Влияние биогенных металлов на жизнедеятельность Daphnia magna Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 574.24

ВЛИЯНИЕ БИОГЕННЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ DAPHNIA MAGNA

© 2010 Н А. Шилова, С М. Рогачева, Т.И. Губина

Саратовский государственный технический университет

Поступила в редакцию 01.10.2010

Исследовано влияние ионов биогенных металлов, в частности Ni2+, Cu2+, Co2+, Zn2+ в диапазоне концентраций от 5 до 0,03 мг/л на выживаемость, плодовитость и фильтрационную активность планктонных фильтраторов Daphnia magna. Показано, что наиболее токсичными для дафний являются ионы меди, которые уже в концентрации 0,03 мг/л подавляют все указанные функции. Остальные металлы не проявляли токсичности в концентрациях ниже ПДКв.

Ключевые слова: Daphnia magna, Chlorella Vulgaris, биогенные металлы, фильтрационная активность, биотестирование, токсичность

Ежедневно в природные водоемы поступает огромное количество различных химических веществ, значительная часть которых относится к соединениям тяжелых металлов. В отличие от органических загрязнителей, которые со временем минерализуются и утилизируются в процессах биологического круговорота веществ, соединения тяжелых металлов способны сохранять токсичность практически бесконечно, так как при их превращениях основной компонент химического соединения -металл - остается без изменения. Некоторые тяжелые металлы относятся к числу биологически активных элементов и всегда содержатся в организме животных и в растениях, но при накоплении в организме становятся опасными. Точками приложения металлов в организме животных являются многие жизненно важные органы, ткани и структуры. Эти токсиканты изменяют функцию крови, сердца водных животных, нарушают биохимические процессы. Все это отражается на общем функциональном состоянии гидробионтов и их дыхании [1]. Существует большое количество литературных данных о влиянии тяжелых металлов на моллюсков и рыб. Малоизвестно, в каких концентрациях тяжелые металлы могут представлять опасность для зоопланктона, вызывать функциональные изменения, не приводя к немедленной гибели. Типичным представителем планктона стоячих и слабопроточных пресноводных водоемов, широко распространенных

Шилова Наталья Александровна, аспирантка. E-mail: [email protected]

Рогачева Светлана Михайловна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой «Природная и техносферная безопасность». E-mail: smro 13@land. ru

Губина Тамара Ивановна, доктор химических наук, профессор кафедры экологии

на территории России, являются низшие ракообразные Daphnia magna, которые относятся к отряду ветвистоусых. По характеру питания дафнии являются фильтраторами. Пища поступает с потоком воды, направленным грудными конечностями, через выросты - в брюшной желоб вдоль основания конечностей и ко рту рачка. Пропуская через свой организм воду, они задерживают находящиеся в ней бактерии, одноклеточные водоросли, детрит, растворенные органические вещества. Именно характер питания делает дафнии высокочувствительными к присутствию в водной среде токсичных веществ [2].

Цель данной работы: изучить влияние ионов биогенных металлов на жизнедеятельность Daphnia magna.

Материалы и методы. В качестве объектов исследования были взяты Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer. Культуру дафний выращивали в помещении, не содержащем токсических паров или газов. Оптимальная температура для культивирования дафний и биотестирования составляла 20±2°С, освещенность 400-600 лк при продолжительности светового дня 12-14 ч. Дафний кормили культурой зеленых водорослей Chlorella, выращенной в культиваторе КВ-05 на 50% питательной среде Тамия. Эксперименты проводились в растворах ацетатов Ni2+, Cu2+, Co2+, Zn2+ с концентрацией ионов металлов 5,0...0,03 мг/л, приготовленных на отстоянной водопроводной воде методом последовательного разведения.

Для определения токсичности вышеперечисленных растворов по смертности дафний в течение 96 ч и по плодовитости рачков в течение 21 суток была использована стандартная методика биотестирования водной среды [3].

