Биомониторинг нефтяного загрязнения устья реки Дон с использованием водных позвоночных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат биологических наук Кармазин, Антон Павлович

• Кармазин, Антон Павлович
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Кармазин, Антон Павлович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПО

ЛИТЕРАТУРНЫМ ИСТОЧНИКАМ.

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Материал.

2.2. Методы биоиндикации состояния водоёмов.

2.3. Методы экспериментального изучения влияния нефти.

Глава 3. УРОВЕНЬ КУМУЛЯЦИИ НЕФТИ В ВОДЕ УСТЬЯ р. ДОН И

ОРГАНАХ ОЗЁРНОЙ ЛЯГУШКИ.

3.1. Содержание нефтепродуктов в рукавах устья р. Дон.

3.2. Кумуляция нефти в тканях озёрной лягушки.

Глава 4. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ВОДНЫХ ПОЗВОНОЧНЫХ В

УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ.

4.1. Биоиндикация состояния устья р.Дон по показателям стабильности развития фоновых видов позвоночных гидробионтов.

4.2. Влияние различных концентраций нефти на личиночное развитие озёрной лягушки.

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ И БИОХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЗЁРНОЙ

ЛЯГУШКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕФТИ.

I 5.1. Гематологические показатели озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти.

5.2. Интенсивность перекисного окисления липидов в тканях озёрной лягушки под действием нефти.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биомониторинг нефтяного загрязнения устья реки Дон с использованием водных позвоночных»

Актуальность темы диссертации. Нефтяное загрязнение в настоящее время имеет глобальное распространение и затрагивает не только акватории морей и океанов, но также участки суши, реки и пресные водоёмы [Данилова, 1990]. Нефть всегда присутствовала в морской воде, но при существующем антропогенном прессе самоочищение морской воды нарушается. В связи с этим возникает необходимость в ранней информации об уровне нефтяного загрязнения водной среды и реакции гидробионтов на него [Курбанова, Исуев, Габибов, 2004].

Предельно допустимая концентрация (ПДК) для нефти в воде — 0,05 мг/л. Диапазоны концентрации нефтяных углеводородов 0,001— 0,01 мг/л для воды и 0,01—0,10 мг/г для донных отложений рекомендованы в качестве таких диапазонов значений ПДК, при которых биологические эффекты отсутствуют, либо имеют вид обратимых физиолого-биохимических реакций водных организмов [Никаноров, Страдомская, Иваник, 2002]. Загрязнение водоёмов нефтью может происходить разными способами — из хозяйственно-бытовых сточных вод, отходами от переработки сырой нефти, в результате утечки в нефтепроводах, аварий на нефтехранилищах, вследствие выброса нефти при бурении скважин, от большого и малого флотов [Житенева, Макаров, Рудницкая, 2004; Квеситадзе и др., 2005]. В результате ПДК нефти и нефтепродуктов оказываются превышенными в некоторых водоёмах в 100 и более раз.

Нефтепродукты находятся в различных миграционных формах: растворённой, эмульгированной, сорбированной на твёрдых частицах взвесей и донных отложений, в виде плёнки на поверхности воды. Обычно в момент поступления большая часть нефтепродуктов сосредоточена в плёнке. По мере удаления от источника загрязнения происходит перераспределение между основными формами миграции, направленное в сторону повышения доли растворённых, эмульгированных, сорбированных нефтепродуктов.

Одним из важнейших аспектов проблемы загрязнения окружающей среды нефтью является токсикологический — выяснение влияния нефти на гидробионтов и раскрытие механизмов токсического действия растворённых углеводородов нефти [Ковалева, Мазманиди, 1978]. Такие исследования возможны в рамках экспериментального изучения динамики морфологических, физиологических и биохимических показателей гидробионтов [Матишов, Шпарковский, Муравейко, 2002]. Одновременно существует и требует решения ещё одна важная задача экотоксикологических исследований — биоиндикация общего состояния водоёма под действием токсикантов, и нефти в частности.

