Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЛИЯНИЯ ПЕСТИЦИДНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ВОДНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ 10
1.1. Экологические аспекты пестицидного загрязнения водоемов 10
1.2. Влияние пестицидного загрязнения на гидробионтов в период раннего онтогенеза 16
1.3. Тератологический анализ как тест-система при биоиндикации
загрязнения водоемов 20
ГЛАВА 2. ПРОГРАММА, ОБЪЕМ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 26
РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛАВА 3. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕСТИЦИДОВ НА ГИДРОБИОНТОВ В ПЕРИОД РАННЕГО ОНТОГЕНЕЗА 39
3.1 Оценка влияния водных растворов разной солености на ранние стадии онтогенеза бычка-кругляка 39
3.2 Токсикологическая оценка пестицидного воздействия на ранний онтогенез рыб и амфибий 42
3.3 Оценка токсического действия пестицидов на раннее постэмбриональное развитие рыб при различной хронической экспозиции 60
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТЕРАТОГЕННОЙ АКТИВНОСТИ ПЕСТИЦИДОВ В ПЕРИОД РАННЕГО ОНТОГЕНЕЗА ГИДРОБИОНТОВ 90
4 1 Тератогенное воздействие пестицидов на ранний онтогенез рыб и амфибий 90
4.2 Оценка тератогенного воздействия пестицидов на раннее постэмбриональное развитие рыб при различной хронической экспозиции 101
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 116
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 137
ВЫВОДЫ 138
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 141
- Экологические аспекты пестицидного загрязнения водоемов
- Оценка влияния водных растворов разной солености на ранние стадии онтогенеза бычка-кругляка
- Тератогенное воздействие пестицидов на ранний онтогенез рыб и амфибий
Введение к работе
Актуальность исследований
Пестициды являются одним из существенных антропогенных химических факторов, вызывающим неблагоприятные изменения экологической обстановки природной среды (Врочинский, 1975; Лукьяненко, 1987; 1989; Курляндский,1996; Потапов, Ястребов, 1998; Соколов и др.,2001). Обладая высокой биологической активностью, они вносятся в окружающую среду, способны циркулировать и накапливаться в разных звеньях экосистемы (Kidd at ah, 1995; Ракитский, 1990;1997; Коропенко, 2004). Поступая в живые организмы с водой и пищей, пестициды воздействуют на физиолого-биохимические процессы, затрагивая при этом репродуктивные функции гидробионтов. Вследствие этого, изучение влияния пестицидов на ранние этапы развития живых организмов является необходимым условием обоснования безвредных уровней содержания в объектах окружающей среды, в том числе, в воде рыбохозяйственных водоемов.
Использование осетровых в лабораторной практике с каждым годом становится затруднительным в связи с проблемой их исчезновения из природных водоемов. Назрела необходимость поиска альтернативных тест-объектов, в соответствии с широко распространенной в научно-исследовательской практике концепции трех R (reduction, refinement, replacement): снижение, уточнение, замена (Катаскова, 1999; Glomot, 1999; Sterling, Rispin, 2002). При выборе тест-организмов необходимо учитывать такие критерии как массовость вида, короткий цикл онтогенеза, чувствительность к действию ксенобиотиков, наличие прикрепленной икры, простота отлова и анализа биологического материала (Строганов, 1971; GESAMP, 1995). Этим требованиям отвечают бычок-кругляк и ребристый тритон.
Амфибии активно включены в трофические связи водоемов, имеют большое значение в осуществлении связей различных биоценозов. Большинство видов хвостатых амфибий постоянно живет или размножается в воде, а многие наземные виды проводят в водоемах большую часть жизни. Однако, методическая схема установления рыбохозяйственных ПДК в стандартном наборе тест-объектов не предусматривает проведения исследований на амфибиях.
Исследования тератогенности водных сред на основе массового визуального анализа организмов позволяют выявить специфические уродства и нарушения, а в некоторых случаях достоверно определить химическую природу поллютантов, тем самым, сокращая трудоемкость биотестирования (Покоева, 2002; 2003). Изучение фенодевиантов и поиск специфических тератогенных эффектов является перспективным направлением в системе биоиндикации загрязняющих веществ.
