Использование бесхвостых амфибий в биоиндикации природной среды

    Полученные результаты  свидетельствуют, что у амфибий  из загрязненного

водотока индекс печени был достоверно ниже (р<0,05), чем в популяциях из экологически чистого водотока (рис. 3).

    Было установлено наличие  отрицательной связи средней  силы (r=-0,60) между величиной индекса печени самцов и самок и содержанием в воде свинца, кадмия и хрома. По мере увеличения концентрации этих металлов в воде снижается индекс печени.

 

 

 

 

Рис. 3. Индексы  печени самцов и самок в популяциях

R. rudibunda

 

    Снижение индекса печени  у лягушек, обитающих в загрязненных  водотоках, скорее всего, связано с повышенными энергетическими затратами, ускоренным расходом гликогена и жиров. В условиях загрязнения восстановление пула гликогена и жиров в печени происходит гораздо медленнее. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование индекса печени для оценки экологического состояния водной среды.

    По данным литературных  источников, индекс почек является  индикатором

уровня обмена веществ (Шварц и  др., 1968).

    Определение индекса  почек показало, что у амфибий  загрязненного водотока он был достоверно выше (рис. 4). При анализе коэффициентов корреляции наблюдалась сильная связь между величиной индексов почек самцов и самок и содержанием свинца и хрома (r=0,80); и связь средней силы по отношению к содержанию никеля в воде (r=0,70). У самок и самцов наблюдалась сильная положительная связь индекса почек и содержанием кадмия в водной среде (r=0,86; r=0,83 соответственно).

    Озерные лягушки из  загрязненного водотока имеют  меньшие размеры тела, чем амфибии из экологически чистого водотока, а индекс почек обратно пропорционален размерам тела. Высокие величины индексов почек свидетельствуют о возрастании роли данного органа в выведении продуктов метаболизма и токсических соединений. Это может рассматриваться как один из возможных механизмов адаптации к средовому стрессу.

 

 

 

 

 

Рис. 4. Индексы  почек самцов и самок R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

    По данным литературы, интенсификация функций органов и тканей под влиянием токсикантов способствует повышению резистентности и выведению ядов из организма (Мисюра, 1989). Нельзя исключить, что выявленные изменения морфофизиологических особенностей почек являются адаптивными приспособлениями и проявлением движущей формы отбора при обитании в загрязненном водотоке.

    Наши исследования показали, что индекс почек, как самцов, так и самок, может быть использован в качестве индикатора степени загрязнения водотока. Селезенка в организме амфибий выполняет функции детоксикации и кроветворения. У животных из загрязненного водотока наблюдалось достоверное снижение относительного веса селезёнки (р<0,05).

    Анализ морфофизиологических  особенностей селезенки у лягушек загрязненных местообитаний выявил ее высокую реактивность. В популяциях озерной лягушки на всех участках р. Свияга наблюдалось статистически достоверное снижение индекса селезенки (р<0,05), по сравнению с величиной этого индекса в популяциях р. Уса (рис. 5). Анализ коэффициентов корреляции индекса селезенки по отношению к тяжелым металлам выявил между ними отрицательную связь средней силы (по свинцу, кадмию и хрому (r=-0,65).

 

 

Рис. 5. Величины индексов селезенки самцов и самок R. rudibunda Pall.

р. Уса и  р. Свияга

 

    Сниженные индексы селезенки  лягушек из загрязненного водотока, скорее

всего, обусловлено угнетением кроветворения. Можно рекомендовать индекс селезенки  амфибий, как информативный показатель, для биоиндикации водной среды.

    Сравнительные исследования  общей упитанности амфибий в  экологически

чистом водотоке и в условиях загрязнения, показали достоверное  снижение этого показателя при повышенном содержании тяжелых металлов в воде (рис. 6). На фоне загрязнения, по данным литературных источников, отмечается истощение организма и снижение его массы (Метелев и др., 1971; Лукьяненко, 1983). Анализ коэффициента корреляции между упитанностью лягушек и содержанием тяжелых металлов в воде, выявил отрицательную связь средней силы между этим показателем и содержанием свинца, кадмия и хрома в воде (r=-0,70). Эта тенденция была характерна для самцов и самок.

 

 

 

Рис. 6. Упитанность  самцов и самок R. rudibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

    По нашему мнению, снижение  упитанности озерных лягушек  может быть

обусловлено преобладанием в популяции  особей с высоким уровнем обмена веществ, способных на эффективное выведение из организма экотоксикантов или снижением количества пищевых объектов (насекомых и других беспозвоночных) на территории загрязненного водотока.

    Основываясь на концепции  С.С. Шварца (1980) о том, что любые  дополни-

тельные энергетические затраты ведут  к увеличению массы внутренних органов, мы пришли к заключению, что на всех этапах исследований мы наблюдали разные формы проявлений защитных функций  организма, которые реализовывались через увеличение индексов сердца, почек и снижение индексов печени и селезёнки. Выявленные нами тенденции подтверждали концепцию С.С. Шварца (1980) о дополнительной «энергетической плате» организма в условиях хронического средового стресса.

    Полученные нами результаты  хорошо согласуются с данными  литературных источников, утверждающих, что в условиях средового стресса, адаптивную ценность приобретают перестройки организма, направленные на повышение уровня метаболизма. Это эволюционно отработанный механизм повышения жизнеспособности в ходе преадаптации к неблагоприятным условиям (Моисеенко, 2000). Увеличение массы внутренних органов позволяет организму выдерживать напряжённый энергетический баланс при дополнительных энергетических затратах на детоксикацию. Поэтому все исследованные индексы внутренних органов и упитанность организма могут быть эффективно использованы для биоиндикации экологического состояния водной среды обитания.

