Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Характеристика района исследования... 15
1.1. Эколого-географические особенности района исследования 15
1.2. Характеристика источников выбросов 25
1.3. История изучения мелких млекопитающих в районе исследования 27
ГЛАВА 2. Материал и методы 33
2.1. Материал и методы полевых исследований 33
2.2. Камеральная обработка материала 42
ГЛАВА 3. Оценка уровней загрязнения ключевых участков района исследования 50
3.1. Накопление тяжелых металлов в природных депонирующих средах 50
3.2. Накопление тяжелых металлов в организме мелких млекопитающих 60
ГЛАВА 4. Структура и численность населения мелких млекопитающих в районе исследования 72
ГЛАВА 5. Динамика и структура популяции рыжей полевки 76
5.1. Динамика плотности популяции, популяционный цикл 76
5.2. Динамика репродуктивно-возрастной структуры популяции 79
5.3. Репродуктивные характеристики самок рыжей полевки 86
ГЛАВА 6. Морфофизиологические характеристики самцов рыжей полевки при разных уровнях токсической нагрузки 92
ГЛАВА 7. Микроструктура семенников рыжей полевки в градиенте химического загрязнения 96
7.1. Возрастные и сезонные изменения в семенниках 98
7.2. Патоморфологические изменения в семенниках 108
Заключение и выводы 117
Литература
- Характеристика источников выбросов
- Камеральная обработка материала
- Накопление тяжелых металлов в организме мелких млекопитающих
- Динамика репродуктивно-возрастной структуры популяции
Введение к работе
Средний Урал в целом и Свердловская область в том числе, как территории с высоким уровнем развития индустрии, являются зоной высокого промышленного загрязнения, что представляет большую опасность для окружающей среды, включая человека. Концентрация промышленного производства в Свердловской области превышает средний уровень по Российской Федерации в 4.6 раза. Из 32 млн. т. вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями России, 9% приходится на предприятия Свердловской области. Происходит деградация экосистем, появляются зоны, опасные для проживания людей. Основные факторы возникновения таких зон связаны с историей хозяйственного освоения территории и ее некоторыми природными особенностями. Специфика развития хозяйства заключается не только в концентрации предприятий горнодобывающей промышленности, металлурго-химического комплекса и топливной энергетики, но и исторически обусловленном размещении промышленных предприятий вблизи проживания населения (рис. 1). Ситуация, сложившаяся в ряде промышленных центров, характеризуется комплексным воздействием на экосистемы, как прямым изменением ее отдельных компонентов, так и опосредованным, через загрязнение вредными веществами воздуха, воды и почвы. Особенно неблагоприятная ситуация складывается в районах размещения предприятий цветной и черной металлургии. Многолетнее загрязнение окружающей среды неорганическими химическими веществами, в первую очередь тяжелыми металлами, привело к формированию техногенных геохимических зон, площадью до 150-300 кв. км.
Влияние промышленного загрязнения, в частности, химического на живые организмы является предметом исследования активно развивающегося научного направления - экологической токсикологии (экотоксикологии). Характерная особенность этого направления заключается в том, что она, в отличие от традиционной медицинской токсикологии, изучает токсические
эффекты на живых организмах из природной среды как на организменном, так и на популяционном и биоценотическом уровнях. Важно, что при изучении токсических эффектов систем надорганизменного уровня возрастает значение окружающей среды как активного фактора, влияющего на поведение экотоксикантов и на проявление токсических эффектов (Безель и др., 1994; Экологическая токсикология, 2001).
Рис. 1. Фрагмент экологической карты Свердловской области (масштаб 1:2500000) (Составитель к.г.н. В.Г. Капустин / УрГПУ, топооснова Уральского аэрогеодезического предприятия Роскартографии, 1992). Кругами выделены центры загрязнения атмосферного воздуха; техногенные геохимические зоны экологического неблагополучия с постоянным превышением ПДК вредных веществ показаны мелкой штриховкой.
Изучение структурно-функциональной организации наземных экосистем, динамики популяций и механизмов их устойчивости является одним из приоритетных направлений фундаментальных исследований в области биологии. В рамках этого направления изучается влияние природных и антропогенных факторов на структуру и динамику популяций животных.