1951

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 12, № 1(8), 2010

Определение фильтрационной активности проводили методом, описанным в работе [4]. В растворы солей помещали по 5 рачков 6-8-дневного возраста, оставляли их на сутки, корм не добавляли. Через сутки в пробы помещали водоросли Chlorella. На спектрофлуо-риметре «Флюорат-02-Панорама» измеряли интенсивность флуоресценции сред сразу после добавления водорослей и по прошествии 1 часа. Расчет фильтрационной активности D. magna (F) проводили по формуле:

F

(It / Io - Iф )V

nt

активность отмечена только у дафний, инкубированных в растворах ацетатов №2+ с концентрациями 0,03 и 0,075 мг/л и Со2+ -0,03...0,15 мг/л. Наибольшее количество родившейся молоди зафиксировано в растворах ацетата кобальта (рис. 2).

где V - общий объем пробы, мл; n - количество дафний в пробе, шт.; t - время опыта, час; It/Io - коэффициент, соответствующий интенсивности флуоресценции в конечный (It) и начальный (Io) момент опыта; F - объем воды, профильтрованный дафнией в единицу времени, мл/даф.час.

Математическую обработку полученных данных проводили с использованием компьютерной программы Microsoft Excel. Рассчитывали среднее арифметическое, доверительный интервал, стандартное отклонение. Статистическая достоверность всех представленных результатов оценивалась с использованием t-критерия Стьюдента и составляла 95%.

Результаты и обсуждение. Для оценки жизнеспособности дафний в присутствии ионов биогенных металлов в различных концентрациях нами определялись показатели смертности, плодовитости и фильтрационной активности. Данные по выживаемости рачков в растворах солей Ni2+, Cu2+, Co2+, Zn2+ различных концентраций представлены на рис. 1.

Для ацетата меди первые признаки отравления отмечались нами на вторые сутки эксперимента в растворах с концентрациями Cu2+ 0,03 и 0,075 мг/л. Полная гибель тест-объектов в этих растворах была зафиксирована на 15 сутки. Растворы ацетата Cu + с концентрациями 0,625, 0,3, 0,15 мг/л вызывали гибель дафний в течение 48 часов, с концентрациями 5, 2,5, 1,25 мг/л - 100%-ую гибель тест-объектов в течение 24 часов. Отмечено, что растворы ацетата цинка с концентрациями Z^+от 0,03 до 0,625 мг/л не вызывают гибель тест-объектов. В растворах с концентрациями 1,25...5 мг/л на 4-е сутки эксперимента зафиксирована смертность дафний от 10 до 60%, соответственно. Похожие результаты получены для растворов ацетатов Ni2+ и Co2+ за исключением концентрации 5 мг/л, при которой гибель рачков наступила в течение 24 часов. Репродуктивная

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

/ m

А (5 О (3 Ö С?

S S Ï »

to to to tp

CN,- ^

a)

100n 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

LA

LJ

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

<0 <0 <Q <Q <Ъ Jo Jo л <v Л ¿У О- c? ô- C?

b)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

^ # г? г? г? г?

c)

100, 90 80 S= 70-Х 5 60-х 0 1 50-Х Î 40-/ Ï * 30-/ 20 10 0 i „ .........

<о <о <V £ # S i i оэ О" i О" £ i s' £ # s О'

ё)

Рис. 1. Влияние ионов биогенных металлов на выживаемость дафний (4 сутки эксперимента) а) Си2+, Ь) 2п2+, с) №2+, ё) Со2+

1952

oJ-

ко*ч>о№

□ 5 мг/л

□ 2,5 мг/л

□ 1,25 мг/л

□ 0,625 мг/л

□ 0,3 мг/л

□ 0,15 мг/л

□ 0,075 мг/л

□ 0,03 мг/л ■ Контроль

№ Со

Рис. 2. Влияние ионов металлов на рождаемость D. magna (на 21 сутки эксперимента)

