА 2 of bilateral features. The share of dispersion of directional asymmetry DA 2 in the dispersion of total asymmetry TA 2 is 16-28%. Intergroup differences between control and impact bream samples in the dispersion of directional asymmetry DA 2 was not significant ( p > 0.001). Significant increase in the dispersion of fluctuating asymmetry FA 2 and the values of individual asymmetry indicators FAnm have been identified in impact bream populations of thermal power station basin-coolers ( p < 0.001). The increased level of fluctuating asymmetry indirectly indicates destabilization of the bream morphogenesis in long-term habitat under thermal and chemical pollution. The results of the study can be used for organizing and conducting the environmental monitoring to assess the condition of bream populations in technologically disturbed reservoirs
Keywords:
fluctuating asymmetry, non-metric features, bream, basin-cooler, thermal and chemical pollution, the Middle Urals
fluctuating asymmetry, non-metric features, bream, basin-cooler, thermal and chemical pollution, the Middle Urals
В результате антропогенной термофикации водоемов формируются нетипичные для рыб природно-техногенные условия. С мониторингом качества водных экосистем и использованием для этих целей оценок, учитывающих биологическую реакцию рыб на техногенные воздействия, тесно связаны исследования пределов толерантности разных видов рыб и их морфогенетической реакции на изменения среды. Особый интерес представляют показатели стабильности развития, которые учитывают проявление асимметрии билатеральных признаков [1-3]. В популяционных исследованиях на основе фенетического анализа широко применяются неметрические признаки скелета [3, 4]. Независимая и неодинаковая реализация признака на разных сторонах особи обусловлена случайными сбоями развития, т. е. эпигенетическими причинами, поскольку генотип особи и условия ее развития одни и те же для обеих сторон. При этом возможны случаи склонности к проявлению направленной асимметрии или близкие к строгой флуктуирующей асимметрии [3]. Флуктуирующая асимметрия может рассматриваться как обобщенная эпигенетическая мера стресса развития [5], которая отражает определенную устойчивость развития организма в среде и используется в популяционном биологическом мониторинге [1-3]. С помощью флуктуирующей асимметрии можно косвенно оценить стабильность развития у рыб, обитающих в разных природных условиях и в техногенно нарушенных средах. Строительство в XX в. тепловых электростанций, создание искусственных и трансформирование естественных водоемов оказали значимое воздействие на природные водные экосистемы Урала. Гидрологические изменения водоемов-охладителей тепловых электростанций сопровождались тепловым и химическим загрязнением. Существенное антропогенное воздействие на местные гидробиологические сообщества также обусловлено интродукцией чужеродных видов рыб. Ряд озер и водохранилищ Среднего Урала в XIX-XX в. был преднамеренно заселен лещом. Вселенец широко распространился в приобретенном ареале на территории региона и приспособился к новым природным условиям водоемов, а также освоил водоемы с техногенно измененными термическими и гидрохимическими режимами. Цель работы состояла в проведении на основе методов фенетики сравнительного морфологического исследования асимметрии неметрических признаков на билатеральных структурах скелета лещей в контрольных популяциях и импактных популяциях, длительно обитающих в водоемах-охладителях тепловых электростанций на Среднем Урале. Материал и методы В исследовании использованы остеологические коллекции лещей, изготовленные автором. Выборки лещей представлены из водоемов Среднего Урала, расположенных примерно на одних и тех же широтах. Контрольные группы лещей включают выборки из оз. Шитовское (57° 07' 41" N, 60° 28' 23" E) и Сылвинского пруда (57° 18′ 28″ N, 58° 48′ 28″ E). Импактные группы содержат выборки из озера-водохранилища Исетское (57° 00' 34" N, 60° 25' 02" E) и Рефтинского водохранилища (57° 04′ 55″ N, 61° 43′ 11″ E). Все водоемы пресные и проточные. Контрольные водоемы не подвержены значимым техногенным нагрузкам. Сылвинский пруд (Волго-Камский речной бассейн) создан в верховьях р. Сылва в XVIII в. одновременно с постройкой железоделательного