БИОЛОГИЯ МОРЯ, 2012, том 38, № 2, с. 174-182
УДК 577.472 БИОГЕОХИМИЯ
ОЦЕНКА АДАПТАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ MODIOLUS MODIOLUS (LINNAEUS, 1758) И CRENOMYTILUS GRAYANUS (DUNKER, 1853) В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СРЕДЕ1
© 2012 г. О. В. Подгурская1, 2, В. Я. Кавун1
'Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН, Владивосток 690059;
2Дальневосточный федеральный университет, Владивосток 690950 e-mail: olga_pod@mail.ru
Статья принята к печати 6.10.2011 г.
С помощью метода активного биомониторинга исследовали изменение содержания тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Cd, Mn, Pb, Ni) в органах (мускул, гонада, мантия, жабры, пищеварительная железа, почки) двустворчатых моллюсков Crenomytilus grayanus и Modiolus modiolus. Динамику концентрации микроэлементов в органах моллюсков в эксперименте сопоставляли с внутриклеточным распределением металлов. Показано, что защитная стратегия M. modiolus направлена на накопление металлов-токсикантов во всех органах до порогового уровня и на последующее их выведение, а защитная стратегия C. grayanus - на временную изоляцию организма от неблагоприятного воздействия среды. Отмечено, что у мидии Грея в условиях хронического загрязнения основная нагрузка приходится на пищеварительную железу и почки; при резком изменении условий среды у этого вида существенно нарушаются процессы регуляции (детоксикация/выведение) Fe, Mn и Pb.
Ключевые слова: мидия, модиолус, активный биомониторинг, внутриклеточное распределение, металлотионеин-подобные белки.
Assessment of adaptation capability of the bivalves Modiolus modiolus (Linnaeus, 1758) and Crenomytilus grayanus (Dunker, 1853) under increased levels of heavy metals in the environment. O. V. Podgurskaya1- 2, V. Ya. Kavun1 (1A. V. Znirmunsky Institute of Marine Biology, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, Vladivostok 690059; 2Far Eastern Federal University, Vladivostok 690950)
The active biomonitoring method was used to examine the change in heavy metal (Fe, Zn, Cu, Cd, Mn, Pb, Ni) contents in organs (muscle, gonads, mantle, gills, digestive gland, kidney) of the bivalves Crenomytilus grayanus and Modiolus modiolus. The dynamics of concentration of trace elements in organs of mollusks during the experiment was compared with their subcellular distribution. The defense strategy of M. modiolus consisted in threshold accumulation of toxic metals in all organs followed by their excretion, whereas the strategy of C. grayanus involved a short-term isolation from adverse environmental influence. In C. grayanus, under chronic pollution, the digestive gland and kidney experienced the greatest toxic effect. At acute changes in environmental conditions, the processes of regulation (detoxification/excretion) of Fe, Mn, and Pb in this species were impaired substantially. (Biologiya Morya, 2012, vol. 38, no. 2, pp. 174-182).
Key words: Crenomytilus grayanus, Modiolus modiolus, active biomonitoring, subcellular distribution, metallothionein-like proteins.
Загрязнение водной среды тяжелыми металлами приводит к изменениям на всех уровнях организации живой материи. Оценка экотоксикологического эффекта металлов-загрязнителей часто сводится к определению уровня металлов в среде и к изучению влияния сходных концентраций отдельных токсикантов на организм в лабораторных условиях. При таком опосредованном подходе не учитываются конкуренция/синергизм металлов и воздействие факторов окружающей среды на их биодоступность. Наиболее полное представление о биохимическом или физиологическом отклике организма на загрязнение можно получить, используя метод активного биомониторинга - перенос гидробионтов из чистого района в загрязненный. Поскольку при таком подходе
учитывается комплексное влияние различных факторов среды, появляется возможность более точно диагностировать наличие изменений в окружающей среде и их влияние на прибрежные сообщества (Regoli, Orlando, 1994; Romeo et al., 2003; Giarratano et al., 2010).
В большинстве исследований, основанных на использовании метода активного биомониторинга, рассматривается накопление металлов в мягких тканях моллюсков и анализируется отклик биохимических систем, обеспечивающих детоксикацию металлов в организме (Gimbert et al., 2008). Однако биохимические изменения в организме очень лабильны и могут быть связаны с факторами окружающей среды или с генетическими различиями в популяции (Romeo et al., 2003). В то же время
1 Работа поддержана грантами ДВО РАН № 11-Ш-В-06-062, 09-1-П16-04, грантом правительства РФ № 11.G34.31.0010.
перераспределение металлов между органами, отражающее общий механизм регуляции внутри организма, - это интегральный показатель, позволяющий предельно точно оценить отклик организма на увеличение содержания металлов в среде как при хроническом воздействии, так и в кратковременных экспериментах (Кавун, Шулькин, 2005).
