Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Массовое развитие цианобактерий в пресноводных водоемах 10
1.1 Особенности биологии цианобактерий, определяющие их массовое развитие в водоемах 11
1.2 Экологические особенности, определяющие массовое развитие цианобактерий в водоемах 23
1.3 Экологические эффекты массового развития цианобактерий в водоемах 29
1.4 Влияние токсинов цианобактерий на млекопитающих и человека 33
1.5. Влияние различных факторов на токсичность цианобактерий 42
Глава 2. Материалы и методы исследования 48
2.1 Отбор проб и пробоподготовка 48
2.2 Методика оценки показателей развития фитопланктона 50
2.3 Методика оценки токсического и раздражающего действия цианобаїсгерий 51
2.4 Методика оценки содержания микроцистина в воде 54
2.5 Статистическая обработка и оценка результатов исследования 56
Глава 3. Результаты и их обсуждение 57
3.1. Фитопланктон Шершневского водохранилища 57
3.2 Динамика количественного развития цианобаїсгерий в 2004-2007гг 70
3.3 Видовой состав доминантного комплекса цианобактерий в 2004-2007гг 75
3.4 Токсические свойства цианобактерий 84
3.5 Влияние различных факторов па токсичность цианобактерий 93
3.6 Содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилища 96
3.7 Использование системы мониторинга развития токсичных цианобаїсгерий, рекомендованной ВОЗ, с учетом экологических особенностей Шершневского водохранилища 103
Заключение
Выводы 121
Список литературы
- Экологические особенности, определяющие массовое развитие цианобактерий в водоемах
- Влияние токсинов цианобактерий на млекопитающих и человека
- Методика оценки содержания микроцистина в воде
- Влияние различных факторов па токсичность цианобактерий
Введение к работе
Актуальность проблемы. С середины 20-го века в связи с ростом антропогенного загрязнения водных экосистем и зарегулированием стока рек началось лавинообразное нарастание количества эвтрофированных водоемов. Одним из самых неблагоприятных последствий эвтрофикации является массовое развитие цианобактерий\ Это явление само по себе является мощным стрессором для водных экосистем и создает множество проблем при рекреационном, хозяйственном и питьевом использовании водоемов. Кроме того, цианобактерии способны синтезировать токсические вещества - цианотокси-ны. Не менее 50% случаев «цветения» вызвано массовым развитием токсичных цианобактерии (Toxic Cyanobacteria.., 1999). На сегодняшний день накопилось достаточно большое количество фактических материалов о токсическом действии цианобактерии на млекопитающих и человека (Горюнова, Демина, 1974; Carmichael, 2001). В крайнем случае, попадание цианотоксинов в организм человека может привести к смерти. При длительном поступлении цианотоксинов в малых дозах с водой могут развиваться заболевания печени, а также регистрируется повышение частоты первичного рака печени (Yu, 1995).
Проблема массового развития токсичных цианобактерии в водоемах питьевого и рекреационного назначения с точки зрения опасности для здоровья населения отнесена Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) к одной из приоритетных (Toxic Cyanobacteria.., 1999). В большинстве развитых стран установлены ПДК для наиболее распространенных цианотоксинов, определена программа мониторинга токсичного цветения и комплекс мероприятий по предупреждению неблагоприятного воздействия цианотоксинов на здоровье населения. В нашей стране к настоящему времени стандарты безопасного для здоровья человека содержания цианотоксинов в воде и продуктах питания все еше не разработаны. Работы, связанные с изучением токсикологического аспекта массового развития цианобактерии, включающие определение содержания цианотоксинов в воде, в нашей стране на сегодняшний день очень малочисленны (Волошко и др., 2000, 2005). Непонимание масштаба развития токсического «цветения» водоемов в нашей стране не позволяет защитить население при использовании воды в питьевых и рекреационных целях. Актуальность данной работы лежит в плоскости изучения закономерностей развития токсического «цветения» водоемов, что является первым шагом к разработке системы мониторинга и обеспечения безопасности населения.
