EFFECT OF HEAVY METALS ON CHEMICAL BODY STRUCTURE OF BIVALVES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan State Technical University
3.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Biology, Professor; Professor of the Department of Applied Biology and Microbiology)
Russian Federation
Russian Federation
4.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 135
to 139
Status:
Published
Received:
25.03.2013
Accepted:
25.03.2013
Published:
25.03.2013
Subject area:
UDK 594-1.044:546.3/.7Т
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
BBK 28.691.9:2.4.115.1
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
BBK 28.691.9:2.4.115.1
Language:
Russian
Keywords:
biotesting, shells, heavy metals, protein metabolism, ecological environment
Abstract (English):
The results of the research on the effect of heavy metals on bivalves of Unio kind are presented. It has been determined that the amount of metals in the bodies of shells depends on the concentration and the duration of their impact. Antagonistic influence of cadmium on the accumulation of lead has been defined. There has been also revealed the effect of pollutants on the quantity of protein in the shell bodies. The presence of nitrogen that can be titrated by formol is considerably increasing depending on the kind of pollutant or their joint effect.
The results of the research on the effect of heavy metals on bivalves of Unio kind are presented. It has been determined that the amount of metals in the bodies of shells depends on the concentration and the duration of their impact. Antagonistic influence of cadmium on the accumulation of lead has been defined. There has been also revealed the effect of pollutants on the quantity of protein in the shell bodies. The presence of nitrogen that can be titrated by formol is considerably increasing depending on the kind of pollutant or their joint effect.
Keywords:
biotesting, shells, heavy metals, protein metabolism, ecological environment
biotesting, shells, heavy metals, protein metabolism, ecological environment
Введение Традиционно используемые при оценке качества водной среды величины предельно допустимых концентраций (ПДК) не позволяют ни предсказать эффекты всех возможных комбинаций поллютантов на биоту, ни выявить последствия импульсных воздействий. Они предназначены для предотвращения и контроля неблагоприятных последствий загрязнения на окружающую среду. Известны методики биотестирования с использованием культур ракообразных и микроводорослей, которые используются при анализе токсичности водной среды [1, 2]. Множество комбинаций синергических, антагонистических и маскирующих эффектов антропогенных факторов, а также необходимость соотнесения этих эффектов с изменениями в реальных сообществах выдвигают на первый план проблему дальнейшей разработки методов интегральной оценки влияния поллютантов на водные организмы [3, 4]. Основным методом оценки состояния пресноводных экосистем является биоиндикация – метод определения качества среды обитания по видовому составу и структуре сообществ, а также определения по показателям количественного развития видов-биоиндикаторов. Общеизвестно, что наиболее консервативными и пригодными для биомониторинга являются бентосные организмы. Однако для водоемов с нестабильной экологической обстановкой использование этого метода оказывается затруднительным. Так, в последние годы наблюдаются значительные изменения в структуре прибрежных экосистем. В результате