Биотестирование и биоиндикация являются основными элементами биологического мониторинга состояния окружающей среды. Биотестирование выполняет функцию оперативного контроля происходящего загрязнения, нацеленного на получение информации о токсичности того или иного загрязнителя. Биоиндикация представляет собой выявление последствий загрязнения водного объекта по функциональным и морфологическим показателям его обитателей или по экологическим характеристикам сообщества. Изменения, зарегистрированные методами биоиндикации, являются результатом уже состоявшегося ранее загрязнения [Киреева, Кабиров, Дубовик, 2007]. Таким образом, использование комплексного (биоиндикация + биотестирование) подхода позволяет оценить реальный уровень загрязнения среды токсикантом.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационного исследования— определить индивидуальные и популяционные показатели широко распространённых видов водных позвоночных для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить с помощью гидрохимического анализа уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон.

2. Оценить показатели стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася из различных рукавов р. Дон.

3. Дать интегральную оценку состояния биотопов в дельте р. Дон с помощью видов-биоиндикаторов.

4. Экспериментальным путём оценить динамику основных физиологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефтяного загрязнения.

5. Установить изменения параметров раннего онтогенеза озёрной лягушки под действием различных концентраций нефти.

6. Определить пороговые, эффективные и летальные концентрации нефти для водных позвоночных.

Научная новизна. Впервые определены особенности влияния нефти на клеточном, организменном и популяционном уровнях организации водных позвоночных животных. Установлена динамика гематологических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти различных концентраций. По показателям перекисного окисления липидов определён уровень окислительного стресса органов озёрной лягушки. Впервые установлены показатели бионакопления нефти в различных органах озёрной лягушки. Выявлены особенности раннего развития водных позвоночных в растворах нефти различных концентраций. Впервые изучено состояние (уровень; нефтяного загрязнения) южных рукавов дельты р. Дон. Установлены показатели флуктуирующей асимметрии серебряного карася и озёрной лягушки, обитающих в устье р. Дон, и их связь с уровнем нефтяного загрязнения данной акватории. Дифференцированы адаптивные ' и патологические процессы, происходящие под влиянием нефти различных концентраций на клеточном, организменном и популяционном уровнях.

Теоретическая и практическая значимость результатов.

Предложена система мониторинга динамики экологического состояния рек с использованием половозрелых особей двух широко распространённых пресноводных видов позвоночных — озёрной лягушки и серебряного карася. В эксперименте установлены изменения основных цитогематологических и биохимических показателей озёрной лягушки под влиянием нефти различных концентраций. Рассмотрены особенности развития головастиков озёрной лягушки в растворах нефти. Выявлены адекватные показатели, определяющие уровень нефтяного загрязнения биотопов.

Основные положения и выводы диссертации используются в учебном процессе кафедр зоологии, водных биоресурсов и аквакультуры ГОУ ВПО КубГУ, а также при проведении мониторинговых исследований лабораториями КрасНИИРХ, АзНИИРХ и ФГУ «Ростовский референтный центр Россельхознадзора».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Нефтяное загрязнение оказывает на водных позвоночных животных дозозависимое воздействие на клеточном и организменном уровнях.

2. Изменения стабильности развития озёрной лягушки и серебряного карася в устье р. Дон происходят под влиянием нефтяного загрязнения.

3. Индивидуальные характеристики озёрной лягушки, такие как уровень бионакопления нефти, гематологические показатели, скорость перекисного окисления липидов могут быть использованы для биомониторинга нефтяного загрязнения водоёмов.

4. Озёрная лягушка адаптируются к концентрациям нефти <1 ПДК на. всех стадиях онтогенеза, к концентрациям 1—10 ПДК адаптируются взрослые особи, в концентрациях >10 ПДК у лягушки отмечены только патологические процессы.

Личный вклад соискателя. Автор в 2008—2010 гг. лично провёл полевые исследования в основных притоках устья р. Дон. Все работы, связанные с камеральной обработкой полевого материала, с постановкой и проведением экспериментов и интерпретацией полученных данных, а также с написанием текста диссертации, осуществлены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в сборе материала, написании и подготовке публикаций составляет 40—100 %.