Цель работы Изучение закономерностей сезонной динамики количественного развития, видового состава и токсичности цианобактерии Ш ерш невского водохранилища.
Задачи исследования 1. Проанализировать сезонную динамику численности цианобактерии в воде Шершневского водохранилища в 2004-2007гг. 2.Изучить закономерности сезонной динамики видовой структуры домини-
рующего комплекса цианобактерий Шершневского водохранилища.
3.Оценить токсические свойства и динамику токсичности цианобактер.
Шершневского водохранилища.
4.0пределить содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилі
5.Адаптировать систему мониторинга развития токсичных цианобактери
рекомендованную ВОЗ, с учетом экологических особенностей Шершневсю
го водохранилища.
Научная новизна работы
Впервые выявлено, что в Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием.
Впервые проведена оценка динамики содержания микроцистина в воде Шершневского водохранилища.
Впервые выявлены закономерности влияния экологических факторов і смену доминантов цианобактерий на примере Шершневского водохрані лиша.
Теоретическая значимость
Результаты работы расширяют представления о влиянии экологических факторов на количественное развитие, смену доминантов и токсичность цианобактерий. Оптимальными условиями для продукции токсинов циаш бактериями Шершневского водохранилища является установление солнечной погоды в сочетании с высокой солнечной активностью и низкой про-точностью.
Результаты работы представляют научный и практический интерес в сфер изучения закономерностей сезонной динамики видовой структуры доминирующего комплекса цианобактерий в искусственных водных экосистемах на примере Шершневского водохранилища.
Практическая значимость
Разработана «Методика выполнения измерений массовой концентраци микроцистина в природной и питьевой воде фотометрическим методом; которая прошла государственную аттестацию в соответствии с ГОСТ Р 8.56 (свидетельство об аттестации № 224.01.03.206/2008) и используется в работ экспериментального отдела Федерального государственного учреждения науки «Уральский научно-практический центр радиационной медицины»
Определены пороговые уровни количественного развития микроцистш синтезирующих цианобактерий (Microcystis spp., Oscillatoria agardhii), coor ветствующие содержанию микроцистина в воде Шершневского водохранилища в количестве 1 ПДК, рекомендованной ВОЗ. Результаты проведении исследований могут быть использованы для определения и обоснования безопасных уровней количественного развития токсичных цианобактерий в воде.
Основные положения, выносимые на защиту 1.В Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое
развитие токсичных цианобактерии. обладающих гепатотропным, нейроток-сическим и раздражающим действием. Среднее значение ЛД50 цианобактерии в пересчете на сухой вес составляет 126 мг/кг (доверительный интервал 103-154 мг/кг).
2.Цианобактерии родов Microcystis и Oscillatoria Шершневского водохранилища синтезируют микроцистин. Цианобактерии родов Aphanizomenon. и Anabaena Шершнезского водохранилища не синтезируют микроцистин или синтезируют его в ничтожно малых количествах.
3.Развитие цианобактерии рода Microcystis в количестве 9 млн. кл/л мли цианобактерии рода Oscillatoria в количестве 19 млн. кл/л приводит к повышению концентрации микроцистина воде в среднем до 1 мкг/л. Минимальная зарегистрированная концентрация клеток цианобактерии в воде, приводящая к созданию концентрации микроцистина в воде 1 мкг/л, составляет 6 млн. кл./л.