бентоснопланктонных взаимодействий наблюдаются значительные колебания численности и биомассы донных организмов [5, 6]. В связи с этим стало значительно сложнее выявить появление и динамику видов-биоиндикаторов, а также однозначно связать изменения в структуре сообществ с загрязнением. Кроме того, виды-биоиндикаторы развиваются в экосистемах в основном при хроническом загрязнении. Но возможность залпового загрязнения прибрежных акваторий водным транспортом и плохо контролируемыми бытовыми стоками остается важной проблемой. Именно поэтому в настоящее время рациональным и целесообразным представляется изучение физиологического состояния организма животных в ответ на воздействия различных поллютантов. Целью исследований было выявление физиологических показателей в организме двустворчатых моллюсков, отражающих, с одной стороны, уровень антропогенной нагрузки на прибрежные экосистемы, а с другой – позволяющих диагностировать хроническое воздействие загрязняющих веществ. Для достижения этой цели был проведен эксперимент по определению степени влияния свинца как отдельно, так и в комплексе с кадмием на организм моллюсков. Материал и методы исследования Объектом исследования служили двустворчатые моллюски рода Unio. Предварительно, до эксперимента, моллюски выдерживались в аквариумах с речной водой, смешанной с отстоянной водопроводной водой, в течение 7 суток. Опыты проводили в 70-литровых аквариумах при постоянной аэрации воды, при плотности посадки моллюсков 15 экз. на емкость. Эксперимент проводили в двух вариантах по общепринятым методикам [7]. В первом варианте концентрация раствора свинца (Pb) и во втором варианте – свинца и кадмия (Pb + Cd) в емкостях составляла 10 и 50 мг/л соответственно. Контрольным вариантом служили особи в аналогичных емкостях с отстоянной и аэрированной водой без добавления токсикантов. Через 10, 20, 30 суток пробы отбирали для определения уровня содержания в организме моллюсков тяжелых металлов. Для проведения исследований раковину моллюсков отделяли от мягких тканей. Определение содержания свинца и кадмия в организме моллюсков проводили в соответствии с ГОСТ Р 51301-99, регламентирующим методику проведения испытания [8]. Определение химического состава (белок, общий азот, жир, минеральные вещества) в организме двустворчатых моллюсков проводилось стандартными методами [9]. В образцах фарша моллюсков определяли формольно титруемый азот и свободную аминокислоту – тирозин [10]. Материалы исследований обработаны статистически [11] с использованием компьютерной программы Microsoft Excel. Достоверность полученных различий оценивали по t-критерию Стьюдента (при уровне зависимости 0,01–0,05). Результаты исследований и их обсуждение Исследования показали, что при добавлении в емкости с моллюсками раствора, содержащего 10 мг/л свинца, через 20 и 30 суток эксперимента количество металла в организме моллюсков увеличивалось в 2,0 и 3,6 раза соответственно относительно контроля (р < 0,01). В аквариумах с добавлением раствора, содержащего 50 мг/л свинца в теле двустворчатых моллюсков, количество металла возрастало в зависимости от экспозиции (10, 20 и 30 сут) относительно контрольного значения (в 1,9; 2,3 и 3,1 раза; р < 0,01). При совместном воздействии растворов двух токсикантов (Сd + Рb – второй вариант эксперимента) в концентрациях 10 и 50 мг/л выявлена аналогичная динамика – значительное накопление в организме моллюсков этих металлов в зависимости от времени воздействия – от 10 до 30 суток, однако их фактические