В этой связи актуальным является изучение уровня токсического воздействия пестицидов на стадии раннего онтогенеза различных представителей гидробионтов, а поиск доступных методов биоиндикации их токсического действия является приоритетным направлением современной науки. Эта задача является актуальной с экологических позиций.
Цель и задачи исследования
Цель настоящей работы: дать оценку воздействия пестицидов на ранний онтогенез гидробионтов в условиях токсикологического эксперимента и обосновать тест-объекты при изучении токсического воздействия пестицидов
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи: - Исследовать толерантность бычка-кругляка (на стадиях раннего онтогенеза) к водным средам разной солености в экспериментальных условиях. - Установить токсикометрические параметры, дозоэффективные зависимости пестицидов: Адмирал (д.в. пирипроксифен), Батыр (д.в. тирам), Бетанал (д.в. фенмедифам и д.в. десмедифам), Мерлин (д.в. изоксафлютол), Фуроре-супер (д.в. феноксапроп-этил) для икры осетра русского, бычка- кругляка и ребристого тритона; для предличинок осетра русского, мальков бычка-кругляка и личинок ребристого тритона.
Провести сравнительный анализ токсикорезистентности к пестицидной интоксикации рыб и амфибий на ранних стадиях онтогенеза.
Исследовать воздействие пестицидов на постэмбриональный период рыб при различной хронической экспозиции.
Исследовать тератогенность и выявить возможные специфические эффекты воздействия пестицидов на рыб и амфибий.
7 Научная новизна работы - В работе впервые проведен сравнительный анализ реакции бычка- кругляка, ребристого тритона и русского осетра на ранних стадиях развития при пестицидной интоксикации.
Исследована толерантность бычка-кругляка в период раннего онтогенеза к соленой и пресной воде в условиях лабораторного эксперимента.
Разработаны методологические основы постановки хронического эксперимента для диагностики состояния рыб в ранний постэмбриональный период.
Выявлены характерные и специфические тератогенные эффекты у рыб и амфибий при воздействии некоторых пестицидов.
Теоретическая и практическая значимость
Проведенные исследования позволяют предложить эвригалинного бычка-кругляка для лабораторных исследований как в пресной, так и в солоноватой воде. Полученные данные о достаточно высокой токсикорезистентности бычка-кругляка определяют возможность использования его в качестве тест-объекта при разработке ПДК для воды пресных и морских объектов.
Данные по изучению реактивности ребристого тритона в период раннего онтогенеза позволяют рекомендовать его в качестве тест-объекта для проведения токсикологических исследований.
Исследования хронической пестицидной интоксикации различной экспозиции для раннего постэмбрионального развития рыб позволили усовершенствовать методический подход.
Выявленные специфические тератогенные эффекты позволяют использовать рыб и амфибий на ранних стадиях онтогенеза для биотестирования загрязнения природных вод. В результате таких исследований возможно определение качественного состава поллютантов и, тем самым, сокращать трудоемкость биотестирования.
Практическая значимость работы заключается в следующем: определены токсикометрические параметры и дозоэффективные зависимости воздействия изученных пестицидов для осетра, бычка-кругляка и тритона. Установлена чувствительность рыб и амфибий к пестицидному загрязнению на эмбриональном и раннем постэмбриональном этапах онтогенеза.
8 Выявлены специфические тератогенные эффекты воздействия пестицидов.
Комплексными исследованиями сотрудников отдела рыбохозяйственной токсикологии ФГУП «АзНИИРХ» установлены ПДК 13 пестицидов («Перечень рыбохозяйственных нормативов...», М.:ВНИРО, 1999). Основные положения, выносимые на защиту
1. Бычок-кругляк на ранних стадиях развития является чувствительным к интоксикации видом рыб и может быть рекомендован для использования в качестве тест-объекта при разработке ПДК загрязняющих веществ для воды пресных и морских водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение.