завода, закрытого в конце XIX - начале XX в. Озеро Шитовское (Обь-Иртышский речной бассейн) - естественный хорошо прогреваемый эвтрофный водоем с природным периодическим дефицитом кислорода. Озеро-водохранилище Исетское (Обь-Иртышский речной бассейн) с начала 1936 г. служит водоемом-охладителем тепловой газовой электростанции - Среднеуральской ГРЭС. За время существования водохранилища неоднократно изменялась активная реакция воды, отмечалось изменение гидрохимического состава. Основными загрязнителями водохранилища являются сбрасываемые теплые воды. Изменение температурного режима водоема зимой носит локальный характер, около 12 % акватории не замерзает. Летом подогрев распространяется на все зоны водоема. В воде сбросного канала отмечены случаи появления нефтепродуктов [6]. По качеству воды на 1993-1999 гг. водохранилище отнесено к среднезагрязненным водоемам с признаками сильного загрязнения в отдельные периоды органикой и нефтепродуктами. После установки биомодуля в сбросном канале станции отмечено улучшение качества воды. Рефтинское водохранилище (Обь-Иртышский речной бассейн) создано в 1968 г. на р. Рефт как водоем-охладитель тепловой угольной электростанции - Рефтинской ГРЭС. Влияние электростанции на температурный режим водохранилища значительно. Активная площадь охлаждения составляет более 60 % от общей площади водного зеркала. Из-за сброса теплых вод разница температур в воде между зонами с естественным термическим режимом и обогреваемой зоной может достигать 10 °С. В зимний период почти 40 % акватории водоема не замерзает, и только его верховья и малопроточные зоны возле берегов покрываются льдом. Активная реакция воды в отдельные периоды смещалась в щелочную сторону. Для водоема характерно постоянное загрязнение органическими веществами. По гидробиологическим данным водохранилище можно отнести к водоему средней загрязненности, на отдельных участках отмечается более высокая степень загрязненности [6]. По каждой выборке лещей на основе общепринятых в ихтиологии методов [7] собраны данные о массе, длине, возрасте и половой принадлежности особей. Выборки представлены лещами в возрасте от 2+ до 6+ лет. Выявлен высокий процент зараженности лещей внутриполостными паразитами в оз. Исетское. В работе использованы фены неметрических признаков парных костей головы лещей: 10 признаков dentale, 4 признака operculum, 7 признаков praeoperculum и 6 признаков pteroticum [8, 9]. Это наличие или отсутствие определенных отверстий сейсмосенсорной системы, черепно-мозговых нервов и кровеносных сосудов, дополнительных костных структур. Расчеты показателей асимметрии произведены по методике А. Г. Васильева [10] на основе формул П. Снита и Р. Сокэла [11] для качественных признаков, методика позволяет подсчитать по всем признакам частоту билатеральных композиций для каждой особи и вычислить индивидуальные значения данных характеристик. Это дает возможность дифференцировать вклады дисперсий направленной (DA2) и флуктуирующей (FA2) асимметрии в дисперсию общей асимметрии (TA2). Величины дисперсий асимметрии вычисляли по следующим формулам: ; ; , где s - сумма асимметричных проявлений признака с левой стороны; d - сумма асимметричных проявлений признака с правой стороны; r - общее число изученных билатеральных признаков у особи. В качестве традиционной характеристики феногенетических нарушений в выборках лещей использовали индивидуальные показатели асимметричности FAnm, позволяющие оценить стабильность развития отдельной особи. Величина , где s - сумма состояний признака с левой стороны; d - сумма состояний признака с правой стороны; n - число признаков. Показатель рассчитывался как частота асимметрично проявившихся неметрических билатеральных признаков у особи. Значение индекса FAnm усреднялось для всей выборки [2, 3]. Расчеты провели с помощью пакетов прикладных программ PAST 2.17с и Statistica 5.5. Использовали коэффициенты ранговой корреляции Спирмена, применяли однофакторный дисперсионный анализ и его непараметрический аналог - тест Краскела - Уоллиса, а также кластерный анализ. Для оценки однородности выборочных дисперсий применяли тест Левене. Результаты исследований и их обсуждение Значимой связи проявлений неметрических признаков скелета лещей с размерно-возраст-ными характеристиками выборок, полом