Из известных определений «популяции», в первую очередь, как совокупности особей одного вида ясно, что она характеризуется численностью составляющих ее особей, их определенным размещением и имеет структуру -возрастную, половую, размерную, генетическую и другие (Тимофеев-Ресовский и др., 1973; Майр, 1974; Шилов, 1977; Солбриг О., Солбриг Д., 1982; Алтухов, 1983). У популяции, системы надорганизменного уровня, имеется и специфическая деятельность, аналогичная специфической деятельности животного или растительного организма, органов тканей, клеток, т.е. функции. Изменение любого популяционного параметра, или комплекса параметров во времени (его динамику), можно рассматривать как осуществление, выполнение функции. Представление о динамике популяции как связующем звене между структурой и функцией популяции позволяет взглянуть на многие вопросы, касающиеся ее, как со стороны структурных начал популяции, так и со стороны функционирования популяции. Важным представляется не динамика популяции как самостоятельное явление, а осуществляемые посредством ее функции. Основополагающей функцией популяции является непрерывное существование в течение максимально возможного промежутка времени.
С точки зрения на популяцию как форму существования вида и элементарную единицу его эволюционного преобразования, она способна к развитию во времени и в пространстве, самовоспроизведению, трансформации и изменению ареала (Тимофеев-Ресовский и др., 1969). Экологический аспект популяционной биологии в отличие от генетико-эволюционного заключается в изучении «повседневной» жизни популяции как формы существования вида в составе конкретных экосистем (Шилов, 1997). Сторонником экологического аспекта И.А. Шиловым (1977, 1997), популяция определяется как система надорганизменного уровня, обладающая многообразными функциями, способная осуществлять эти функции в сложных и динамичных условиях среды (в том числе и в условиях техногенной трансформации), сохраняя свою целостность и самостоятельность во времени и в пространстве. В экологической трактовке единство существования и функционирования
популяции как целостной единицы видового населения формируется на базе внутрипопуляционных взаимодействий. Свойства целостности популяции наиболее четко проявляются в процессе воспроизводства (репродукции), которое у высших позвоночных возможно благодаря бисексуальности составляющих ее особей. Измеряемым параметром воспроизводства популяции служит рождаемость - интенсивность процесса появления новых особей в популяции за счет размножения. Рождаемость, зависимая от числа особей, принимающих участие в размножении, от плодовитости размножающихся особей, от частоты репродуктивных циклов и т.д. является специфическим свойством популяции в числе прочих специфических свойств, которыми не обладают отдельные организмы данного вида.
Для изучения влияния химического загрязнения на параметры воспроизводства природной популяции необходимо изучать репродуктивный вклад как самок, так и самцов.
В воспроизводстве популяции мелких млекопитающих роли между полами распределены следующим образом: созревшие самцы, обладающие «монотонным» функционированием репродуктивной системы в течение всего генеративного периода, являются стабильным звеном в процессе размножения; тогда как самки обеспечивают его подвижность. Самка осуществляет регуляцию плодовитости, формирует будущую продуктивность популяции благодаря:
-подвижному эстральному циклу (от 2 до 7 дней у мышевидных грызунов) (Смирнов, 1968),
-способности прерывать беременность практически на любой стадии,
-способности изменять продолжительность межродовых промежутков (от возможного спаривания в день родов до спаривания после окончания лактации),
-поведенческим реакциям (от родительской заботы о потомстве до поедания выводка).
В популяционных исследованиях самки отвечают за большую часть традиционно рассматриваемых репродуктивных параметров, таких как число размножающихся особей, скорость полового созревания, продолжительность репродуктивного периода, количество пометов, приносимых самкой в течение репродуктивного периода, длительность межродовых промежутков, потенциальная и реализованная плодовитость (желтые тела беременности, эмбрионы, плацентарные пятна).
Вклад самцов в общую картину воспроизводства популяции чаще всего выражается в единственном однозначном показателе - числе размножающихся особей. Такие же параметры как скорость полового созревания и продолжительность репродуктивного периода требуют выяснения их синхронизации у самок и самцов разных репродуктивно-возрастных групп (перезимовавших особей и сеголеток).