Апробация и публикации. Результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях различных уровней, в том числе: на XXI, XXII, XXIII Межреспубликанских научно-практических конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», г. Краснодар, 2008— 2010 гг.; на Международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований — 2009», г. Одесса, 2009 г.; на V Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 2009 г.; на Международной научно-практической конференции «Региональные особенности функционирования и взаимодействия предприятий рекреационной отрасли и промышленного сектора», г. Туапсе, 2010 г.; X Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология), Ростов-на-Дону, 2010 г.; VII Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений в науке, технике и экологии», Туапсе, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 21 рисунком, 17 таблицами. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка использованной литературы, в котором приведено 189 источников, в том числе 19 на иностранных языках.

Заключение диссертации по теме «Экология (по отраслям)», Кармазин, Антон Павлович

выводы 1 I !

1. Максимальный уровень нефтяного загрязнения устья р. Дон в период исследований составлял 0,31 мг/л (6,2 ПДК), а средние величины колебались в пределах 0,03—0,09 мг/л, что соответствует 0,6—1,8 ПДК.

2. Биоиндикация тех же водотоков по показателям флуктуирующей асимметрии меристических признаков озёрной лягушки и серебряного карася I свидетельствует о глубоких нарушениях стабильности развития, оцениваемых 4—5 баллами по шкале отклонений. I

3. Концентрации нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л вызывают I смертность 60—100 % головастиков озёрной лягушки. Головастики 46-й стадии развития (хорошо развитые задние конечности) и 57-й- стадии развития (хорошо развитые передние конечности) в различных вариантах опыта меньше контрольных на 10,7—11,9 мм. Наступление данных стадий происходит позже, чем в контроле на 6—19 и 7—13 дней соответственно.

4. Под действием концентраций нефти в диапазоне 0,01—0,5 мг/л у I озёрной лягушки отмечен дозозависимый эритроцитоз и возрастание количества гемоглобина (в 1,1—1,5 раз), а также увеличение количества I микроядер в эритроцитах (в 3,0 раза). На фоне общей лейкопении (в 1,2—1,8 раз) достоверно увеличивается относительное число лимфоцитов и| палочкоядерных нейтрофилов при снижении количества моноцитов и сегментоядерных нейтрофилов и полном исчезновении базофилов и эозинофилов.

5. Под действием нефти в концентрации 0,05 мг/л максимальная интенсивность процессов ПОЛ отмечена в сердце озёрной лягушки I

650,0 мМолъ О/кг), в концентрации 0,5 мг/л — в почках (500,0 мМоль О/кг). Минимальная интенсивность ПОЛ в обоих случаях характерна для тонкого кишечника (43,6 и 75,0 мМолъ О/кг). ! 1 интенсивно накапливают нефть лёгкие, почки и гонады (26,1—49,3 мг/кг), а I при концентрации в 0,5 мг/л — только почки (38,8 мг/кг). Уровень кумуляции нефти в печени озёрной лягушки минимален во всех вариантах опыта и составляет 4,7—10,0 мг/кг. | 1

7. Концентрация нефти 0,01 .мг/л является для водных позвоночных пороговой, концентрации в пределах 0,01—0,5 мг/л (0,2—10 ПДК) оказывают токсический эффект на взрослых особей водных позвоночных, при этом максимальная из изученных концентраций (0,5 мг/л) — летальна для личинок водных позвоночных. I I I

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нефть является комплексным токсикантом сложного строения. Обычно в момент поступления в водоём большая часть нефтепродуктов сосредоточена в плёнке. Затем происходит перераспределение между её основными формами, направленное в сторону повышения доли растворённых, эмульгированных и сорбированных нефтепродуктов. Последние являются наиболее опасными, т. к. служат источником хронического загрязнения водоёма нефтью в течение длительного времени с

I > I момента ее попадания в воду. I

Влияние нефтяного загрязнения на водных позвоночных проявляется в, изменении их индивидуальных и популяционных характеристик, таких как выживаемость личинок, темпы их роста и развития; гематологические и биохимические показатели взрослых особей; содержание углеводородов в органах и тканях. В зависимости от концентрации нефти эти изменения могут быть как адаптивными, т. е. позволять выживать в конкретных^ условиях, так и патологическими, т. е. приводить к гибели.

