CC BY
17Ученые чапискн Таврического национального университета и М- В- II. Вернадского Серия «Тунплпгня, химия». Том 19 (.58). 2006. № 2. С 57-65
УДК 550.424+591.531.1
НАКОПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ Cd, Zn, Си, AI В ЛИСТЬЯХ ДУБА, ЛИЧИНКАХ И ЭКСКРЕМЕНТАХ ЗЕЛЕНОЙ ДУБОВОЙ ЛИСТОВЕРТКИ И НЕПАРНОГО ШЕЛКОПРЯДА
Саеушкина И.Г.
Еще в 30-х годах XX вг была доказана теснейшая взаимосвязь между содержанием металлов в окружающей среде и теле насекомых. Неоднократно отмечалось, что насекомые играют исключительно важную роль в круговороте химических элементов [1|. В частности насекомые-фитофаги ускоряют процесс возвращения микроэлементов в почву, прежде всего в виде экскрементов, а также огрьпков и трупов. Кроме того, насекомые аккумулируют в своем теле те или иные химические элементы и тем самым участвуют в их перераспределении в природе, особенно в периоды вспышек массового размножения [2]. Однако, несмотря на многообразие видов насекомых, существующих в природе, и их важную роль в природных экосистемах можно отметить, что микроэлсмснтарный состав представителей этого класса изучен недостаточно. Большинство работ, связанных с изучением характера накопления и перераспределения микроэлементов, посвящено системе почва - растение [3. 4]. Работы, в которых приводятся данные по содержанию микроэлементов в теле насекомых немногочисленны [5]. Ешс в меньшей степени изучалось их персраспределенис в цепи кормовое растение — насекомое-фитофаг [6. 7].
Опасными загрязнителями среды являются тяжелые металлы. Эта опасность обусловлена тем. что они не разлагаются в окружающей средс. аккумулируются в тканях живых организмов и весьма токсичны для них. В связи с этим в последнее время эта проблема все больше привлекает внимание исследователей.
В связи с малой изученностью участия насекомых-фитофагов в миграции и аккумуляции микроэлементов, и в частности тяжелых металлов, основной целью настоящего исследования явилось изучение содержания тяжелых металлов (Cd. Zn, Си), а также алюминия в листьях дуба, насекомых-филлофагах (Lepidopteva) и их экскрементах. В качестве представителей насекомых были выбраны узкий олигофаг - зеленая дубовая листовертка (Tortrix viridtuut L.) и полифаг - непарный шелкопряд (Lynumtvia dispar L.). Эти виды являются наиболее опасными вредителями дубовых лесов. Поэтому весьма интересным представляется сравнение особенностей аккумуляции микроэлементов у представителей указанных трофических групп насекомых.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материал собирали в мае 2003 г. на постоянной пробной площади "Лавровое", расположенной в 2 км к северо-западу от села Лавровое Алуштинского района (Южный макросклон Крымских гор). Ж природных популяций брали гусениц непарного шелкопряда и зеленой дубовой листовертки, находящихся на трстьем-пятом возрастах. то есть в период наиболее интенсивного поглощения фитомассы. Отобранных гусениц в лаборатории помещали в стеклянные сосуды, закрытые марлей, и выкармливали листьями дуба пушистого. В связи с тем. что в предварительных исследованиях были установлены ра зличия в содержании тяжелых металлов в листьях отдельных модельных деревьев [8|. доя кормления гусениц использовали листья, отобранные с тех же деревьев, что и гусеницы. Листья собирали однократно и хранили в полиэтиленовых пакетах в холодильнике при 4°С, Проводили два варианта кормления личинок: первый необработанными листьями дуба (контроль) и второй - предварительно обработанными раствором металлов листьями (опыт). Раствор дня обработки листьев готовили из растворов государственных стандартных образцов (ГСО) чистых металлов. Концентрация металлов в растворе при экспериментальной обработке составляла: Сс! -0.05 мг/л. Zl\ - 10 иг/л. Си - 10 мг/л. А] - 5 мг/л. что примерно в 3-5 раз выше их естественного содержания в листьях. Листья полностью погружали в приготовленный раствор, просушивали и затем использовали в качестве корма дня личинок. Добавление кормовых листьев и удаление экскрементов проводили через день на протяжении 14 дней. Затем воздушно-сухие образцы листьев, гусениц и их экскрементов измельчали и подвергали оюлению. Минерализацию листьев проводили методом сухого озоления. а гусениц и экскрементов - методом мокрого озоления. В полученных растворах металлы определяли атомно-абсорбционным методом в пламени ацетилен-воздух [У]. Анализ выполняли в трехкратной повторное™. Содержание элементов пересчитывали в мг/кг массы во'здушно-сухого вещества.
