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

 

 

 

На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спирина Елена Владимировна

 

АМФИБИИ КАК БИОИНДИКАЦИОННАЯ ТЕСТ-СИСТЕМА

ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ

 

 

 

 

 

03.00.16. – экология

 

 

 

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

 

 

 

 

 

 

 

Ульяновск – 2007

Работа выполнена на кафедре биоэкологии в Государственном образовательном 
учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет

 

Научный руководитель:	доктор биологических наук, профессор Романова Елена Михайловна
Официальные оппоненты:	доктор биологических наук, профессор Горбачев Владимир Николаевич
	доктор биологических наук, профессор Батлуцкая Ирина Витальевна

 

 

 

 

Ведущая организация:

Федеральное государственное научное учреждение Институт экологии Волжского бассейна РАН

 

 

Защита состоится «30»   мая   2007 г. в 14ºº часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет  
по адресу: Набережная реки Свияги, 106, корпус № 1,  
аудитория № 212.

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета и на сайте hppt://www.uni.ulsu.ru.

 

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск,  
ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.

 

 

Автореферат разослан «  » __________ 2007 г.

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук,

доцент           С.В. Пантелеев

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность темы

Одним из современных и наиболее перспективных методов экологической оценки качества окружающей среды является биоиндикация. Биоиндикация позволяет выявить степень и интенсивность воздействия загрязнителей, а также проследить динамику деградации экосистем во времени и пространстве и выразить это в интегральной форме. Естественные реакции организма животных на качество окружающей среды часто могут быть экстраполированы на человека (Sigel, 1980; Тарасенко и др., 1985; Пескова, 2002; Замалетдинов, 2003).

Преимущества использования биоиндикаторов для интегральной оценки биосистем разного уровня сложности в том, что они реагируют не только на отдельные загрязнители, но и на весь комплекс воздействующих веществ определенными реакциями организма в целом (Лыдня, Пилипенко, 1993; Пескова, 2002; Файзулин, 2004).

Всем требованиям, предъявляемым к видам, использующимся для биоиндикации, отвечает озёрная лягушка (Rana ridibunda Pall.) – широко распространенный вид амфибий в Европейской части России (Чубинишвили, 1998; Захаров, 2000). Вид обладает чёткими и удобными для исследования признаками, его икра и личинки чувствительны к загрязнителям (Ilosvay, 1977; Freda, Dunson, 1985; Pierce, 1985; Gunter, Plotner, 1986; Вершинин, 1995). Морфофизиологические параметры организма амфибий отражают состояние локального местообитания. У амфибий отсутствует выраженная тенденция к миграции (Ищенко, 1978), для них характерен высокий уровень полиморфизма, – все эти факторы позволяют успешно использовать R. ridibunda Pall. в качестве вида-биоиндикатора.

Цели и задачи исследования

Цель исследования – выявить наиболее информативные морфо-физиологические, цитогенетические, популяционные параметры вида 
Rana ridibunda Pall. и обосновать эффективность их использования для биоиндикации экологического состояния водотоков.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование водотоков на содержание тяжелых металлов в воде.
2. Характеристика структуры популяций R. ridibunda Pall.
3. Отбор информативных для биоиндикации морфофизиологических параметров R. ridibunda Pall.
4. Выявление основных фенодевиантов
5. Оценка стабильности развития популяций R. ridibunda Pall.

Научная новизна

• Разработана комплексная мультифакторная тест-система биоиндикации водотоков на основе показателей морфофизиологического и цитогенетического гомеостаза бесхвостых амфибий, включающая оценочные критерии стабильности развития и структуры популяции.
• Дана отличительная характеристика морфофизиологических особенностей и популяционных параметров R. ridibunda Pall., включающая морфометрию тела и задних конечностей, индексы внутренних органов и упитанность, а также численность, половое соотношение и фенетический состав популяций в экологически чистых и загрязненных водотоках Ульяновской области.
• Установлено, что показателями загрязнения водотоков являются маркерные фенодевианты, высокая внутрипопуляционная гетерогенность и частота встречаемости морфофизиологических аномалий R. ridibunda Pall.

Практическая значимость результатов

Выявлены морфофизиологические и генетические особенностей амфибий, которые позволяют оперативно провести биоиндикацию экологического состояния водотоков. Выявленный комплекс характеристических параметров может быть использован при проведении экологического мониторинга и в системах экологического прогнозирования. Полученные результаты могут рассматриваться как базовые при экологической оценке водотоков Ульяновской области.

Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедры биоэкологии экологического факультета Ульяновского государственного университета и кафедры биологии, ветеринарной генетики, паразитологии и экологии факультета ветеринарной медицины Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. R. ridibunda Pall. является высокоинформативным биоиндикатором экологического состояния водотоков.
2. В неблагоприятных экологических условиях регистрируется широкий спектр аномалий развития R. ridibunda Pall., снижается численность популяций, смещается половое соотношение, нарастает доля морфы striata.
3. Организм R. ridibunda Pall. реагирует на загрязнение водотоков комплексом морфофизиологических реакций, проявляющихся в уменьшении размеров тела, увеличении индексов сердца и почек, снижении индексов печени, селезенки и общей упитанности, обусловленных нарушением морфофизиологического и цитогенетического гомеостаза.