2. Ребристый тритон на ранних стадиях развития является чувствительным к интоксикации видом и может использоваться в качестве тест-объекта при разработке ПДК загрязняющих веществ для пресноводных водоемов, имеющих рыбохозяйственное значение.
3. Токсические эффекты изученных пестицидов для гидробионтов определяются как длительностью воздействия, этапами интоксикации, химической природой действующего вещества и биологическими особенностями организмов.
4. Специфический тератогенный эффект у тест-объектов при воздействии пестицидов, выявленный в лабораторных экспериментах, может использоваться как информативный маркер при индикации загрязнения природных вод.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены и обсуждены на 13 конференциях и съездах, среди которых: IV Международная конференция Балканской Ассоциации по защите окружающей среды «Глобальное загрязнение» (Эдирн, Турция, 2001); Международная научно-практическая конференция «Стратегия развития аквакультуры в условиях XXI века» (Минск, Беларусь, 2004); Международная научная конференция «Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных» (Саранск, Россия, 2005); Международная научная конференция «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, Россия, 2006).
Публикации: по изучаемой проблеме опубликовано 25 научных работ.
Структура диссертации
Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания постановки экспериментов и методов исследования, 2-х глав собственных исследований, обсуждения полученных результатов, практических рекомендаций и выводов. Работа содержит 81 таблицу и иллюстрирована 6 рисунками. Список использованной литературы включает 194 наименований, в том числе 49 зарубежных источников.
Личный вклад в работу заключается в непосредственном выполнении экспериментальных работ по всем разделам диссертационной работы, проведении анализа и обобщения результатов работы, сборе, систематизации и анализе литературы и экспериментальных данных. Изучение токсического действия пестицидов проводилось совместно с к.б.н. Катасковой СИ., к.б.н. Щербаковой Н.И. Икра ребристого тритона для токсикологических исследований любезно предоставлена к.бл. Шепило В.Ю
Экологические аспекты пестицидного загрязнения водоемов
Устоявшееся веками равновесие в водных экосистемах все более подвергается антропогенному воздействию. Современный этап эволюционного процесса характеризуется введением в круговорот биосферы большого количества ранее не существовавших токсических веществ техногенного происхождения. В результате антропогенного воздействия происходит трансформация природной среды в качественно иное состояние, позволившая В.И. Вернадскому (1.965) говорить о формировании ноосферы. Сказанное в первую очередь относится к гидросфере. Со многими химическими веществами, попадающими в нее, водная экосистема никогда ранее не взаимодействовала и оказалась эволюционно неподготовленной для их переработки без отрицательных последствий для водоемов. Наличие высоких концентраций химических загрязнителей вызывает нарушения жизнедеятельности и видового состава водных экосистем (Врочинский, 1975; Семенов и др., 1994; Потапов и др., 1998; Коропенко, 2004). В этом отношении пестициды занимают особое место. Их опасность для водоемов обусловлена двумя обстоятельствами - высокой биологической активностью и сознательным, обусловленным технологией применения, рассеиванием их в окружающей среде (Ракитский, 1990).
В мире ежегодно синтезируются тысячи новых потенциальных пестицидов, и лишь один из 10000 выдерживает все тесты энтомологических, производственных и эколого-гигиенических исследований и, в конечном счете, внедряется в народное хозяйство. Сейчас на основе более 1000 химических веществ разных классов (фосфорорганические соединения, производные карбаминовой кислоты, мочевины, симм-триазинов и др.) производится до 100000 технических форм пестицидов. Значительно возрастает опасность воздействия пестицидов на биосферу, так как при производстве препаративных форм к действующему веществу добавляются эмульгаторы, стабилизаторы и другие наполнители, представляющие также потенциальную опасность для водоемов, а в ряде случаев усиливающие отрицательное действие пестицидов на водоемы (Врочинский, Мухопад, 1988; Семенов, Коропенко, 2002).