Для характеристики степени аккумуляции микроэлементов, поглощенных насекомыми из растительной пищи рассчитывали коэффициент биологического поглощения (КБП) [ЮЛ 1] по формуле
КБП = Сн / С,,.
где С„ — концентрация химического элемента в насекомых. Ср - концентрация его в корме.
По данным А.И. Перельмана. КБП элементов изменяется от 0.001 до 100. В зависимости от его значения различают следующие группы элементов: энергично накопляемые - КБП — 10 -г- 100: сильно накопляемые - КБП = 1 10: средне накопляемые или среднего захвата - КБП = 0.1 1.0: слабого захвата - КБП = 0.001 +0.1.
Расчет КБП проводили с учетом воздушно-сухого веса насекомых и растений, что привело к некотором)' его снижению по сравнению с его величиной при расчете на его содержание в золе. Это свя зано с неодинаковой зольностью растений и насекомых. Тем не менее, при пересчете на воздушно-сухой вес характерные особенности в интенсивности поглощения тех или иных микроэлементов проступают также отчетливо, как и при расчете КБП на золу насекомых и растений.
НАКОПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ CP, ZN, CU, AL В ЛИСТЬЯХ ДУБА,
РЕЗУ.ЦЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На самом первом этапе исследований, когда кормовую листву обработали раствором с повышенной концентрацией металлов было установлено увеличение их содержания в корме в среднем в 1.5 — 2.5 paja. В целом же интервал значений полученных концентраций в листьях для всех определяемых металлов оказался близким к естественному, известному для рода Quervas из литературных данных [10. 12. 13].
При приготовлении кормовых листьев для кормления зеленой дубовой листовертки после обработки раствором концентрация кадмия в них увеличилась в 2.3 раза (0.035 мг/кг до обработки и 0.080 мг/кг после обработки). После обработки второй порции листьев —для кормления личинок непарного шелкопряда— его концентрация увеличилась в 2.5 раза ((КО 17 мг/кг против 0.043 мг/кг). Небольшое различие в увеличении концентрации в дву х обработанных порциях корма, вероятно, вы звана индивиду альными различиями деревьев по таким показателям как размер листьев и их опушенность. что. возможно, повлияло на смачиваемость их раствором и таким образом на количество попавшего на них металла. После выкармливания гусениц зеленой дубовой листовертки и гусениц непарного шелкопряда листвой с нанесенным раствором кадмия произошло пропорциональное увеличение содержания элемента как в теле гусениц так и их экскрементах (рис.1), Так концентрация кадмия в теле гусениц зеленой дубовой листовертки выкормленных обработанной листвой возросла в 2.5 раза по сравнению с чистой листвой. При этом и в опыте и в контроле коэффициент биологического поглощения дтя зеленой дубовой листовертки составил 2.5.
0,25 0.20
и
2 0,15
к
я 0.10
CL
ь
I- 0.05
х
о
0,00
d
л
контроль | опыт контроль опыт
Зеленая дубовая листовертка | Непарный шелкопряд
П Листья д Гусеницы щ Экскременты
Рис 1 Изменение содержания кадмия в кормовых листьях дуоа. теле гусениц зеленой дубовой листовертки и непарного шелкопряда и их экскрементах.
Аналогичная картина отмечена и для гусениц непарного шелкопряда. Коэффициент биологического поглощения при этом составил 2.4. Эти данные свидетельствуют о низкой барьерной способности перитрофической мембраны кишечника гусениц у этих
59
двух видов по отношению к кадмию. Согласно градации Перельмана кадмий у этих двух видов следует отнести к сильно накопляемым элементам.
Таким образом, у величение концентрации данного элемента в корме приводит к пропорциональному увеличению его содержания в теле обоих видов насекомых, что подтверждается одинаковыми значениями КБП в опыте и в контроле.
Процесс возвращения микроэлементов в среду представляет не меньший интерес, чем закономерности его аккумулирования организмом насекомого. Основное масса элемента возвращается в почву, прежде всего, в виде экскрементов. Полученные данные указывают, что в экскрементах и зеленой дубовой листовертки и непарного шелкопряда содержание кадмия максимально приближено к его содержанию в корме. Причем эта закономерность наблюдается и в опыте и в контроле. Разница в содержании микроэлемента в листве и экскрементах насекомых достоверна только в контроле для гусениц дубовой листовертки, в остальных вариантах эксперимента достоверной разницы не выявлено.