В экотоксикологических исследованиях самцы мелких млекопитающих, из-за отсутствия полового цикла и многочисленных, механизмов регулирования воспроизводства, присущих самкам, являются более предпочтительным объектом. Несмотря на это, интерпретация ответа репродуктивной системы самцов мелких млекопитающих, подверженных хроническому химическому воздействию, до сих пор неоднозначна. Преобладает мнение об уязвимости тестикул: в многочисленных токсикологических работах (Parizek, 1983; Nolan, Scaikh, 1986; Sugawara et al, 1989; Chubb, 1992; и др.) описаны патоморфологические изменения в семенниках, которые авторы связывают с превышением уровней накопления тяжелых металлов. Значительно меньше работ, где показана устойчивость микроструктурных компонентов семенников мелких млекопитающих к химическому воздействию (Damek-Poprava, Sawicka-Kapusta, 2004).
Констатация наличия/отсутствия нарушений микроструктуры семенника позволяет оценить потенциальную фертильность самцов в условиях трансформированных местообитаний. Для оценки реализованной плодовитости самцов необходим системный анализ их репродукции (микроструктура
семенника - качество спермы - успешность спаривания - жизнеспособность выводка), возможный только в лабораторном эксперименте. Косвенную оценку можно получить, анализируя динамику популяции, в которую включены и репродуктивные характеристики (в том числе морфологические) составляющих популяцию особей. Сопоставление фактов, полученных на популяционном и онтогенетическом уровнях, дает возможность изучения механизмов реакции мелких млекопитающих на хроническое химическое загрязнение.
Мелкие наземные млекопитающие - одна из наиболее изученных групп живых организмов. Благодаря высокой численности, интенсивному размножению, оседлости и небольшому участку обитания, интенсивному обмену веществ, высокой чувствительности к внешним агентам, а также простоте в проведении наблюдений (отловов) мелкие млекопитающие являются незаменимым инструментом экологического мониторинга (Лозановская и др., 1998; Система мониторинговых наблюдений ..., 2005). Как обитатели поверхности и приповерхностных слоев почвы, они первыми вступают в контакт с вредными веществами, накапливаемыми субстратом, реагируют на воздействие того или иного вещества и могут служить для биоиндикационных целей.
На основе требований, предъявляемых к мелким млекопитающим как индикаторам химического загрязнения, в качестве объекта исследования выбрана рыжая полевка (Clethrionomys glareolus Schreber, 1780) - эвритопный вид, обитающий на обширных пространствах лесной и лесостепной зон Евразии (Виноградов, 1952) и зачастую доминирующий в сообществах мышевидных грызунов.
Методологической основой изучения репродуктивного состояния самцов в нашей работе был комплексный многоуровневый подход, который подразумевает рассмотрение вопросов, связанных с размножением, на разных уровнях организации живого (Билич и др., 1999). При этом разноуровневыми оказываются как рассматриваемые объекты - популяция, отдельные организмы, органы животных и их морфофункциональные единицы, ткани и клетки, так и
используемые при их изучении методы - популяционные, органометрические, гистологические (табл. 1).
Первичная информация о репродуктивном состоянии особи формируется, прежде всего, на основе габитуса животного и анализа его морфометрических и морфологических характеристик. Такое исследование включает в себя взвешивание и измерение линейных промеров, осмотр и описание наружных половых органов (для самцов определяется степень развития препуция и скротума) и не требует вскрытия животного. Зная видовые характеристики половозрелых особей, можно судить о степени зрелости животного и на основе этого делать заключение о возможном участии в размножении. Однако многие морфометрические и морфологические параметры являются видоспецифичными; и если для модельных видов, таких как рыжая полевка, они известны и приводятся в литературе (Европейская рыжая полевка, 1981), то у редких или малоизученных видов они не определены. На основе одних внешних признаков нельзя дать оценку качества функционирования репродуктивной системы. Кроме того, существует большая вероятность ошибки при дифференцировке созревающих особей.
После вскрытия животного используются методы органометрии гонад и придаточных желез. Исследуемыми параметрами в этом случае являются масса и размеры семенников, их тургор, высота семенных пузырьков, степень развития куперовой железы, наполненность эпидидимиса. Визуализация и измерение внутренних генеративных органов самца дает возможность более точной дифференцировки животных на репродуктивно-возрастные группы, а также обнаружения глубоких патологических изменений и явной асимметрии тестикул. И в этом случае можно наблюдать видоспецифичные черты системы размножения животных: например, различия индексов семенников, морфологии развитых семенных пузырьков у разных видов мышевидных грызунов и т.д.
