научная статья по теме ПОВЕДЕНИЕ ИНФУЗОРИИ СПИРОСТОМЫ КАК ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ Биология

Текст научной статьи на тему «ПОВЕДЕНИЕ ИНФУЗОРИИ СПИРОСТОМЫ КАК ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ»

БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2007, № 2, с. 100-104

ВОДНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ =

УДК 502.175

ПОВЕДЕНИЕ ИНФУЗОРИИ СПИРОСТОМЫ КАК ИНДИКАТОР НАЛИЧИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

© 2007 г. Е. В. Бахвалова*, Е. И. Егорова*, Н. А. Тушмалова**

*Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, 249030 г. Обнинск, Калужская обл., Студгородок, 1, e-mail: bioeco@iate.obninsk.ru **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Воробьевы горы, 1 Поступила в редакцию 19.09.2005 г.

Врожденная форма поведения, свойственная животным всех уровней филогенеза - спонтанная двигательная активность (СДА), может быть функциональным индикатором качества среды обитания живых организмов в условиях ноосферы. Проведены исследования чувствительности СДА ресничной инфузории Spirostomum ambiguum к раздельному и совместному действию солей тяжелых металлов (ТМ) Zn, Cd, Mn и Fe. Показано достоверное изменение функциональной активности тест-объекта и появление нелинейных эффектов (синергизма и антагонизма) биологического действия указанных солей.

ВВЕДЕНИЕ

Среди большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в водную среду в результате хозяйственной деятельности человека, особое место занимают тяжелые металлы (ТМ). В воде они присутствуют в растворимой ионной форме или образуют нерастворимые соли (карбонаты, фосфаты, сульфиты, сульфиды) и комплексы с органическими соединениями, которые выпадают в осадок и аккумулируются в донных отложениях до тех пор, пока адсорбционная способность последних не будет исчерпана [5]. Попадая в водный объект, соединения ТМ сравнительно быстро распространяются в его водной массе. Присутствие ТМ в воде даже в незначительных концентрациях может вызвать токсические, канцерогенные и мутагенные эффекты у живых организмов. Ионы ТМ способны нарушать многие звенья метаболизма, в том числе и метаболизм ДНК, в той или иной мере подавлять работу систем репарации, нарушать проницаемость мембран и индуцировать ионный дисбаланс за счет замещения в клетках ионов К+, Са2+, Mg2+ [4].

Большинство современных подходов при оценке состояния водной среды базируется на предельно допустимых концентрациях (ПДК) отдельных загрязняющих веществ (ЗВ). Однако соблюдение величин ПДК не всегда создает оптимальные условия для существования гидробионтов, так как не позволяет оценить эффект совместного действия ЗВ на организм и привести к возникновению нелинейных эффектов (аддитивность, синергизм, антагонизм). Направленность совместного действия ТМ зависит от концентрации действующих металлов, закономерностей их взаимодействия

между собой и с биомолекулами, а также особенностей исследуемой биологической системы [4]. Предсказать эффект действия смеси ТМ на живой организм исходя из их концентраций и химических свойств фактически невозможно. Наиболее адекватный метод для этих целей - биотестирование.

Поведенческие реакции животных - один из наиболее чувствительных визуальных критериев влияния на организм отклонений от оптимальных условий среды. Это относится и к оценке поведения всех эукариот, включая простейшие (донерв-ные) организмы. Степень эффективности отклика поведенческих реакций определяется избранной в качестве индикатора формы поведения. Одним из эволюционно универсальных типов поведения служит спонтанная двигательная активность (СДА), отражающая энергетику поведения [12]. Динамика формирования СДА у ресничной инфузории Spirostomum ambiguum major (отр. Heterotricha) под влиянием ряда антропогенных факторов подробно изучена ранее. Показаны индивидуальные отличия СДА у отдельных инфузорий из однородной культуры [13], выявлена чувствительность СДА к малым дозам ионизирующих излучений [12], а также к содержанию в растворе оловоорганических соединений [3].

