Использование бесхвостых амфибий в биоиндикации природной среды

    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).

    Статистическая обработка  полученных данных проводилась при помощи пакета MS Excel 2000 по общепринятым алгоритмам (Ивантер, Коросов, 1992).

 

2.2 Особенности химического состава воды в исследуемых водотоках

    Исследовалось содержание  тяжелых металлов в воде р. Свияга, которая относится к сильно загрязненным водотокам, вниз по течению, в 5 точках: с. Спешневка, с. Стоговка, с. Луговое, г. Ульяновск, с. Лаишевка. В качестве фона был выбран экологически чистый водоток - р. Уса, пробы отбирались в 3 точках: с. Елшанка, с. Михайловка, с. Гавриловка. Химический анализ воды показал, что содержание тяжелых металлов в р. Уса было в пределах ПДК.

    В р. Свияга содержание тяжелых металлов, во всех районах исследования,

многократно превышало ПДК. В поверхностном слое воды р. Свияга наблюдалось превышение ПДК по свинцу: в районе с. Спешневка в 1,5 ПДК, на территории г. Ульяновска в 1,6 ПДК, с. Лаишевка в 1,7 ПДК. В срединном слое воды р. Свияга содержание свинца также было повышено: с. Спешневка (2,5 ПДК), с. Луговое (2,8 ПДК), г. Ульяновск (2,7 ПДК), с. Лаишевка (3,1 ПДК). В придонном слое воды р. Свияга наблюдалось еще более выраженное превышение ПДК по свинцу.

    В поверхностном слое  воды р. Свияга содержание кадмия составило: с. Спешневка - 6 ПДК, с. Стоговка – 3 ПДК, с. Луговое – 7 ПДК, г. Ульяновск - 6 ПДК, с. Лаишевка – 4 ПДК. Содержание кадмия в срединном слое воды р. Свияга значительно превышало ПДК: около с. Спешневка - в 22 раза (22 ПДК), около с. Стоговка - в 3 раза (3 ПДК), с. Луговое - в 25 раз (25 ПДК), в зоне г. Ульяновска и около с. Лаишевка - в 25-27 раз (25-27 ПДК). Содержание кадмия в придонном слое воды р. Свияга значительно превышало ПДК: около с. Спешневка - 59 ПДК, около с. Стоговка - 36 ПДК, около с. Луговое - 56 ПДК, в зоне г. Ульяновска - 73 ПДК и около с. Лаишевка - 100 ПДК.

    Содержание никеля в  поверхностном и срединном слоях  р. Свияга и во все

слоях р. Уса не превышало предельно допустимой концентрации, в придонном слое р. Свияги около с. Спешневка и с. Луговое содержание никеля составило 2 ПДК, а около с. Лаишевка и на территории г. Ульяновска - 3 ПДК.

    Содержание хрома в  срединном слое воды р. Свияга  около с. Спешневка,

с. Луговое, с. Лаишевка и в г. Ульяновске составило 3 ПДК. Содержание хрома в придонном слое воды р. Свияга около с. Стоговка составило 3,5 ПДК, около с. Спешневка – 4,7 ПДК, около с. Луговое – 5,5 ПДК, в зоне г. Ульяновска составило 7,4 ПДК, около с. Лаишевка 9,3 ПДК.

    Подводя итог исследованиям,  по загрязнению р. Свияга тяжелыми  металлами, можно заключить, что на всем течении реки уровни содержания тяжелых металлов во много раз превышает ПДК. Согласно полученным данным, основные загрязнители аккумулируются в придонном слое.

 

2.3 Структура популяций амфибий

 

2.3.1. Численность амфибий

    Структура популяции  позволяет оценить степень экологической  пластичности популяции и вида в целом (Шварц, 1973). Одним из важнейших оценочных критериев состояния популяции и биологического прогресса или регресса является численность. Численность популяции, по мнению Т.Ю. Песковой (2004), - это интегрирующий показатель, отражающий ее состояние и динамику.

    Проведенные исследования  показали, что численность популяций озерной лягушки в экологически чистом водотоке (р. Уса) достоверно выше, чем в загрязненном (р. Свияга) (p<0,05) (табл. 1).