Что касается фильтрационной активности дафний, она начинает уменьшаться в присутствии Cu2+, Zn2+, Co2+ в концентрации 0,03 мг/л, Ni2+ - в концентрации 0,075 мг/л (рис. 3). Наиболее резко фильтрационная активность дафний снижается в зависимости от концентрации ионов меди, при содержании Cu2+ 0,15 мг/л на 2-е сутки наблюдается гибель всех особей. Ионы Zn2+ значительно снижают (на 30 %) фильтрационную активность дафний при концентрации 1,25 мг/л, ионы никеля вызывают такой же эффект при концентрации 2,5 и 5 мг/л. Повышение концентрации Co2+ до 5 мг/л не приводит к заметному уменьшению фильтрационной активности дафний.

f 0,5 £

« 0

■ Контроль

□ 0,03 мг/л

□ 0,075 мг/л

□ 0,15 мг/л

□ 0,3 мг/л

□ 0,625 мг/л

□ 1,25 мг/л

■ 2,5 мг/л

□ 5 мг/л

Контроль Cu

Ni Co

Рис. 3. Зависимость фильтрационной активности Daphnia magna от концентрации металлов

Выводы: результаты исследований позволяют заключить, что наибольшей токсичностью для планктонных фильтраторов обладают ионы меди. Уже в концентрации 0,03 мг/л они вызывают гибель рачков, снижают их репродуктивную и фильтрационную активности. Известно, что для меди ПДКв составляет 0,1 мг/дм3, т. е. в речных водоемах допускается такое содержание ионов меди, которое подавляет жизненные функции основных представителей планктона. Ионы Zn2+ и Ni2+ не вызывают гибель дафний и не оказывают значительного воздействия на их фильтрационную активность в концентрациях ниже ПДКв (0,1 мг/дм3), но они ингибируют репродуктивную функцию рачков. Наименьшей токсичностью для планктона обладают ионы Co2+, их присутствие в воде мало влияет на жизнедеятельность дафний. Поскольку все эти металлы являются биогенными, различная степень их влияния на жизненные функции дафний, вероятно, зависит от характера их воздействия на биохимические процессы в организме гидробионтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Мур, Дж.В. Тяжелые металлы в природных водах / Дж.В. Мур, С. Рамамурти - М.: Мир, 1987. 286 с.

2. Родина, А.Г. Опыты по питанию Daphnia magna // Зоологический журнал. - 1946. Т. 25. № 3. С. 237343.

3. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4:5-2000 Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости дафний. - М., 2000. 32 с.

4. Маторин, Д.Н. Биотестирование токсичности вод по скорости поглощения дафниями микроводорослей, регистрируемых с помощью флуоресценции хлорофилла / Д.Н. Маторин, П. С. Венедиктов // Вестник Московского университета. Сер.16, Биология. 2009. №3. С. 28-33.

25

20

15

10

5

4

3

2

INFLUENCE OF BIOGENIC METALS ON LIFE ACTIVITY

OF DAPHNIA MAGNA

© 2010 N.A. Shilova, S.M. Rogachyova, T.I. Gubina Saratov State Technical University

Influence of ions of biogenic metals, in particular Ni2+, Cu2+, Co2+, Zn2+ in a range of concentration from 5 up to 0,03 mg/l on survival rate, fertility and filtrational activity of planktonic filter-feeding organisms Daphnia magna is researched. It is shown, that the most toxic for daphnia are ions of copper which already in concentration of 0,03 mg/l suppress all the specified functions. Other metals did not show toxicity in concentration below MPC.

Key words: Daphnia magna, Chlorella Vulgaris, biogenic metals, filtrational activity, biotesting, toxicity

Nataliya Shilova, PostOgraduate Student. E-mail: [email protected] Svetlana Rogachyova, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department "Natural and Technosphere Safety. E-mail: [email protected] Tamara Gubina, Doctor of Chemistry, Professor at the Ecology Department

1953