Методы гистологического анализа соответствуют клеточно-тканевому уровню изучения репродуктивной системы и позволяют определить стадию развития семенника (эпителио-сперматогенного слоя), соответственно, определить репродуктивно-возрастное состояние животного; дают возможность регистрировать нормальное функционирование семенников или выявить нарушения. Микроструктура гонад и схема сперматогенеза универсальны для млекопитающих. У рыжей полевки схема сперматогенеза также стандартна и описана еще Роулендсом в 1936 году (Европейская рыжая полевка, 1981). Специфические черты отдельных видов проявляются в продолжительности сперматогенного цикла (Рузен-Ранге, 1980); в строении отдельных клеток, например, головки сперматозоидов, форма и размер которой является диагностическим признаком в таксономии (Аксенова, 1973, 1978; Lehmann, Schaefer, 1974; Дмитриев и др., 1991; Баскевич, 1997); в различиях диаметров семенных канальцев (Спивакова, 1988) и др. Значительный объем информации и точность делают гистологический анализ ключевым для выяснения репродуктивного статуса самцов популяций в естественных и нарушенных местообитаниях.
Таблица 1. Методы исследования
В процессе нашей работы сложилось представление о проводимом исследовании как эколого-гистологическом. Термин предложен Ю.Н. Олейником (2003), изучавшим в таком же ключе эндокринную систему млекопитающих. Исходя из вышесказанного, были сформулированы цель и задачи работы.
Цель работы - анализ микроструктуры семенников рыжей полевки природной популяции для оценки влияния хронического химического загрязнения на репродуктивную функцию самцов.
Для выполнения работы поставлены следующие задачи:
Определение уровней химического загрязнения участков, на которых проводились исследования мелких млекопитающих; сопоставление степени их загрязнения с фоновыми и импактными территориями Уральского региона.
Анализ накопления тяжелых металлов в организме рыжей полевки.
3. Исследование структуры сообществ мелких млекопитающих и
демографический анализ популяции рыжей полевки, подверженных действию
хронического химического загрязнения.
Сравнение морфофизиологических показателей самцов рыжей полевки фоновых и загрязненных местообитаний.
Анализ нормальных и патоморфологических изменений в семенниках рыжей полевки, обитающей в условиях хронического химического загрязнения.
Сравнение микроструктуры семенников рыжей полевки, населяющей территории с различным уровнем химического загрязнения среды.
Научная новизна и теоретическая значимость. Впервые на основе многолетнего исследования природных популяций мелких млекопитающих, обитающих в условиях хронического химического загрязнения, проведен комплексный анализ изменений микроструктуры семенников животных как на онтогенетическом уровне (в связи с возрастом, репродуктивным статусом, индивидуальным уровнем накопления тяжелых металлов), так и на популяционно-ценотическом (в связи с фазой популяционного цикла и уровнем токсической нагрузки). Показана устойчивость к токсической нагрузке
морфофункциональной единицы семенника - извитых семенных канальцев, что определяет способность самцов реализовывать репродуктивную функцию при химическом загрязнении.
Проведенные исследования позволили сформулировать положения, выносимые на защиту:
При анализе патоморфологических изменений в семеннике необходим дифференцированный подход, учитывающий свойства и функции структурных компонентов органа - оболочек, извитых семенных канальцев, интерстициальной ткани, системы микроциркуляции крови.
Семенник, благодаря своим микроструктурным свойствам (в первую очередь, наличию гематотестикулярного барьера), проявляет значительную устойчивость к хроническому химическому загрязнению. Наиболее защищенными являются извитые семенные канальцы, способные сохранять свою целостность при глубоких поражениях микроциркуляторного русла крови и интерстиция. Защищенность и устойчивости генеративного компонента семенника определяет сохранение репродуктивной функции в критических условиях.
Исследования выполнялись в рамках темы НИР лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ УрО РАН «Механизмы реакции наземных экосистем на токсическую нагрузку: роль экологической специфики видов» (№ гос. регистрации 01.2.006 13360); гранта №06-04-48359 Российского Фонда Фундаментальных Исследований.
Результаты исследований представлены в виде экспертного заключения при выполнении научно-хозяйственного договора с Администрацией г. Кировграда Свердловской области по теме: «Проведение экологического мониторинга животного мира с использованием мелких млекопитающих, населяющих территории на разном удалении от предприятия «Производство полиметаллов» г. Кировграда, филиала ОАО «Уралэлектромедь»». Материалы работы используются в курсах анатомии и гистологии животных, преподаваемых в Уральской государственной сельскохозяйственной академии.