 

2.4.3. Тератогенез популяции

    В условиях средового  стресса изменяется разнообразие типов аномалий и общая частота аберраций (Flax, Borkin, 1997; Вершинин, 1990; Замалетдинов, 2000), поэтому разнообразие и частота аномалий может служить показателем степени трансформации природной среды.

    В результате проведенных  исследований были обнаружены 12 типов морфологических отклонений (по Руцкому, Шведу, 1991; Максимову и др., 2001; Lada, 1999; Замалетдинов, 2003; Файзулин, 2004) с модификациями: эктромелия, полидактилия, эктродактилия, брахидактилия, клинодактилия, гиперплазия, увеличение размеров рудимента, удлиненный палец, циклопия, аномалии зрачка, левосторонний сколиоз, недоразвитие предплечия.

    Характеристика общей  частоты морфологических аномалий  представлена на рис. 7.

 

 

Рис.7. Частота  встречаемости фенодевиантов в  популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга.

 

    Наиболее высокая частота  аномалий отмечена в популяциях  озерных лягушек, обитающих в р. Свияга. В этих популяциях были обнаружены особи с заболеванием «красных ног», которое вызывается микроорганизмами Aeromonas hydrophyla (Carey, 1992; Crawshaw, 1992). Данное заболевание возникает как следствие иммунодепрессии на фоне понижения температуры тела. Эти микроорганизмы атакуют особей с пониженным иммунитетом и резко снижают их выживаемость.

    В качестве критериев  типового разнообразия аномалий мы использовали показатель внутрипопуляционного разнообразия μ и долю редких фенотипов h, рекомендованную Л.А. Животовским (1982). Значение параметров разнообразия и доли редких типов аномалий в районах исследования представлены в таблице 4.

    Представленные в таблице  данные свидетельствуют о том, что типовое разнообразие аномалий максимально в р. Свияга, около с. Спешневка, в зоне г. Ульяновска, около с. Стоговка, Лаишевка, с. Луговое и минимально в р. Уса. При анализе коэффициентов корреляции среднего числа типов аномалий (μ) была выявленасильная связь данного параметра с содержанием кадмия (r=0,75) и связь средней силы с содержанием свинца, никеля и хрома в воде (r=0,60), то есть при увеличении концентрации тяжелых металлов в воде происходит увеличение типового разнообразия аномалий у озерных лягушек.

 

 

 

Таблица 4

 

Показатели внутрипопуляционного разнообразия морфологических аномалий

 

 

     По нашему мнению, высокая частота и разнообразие  типов аномалий может служить показателем хронического средового стресса, обусловленного повышенным содержанием тяжелых металлов в воде. По данным литературы, аномалии - эторезультат критического нарушения стабильности развития (Захаров и др., 1997).

    Частота встречаемости  и разнообразие морфологических  аномалий может

быть высокоэффективно в системах экологического мониторинга.

 

2.5. Стабильность развития

 

2.5.1. Морфогенетический гомеостаз

   Оценка стабильности развития  в популяциях озерной лягушки,  обитающих в р. Свияга и в р. Уса, дала следующие результаты (рис. 8) .

 

 

 

Рис. 8. Показатели морфогенетического гомеостаза в популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

    Наибольшие нарушения  стабильности развития были обнаружены  у озерных лягушек, отловленных в р. Свияга, они характеризуются пятым баллом, что соответствует критическому состоянию организмов. Среди обследованных выборок наиболее благополучными по своему состоянию оказались популяции из экологически чистого района (р. Уса), они характеризовались первым баллом, что соответствовало условно нормальному состоянию.

    Значения показателя  асимметрии, полученные для выборок  из экологически чистых точек (р. Уса с. Елшанка, с. Гавриловка, с. Михайловка), статистически значимо отличались от значений, полученных для лягушек из популяций р. Свияга (p<0,05). При анализе коэффициентов корреляции, между частотой проявления асимметрии и содержанием тяжелых металлов в воде, была выявлена сильная связь в отношении содержания свинца, кадмия (r=0,80), и связь средней силы в отношении содержания никеля и хрома в воде (r=0,70). Показатель флуктуирующей асимметрии также может быть рекомендован для оценки экологического состояния водной среды обитания.

2.5.2. Цитогенетический гомеостаз

    Для оценки цитогенетического  гомеостаза озерной лягушки использовали

микроядерный тест, который основан на подсчете эритроцитов с микроядрами.

    Микроядерный тест выявил  статистически значимые различия между цитогенетическим гомеостазом лягушек, обитающих в р. Уса и в р. Свияга (p<0,05) (рис.9).

 

 

 

Рис. 9. Частота  встречаемости нарушений ядра в  популяциях

R. ridibunda Pall. р. Уса и р. Свияга

 

    У амфибий, обитающих  в р. Уса, р. Свияга, были обнаружены клетки, содержащие микроядра. Были выявлены микроядра всех видов (табл. 5).

    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, произо-

шедших 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

 

 

 

    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. Свияги (рис. 10). При анализе коэффициентов корреляции содержания клеток с микроядрами от наличия в воде тяжелых металлов, была выявлена сильная связь, переходящая в линейную зависимость, в отношение 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.