Апробация и публикации

Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях различных уровней, в том числе: на III Всероссийской научно-практической конференции «Водохозяйственный комплекс России: состояние, проблемы, перспективы» (Пенза, ноябрь 2005 г.); на Всероссийском конкурсе инновационных проектов «Живые системы» (Киров, ноябрь 2005 г.); на IV Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, январь 2006 г.); на XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, апрель 2006 г.); на конференции аспирантов и молодых ученых УлГУ «Решение проблемы загрязнения водной среды» (Ульяновск, апрель 2006 г.); на Международной научно-практической конференции «Проблемы биологии, экологии и образования: история и современность» (Санкт-Петербург, май 2006 г.). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура диссертационной работы

Диссертация изложена на 193 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, 5 таблицами. Приложение включает 15 таблиц.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы по изучаемой проблеме – глава 1, материалов и методов исследования – глава 2, результатов собственных исследований – глава 3, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список использованной литературы включает 518 источников, в том числе 139 на иностранном языке.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Глава 1. Обзор литературы по изучаемой проблеме

Глава посвящена обзору литературы по изучаемой проблеме и состоит из 4 подразделов, которые содержат информацию о многогранности подходов к биоиндикации качества окружающей среды в системах экологического мониторинга и перспективах использования амфибий для этих целей.

Глава 2. Материал и методы исследования. 
Характеристика районов исследования

Исследования проводились в Ульяновской области в 2004-2007 гг. Объектом изучения являлась озерная лягушка (R. ridibunda Pall.).

В качестве загрязненного водотока была выбрана р. Свияга, а экологически чистого водотока – р. Уса.

Река Свияга берет начало в Кузоватовском районе Ульяновской области. На территории Ульяновской области ее протяженность составляет 216,4 км, она является правым притоком Волги. Русло реки извилистое, ширина 20-30 м, средняя глубина на перекатах 0,6 м, на плесах 1,3 м. Река сильно загрязнена. В Тереньгульском районе Ульяновской области берет начало р. Уса. В своем течении она сходна с р. Свияга и является экологически чистым водотоком. Долина реки пойменная, шириной до 3-4 км.

Для выявления адаптаций, возникающих под действием загрязнения водотоков у представителей вида R. ridibunda Pall., нами было проведены исследования на трех уровнях (рис. 1): на уровне популяции (оценивалась численность, половой и фенетический состав), на уровне особи (оценивалась морфология, физиология и стабильность развития) и на уровне клетки (оценивалась стабильность ядерных структур).

Степень загрязнения воды тяжелыми металлами определяли в отделе химико-аналитического контроля растениеводческой, пищевой продукции и кормов ФГУ «Станция Агрохимической Службы г. Ульяновска». В 2004-2006 гг. были проведены анализы воды из мест обитания озерной лягушки на содержание тяжелых металлов. В исследуемых образцах определяли общее содержание таких элементов, как медь, свинец, кадмий, цинк, хром, никель. Анализы проводились атомно-абсорбционным методом.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Направления исследований

 

Определение видового и количественного состава амфибий проводилось прижизненно по стандартной методике (Кузьмин, 1999; Земноводные…, 2001) на каждых 100 м береговой линии. Половую и фенетическую структуру популяций озерной лягушки анализировали весной без умерщвления животных и изъятия их из мест обитания (Kabisch, 1990). Полиморфизм полученных выборок изучался по соотношению в популяциях морф striata – полосатая особь, со светлой дорсомедиальной полосой на спине и maculata - пятнистая особь (Жукова, Кубанцев, 1976; Щупак, 1977).

Измерения стандартных морфологических параметров проводили с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм (Определитель земноводных.., 1977). Измерялись 9 показателей по Н.В. Ковылиной (1999). Оценивались средние значения морфологических параметров, коэффициенты вариации. При сравнении средних величин параметров использовался критерий Стьюдента (Sokal, Rohlf, 1981).

Для выявления физиологического состояния амфибий рассчитывали индексы органов (Шварц и др., 1968). С помощью электронных весов определялась масса тела, затем производилось вскрытие и изъятие внутренних органов (сердца, печени, почек, селезёнки), взвешивание их на электронных весах (с точностью до 0,001 г). Индекс упитанности рассчитывали по Г.В. Никольскому (1974). Все расчеты проводили отдельно для самцов и самок.

Типовая принадлежность аномалий определялась по общепринятым классификациям (Borkin et al., 1986; Вершинин, 1989; Lada, 1999). Показатель разнообразия типов аномалий (μ) и долю редких типов аномалий (h) рассчитывали по  
Л.А. Животовскому (1982).

Оценку стабильности развития проводили по показателю флуктуирующей асимметрии (Чубинишвили, 1998; 2001). Всего было использовано 13 стандартных признаков. В качестве показателя асимметрии для межпопуляционного сравнения использовалась средняя частота асимметричного проявления на признак (ЧАПП) (Leary et al., 1983; 1984; Чубинишвили, 1998; 2001). Статистическая значимость различий между выборками оценивали по t-критерию Стьюдента (Sokal, Rohlf, 1981). Степень загрязнения водной среды относительно нормы определяли по нарушению стабильности развития, основанной на флуктуирующей асимметрии, и оценивали по пятибалльной шкале (Чубинишвили, 1998).

Цитогенетический гомеостаз оценивался по микроядерному тесту (Evans et al., 1959). Учёт микроядер производили под микроскопом при увеличении x1000. У каждой особи анализировали по 2000 эритроцитов. При сравнении частот встречаемости клеток с микроядрами использовали t-критерий Стьюдента с φ-преобразованием Фишера (Sokal, Rohlf, 1981).