Кадмий - особо токсичный элемент и занимает по токсичности второе место после ртути. Токсичное действие этого металла проявляется уже при очень низких концентрациях. Его избыток ингибирует синтез ДНК и белков, влияет на активность ферментов, нарушает у растений транспирацию и процесс фотосинтеза. Кроме того, в метаболизме растений он является антагонистом ряда элементов питания (2и. Си. Мп. N1. 8с. (а. Р). Многими исследователями отмечена способность кадмия сравнительно легко поступать из почвы в надземную часть растений и проникать в органы запасания ассимилятов |3]. В целом же по фитотоксичности и способности накапливаться в растениях в ряду тяжелых металлов он занимает первое место 114].
Однако, несмотря на высоку ю токсичность и повышенный интерес к этому элементу со стороны исследователей в растениеводстве, животноводстве и медицине, сведений о содержании кадмия в животных и растительных организмах очень немного. Только в последние десятилетня появились достоверные данные. Скорее всего, это связано с тем. что. как правило, содержание кадмия имеет очень низкие концентрации и для их определения необходимы современные методики и чувствительное оборудование. Также в настоящее время не известны конкретные биохимические процессы, которые про ходит и бы с участием данного элемента, и физиологическая роль кадмия, таким образом, изучена исключительно слабо.
Возможно, в связи с тем. что кадмий присутствует в кормовой листве в очень низких концентрациях (не превышающих 0.2 мг/кг). насекомые не нуждаются в действенных барьерных механизмах. По всей видимости, полученные в опыте концентрации не являются токсическими и не оказывают влияния на биохимические процессы в их организмах.
Из литературных данных известно, что насекомые способны накапливать кадмий в количествах значительно превышающих его содержание в кормовых растениях. Аккумуляционные процессы обнаружены у почвенных насекомых, у которых среднее содержание кадмия в организме оказалось в 3 раза выше, чем в почве [15]. Еще более показательны таковые данные для другой гру ппы животных - моллюсков. Так. в тканях
НАКОПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ СР, С11, АЬ В ЛИСТЬЯХ ДУБА,
земляных улиток было обнару жено превышение содержания кадмия в 30-50 раз по сравнению с его содержанием в листьях растений и почве [7]. Что касается выведения элемента из организма насекомых, то как и в нашем случае в литературе отмечается, что содержание металлов в экскрементах насекомых отражает их содержание в корме. Такая закономерность была отмечена дчя кадмия, свинца и цинка у личинок жуков, питающихся древесиной сосны [6].
Из всех исследованных тяжелых металлов цинк в организме насекомых присутствует в наиболее высоких концентрациях. Сопоставление содержания этого металла в личинках и их кормовых растениях указывает на его сильную аккумуляцию (рис. 2).
250
1— 200
с: 150
^
го
X 100
£
X
50
0
-¡1 I" Ош
контроль опыт контроль опыт
Зеленая дубовая листовертка Непарный шелкопряд
□ Листья ц Гусеницы ■ Экскременты
Рис 2 Изменение содержания цинка к кормовых листьях дуба» теле гусениц зеленой дубовой листовертки и непарного шелкопряда и их экскрементах
Особенно активно этот процесс протекает у личинок непарного шелкопряда (коэффициент биологического поглощения в контроле — 5. в опыте — 5.8). Очевидно, для обеспечения нормальной жизнедеятельности насекомые вынуждены аккумулировать цинк. Этот факт еще ра з указывает на исключительно важну ю роль его в обмене веществ насекомых. Так известно, что этот металл входит в состав ферментов типа угольной ангидрачы или гормонов типа инсулина. Также отмечается, что наибольшие концентрации этого элемента у насекомых наблюдаются в период интенсивного роста и полового созревания [16|.
В литературе отмечено, что цинк имеет слабую фитотоксичность. Она проявляется только в том слу чае, когда содержание этого элемента в тканях растений превышает 300-500 мг/кг сухого вещества [17]. Таким образом, полученные в опыте концентрации металла не достигают критического уровня содержания цинка в растении и. по всей видимости, не являются токсичными для насекомых.
Что касается вывода этого металла с экскрементами, то здесь получены закономерности, отмеченные ранее для кадмия. То есть наблюдается максимальное приближение содержание цинка в экскрементах к его содержанию в корме и в опыте и в контроле для обоих видов.