Апробация материалов работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной конференции «Экологические проблемы Челябинской области» (Челябинск, 2004), Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области» (Челябинск: Челяб. гос. ун-т. 2005), Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы» (Екатеринбург: УГ-ТУ-УПИ, 2005), 1 Международной научно-практической конференции «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2006), областной научно-практической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области» (Челябинск, 2007, 2008), Научно-практической конференции, посвященной 10-летию биологического факультета Чел ГУ (Челябинск, 2008), И Санкт-Петербургском Международном Экофоруме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Экология в высшей школе: синтез науки и образования» (Челябинск, 2009). Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 2 публикации - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Структура диссертации
Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы, описывающей материалы и методы исследований, главы результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов, списка литературы. Указатель использованной литературы включает 140 источников. Благодарности
Автор выражает благодарность и глубокую признательность д.б.н. профессору Е.А.Пряхину за руководство работой, помощь в освоении программных средств статистической обработки и искреннее сердечное участие; к.б.н. Л.В. Дерябиной за ценный опыт полевых работ, всем сотрудникам экспериментального отдела УНПЦРМ за поддержку в проведении всех этапов работы;
инженеру гидробиологу В.А. Антиповой (Сосновские очистные сооружен г. Челябинска) и к.б.н. Л.В.Снитько (Ильменский заповедник) за консулы ции и помощь в определении видов и ценнейшее профессиональное общени<
Экологические особенности, определяющие массовое развитие цианобактерий в водоемах
Кроме того, существуют различия между клетками разных слоев колоний, окруженных слизистыми чехлами: в поверхностном слое располагаются более функционально активные клетки, клетки внутренних слоев колонии менее активны, но более защищены и легче переживают неблагоприятные условия. Нитчатые цианобактерии состоят из клеток, соединенных между собой микроплазмодесмами. Такие многоклеточные нити носят название трихомов. Благодаря такой организации происходит обмен информацией между клетками в трихоме, где каналом служат названные специализированные структуры, и источником информации — биологически активные вещества, растворенные в цитоплазме. Таким образом, трихом цианобактерии можно считать целостным организмом, а не объединением отдельных клеток.
Более того, в пределах трихома некоторых цианобактерии наблюдается начальная клеточная дифференцировка - важное эволюционное приобретение цианобактерии. Образуются специализированные клетки, такие как акинеты, представляющие собой крупные покоящиеся клетки с утолщенной оболочкой и гетероцисты, в которых осуществляется азотфиксация. Наличие последних обеспечивает возможность успешного массового размножения при низком соотношении N/P в воде, неблагоприятном для зеленых водорослей
Следует отметить, что возбудителями «цветения» воды чаще всего являются крупноколониальные формы, окруженные слизью, или нитчатые формы, способные к образованию крупных слизистых скоплений. Крупные размеры и слизь дают им огромное преимущество перед другими представителями фитопланктона, т.к. численность их не ограничивается фактором выедания зоопланктоном. Фильтраторы способны выедать частицы величиной около 20 мкм, максимум 30-40 мкм (Трифонова, 1990), а размер колоний таких возбудителей цветения воды как Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena, Gloeotrichia обычно превышает 50 мкм. Кроме того, слизистый чехол зачастую препятствует перевариванию цианобактерий в пищеварительной системе зоопланктеров и рыб.
По строению клетки цианобактерий относятся к грамотрицательным микроорганизмам. Они имеют ригидную многослойную клеточную стенку с внутренним пептидогликановым слоем и трехслойной наружной мембраной (Кондратьева и др., 1989). Клетки части цианобактерий окружены дополнительными слоями, называемыми капсулами, или чехлами. У многоклеточных форм, как уже отмечалось, весь трихом часто окружен чехлом. Безусловно, все эти особенности клеточной стенки цианобактерий дают им преимущество в устойчивости к действию неблагоприятных факторов внешней среды.