рыб и значительного дублирования вклада скоррелированных признаков не установлено. В выборках лещей не выявлен ни один фен, обнаруживающий асимметричное проявление, при котором он преимущественно встречался или с левой, или с правой стороны рыбы. Поэтому в исследовании при расчете показателей асимметрии использовали все 27 неметрических признаков скелета головы. Результаты расчетов дисперсий TA2, DA2, FA2 и показателей FAnm неметрических признаков скелета головы для импактных и контрольных групп лещей приведены в таблице. Сравнение дисперсий направленной (DA2), флуктуирующей (FA2), общей (ТА2) асимметрии и показателей асимметричности FAnm билатеральных неметрических признаков скелета головы лещей в контрольных и импактных группах Выборка DA2 FA2 TA2 FAnm Контрольные группы Оз. Шитовское 0,217 0,572 0,790 14,969 Сылвинский пруд 0,205 0,610 0,815 16,152 Импактные группы Оз. Исетское 0,217 1,056 1,274 20,773 Рефтинское водохранилище 0,160 0,846 1,005 17,824 Полученные данные свидетельствуют о том, что флуктуирующая асимметрия вносит основной вклад в общую асимметрию билатеральных признаков. Доля дисперсии DA2 от TA2 достигает 16-28 %, а доля FA2 составляет 72-84 %. Интересно, что доля DA2 у контрольных рыб несколько выше (25-28 %), чем у импактных (16-17 %). Низкая доля DA2 у импактных лещей, по сравнению с контрольными рыбами, может быть связана с увеличением элиминации рыб с повышенными значениями DA2 или увеличением количества рыб с высокими значениями FA2 в условиях водоемов-охладителей. Тест Левене не опроверг для сравниваемых выборок гипотезы о равенстве дисперсий значений данных показателей асимметрии, что позволило использовать для сравнения не только тест Краскела - Уоллиса, но и однофакторный дисперсионный анализ. В контрольных водоемах установлены низкие уровни FA2 билатеральных неметрических признаков скелета головы лещей. В импактных выборках лещей из водоемов-охладителей выявлены самые высокие показатели FA2, которые значимо отличаются от этих же показателей в контрольных выборках (H = 18,81; d.f. = 3; N = 262; p < 0,001 и F = 6,70; d.f.1 = 3; d.f.2 = 258; p < 0,001). Наибольшее значение FA2 отмечено в выборке лещей из оз. Исетское. Апостериорные тесты Дункана и Ньюмана - Кеулса подтвердили существенные различия между дисперсиями FA2 импактных лещей и контрольных рыб. В то же время эти тесты не выявили значимых различий по показателю FA2 между выборками внутри импактных и контрольных групп. Межгрупповые различия между четырьмя выборками лещей по значениям DA2 оказались незначимыми (p > 0,001). Между индивидуальными индексами FAnm и индивидуальными дисперсиями TA2 на основании расчетов значений коэффициентов корреляции Спирмена установлена сильная и значимая связь (rs = 0,99). При этом коэффициент корреляции FAnm с величиной индивидуальной дисперсии DA2 меньше (rs = 0,34), чем для индивидуальных дисперсий FA2 (rs = 0,88). Можно заключить, что FAnm, как и TA2, в основном характеризует величину флуктуирующей асимметрии проявления фенов. Индивидуальные индексы FAnm оказались также значимо выше в импактных исетской и рефтинской выборках лещей по сравнению с контрольными шитовской и сылвинской выборками (H = 18,93; d.f. = 3; N = 262; p < 0,001 и F = 6,79; d.f.1 = 3; d.f.2 = 258; p < 0,001) (см. табл.). Значимой связи DA2 и FA2 с размерно-возрастными характеристиками выборок и их половым составом не установлено (p > 0,001). Важно отметить, что основу выборок (около 75 %) составляют близкие возрастные группы лещей 3+ и 4+ лет, поэтому связь показателей асимметрии с возрастом и размерами рыб в нашем случае может четко не прослеживаться. На основе усредненных индексов FAnm был выполнен кластерный анализ сходства четырех сравниваемых выборок лещей (рис.). Результаты кластерного анализа (метод Уорда) средних значений индексов FAnm между выборками лещей из среднеуральских популяций: 1 - оз. Шитовское; 2 - Сылвинский пруд; 3 - озеро-водохранилище Исетское; 4 - Рефтинское водохранилище В результате выделены две группы, соответствующие контрольным и импактным водоемам. Сходные результаты были получены при кластерном анализе выборок по средним значениям показателей FA2. Уровень морфогенетических отклонений от симметрии минимален при определенных оптимальных условиях среды и неспецифически