 

Таблица 1

 

Численность (экз./100 м) популяций озерной лягушки

(по данным  маршрутных учетов)

 

 

 

 

    Так, в р. Уса на  100 м маршрута численность популяций озерной лягушки была в 2-3 раза больше, чем в р. Свияга. Согласно данным литературы, прослеживается общая тенденция снижения численности амфибий в загрязненных районах (Брушко,Кириенко, 1993; Ковылина, 1999).

    Существует представление  об адаптации как процессе, ведущем  к сохранению выживаемости, репродукции и подгонке оптимумов под изменившиеся условия среды. При этом выживание и репродукция – цель первого порядка. После того, как она достигнута, организмы начинают преследовать цель второго порядка оптимизацию приспособительных характеристик до оптимума (Лекявичюс, 1986). Выявленные нами изменения численности амфибий в загрязненном водотоке, свидетельствуют, что адаптация озерной лягушки в р. Свияга находится на стадии достижения цели первого порядка.

    В загрязненном водотоке (р. Свияга) все фазы жизненного  цикла амфибий от яйца до  имаго протекают в среде с  существенно измененным химизмом, что ведет к значительным фенетическим  изменениям и появлению морфофизиологических  адаптаций и, в конечном итоге,  формирует измененную популяционную  структуру. Поэтому на последующих  этапах работы мы изучали другие  структурные характеристики популяции.

2.3.2. Половая структура популяций

    Половой состав –  отношение в популяции самцов  и самок, теоретически

должно быть близким к 1:1. Именно при равной доле самок и самцов в репродуктивной части популяции, формируется более высокий репродуктивный потенциал (Kalmus, Smith, 1960).

    По результатам наших  исследований, у амфибий загрязненного водотока наблюдалась тенденция изменения половой структуры. В экологически чистом водотоке среди половозрелых животных соотношение полов 1:1, а в загрязненном водотоке это соотношение сдвигалось в сторону самок (1:1,5-4,4) (табл. 2). Это свидетельствует о явном дефиците самцов в популяциях, обитающих в загрязненных водотоках.

Таблица 2

 

Половое соотношение в популяциях озерной лягушки р. Уса и р. Свияга

 

 

 

 

    По данным литературных  источников (Большаков, Кубанцев, 1984; Пескова, 2002), уменьшение числа самок приносит популяции только вред, так как ведет за собой снижение ее репродуктивного потенциала и обеднение ее генетической структуры. По поводу дефицита самцов в литературе существует интересная точка зрения, согласно которой, потеря самцов под влиянием неблагоприятных факторов в определенной степени полезна, так как при этом репродуктивные возможности популяции не страдают или страдают в гораздо меньшей мере, чем при потере самок. В то же время происходит отбор генотипов, стойких к неблагоприятным факторам. Таким образом, обеспечивается микроэволюционный процесс (Пескова, 2002).

    Половая структура популяций  озерной лягушки может быть  использована как маркер загрязнения, который позволяет быстро, надежно, не изымая животных из популяций, проводить биоиндикацию водотоков.

 

2.3.3. Фенетическая структура популяций

    Генетическая гетерогенность  природных популяций проявляется во внутрипопуляционном полиморфизме. У ряда видов лягушек рода Rana встречается так называемая морфа «striata», фенотипически проявляющаяся в виде светлой дорсомедиальной полосы и морфа «maculata» - пятнистая особь (Щупак, 1977). Известно, что у многих видов амфибий, в популяциях наиболее подверженных антропогенному воздействию, возрастает доля морфы striata (Топоркова, 1978, 1985; Вершинин,1987 б, 1990 а; Гоголева, 1989; Колякин, 1993; Жукова, Кубанцев, 1976; Щупак, Ищенко, 1981). Название и детальное описание этой морфы приведено Е. Шрейбером (Schreiber, 1912). Анализ генетической природы признака свидетельствует о том, что это моногенный мутант. Доминантный аллель диаллельного аутосомного гена – striata определяет наличие полосы (доминирование полное). Такой вариант наследования установлен для R. arvalis L. (Щупак, 1977) и R. rididunda Pall. Таким образом, striata является хорошим фенетическим маркером, с помощью которого можно изучать фенотипические проявления изменений генетической структуры популяции.