Фотосинтетический а ппарат представлен сдвоенными мембранами -тилакоидами, количество которых и характер расположения в клетке различны у разных видов (Громов, 1976). Они содержат следующие вещества: хлорофилл а, специфические акцепторные пигменты (аллофикоцианины, фикоцианины, фикоэритрины) (Neilan, Jacobs, 1995), каротиноиды. Количественные соотношения пигментов в клетках могут сильно варьировать у одного вида, что определяется абиотическими факторами (Горюнова, Демина, 1974). На поверхности фотосинтезирующих мембран расположены фикобилисомы - структуры, улавливающие фотоны при помощи пигментов фикобилипротеинов и передающие их реакционным центрам фотосинтетического аппарата. Общее содержание фикобилипротеинов у цианобактерий может составлять более 60%. от всех растворимых белков (Кондратьева и др., 1989). Наличие системы фикобилипротеинов позволяет цианобактериям эффективно улавливать лучи зеленой, желтой и оранжевой части спектра (500-650 нм), что является сложной задачей для остального фитопланктона (Toxic Cyanobacteria.., 1999). Эта особенность дает им преимущество при повышении мутности воды.
В клетках цианобактерий, живущих в воде в планктоне, часто присутствуют газовые вакуоли. Они образуют более или менее крупные скопления и в световом микроскопе выглядят как светлые сверкающие зерна, а в электронном - как шестигранники. Следует отметить, что газовые вакуоли обнаруживаются только у прокариот и дают им огромные преимущества в конкуренции с эукариотическими водорослями (Громов, 1976). Газовые вакуоли позволяют цианобактериям регулировать свою плавучесть и находиться в слоях воды с наиболее оптимальными световыми и температурными условиями, а также при необходимости использовать нутриенты, накопленные в придонных слоях при наступлении дефицита биогенов в воде. Этим объясняется сложность ограничения размножения цианобактерий в воде путем снижения поступления фосфора и азота в водоем в условиях многолетнего накопления их в донных отложениях.
Клетки цианобактерий содержат полиэдральные тела или карбоксисомы, образованные молекулами ключевого фермента фотосинтеза рибулозо-дифосфаткарбоксилазы. В них локализуется значительная часть рибулозоднфосфаткарбоксилазы, которая обеспечивает способность большинства автотрофов ассимилировать углекислоту. При окрашивании метиленовым синим видны запасные зерна волютина (Горюнова, Демина, 1974) . Часто цианобактерий содержат гранулы, в которых находятся полифосфаты, т.е. способны запасать внутри клеток фосфор, что является их важным преимуществом. Характерной особенностью цианобактерий является синтез азотсодержащего запасного продукта, называемого цианофицином. В клетках он образует гранулы (диаметром до 1 мкм и более), известные под названием цианофициновых. Полагают, что цианофицин может служить источником азота при его недостатке в среде, а также использоваться цианобактериями в качестве источника энергии (для синтеза АТФ), когда их клетки находятся в темноте в анаэробных условиях (Громов, 1976).
Влияние токсинов цианобактерий на млекопитающих и человека
Результаты эпидемиологических исследований людей с симптомами отравлений доказывают, что причиной интоксикаций часто является присутствие цианобактерий в питьевой воде или в других источниках воды. Анализ этих материалов свидетельствует, что при желудочно-кишечных поражениях человека превалирующими симптомами являются: внезапный приступ тошноты, рвота, боль, диарея 1-4 дня, спазмы кишечника; при кожных поражениях - эритематозный папуловезикулярный дерматит, зуд, вздутие эпидермиса; конъюнктивиты (Горюнова, Демина, 1974; Lippy, Erb, 1976; Byth, 1980).
По данным различных авторов наибольшее количество смертельных случаев при остром поступлении цианотоксинов с водой наблюдается среди детей и больных, которые подвергаются в процессе лечения процедуре гемодиализа (Teixera et al, 1993; Jochimsen et al, 1998).
При хроническом поступлении цианотоксинов в малых дозах с водой могут развиваться заболевания печени. В эпидемиологических исследованиях было установлено, что в районах, где люди используют поверхностные водоемы (водохранилища и каналы), в которых развиваются цианобактерий, в качестве источников питьевого водоснабжения, наблюдается более высокий уровень первичного рака печени (Yu, 1989; Yu, 1995).