Пестициды, попавшие в водоем, являются новыми "неосвоенными" факторами внешней среды. Если в прошлом изменения водной среды происходили медленно и гидробионты могли к ним приспособиться на протяжении многих поколений, то теперь антропогенное воздействие настолько быстро изменяет устоявшуюся, сбалансированную экосистему, что гидробионты не в состоянии приспособиться к ней и сохранить ее в прежнем виде. Возникают новые взаимоотношения между организмами, что приводит к изменению видового состава водных организмов, кроме этого происходят изменения и в самих популяциях гидробионтов.
Токсический эффект пестицидов выражается в многочисленных негативных последствиях. Вызывая гибель полезных организмов, снижая потенциал размножения животных, пестициды нарушают взаимосвязи в экосистеме. В результате действия токсикантов наблюдаются отдаленные последствия, включающие влияние на наследственность и дезорганизацию эволюционного процесса. Пестицидное загрязнение на разных уровнях биологической организации - организменном, популяционном, межпопуляционном, биоценотическом, биогеоценотическом, имеет свои особенности действия (Брагинский, 1972; Багоцкий, Санин, 1991).
Действие токсикантов на организм сопровождается развитием ответной реакции, важнейшим компонентом которой является токсический стресс. Стресс-реакция включает в себя все многообразие как компенсаторных, так и патологических процессов, соотношение которых зависит от адаптационных резервов организма и интенсивности воздействия (Голиков и др, 1986; Михайленко, 1997; Сторож и др., 2006). Таким образом, организменный уровень характеризуется многочисленными механизмами адаптивных реакций, включающихся при разных интенсивностях воздействия, многофазностью зависимости "доза-эффект" и возможностью возникновения парадоксальных реакций.
class2 ПРОГРАММА, ОБЪЕМ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 26
РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЛАВА 3. ТОКСИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕСТИЦИДОВ НА ГИДРОБИОНТОВ В ПЕРИОД РАННЕГО ОНТОГЕНЕЗА class2
Оценка влияния водных растворов разной солености на ранние стадии онтогенеза бычка-кругляка
Бычок-кругляк - солоноватоводный вид. Кроме морских вод, этот вид постоянно живет в лиманах и низовьях многих рек Азово-Черноморского бассейна, т.е. этот вид обладает большой эвригалинностьго. Кругляк живет и размножается при солености от 16%о до совершенно пресной воды (Калинина, 1976, Москалькова, 1967; 1997). Вода Таганрогского залива на момент отбора исследуемой икры имела соленость 4%о. Этот вид рыб рассматривался нами с точки зрения универсальности для лабораторных исследований в соленой и пресной воде. Особый интерес представляли исследования развития бычка в пресной воде в экспериментальных условиях.
Изучалось влияние солености среды инкубации на жизнеспособность эмбрионов и мальков бычка, выращенного в лабораторных условиях. Проводили три серии опытов: в первой икру инкубировали в воде с соленостью 11 %о; во второй - в воде с соленостью 19%о; в третьей - в пресной воде с использованием 5 опытных партий в каждой серии.
Исследования воздействия пресной воды на развитие икры показали, что гибель составила 0%, 6%, 6%, 20% и 20%. Длительность инкубационного периода определялась на момент 100% выклева и варьировала от 12 до 14 суток. Продолжительность выклева колебалась в пределах 2-х и 3-х суток.
Наблюдения за развитием икры бычка-кругляка в воде соленостью 11% определили гибель, которая составила 0%, 2%, 4%, 10% и 10%. Длительность инкубационного периода составила от 12 до 14 суток. Время от начала вылупления и до окончания выклева (продолжительность) составило от 3-х до 4-х суток.
Инкубация икры в водных средах соленостью 19%о также не вызывала нарушения развития. Гибель отмечалась во всех пяти опытных сосудах и составила 12%, 6%, 8%, 6% и 4%. Продолжительность инкубационного периода, как и в предыдущих вариантах, колебалась от 12 до 14 суток. В результате исследование динамики выклева задержки не отмечено, интервал от единичного до 100% выклева находился в пределах 2-х и 3-х суток.