Цель работы - оценка биологического действия ТМ по изменению СДА инфузорий спиро-стом при раздельном и совместном их присутствии в воде.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Опыты проводили на лабораторной культуре Spirostomum ambiguum, веретенообразное тело которых достигает в длину 1-3 мм, максимальный

диаметр 0.3-0.5 мм. Равномерное поступательное движение происходит за счет биения ресничек, расположенных по всему телу. Прикосновение к различным препятствиям вызывает реверсию биения ресничек, что приводит к попятному движению или остановке.

Культивирование спиростом осуществляли в биологических пробирках с водопроводной дехлорированной водой (температура 20 ± 2°С; содержание кислорода 6 мг/л; рН 7.7; жесткость: карбонатная 2.2 мг-экв/л, общая 4 мг-экв/л, некарбонатная 1.8 мг-экв/л), отстоянной не менее 3 сут и отфильтрованной дважды через обеззоленный фильтр. Кормление проводили через 1 сут пищевыми дрожжами.

В экспериментах использовали соли ТМ в диапазоне концентраций 0.25-2 ПДК (табл. 1), которые рассчитывали по иону металла. Оценивали изменение индекса СДА инфузории при раздельном и совместном присутствии ТМ в культивационной среде.

Количественное изучение СДА спиростом проводили методом, аналогичным методу "открытого поля", ранее успешно использованным для анализа СДА пресноводных гидробионтов планарий, олигохет и моллюсков [10, 11]. Культуру инфузорий пересевали в исследуемый раствор солей ТМ объемом до 8 мл и экспонировали в течение 1 ч. По истечении времени экспозиции культуру по одной спиростоме переносили капилляром под контролем МБС-10 в специальную ячейку для просчета, которая представлена пластиковой пластинкой толщиной 5 мм с углублениями на ее поверхности диаметром 5 мм и глубиной 1-2 мм. Каждую спи-ростому отдельно оставляли в ячейке на 5 мин для привыкания к условиям камеры. Считали индекс СДА, равный количеству пересечений спиросто-мой визира окуляра микроскопа в течение 1 мин (рис. 1). Контролем служил индекс СДА спиро-стом, экспонированных в водопроводной дехлорированной воде. Изменения индекса СДА выражали в процентах относительно контроля.

Для количественной оценки эффектов совместного действия ТМ использовали коэффициент взаимодействия (К„), который определяли как отношение ответной реакции системы на совместное действие факторов к сумме эффектов при их раздельном действии [2]. В случае совместного действия двух ТМ коэффициент взаимодействия определяли по формуле

Kw —

АЛ (X; Y)

АЛ(0; Y) + АЛ(X; 0)

При совместном действии трех ТМ формула коэффициента взаимодействия принимала вид

Рис. 1. Метод "открытого поля" для просчета СДА спиростомы.

где АЛ(Х; Y) = Л(Х; Y) - Л(0; 0) и АЛ(Х; Y; Z) = = Л(Х; Y; Z) - Л(0; 0; 0) - превышение индуцированного одним ТМ (X), другим ТМ (Y) и третьим ТМ (Z) уровня СДА (А) над контрольным А(0; 0) или А (0; 0; 0). Аналогичным образом вычисляли коэффициент взаимодействия при сочетании четырех ТМ. Если Kw = 1, то результат совместного действия оценивали как аддитивный; если Kw достоверно <1, имел место антагонизм; если Kw достоверно >1, эффект синергический.