Существуют многочисленные сведения об отрицательных последствиях для здоровья у людей, купающихся в водоемах во время «цветения» воды (Cohen, Reif, 1953; Mittal et al, 1979; Pilotto et al, 1997). Результаты обследований свидетельствовали о таких проявлениях отравления как рвота, понос, гриппоподобное состояние, сыпь на коже, язвы на слизистой рта, повышение температуры, воспаление слизистой глаз, отит, проявляющиеся в течение 7 дней после воздействия. Зарегистрированы случаи конъюнктивита, которые особенно характерны для действия цианобактерий рода Aphanizomenon (Stepanek, Cervenka, 1974).
В Финляндии наблюдали негативные последствия для здоровья людей, при использовании воды, содержащей цианобактерий, в сауне. Клетки цианобактерий разрушаются в горячей воде, и температурноустойчивые микроцистины попадают в водяной пар и вдыхаются человеком (Salmela et al, 2001; Schembri et al, 2001). В экспериментах на мышах показана более высокая токсичность микроцистинов при ингаляционном поступлении (Codd et al, 1994).
Помимо желудочно-кишечных расстройств и аллергических заболеваний цианотоксины могут вызывать поражения нервной системы. Немаловажная причина гибели скота и домашних животных при воздействии токсинов цианобактерий - это острая нейроинтоксикация, приводящая к дыхательной недостаточности, поражению органов, что регистрируется после гибели. Приводили к гибели, вызывая нейроиитоксикацию, такие цианобактерий как Anabaena flos-aquae, An. circinalis, Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria spp. (Negri et al, 1995). В экспериментах на животных, после парентерального введения токсических доз у животных вначале наблюдают возбуждение, усиление двигательных реакций, сменяющихся угнетенным состоянием, слабостью, апатией, появлением учащенного дыхания, тахикардии, снижения артериального давления, клонических судорог, параличом конечностей, гибелью (Wheeler et al, 1942; Тец, 1964). Кроме того, недавно группе исследователей удалось выявить токсин (Р-ІЧ-метиламино-Ь-аланин), который выделяют практически все существующие цианобактерий и проследить взаимосвязь между потреблением этого токсина с продуктами питания и большим числом нейродегенеративных заболеваний, распространённых среди племени Чаморро, напоминающих по своему течению болезнь Альцгеймера (Сох et al, 2005). Механизмы действия цианотоксинов. В связи с разницей в клинических проявлениях при действии токсинов различных цианобактерий было предложено классифицировать цианотоксины по механизму их действия. Цианобактериальные токсины делятся на гепатотоксины, нейротоксины, цитотоксины (Runnegar et al, 1988). Характеристика механизмов действия цианотоксинов представлена в таблице 3.
К гепатотоксинам относят микроцистины (более шестидесяти видов циклических пептидов, состоящих из семи "неклассических" аминокислот) и нодулярины (состоящие из пяти аминокислот). Они являются высокоизбирательными ингибиторами фосфатазы белка печени, Группу нейротоксинов составляет анатоксин-а (алкалоид) и анатоксин-а (s) (органофосфат), гомоапатоксин-а и сакситоксин (паралитический яд моллюсков), - алкалоиды.
К цитотоксинам относят цилиндроспермопсин (циклический гуанидин, алкалоидный токсин), являющийся ингибитором протеиновых синтетаз, липополисахариды, дерматотоксины (Toxic ..., 1999).
Микроцистин по своей структуре представляет собой гептапептид, Описано более 80 структурных вариантов микроцистинов, которые отличаются степенью метилирования, гидроксилирования, изомеризации (Vaitomaa, 2006). Линейные варианты микроцистинов примерно в 100 раз менее токсичны, чем циклические. Предполагают, что линейные формы являются предшественниками циклических микроцистинов и/или продуктами их бактериального разрушения (Toxic ..., 1999).