Динамика некоторых гематологических показателей являетря, специфичной для действия нефти. Так, только после пребывания | в растворах нефти у озёрных лягушек была обнаружена лейкопения, а также, отсутствие двух типов лейкоцитов гранулоцитарного ряда — базофилов и эозинофилов. Указанные изменения гематологических показателей озёрной лягушки могут быть использованы для достоверного и достаточно просто проводимого определения наличия нефтяного загрязнения воды. Так, в крови взрослых озёрных лягушек при действии нефти в пределах 0,2—10 ПДК наблюдаются различные изменения в количестве и морфологии клеток. Из них лимфоцитоз, эритроцитоз, увеличение кислородной ёмкости крови являются адаптивными, а моноцитопения, сдвиг нейтрофилов влево, исчезновение базофилов и эозинофилов -1—, патологическими.

В условиях загрязнения среды адаптивную ценность, приобретают перестройки организма, связанные с их способностью повышать уровень метаболизма для соответствующего повышения уровня их жизнеспособности I

Моисеенко, 2000]. Так, изменение скорости перекисного окисления липидов под действием сравнительно низких концентраций нефти (<1 ПДК), можно! отнести к адаптивным механизмам, увеличивающим выживаемость озёрной лягушки, а более высокие концентрации нефти (10 ПДК) угнетают перекисные процессы в клетках и оказывают патологическое воздействие на организм земноводных.

Накопление нефти в органах озёрной лягушки свидетельствует о специфичности этого процесса по сравнению с другими поллютантами. Так, отмечено отсутствие значимого вклада печени в процессы накопления | и детоксикации нефти. Основная роль в кумуляции углеводородов нефти принадлежит почкам. 1 !

На личиночных стадиях развития в растворах нефти у головастиков озёрной лягушки, как и у личинок рыб, отмечены увеличение смертности, замедление темпов роста и развития. Однако имеются и отличия — у личинок рыб наблюдались различные аномалии, тогда как у личинок земноводных их не отмечено. О. А. Пястолова [1985] отмечала проявление, однотипных неспецифических реакций головастиков земноводных под действием разных токсикантов, это увеличение личиночной смертности, вариабельности размеров тела и сроков развития. Под действием нефти также увеличивается смертность головастиков, однако вариабельность скорости роста и развития не' меняется по сравнению с контрольными особями.

Н. М. Акуленко [2006] считает, что основной отбор на выживаемость у водных позвоночных происходит на стадиях раннего онтогенеза. Выжившие особи могут впоследствии существовать в условиях хронического загрязнения среды токсикантами, в том числе и нефтью.

Сдвиг равновесия между адаптационными и патологическими процессами, происходящий в организме водных позвоночных в ту или иную I

127 ' сторону, зависит от концентрации нефти в воде. При действии низких концентраций нефти (специфичных для отдельных видов позвоночных гидробионтов) на организменном и популяционном уровнях преобладают адаптивные процессы, а при более высоких — патологические.

Определение уровня нефтяного загрязнения рукавов устья р. Дон с помощью химико-токсикологического анализа свидетельствует ^ о сравнительно невысоком уровне содержания нефтепродуктов в воде —1 в пределах до 5,6 ПДК, а средние величины этого показателя соответствуют, 1—1,8 ПДК и в донных илах — 0,4—3,6 ПДК.