значения были ниже (в 1,03–1,04 раза) относительно контроля, чем в первом варианте эксперимента. Во втором варианте содержание кадмия в теле моллюсков возрастало с увеличением концентраций и времени воздействия. Установлено более интенсивное накопление кадмия (от 5,7 до 9,9 раза больше, чем в контрольных организмах; р < 0,01). Ряды концентрирования металлов в организме моллюсков при воздействии раствора свинца и совместного раствора (Сd + Рb) в концентрации 50 мг/л представлены следующим образом: 1,12 (Рb + Сd) > 1,41(Рb + Сd) > 1,97 Рb > 2,41 Рb > 3,27 Рb Результаты экспериментов показали, что содержание металлов в организме моллюсков находится в прямой зависимости от концентрации металлов и времени воздействия этих поллютантов. При совместном добавлении растворов (Рb + Сd) во всех концентрациях уровень содержания свинца «тормозится» при добавлении кадмия. Следовательно, кадмий проявляет антагонистическое воздействие на накопление свинца в организме двустворчатых моллюсков. Повышенная концентрация Pb и Сd в воде аквариумов сопровождалась не только статистически достоверной биокумуляцией ионов этих металлов в теле моллюсков, но и значительными изменениями минерального, липидного, белкового обмена, а также активности ферментов (табл.). Так, процентное содержание белка в организме моллюсков снижалось под воздействием свинца и оставалось стабильным, близким к контролю, вне зависимости от длительности опыта при воздействии кадмия, и даже повышалось при совместном действии кадмия и свинца. Удельный вес общего азота колебался под воздействием этих поллютантов незначительно в сторону возрастания. Уровень содержания формольно титруемого азота заметно повышался в зависимости от вида поллютанта – кадмия или свинца или при их совместном воздействии. Обращает на себя внимание разное снижение этого показателя при действии свинца через 30 суток от начала опыта и едва заметное повышение – при действии того же металла при больших концентрациях. Уровень тирозина, как и удельный вес жиров, незначительно снижался в зависимости от продолжительности опыта. Удельный вес влаги в организме моллюсков почти не отличался при всех условиях опыта от его количества в контрольных группах. Процентное содержание минеральных веществ повышалось под воздействием кадмия и под комплексным воздействием кадмия и свинца при продолжительности опыта в десять суток, в остальных опытах колебания минеральных веществ были незначительными. Изменения химического состава тела моллюсков в зависимости от продолжительности эксперимента и концентрации токсикантов ЭкспозицияКонцентрация токсикантаБелок, %Общий азот, %ФТА, мг/100 гТирозин мг/100 гЖир, %Минеральные вещества, % 10 сутокКонтроль14,9207 ± ± 0,09722,3872 ± ± 0,0155122,88 ± ± 0,55081,92 ± ± 0,01482,5233 ± ± 0,08032,024 ± ± 0,0739 Pb 5013,8541 ± ± 0,0896 2,2166 ± ± 0,0143144,56 ± ± 0,64431,65 ± ± 0,00712,4437 ± ± 0,09742,2354 ± ± 0,0829 Cd 5014,5634 ± ± 0,10142,3300 ± ± 0,0162137,34 ± ± 1,15971,19 ± ± 0,00582,1101 ± ± 0,10663,4757 ± ± 0,0755 Cd 10015,1135 ± ± 0,05812,4181 ± ± 0,0093166,25 ± ± 0,79611,62 ± ± 0,01412,1414 ± ± 0,08853,5292 ± ± 0,0764 Pb + Cd 5015,1034 ± ± 0,11192,4165 ± ± 0,0179148,18 ± ± 0,84291,34 ± ± 0,00702,5641 ± ± 0,07562,5020 ± ± 0,0662 20 сутокКонтроль14,9220 ± ± 0,09492,3875 ± ± 0,0151108,42 ± ± 0,09681,52 ± ± 0,01412,5223 ± ± 0,09692,0237 ± ± 0,0651 Pb 1013,8438 ± ± 0,06012,2150 ± ± 0,0096197,13 ± ± 1,02612,07 ± ± 0,01682,2876 ± ± 0,08592,1367 ± ± 0,0678 Pb 5014,0926 ± ± 0,06692,2548 ± ± 0,0107122,88 ± ± 1,13711,29 ± ±0,01042,4078 ± ±0,09192,3120 ± ±0,1017 Pb 10013,8725 ± ± 0,11922,2196 ± ± 0,0191148,82 ± ± 0,97091,61 ± ± 0,01452,0832 ± ± 0,10432,3557 ± ± 0,0720 Cd 1013,5932 ± ± 0,14232,1749 ± ± 0,029079,51 ± ± 0,07721,3 ± ± 0,00892,1023 ± ± 0,07592,2383 ± ± 0,0726 Pb + Cd 1014,6144 ± ± 0,20922,3384 ± ± 0,0334137,34 ± ± 0,87611,76 ± ± 0,01052,2919 ± ± 0,06672,6332 ± ± 0,0877 Pb + Cd 5015,2003 ± ± 0,18152,4320 ± ± 0,0290148,18 ± ± 0,89531,93 ± ± 0,01042,4708 ± ± 0,06822,7798 ± ± 0,0550 Pb + Cd 10015,8041 ± ± 0,18932,5286 ± ± 0,0303144,56 ± ± 0,94841,65 ± ± 0,00841,6223 ± ± 0,07882,9604 ± ± 0,1037 30 сутокКонтроль14,9241 ± ± 0,17242,3878 ± ± 0,0275104,81 ± ± 0,50521,34 ± ± 0,00892,5222 ± ± 0,07202,0239 ± ± 0,0990 Pb 1014,1569 ± ± 0,16602,2651 ± ± 0,026583,12 ± ± 0,86261,29 ± ± 0,01002,0367 ± ± 0,06392,2507 ± ± 0,1075 Pb 5014,1509 ± ± 0,20932,2641 ± ± 0,0334108,42 ± ± 0,70381,73 ± ± 0,00712,3685 ± ± 0,08402,5354 ± ± 0,0883 Pb 10014,0162 ± ± 0,16772,2429 ± ± 0,0269122,88 ± ± 0,61161,41 ± ± 0,01051,9213 ± ± 0,05532,4296 ± ± 0,0754 Заключение Таким образом, выявлено влияние поллютантов (свинца и кадмия) на количество белка в организме моллюсков, что особенно заметно по колебаниям уровня формольно титруемого азота. Следовательно, воздействие тяжелых металлов на двустворчатых моллюсков, как отдельно, так и комплексно, позволяет выявить последствия загрязнений на их естественные популяции. Хронические загрязнения среды различаются по вызываемым ими реакциям в организмах двустворчатых моллюсков и могут быть дифференцированы только с использованием физиологических показателей.
1. Filenko O. F. Biologicheskie metody v kontrole kachestva okruzhayuschey sredy // Ekologicheskie sistemy i pribory. - 2007. - № 6. - S. 18-20.
2. Lukashev D. V. Metod rascheta fonovyh koncentraciy tyazhelyh metallov v myagkih tkanyah dvustvorchatyh mollyuskov dlya ocenki zagryazneniya r. Dnepr // Biologiya vnutrennih vod. - 2007. - № 4. - S. 97-106.
3. Kompleksnaya ocenka kachestva vodnoy sredy s pomosch'yu biomarkerov raznogo urovnya / I. P. Rudneva, N. F. Shevchenko, L. S. Oven, I. N. Zalevskaya, E. N. Skuratovskaya // Aktual'nye problemy vodnoy toksikologii. - Borok: In-t biologii vnutrennih vod im. I. D. Papanina, 2004. - S. 124-150.
4. Nikanorov A. M., Zhulidov A. V. Biomonitoring metallov v presnovodnyh ekosistemah. - L.: Gidrometeoizdat, 1991. - 291 s.
5. Stroganov N. S. Dopustimye urovni zagryazneniya vodoemov // Vliyanie zagryaznyayuschih veschestv na gidrobiontov i ekosistemy vodoemov. - L.: Nauka, 1979. - S. 9-16.
6. Kucheruk N. V. Makrozoobentos Kavkazskogo poberezh'ya Chernogo morya: vliyanie pelagicheskih i donnyh vidov-vselencev // Materialy X nauch. konf. Belomor. biol. stancii im. H. A. Percova, 9-10 avgusta 2006 goda. - S. 68-70.
7. Luk'yanenko V. I., Karpovich T. A. Biotestirovanie na rybah: Metodicheskie rekomendacii / AN SSSR, In-t biologii vnutr. vod im. I. D. Papanina. - Rybinsk, 1989. - 96 c.
8. GOST R 51301-99. Produkty pischevye i prodovol'stvennoe syr'e. Inversionno-vol'tamperometricheskie metody opredeleniya soderzhaniya toksichnyh elementov (kadmiya, svinca, medi i cinka). - M., 1999.
9. Rogov I. A., Antipova L. V., Dunchenko N. I. Himiya pischi: ucheb. dlya vuzov. - M.: KolosS, 2007. - 700 s.
10. Chernogorcev A. P., Razumovskaya R. G. Tehnologiya polucheniya novyh belkovyh produktov: ucheb. posobie dlya vuzov. - Murmansk, 1999. - 76 s.
11. Plohinskiy N. A. Biometriya. - M.: Izd-vo MGU, 1982. - 302 s.