Цианобактерий нескольких родов способны синтезировать микроцистины. Последние синтезируются лишь в тех клетках, где есть группа генов, кодирующих комплекс ферментов биосинтеза микроцистина. Микроцистины синтезируются внерибосомально с помощью пептидсинтетазного комплекса и сшивающих ферментов. Гены, кодирующие пептидазы, имеют модульное строение, и каждый модуль содержит информацию об одной субъединице синтетазы. Генетические последовательности этих ферментов имеются только у токсических видов. Имеется характеристика гена биосинтеза микроцистина в кластере Microcystis aeruginosa (кластер массой 55кб, состоящий из 10 открытых участков считывания в двух оперонах - тсу А-С и тсу D-Y). При мутации или повреждении гена синтеза токсина не происходит (Yoshida et al, 1997). Возможность цианобактерий продуцировать токсины определяются степенью экспрессии этих генов, а также влиянием окружающей среды.
В гептапептидах семейства микроцистина содержатся L- и D-аминокислоты (белковые) и нетипичные карбоновые аминокислоты (небелковые). Помимо этих кислот, в цикл гептапептидов данного семейства входят аспарагиновая, глутаминовая кислоты, аргинин, лейцин и др. Спектроскопические изучения выявили, несколько видов токсина микроцистина, различающихся по аминокислотам, завершающим его структуру.
Методика оценки содержания микроцистина в воде
Снижение соотношения N/P приводит в рамках данной модели к увеличению численности клеток цианобактерий, что находится в рамках гипотезы о низком соотношении N/P как факторе, способствующем развитию цианобактерий (Schindler, 1977; Smith, Bennett, 1999; Bulgakov, Levich, 1999).
Отрицательное влияние на численность цианобактерий оказывает в рамках данной модели повышение содержания ортофосфатов в воде. Возможно, этот эффект лежит в плоскости большей устойчивости цианобактерий к дефициту фосфора за счет способности запасать его- в клетках и использовать запасы, накопленные в донных отложениях за счет регуляции плавучести.
Положительное влияние на численность цианобактерий оказывает повышение среднемесячной температуры воздуха, однако, относительное значение этого фактора в данной модели невелико (статистика Вальда 7,6).
В целом, выявленная зависимость среднемесячной численности цианобактерий от взаимодействия факторов солнечной активности, проточности, соотношения N/P, содержания ортофосфатов в воде и среднемесячной температуры воздуха требует прояснения механизмов их воздействия и дальнейшего подтверждения статистическими данными.
Таким образом, при анализе динамики численности цианобактерий в Шершневском водохранилище выявлено, что в малопроточной части данного водоема ежегодно регистрируется массовое развитие цианобактерий, достигающее максимума - 200 - 300 млн.кл/л в июле-сентябре. При образовании нагонных явлений концентрация цианобактерий может достигать 8 млрд. кл./л. Это соответствует высокому уровню риска развития отравлений и неблагоприятных эффектов при купании людей, вызванных токсинами цианобактерий в соответствии с данными ВОЗ, при условии развития токсичных видов цианобактерий
Каким бы ни был разнообразным видовой состав, общую картину «цветения» определяют, чаще всего, 2-3 вида, а иногда даже один вид. За период исследований с 2004 по 2007 год мы наблюдали несколько вариантов развития процессов «цветения» водоема.
В 2004 году отбор проб проводили с конца июля по начало октября. В августе и до середины сентября доминировали цианобактерий рода Microcystis (М. aeruginosa Kutz.emend Elenk., М. wesenbergii Кот., M.flos-aquae (Wittr.) Kirchn., M.ichtyoblabe Kutz), а в начале октября — лидирующую позицию заняли цианобактерий рода Aphanizomenon (Aphanizomenonflos-aquae (L.) Ralfs.) (рис. 8).