Биоиндикация нефтяного загрязнения по показателям флуктуирующей асимметрии позвоночных гидробионтов показала достаточно сильное влияние нефтепродуктов на гидробионтов рукавов устья р. Дон, выражающееся в достаточно глубоких нарушениях стабильности развития, I как озёрной лягушки, так и серебряного карася. Однако, устойчивые виды водных позвоночных животных, такие как серебряный карась и озёрная лягушка, могут поддерживать своё существование на всех этапах онтогенеза I в данных условиях. 1 ,

128 I

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Кармазин, Антон Павлович, 2010 год

1. Айвазян Н. М. Использование биофизических методов в современной герпетологии / Н. М. Айвазян // Современная герпетология. 2008. Т. 8, вып. 1. С. 3—9.

2. Абдуллаева Н. М. Цитогематологическое исследование рыб при воздействии тяжёлых металлов и сырой нефти / Н. М. Абдуллаева: автореф. ' ¡дис. . канд. биол. наук. Махачкала, 2007. 22 с. <i ¡

3. Акуленко Н. М. Антропогенное загрязнение как специфический 1фактор отбора / Н. М. Акуленко // Современные проблемы популяционной ' !iэкологии: материалы 9 Междунар. науч.-практ. экол. конф., Белгород, 2—5 '!октября, 2006. Белгород, 2006. С. 7—8. ¡ ¡

4. Аленичев С. В. Картина крови при отравлении нефтепродуктами /

5. С. В. Аленичев // Современные проблемы водной токсикологии. Борок, 2002. ' ' !1. С. 28—29. ! !i ¡

6. Бабаев X. Ф. Влияние сырой нефти на накопление продуктов ! \ перекисного окисления липидов и изменения активности АТФазных ' ферментов в тканях мышц карпа (Cyprinus carpió L.) / X. Ф. Бабаев,

7. М. И. Джабаров // Современные проблемы биологических ресурсов

8. Каспийского моря: материалы Междунар. конф., посвящ. 90-летнему юбилеюi

9. Азерб. НИИ рыб. хоз-ва. Баку, 15—17 сентября 2003 г. Астрахань, 2003. С. 104—108. I i

10. Безель В. С. Изменчивость популяционных параметров: адаптация к токсическим факторам среды / В. С. Безель, В. Н. Позолотина, Е. А. Вельский, Т. В. Жуйкова // Экология. 2001. № 6. С. 447—453.

11. БеловаЯ. В. Эколого-гистологическое исследование печени озёрной лягушки (Rana ridibunda) в условиях естественного обитания и при экзотоксикозе / Я. В. Белова, Ю. В. Алтуфьев, Н. С. Алтуфьева //

12. Естественные науки. 2008. № 1 (22). С. 37—41. I ,

13. Ю.Белюченко И. С. Содержание нефтепродуктов в водах рекреационной зоны Черноморского побережья / И. С. Белюченко, Д. А. Пирогов //' Экологические проблемы Кубани. Краснодар, 2007. № 33. С. 158—163.

14. П.Болотников А. М. Влияние физико-химического состава воды на жизнедеятельность амфибий / А. М. Болотников, JI. Л. Мажерина // Вопросы герпетологии: автореф. докл. 6 Всесоюзн. герпетол. конф. Ташкент, 18—20" сентября 1985 г. Л., 1985. С. 34.

15. Булгаков Н. Г. Индикация состояния природных экосистем инормирование факторов окружающей среды. Обзор существующихiподходов / Н. Г. Булгаков // Успехи современной биологии. 2002. Т. 122, №12. С. 115—135. ; i

16. Бутаев А. М. Каспий: статус, нефть, уровень/ А. М. Бутаев. Махачкала, 221 с.

17. Вартапетов Л. Г. Воздействие нефтегазобычи и урбанизации на сообщества мелких наземных позвоночных / Л. Г. Вартапетов, В. А. Юдкин // Успехи современной биологии. 1998. Т. 118, № 2. С. 216—226. ,

18. ВафисА. А. Реакция крови озёрной лягушки Rana ridibunda Pal. навоздействие сточных вод сахарных заводов / А. А. Вафис, Т. Ю. Пескова) //ii