Несколько другие закономерности имеет характер накопления данными насекомыми меди (рис. 3).
40
Ь 30
20
? 10
контроль опыт
Зеленая дубовая листовертка
□ Листья 0 Гусеницы
Непарнм шелкопряд
I Экскременты
Рис. 3 Изменение содержания меди в кормовых листьях дуба, теле гусениц зеленой дубовой листовертки и непарног о шелкопряда и их экскрементах.
На рис. 3 хорошо видно, что концентрация меди в личинках насекомых не зависит от се содержания в пище, И в опыте и в контроле получены практически одинаковые значения концентрации этого элемента. При этом КБП для зеленой дубовой листовертки составил в контроле 3.7. а в опыте 1.6. Для непарного шелкопряда этот показатель составит соответственно 2.6 и 1.1.
Изучение концентрации меди в организме насекомых в различных биогсохимичсских условиях ранее проводилось Томшиным А.Т. [10|. В его исследованиях отмечено, что независимо от содержания этого элемента в окружающей среде ее уровень у одних и тех же видов остается приблизительно постоянным. Хорошо известно, что в крови многих беспозвоночных медь является простетической группой основного дыхательного пигмента — гемоцианина [1Н|. Таким образом, медь как компонент гемолимфы, относится к элементам, концентрация которых поддерживается гомеостатическими механизмами насекомых на постоянном уровне.
Из числа исследуемых микроэлементов алюминий присутствует в личинках обоих видов в самых высоких концентрациях - порядка 200 - 300 мг/кг воздушно-сухого вещества (рис. 4).
Наибольшее его содержание — 252.8 мг/кг обнаружено в организме личинок зеленой дубовой листовертки выкормленных на обработанной листве. В целом для алюминия
контроль
опыт
НАКОПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ СР, ¿14, СЦ, А1_ В ЛИСТЬЯХ ДУБА,
характерен более низкий КБП. Так для зеленой дубовой листовертки он составит в контроле — 1.6 и в опыте - 1.3: дтя непарного шелкопряда соответственно 1.5 и 1.3. Вместе с этим, обнаруживается сравнительно большая концентрация алюминия в экскрементах, примерно соответствующая его содержанию в гусеницах, а не в листве, как это наблюдалось в случае Сс). Zn и Си. Так у листовертки содержание алюминия в экскрементах в контроле на 34% выше, чем в листве, в контроле это значение составило 20%. Однако при этом отмечена достоверность разницы содержания алюминия в теле насекомых и их экскрементах для обоих видов как в опыте так и в контроле. Возможно, что в связи с довольно высокой концентрацией алюминия в листве (порядка 100-200 мг/кг). а также его токсичностью для организмов, у гусениц срабатывают механизмы, препятствующие накоплению его в теле и способствующие его выведению с экскрементами.
контроль опыт
Зеленая дубовая листовертка
контроль опыт
Непарный шелкопряд
□ Листья о Гусеницы и Экскременты
Рис. 4. Изменение содержания алюминия в кормовых листьях дуба, теле гусениц зеленой дубовой листовертки и непарного шелкопряда и их экскрементах.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о происходящей аккумуляции металлов в теле насекомых. Тем самым подтверждаются имеющиеся многочисленные литературные данные от том. что внесение тяжелых металлов в окружающую среду приводит к-значительному концентрированию их в организме животных. В нашем слу чае в личинках как зеленой дубовой листовертки так и непарного шелкопряда наиболее активно аккумулируется цинк-: в обоих вариантах эксперимента его содержание в теле насекомого в 2.5-6 ра з выше чем в листве. Следующим по степени аккумуляции является кадмий. Для него отмечено увеличение концентрации в гусеницах по сравнению с кормом в 2.5 раза. В значительно меньшей степени насекомыми аккумулируется алюминий. Что касается меди, то независимо от уровня сс содержания в корме, насекомые поддерживают концентрацию этого элемента в своем теле на постоянном уровне. В экскрементах же содержание цинка, меди и кадмия и в опыте и в контроле близкое к их содержанию в листве. Только дня алюминия отмечено 'значительное
63
увеличение содержания в экскрементах по сравнению с кормом на 18-34%. Таким образом оба вида насекомых независимо от их уровня трофической специализации избавляются от избыточного содержания этого элемента в своем теле.
выводы
L. Личинки зеленой дубовой листовертки и непарного шелкопряда при питании листьями дуба пушистого концентрируют кадмий, цинк, медь и алюминий. При этом наиболее активно в теле насекомых аккумулируется цинк, наименее— алюминий.