В 2005 году картина цветения была похожей - присутствовали те же два основных доминанта - Aphanizomenon и Microcystis (Рис. 9). В первой половине лета 2005 г. доминировал Aphanizomenon, в июле Aphanizomenon и Microcystis давали отдельные пики численности, а с середины августа место доминанта прочно удерживает Microcystis. Второй вспышки развития Aphanizomenon не наблюдали.
2006 год ознаменовался стойким развитием Aphanizomenon flos-aquae (Рис. 10). Кроме того, наблюдали небольшой пик численности АпаЬаепа flos-aquae в конце июня. Цианобактерии рода Microcystis в течение лета занимают позицию субдоминанта и ни разу не захватывают лидирующего Рис.10. Смена доминантов цианобактерий в 2006г. положения. Однако, в конце лета появляется новый серьезный претендент на место доминанта - Oscillatoria agardhii Gom.
В 2007 году картина цветения снова изменяется (Рис. 11). В июле доминирует Aphanizomenon flos-aquae, в августе место доминанта делят между собой Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria agardhii. Сентябрь же представляет собой период господства Oscillatoria agardhii. Таким образом, осенью 2006 г, а особенно 2007 года, конкурентное преимущество в альгоценозе получала Oscillatoria agardhii
Подводя итоги анализа смены доминантов цианобактерий за период 2004-2007 гг, следует отметить следующие особенности. По составу доминантов между собой сходство обнаруживают 2004 и 2005 гг., а также 2006 и 2007 гг. Первый период характеризуется присутствием Aphanizomenon flos-aquae и цианобактерий рода Microcystis и периодической сменой их друг другом. В 2006-2007 годах в начале года присутствует пик развития Anabaena, затем доминирует Aphanizomenon flos-aquae и в конце лета появляется Oscillatoria agardhii. Следует отметить, что в данных по общей численности цианобактерий в воде наблюдается та же закономерность - 2004-2005 годы отличаются от 2007-2008 годов.
При анализе данных по доминированию разных видов цианобактерий за 2004-2007 гг. было выявлено, что смена доминантов-цианобактерий в Шершневском водохранилище в течение вегетационного периода подчиняется определенным закономерностям. Для проведения анализа, данные о дате отбора проб (в частности «день и месяц») были переведены в десятичный формат, т.е. 30 дней приравнивались к единице. Например, в таком виде 1 июня будет приравниваться к 6,0. На рисунке 12 в виде прямоугольников представлены 95 % доверительные интервалы средних значений времени доминирования различных видов цианобактерий в Шершневском водохранилище.
Влияние различных факторов па токсичность цианобактерий
Цианобактерий Oscillatoria agardhii доминировали в 3 пробах, взятых в сентябре 2007 года. Среднее значение ЛД50 было наименьшим среди исследованных видов, и разброс значений ЛД5о в этих пробах оказался очень незначительным (95% доверительный интервал 61-95 мг/кг). В связи с этим, в среднем пробы с доминированием цианобактерий вида Oscillatoria agardhii можно отнести к высокотоксичным в соответствии с классификацией ВОЗ.
Цианобактерий Anabaena flos-aquae также доминировали всего в трех отобранных нами пробах цианобактерий. Среднее значение ЛД5о составило 177 мг/кг. Однако, две из этих проб были отобраны из областей образования нагонных явлений, численность клеток в воде при этом составляла 4-8 млрд.кл/л. Это свидетельствует о том, что цианобактерий находились в специфических измененных условиях, что могло оказать влияние на их токсичность - за счет выброса токсинов в окружающую среду, самоотравления, снижения функциональной активности и продукции токсинов (ЛД50 в этих пробах составляли 196 и 285 мг/кг — умеренно токсично по классификации ВОЗ). Третья проба цианобактерий с доминированием Anabaena была отобрана в нормальных условиях, в отсутствие нагонных явлений и ЛД5о составила в ней 99,35 мг/кг, что свидетельствует о высокой токсичности. Различиями между первыми двумя и третьей пробой объясняется столь большой доверительный интервал среднего значения ЛД50 в данной выборке (47-668 мг/кг). В связи с этим, на основании полученных данных сложно сделать обоснованный вывод о средней токсичности проб цианобактерий при доминировании Anabaena flos-aquae.