В данной работе использованы близкородственные виды двустворчатых моллюсков: модиолус Modiolus modiolus и мидия Грея Crenomytilus grayanus - обычные объекты для мониторинга содержания тяжелых металлов в прибрежных водах северо-западной Пацифики (Shulkin, Kavun, 1995; Kavun et al., 2002; Shulkin et al., 2003; Лукьянова, 2006; Yurchenko, Vaschenko, 2010; Кавун и др., 2011). В органах этих двух видов, обитающих в одних и тех же биотопах, накапливается разное количество тяжелых металлов, что, вероятно, связано с особенностями условий, в которых происходило их становление в ходе эволюции (Христофорова и др., 1993). Сравнительное исследование близкородственных видов, обладающих такими разными генотипиче-скими адаптациями, позволит оценить адаптационно-защитный потенциал организмов в резко меняющихся условиях среды.
Цель данной работы состояла в исследовании динамики содержания микроэлементов в органах C. grayanus и M. modiolus в ходе эксперимента по пересадке животных из чистого района в загрязненный. Одновременно анализировали внутриклеточное распределение тяжелых металлов у моллюсков, обитающих в чистом и загрязненном биотопах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА
Эксперимент по пересадке Modiolus modiolus и Crenomytilus grayanus был проведен в б. Горностай, примыкающей к береговой свалке г. Владивостока (см. рисунок). Прибрежные воды и донные осадки этой бухты содержат очень высокие концентрации тяжелых металлов, особенно Cu и Pb (Shulkin et al., 2003). Для пересадки были выбраны моллюски, обитающие вблизи о-ва Рейнеке, так как этот район считается фоновым (Shulkin et al., 2003; Ковековдова, Симоконь, 2004). Эксперимент был проведен в августе-сентябре. Более 50 особей модиолусов и мидий, отобранных в фоновом районе, были помещены в сетчатые контейнеры и опущены на глубину 6 м (на расстоянии 1 м от дна) в загрязненном районе. Каждую декаду из контейнеров отбирали по 5 мидий и модиолусов, которых препарировали, выделяя отдельные органы (мускул, гонада, мантия, жабры, пищеварительная железа, почки).
В начале эксперимента концентрации тяжелых металлов определяли в органах "аборигенов" - модиолусов и мидий, постоянно обитающих в б. Горностай. Кроме того, в пищеварительной железе и почках (основных органах накопления и детоксикации металлов) моллюсков, отобранных в чистом и загрязненном районах, анализировали распределение металлов по внутриклеточным фракциям ("ядра", "митохондрии", "микросомы" и цитозоль) и по цитоплазматическим белкам. Внутриклеточные фракции были получены методом дифференциального центрифугирования, а цитоплазматические белки разделены методом колоночной гель-хроматографии (Podgurskaya, Kavun, 2006).
л з.о
Карта-схема района работ. Станции: 1 - акватория вблизи о-ва Рейнеке, 2 - б. Десантная. Звездочка - место расположения береговой свалки промышленных и бытовых отходов г. Владивостока.
Выделенные органы, клеточные фракции и объединенные фракции элюата высушивали при температуре 85°C и минерализовали концентрированной HNO3 марки ОСЧ. Содержание металлов определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборах Shimadzu-6800F и Shimadzu-6800G. Контроль качества определений включал измерение концентраций металлов в используемых кислотах, дубликатах проб и сертифицированных образцах моллюсков. Средние значения концентраций металлов и стандартное отклонение определяли с помощью пакета программ Excel. Достоверность различий между выборками определяли по критерию Манна-Уитни с использованием пакета программ Statistica.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В ходе эксперимента были получены данные о динамике концентрации исследованных металлов в органах Modiolus modiolus и Crenomytilus grayanus (табл. 1).
Железо. В жабрах модиолуса концентрация металла достоверно увеличилась (примерно в 3 раза по сравнению с исходным уровнем) уже в начале эксперимента. Одновременно концентрация Fe достоверно увеличилась в почках моллюсков, тогда как в других органах достоверного изменения его содержания не наблюдалось. Следовательно, на данном этапе постоянный уровень Fe в организме модиолусов поддерживался за счет активного выведения этого металла через почки. На 20-е сут эксперимента концентрация Fe в почках модиолусов снизилась примерно в 2.5 раза от исходного уровня, хотя количество железа, поступавшего в организм через жабры, не изменилось. В других органах, за исключением пищеварительной железы, увеличилось содержание железа. К концу эксперимента активное выведение Fe через почки восстановилось и его концентрация в гонаде, мускуле и мантии вернулась к исходному уровню.
Таблица 1. Динамика концентрации тяжелых металлов (мкг/г сухой массы) в органах Modiolus modiolus и Crenomytilus grayanus в ходе эксперимента (среднее ± стандартное отклонение; N = 5)
Вид Стадия, сутки Fe Zn Cu Cd Mn Pb Ni
Мускул
M. modiolus 0 32±9.1 78±12 0.9±0.3* 1.3±0.3 26±6.7 Н.о. 1.2±0.2
10 33±6.7 69±9.3 2.3±1.0* 2.6±1.5 22±5.4* Н.о. 1.5±0.4
20 42±8.4 67±5.6 3.2±1.1* 1.2±0.2* 4.3±1.2* Н.о. 1.1±0.3
30 34±6.4 70±15 1.3±0.4* 0.7±0.2* 7.7±3.0* Н.о. 1.4±0.4
"аборигены" 34±3.3 124±49 17±8.0 1.5±0.4 15±8.8 16±3.7 1.7±0.5
C. grayanus 0 18±2.9 38±2.6* 1.5±0.1 0.4±0.05* 0.7±0
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.