    По результатам наших  исследований, в загрязненном водотоке  – р. Свияга

встречаемость морфы striata была достоверно выше, чем в экологически чистом водотоке (p<0,05) (рис. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3

 

Частота встречаемость  морфы striata в популяциях R. ridibunda Pall.

 

 

    Встречаемость морфы  striata наиболее высока среди R. rudibunda Pall. р. Свияга около с. Луговое – 80,3 %, с. Стоговка – 77,6 %, г. Ульяновка – 64,4 % (табл. 3).

    Учитывая влияние неизбирательной  элиминации на генетическую структуру популяции (Шварц, 1969, 1980), а также ряд особенностей морфы striata, можно сделать вывод о том, что высокая встречаемость данного фенотипа в загрязненном водотоке Ульяновской области обусловлена рядом преимуществ, которые он получаетв этих условиях. Для морфы striata характерен более высокий уровень окислительно-восстановительных процессов, содержание гемоглобина, пониженная натриевая проницаемость и содержание ряда металлов при большей массе тела. Высокая встречаемость морфы striata у озёрной лягушки р. Свияга свидетельствует о направленных изменениях в генетической структуре исследуемых популяций в сторону преобладания особей с высоким уровнем обменных процессов. Изменение фенетической структуры популяций амфибий в загрязненном водотоке связано с разной адаптивной ценностью фенотипов, что проявляется в их избирательной смертности.

    Таким образом, соотношение  фенотипов striata и maculata в популяциях озерной лягушки может служить удобным признаком для биоиндикации загрязнения.

 

2.4 Морфологические и морфофизиологические изменения амфибий

 

2.4.1. Морфологические показатели амфибий на фоне антропопрессии

    Размеры морфологических  признаков формируются в значительной  степени под влиянием окружающей среды, и средние величины многих признаков могут служить надежными маркерами происходящих негативных изменений в среде обитания лягушек.

    Обитание в загрязненных  водотоках обычно связано с изменениями экстерьерных показателей амфибий (длины и массы тела). Результаты наших исследований выявили статистически достоверные различия по ряду морфометрических параметров. Мы исследовали средние значения длины тела, расстояния между барабанными перепонками, максимальных расстояний между основаниями нижних  стояния от кончика морды до переднего края глаза, длины бедра, голени, 1-го пальца задней лапки, длины задней лапки и пяточного бугра у лягушек в экологически чистом водотоке (р. Уса) и в загрязненном (р. Свияга).

     Было показано, что  в загрязненном водотоке амфибии  меньше по размерам. Это может быть обусловлено накоплением токсических веществ в их организме, нарушениями метаболизма. Нельзя исключить, что это одна из форм адаптации к средовому стрессу.

     Полученные результаты  позволяют нам сделать заключение, что средние значения исследованных  параметров и коэффициенты вариации  длины тела, расстояния от кончика  морды до переднего края глаза,  длины голени, как самцов, так  и самок могут успешно использоваться  в целях биоиндикации и оценке  экологического неблагополучия.

    Для биоиндикации целесообразно  использовать, как весь комплекс  признаков (самцов и самок), так и отдельные наиболее информативные, поскольку с нарастанием концентрации тяжелых металлов в воде происходит достоверное изменение всех изученных признаков.

2.4.2. Использование индексов внутренних органов в биоиндикационных

Исследованиях

    В соответствии с концепцией  С.С. Шварца (1958, 1980) любое изменение условий жизни прямо или косвенно связано с изменением энергетического баланса организма, что неизбежно приводит к соответствующим морфофункциональным сдвигам.

    Мы исходили из предположения,  что изменения химизма среды обитания (воды) создает средовой стресс для живых организмов, а токсическое действие тяжелых металлов является дополнительной нагрузкой и изменяет метаболизм. Выживание в неблагоприятных экологических условиях требует дополнительных энергетических затрат на детоксикацию, при этом происходит изменение морфофизиологических показателей.

    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).