Распределение значений ЛД50 в пробах с доминированием цианобактерий Aphanizomenon flos-aquae отличалось от других. На рисунке 20 мы видим наличие двух отдельных массивов данных, один из которых характеризуется низкой токсичностью, а другой — высокой. Распределение ЛД50 (мг/кг) проб цианобактерий Шершневского водохранилища с доминированием цианобактерий Aphanizomenon flos-aquae
При детальном анализе проб было выявлено, что низкая токсичность (ЛДзо выше 300 мг/кг) наблюдается в тех пробах, где присутствуют признаки деградации цианобактерий. Таковыми являлись: полное разрушение трихомов Aphanizomenon flos-aquae на отдельные клетки, случаи регистрации голубой окраски массы цианобактерий при отборе проб, наличие синих гранул в клетках, которые сигнализируют о разрушении пигментного аппарата.
Таким образом, можно сделать вывод, что снижение жизнеспособности цианобактерий приводит к уменьшению их токсичности. В связи с этим, мы приняли решение исключить данные пробы из последующего анализа влияния различных факторов на токсичность цианобактерий. Среднее значение ЛД5о в пробах с отсутствием признаков деградации 86 мг/кг (95% доверительный интервал 67-110 мг/кг), на основании этого пробы цианобактерий с доминированием Aphanizomenon flos-aquae и отсутствием признаков деградации клеток могут быть отнесены к высокотоксичным в соответствии с классификацией ВОЗ.
Кроме того, литературные данные свидетельствуют о том, что при разрушении клеток цианобактерий происходит выброс токсинов из клеток в воду (Toxic ..., 1999). В связи с этим снижение токсичности проб цианобактерий (ЛД5о выше 300 мг/кг) при наличии признаков деградации клеток не является признаком снижения опасности употребления такой воды для питья или рекреационного использования, т.к. токсины переходят во внеклеточную фракцию.
В случае кодоминирования нескольких родов цианобактерий в пробе среднее ЛД5о составило 129 мг/кг (95% доверительный интервал 96-174 мг/кг). Таким образом, в среднем пробы с доминированием нескольких родов цианобактерий могут быть охарактеризованы по классификации ВОЗ как умеренно токсичные.
При сравнении 95% доверительных интервалов средних значений ЛД50 цианобактерий разных родов видно (без учета проб Aphanizomenon с признаками деградации), что все они перекрываются со средними значениями других родов цианобактерий. Следовательно, можно сделать вывод, что цианобактерий Шершневского водохранилища родов Microcystis, Aphanizomenon, Oscillatoria и Anabaena сопоставимы между собой по токсичности.
При проведении регрессионного анализа было выявлено, что достоверное влияние на токсичность цианобактерий оказывает концентрация клеток цианобактерий в воде (R=0,64; R=0,41; F=15,6; р=0,001). При увеличении концентрации клеток величина ЛД50 увеличивалась, т.е. происходило снижение токсичности. Однако, соответствующий характер зависимости определяется наличием в массиве данных двух точек, характеризующих пробы, отобранные в местах образования нагонных явлений.
Очевидно, при образовании нагонных явлений токсичность цианобактерий снижается. Возможно, это происходит за счет выделения токсинов в воду и за счет снижения продукции токсинов. Это. хорошо согласуется с литературными данными о том, что при выходе в стационарную фазу роста снижается содержание токсинов в клетках цианобактерий (Toxic ..., 1999).
В связи с этим было принято решение исключить данные, характеризующие токсичность цианобактерий в местах образовании нагонных явлений из дальнейшего анализа влияния факторов на1 токсичность цианобактерий.