увеличивается при любых стрессовых воздействиях. Ранее нам с помощью индивидуальных показателей асимметричности FAnm удалось показать значимое возрастание флуктуирующей асимметрии неметрических признаков скелета лещей в популяции, обитающей в условиях хронического техногенного загрязнения нефтепродуктами и тяжелыми металлами воды и грунтов [8]. Установленный повышенный уровень флуктуирующей асимметрии в выборках из озера-водохранилища Исетское и Рефтинского водохранилища косвенно отражает дестабилизацию морфогенеза лещей при продолжительном обитании в водоемах-охладителях, где техногенно нарушен термический режим и гидрохимический состав. Значительное количество лещей из оз. Исетское, в выборке из которого выявлен самый высокий уровень флуктуирующей асимметрии неметрических признаков скелета, инфицировано внутриполостными паразитами. Не исключено, что загрязнение может являться провокационным фоном, на котором происходит нарушение стабильности морфогенеза лещей и потеря их устойчивости к лигулидозу [12]. Можно предполагать, что у длительно живущих в водоемах-охладителях лещей повышен общий уровень репаративных процессов, позволяющий существовать рыбам в условиях теплового и химического загрязнений. Часть онтогенетических ресурсов и времени может быть затрачена на поддержание организма, что может приводить к неодинаковой скорости развития частей тела, в том числе билатеральных структур, а следовательно, к преобразованиям его левой и правой сторон тела. Заключение Таким образом, на основе фенетического анализа 27 билатеральных неметрических признаков скелета головы у лещей в импактных популяциях водоемов-охладителей оз. Исетское и Рефтинского водохранилища установлены наибольшие величины флуктуирующей асимметрии FA2 и индексов FAnm. Наименьшие значения этих показателей выявлены в контрольных выборках лещей из оз. Шитовское и Сылвинского пруда (Средний Урал). Повышенный уровень флуктуирующей асимметрии косвенно свидетельствует о дестабилизации морфогенеза лещей при долговременном обитании в водоемах-охладителях тепловых электростанций в условиях термического и химического загрязнения среды. Полученные результаты на основании анализа дисперсии флуктуирующей асимметрии FA2 и значений индивидуальных показателей асимметричности FAnm билатеральных неметрических остеологических признаков головы лещей могут быть использованы в экологическом мониторинге в качестве основы при разработке шкал оценки уровня нестабильности развития популяций рыб, обитающих в естественных и антропогенно нарушенных водоемах.
1. Palmer R. A., Strobeck C. Fluctuating asymmetry: measurement, analysis, patterns // Ann. Rev. Syst. 1986. V. 17. P. 391-421.
2. Zaharov V. M. Asimmetriya zhivotnyh. M.: Nauka, 1987. 216 s.
3. Vasil'ev A. G. Epigeneticheskie osnovy fenetiki: na puti k populyacionnoy meronomii. Ekaterinburg: Akademkniga, 2005. 640 s.
4. Yablokov A. V. Fenetika. Evolyuciya, populyaciya, priznak. M.: Nauka, 1980. 135 s.
5. Parsons R. A. Fluctuating asymmetry: an epigenetic measure of stress // Bio1. Rev. 1990. V. 65. R. 131-145.
6. Vodnye resursy Sverdlovskoy oblasti / pod nauch. red. N. B. Prohorovoy. Ekaterinburg: AMB, 2004. 432 s.
7. Pravdin I. F. Rukovodstvo po izucheniyu ryb. M.: Pisch. prom-st', 1966. 376 s.
8. Baranov V. Yu. Feneticheskiy analiz izmenchivosti nemetricheskih priznakov skeleta lescha (Abramis brama L.) v chastichno izolirovannyh populyaciyah vodoemov Srednego Urala // Ekologicheskie mehanizmy dinamiki i ustoychivosti bioty: materialy konf. molodyh uchenyh. Ekaterinburg: Akademkniga, 2004. S. 14-17.
9. Baranov V. Yu. Raznoobrazie formy i struktury treh pokrovnyh kostey lescha v usloviyah tehnogennogo zagryazneniya vodoemov Srednego Urala // Vestn. Tom. gos. un-ta. Biologiya. 2017. № 39. S. 154-171.
10. Vasil'ev A. G., Vasil'eva I. A., Bol'shakov V. N. Fenogeneticheskaya izmenchivost' i metody ee izucheniya: ucheb. posobie. Ekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta, 2007. 279 s.
11. Sneath P. H. A., Sokal R. R. Numerical taxonomy. The Principles and practice of numerical classification. San Francisco: W. H. Freeman and Co., 1973. 573 p.
12. Izyumov Yu. G., Kas'yanov A. N. Stabil'nost' morfogeneza i ustoychivost' lescha k ligulidozam // Parazitologiya. 1981. T. 15. Vyp. 2. S. 174-177.