Нарушений эмбрионального развития в эксперименте с водой различной солености не отмечалось. Данные по выживаемости эмбрионов и продолжительности выклева были подвергнуты статистической обработке и представлены в таблице 2. Все сравнения проводились на фоне результатов, полученных в опыте с водой \\%о, так как данная соленость в природных средах является для нагула бычка-кругляка более приоритетной (Шишкин и др., 2002).
Тератогенное воздействие пестицидов на ранний онтогенез рыб и амфибий
Изучение тератогенного влияния пестицидов на ранний онтогенез гидробионтов проводили с использованием в качестве тест-объектов: осетра русского, бычка-кругляка и тритона ребристого. Время экспозиции экспериментов зависела от биологических особенностей организмов. Все исследования на икре гидробионтов продолжались в соответствие с длительностью инкубационного периода:
осетр — 6 суток;
бычок- 13 суток;
тритон - 11 суток.
Патологические изменения регистрировали у живых, только что выклюнувшихся, особей.
Исследования тератогенных эффектов пестицидов в период раннего постэмбрионального развития проводились от выклева из оболочек до стадии, соответствующей резорбции желточного мешка:
осетр — 7 суток;
бычок - 5 суток;
тритон - 5 суток.
Выбор обусловлен тем, что на данном этапе развития практически все основные органы и системы жизнеобеспечения сформированы и тест-объекты переходят к экзогенному питанию; начинается новая, менее чувствительная, фаза развития.
Изучение тератогенности инсектицида Адмирал позволило установить, что в результате инкубации икры {диапазон концентраций 5,0-30,0 мг/л) и мальков бычка (1,0-10,0 мг/л) в токсических растворах препарата видимых нарушений развития и уродств не обнаружено.
Исследования тератогенности инсектицида Адмирала показали, что наиболее чувствительным объектом явился тритон. Порог возникновения патологий у эмбрионов и личинок тритона был ниже, чем у зародышей и предличинок осетра соответственно. Рассчитанные эффективные концентрации позволили установить пороговые концентрации Адмирала для гидробионтов (табл. 55).
При инкубации в растворах пестицида Адмирал наступают патологические изменения у зародышей осетра (ст. 35) связанные с нарушениями водного обмена: водянка общая, водянка перикарда; у предличинок (ст.45) отмечена увеличенная и рыхлая печень, единично водянка.
Встречаемость аномалий развития рыб и амфибий при выдерживании в растворах инсектицида Адмирал
Концентрации,мг/л ОСЕТР БЫЧОК ТРИТОН икра предличинка икра малек икра личинка
Для развития зародышей тритона также характерной патологией стала водянка околосердечной полости. А в максимальной концентрации 10,0 мг/л наблюдались выклюнувшиеся личинки с недоразвитием головы, лишенные глаз, рта и жабр; в единичных случаях - организмы с искривлением тела, хвоста, рыхлым желтком. Личинки тритона, содержащиеся в малых концентрациях (0,5 и 1,0 мг/л), имели признаки общей водянки, недоразвитость головы (развитие не соответствует стадии); единично -кровоизлияние в сомитах и в области печени и недоразвитие зачатков передних конечностей (соответствуют 34 стадии при общей 37 стадии). При увеличении концентрации инсектицида Адмирал отмечается увеличение числа уродливых особей и степени патологических процессов.
В максимальных дозах 5,0 и 10,0 мг/л у личинок тритона общая водянка и кровоизлияния (в области сердца и зачатков передних конечностей) сопровождались недоразвитием и деформацией различных органов. У значительного количества личинок жабры были без отростков или только в виде зачатков. Отмечались особи с деформированной головой и формированием циклопии, искривленным и укороченным хвостом, волнистой плавниковой оторочкой. Единичные экземпляры, помимо указанных патологий, имели деформированное сердце, деформированный желточный мешок в виде гофрированной ленты, кровоизлияния в области печени и сомитов, отсутствие плавниковой оторочки.