2 Содержание кадмия, цинка и алюминия в теле обоих видов насекомых возрастает пропорционально их содержанию в кормовой листве. Содержание меди в личинках насекомых не зависит от содержания данного элемента в корме.
3. В экскрементах насекомых только для алюминия отмечена концентрация, превышающая содержание этого элемента в листве. Содержание остальных элементов в экскрементах соответствует содержанию их в корме.
Список литературы
1 Рафсс П.М. Массовые размножения вредных насекомых, как особые случаи круговорота вешества и энергии б лесном биогеоценозе Со. Защита леса от вредных насекомых. Лаб. Лесоведения АН СССР M.: Наука. 1964 С. 3-57.
2 Злотин P IT Массовые размножения -зеленой дубовой листовертки как стимуляторы биологического круговорота в лесостепных дубравах Сб. Структура и фуккционально-оиогеоценоти'юская роль животного населения суши. - М.. 1967. -С. 76-79.
.3 Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почта растение Новосибирск, Наука. 1991. 151с. 4 Козьякова Н.О. Екотокеичний вил ни важких мета л i ei (Cd. Pb. Cu. Zu) на систему "грунт рослина" в у монах Полнея та JlicocTeny Украшн Автореф. дис... канд. c.-i наук: 03 00 16 УАА11 Ин-т агроешл. i бютехнолог ir. — К.. 2002 17 с
5. Бутовский Р-0 Тяжелые металлы и энтомофауна Агрохимия. |984. №5. С. 142-150.
6. E&enin A.V.. Ma W.C Heavy metal (Cd. Cu. Zu) in wood and wood-feeding insects and oilier invertebrates associated with decaying pine trees Bull. Environ. Contain, and Toxicol. - 2000. - Vol. 04. № 2. P. 242-249.
7. Swaileh k. M.. RabaVa N.. Sulini R.. Ezzugliayyai А.. Rabbo A. Concentration of heavy metals in roadside soils, plants, and landsnails from the West Bank, Palestine Abed. J. Environ Sei. and Health A. 2001 Vol. 36. № 5. - P. 765-77К.
К. Пелецкая П.Г.. Бойко Г.Е. Содержание тяжелых металлов на различных фенологических этапах развития листьев дуба пушистого Экосистемы Крыма их оптимизация и охрана. - Симферополь. 2002. Выл 12. -С.94-98 '
9. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - М.. 1989. -64 с.
10. Томшин A T Содержание микроэлементов у насекомых отряда чешуекрылых (Lepidopteia). обитающих к различных экологических условиях. - Дисс.... канд. биол. наук. - Красноярск. 1973. - 153 с.
11. Перельман АН. Геохимия ландшафта. - М. Высшая школа. 1'>75. -341 с
12 Muiko Г)., Alibalic S.. Puric V. Istrazivanje di na mike sadrèaja inikroclemeiiata u liscu i cetinama netcih vista drveca lokom Yegetacijsko« peioda Agrohemija. - 1983 № 3-4. P. 135-139.
13. Цветкова H.H Особенное™ миграции органо-минеральных веществ и микроэлементов в лесных биогеоценозах степной Украины. - Днепропет ровск: Д1 У. 1992. 238 с.
14. Овчаренко М.М.. Бабкин В В.. Кирпичкников H.A. факторы почвенного плодородия и загрязнение продукции тяжелыми металлами Химия в сельском хозяйстве. - 1998. - № 3. -С. 31-34.
НАКОПЛЕНИЕ И МИГРАЦИЯ СР, гМ, си, А1_ В ЛИСТЬЯХ ДУБА,
15. Смирнов Ю.Б. Почвенная метофауна естественных и искусственных биогеоценозов находящихся под влиянием угледобывающей промышленности Б1сник Дншропетровського ушверситету. Бюлопя. Еколопя 2001 Пип О т 2 С 67-71
16. Коломнйцева М.Г.. Габович Р.Д. Микроэлементы в медицине. - М. Медицина. - 1970. 170 с.
17. Агрох1М1ЧНИЙ аналЬ: Пщручник М.М Городнш. А.П .Шсовал. А В. Бнкш та ш. За ред. М.М. Городнього. - К.: Арютей. 2005. -468 с
18. ВойнарВ.О. Биологическая роль микроэлементов в организме животных человека. М Высшая школа, 1960.- 86 с.
Поступила в редакцию II. Об.2006 г.