Эксперименты проводили на 20 спиростомах в трех повторностях. Полученные результаты обработаны статистически с использованием компьютерной программы Microsoft®Excel'2003 SR-2 Origin®. Данные представлены в виде средних значений и стандартных ошибок (x ± SE). Достоверность различий индекса СДА у интактных и контактных спиростом оценивали по критерию Стьюдента при уровне значимости p = 0.05 [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты раздельного действия ТМ на СДА инфузории представлены на рис. 2. Проведенные исследования выявили диапазон концентраций, в пределах которого индекс СДА инфузорий достоверно не отличается от контроля. Для большинства ТМ зона неопределенности, эквивалентная неизменяемому ответу, характерна для малых концентраций веществ [1]. Достоверное снижение

Таблица 1. Растворы используемых солей тяжелых металлов

Kw —

АЛ (X; Y; Z)

Соли ТМ Концентрация, мг/л

2 ПДК 1 ПДК 0.5 ПДК 0.25 ПДК

ZnCl2 (ч) 0.02 0.01 0.005 0.0025

MnCl2 ■ 4 H2O (ч) 0.02 0.01 0.005 0.0025

FeCl3 ■ 6 H2O (ч) 1.0 0.5 0.25 0.125

CdCl2 ■ 2 H2O (ч) 0.01 0.005 0.0025 0.00125

АЛ (X; 0; 0) + АЛ ( 0; Y; 0 ) + АЛ ( 0; 0; Z)' Примечание. ч - степень очистки.

%

140 100

60

20

Fe

Cd

Zn

Mn

Рис. 2. Раздельное действие ТМ на СДА инфузории: 1 - 0.25 ПДК, 2 - 0.5 ПДК, 3 - 1.0 ПДК, 4 - 2.0 ПДК; по оси ординат - СДА инфузории спиростомы, %, по оси абсцисс - ТМ. Горизонтальная линия - контроль. Значения ПДК, мг/л: Fe - 0.5, Cd - 0.005, Zn - 0.01, Мп -0.01. Значения индекса СДА представлены как х ± БЕ; "*" - различия между опытом и контролем достоверны; р < 0.05.

% 140

100

60

20

Fe + Cd Fe + Мп Fe + Zn Cd + Мп Zn + Cd Zn + Мп

Рис. 3. СДА при совместном действии двух ТМ в различных концентрациях. Обозначения, как на рис. 1.

Таблица 2. Значения коэффициента взаимодействия (Kw) при совместном действии ТМ на СДА S. ambiguum

Сочетание ТМ 0.25 ПДК 0.5 ПДК 1 ПДК 2 ПДК

Fe + Cd 0.07 0.09 0.5 0.07

Fe + Mn 0.24 1.67 0.11 0.11

Fe + Zn 0.34 0.41 1.70 0.34

Cd + Mn 1.05 2.28 1.21 1.22

Zn + Cd 3.92 1.11 13.7 1.69

Zn + Mn 1.40 1.49 1.89 1.13

Zn + Mn + Cd 0.59 0.62 0.60 1.72

Zn + Mn + Fe 1.22 5.06 0.35 0.27

Zn + Cd + Fe 14.0 1.81 1.53 0.77

Mn + Cd + Fe 1.22 5.23 0.40 0.83

Mn + Cd + Fe + Zn 3.93 7.29 0.31 0.48

СДА (p < 0.05) при раздельном действии Cd, Zn и Fe проявляется, начиная с концентраций, равных 2 ПДК. В отличие от этого Mn вызывает значимое по сравнению с контролем увеличение индекса СДА, которое наблюдается уже при 1 ПДК и сохраняется при 2 ПДК. С одной стороны, это может быть связано с адаптивными приспособительными реакциями спиростом на влияние ТМ в малых концентрациях, так как клеточный цикл простейших составляет 1-2 сут и гомеостатический механизм быстро реагирует на изменения среды их обитания. С другой стороны, причинами выявленных различий могут быть более высокая чувствительность инфузории к Mn и физиолого-биохимиче-ские особенности ее устойчивости к действию разных ТМ. По данным И.И. Томилиной [9], значения LC50 за 48 ч экспозиции в растворах уксуснокислого кадмия и сульфата цинка составляли соответственно 8.0 ± 0.3 и 27.3 ± 1.7 мкг вещества на 1 г сухой массы донных отложений для Ceriodaphnia af-finis, 3.8 ± 0.3 и 6.5

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.

Показать целиком