Благодарности.
Благодарю за всемерную поддержку моего научного руководителя, д.б.н. Е.Л. Воробейчика и научного консультанта, заслуженного деятеля науки РФ, д.вет.н., профессора Л.И. Дроздову.
Благодарю к.г.н. Н.С. Исакова, к.б.н. Н.Е. Колчеву, д.б.н. О.А. Жигальского и к.б.н. В.П. Мамину, без которых эта работа бы не состоялась.
Выражаю свою искреннюю признательность:
коллегам, совместно с которыми проводились экспедиционные работы -к.б.н. СВ. Мухачевой, Т.Ю. Сурковой, к.б.н. А.Р. Карагезяну, к.б.н. И.А. Кшнясеву, к.б.н. К.И. Бердюгину, к.б.н. И.А. Кузнецовой, к.б.н. Л.Е. Лукьяновой, И.Ф. Вурдовой, к.б.н. СЮ. Кайгородовой, к.б.н. Д.В. Нуртдиновой, а также студентам и школьникам - И.А. Литовскому, О.А. Новиковой, Н.И. Ажгибесову, СР. Хантемировой.
моим постоянным соавторам - к.б.н. И.А. Кшнясеву, к.б.н. Э.А. Тарахтий, к.б.н. СВ. Мухачевой;
коллегам, участвовавшим в обработке материалов - к.б.н. СВ. Мухачевой, к.б.н. СЮ. Кайгородовой, к.б.н. И.А. Кшнясеву, О.Е. Сушенцову, О.В. Дуле, Ю.Г. Смирнову;
Э.Х. Ахуновой, выполнившей аналитические работы по определению тяжелых металлов;
коллегам, участвовавшим в обсуждении материалов работы - д.б.н., профессору B.C. Безелю, к.б.н. К.И. Бердюгину, к.б.н. О.Г. Гуляевой, к.б.н. Е.Ю. Захаровой, к.б.н. Н.Е. Колчевой, к.б.н. И.Н. Михайловой, д.б.н. В.Г. Монахову, к.б.н. СВ. Мухачевой, д.б.н. Г.В. Оленеву, к.б.н. В.И. Стариченко, к.б.н. Э.А. Тарахтий, д.б.н. И.М. Хохуткину, к.б.н. М.В. Чибиряку.
Благодарю своих коллег - сотрудников лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ УрО РАН и кафедры анатомии и гистологии УрГСХА за участие и поддержку.
Выражаю свою благодарность администрации Висимского государственного природного биосферного заповедника - А.С Мишину, Ю.Ф.
Марину, сотрудникам научного отдела - Н.Л. Уховой, Н.В. Беляевой, Р.З. Сибгатуллину и сотрудникам лесного отдела - СЮ. Зоркову, В.В. Шевелеву, О.Ф. Заржецкому, В.И. Сомову, А.Н. Галкину за поддержку и помощь при проведении полевых работ.
Характеристика источников выбросов
Кировградский медеплавильный комбинат - один из старейших заводов Урала. Современное название предприятия - «Производство полиметаллов», филиал ОАО «Уралэлектромедь». Длительность его воздействия на экосистемы на настоящий момент составляет более 90 лет. Верхнетагильская ГРЭС действует уже в течение 50 лет. В составе выбросов медеплавильного комбината преобладает сернистый ангидрид, а в выбросах электростанции неорганической пыли среди тяжелых металлов преобладает свинец, тогда как на других предприятиях выше относительная доля меди и цинка. Общая масса выбросов КМК и Верхнетагильской ГРЭС составляла в период стабильной экономической ситуации в конце 80-х годов XX века 230625 т/год и снизилась в 1993 г. до 119658 т/год. Суммарные объемы выбросов этих двух предприятий превышают объемы выбросов Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗа), Красноуральского медеплавильного комбината (ОАО «Святогор») и достигают значений выбросов Карабашского медеплавильного комбината -одного из крупнейших предприятий России (табл. 2).
Можно предполагать, что распространение ореолов рассеяния тяжелых металлов и протяженность зон локальной техногенной нагрузки сопоставимы с таковыми для хорошо изученных территорий вокруг СУМЗа и Карабашского комбината, где загрязнение достигает региональных фоновых значений на расстоянии 20-40 км от предприятий в сторону минимальных переносов (Воробейчик и др., 1994; Комплексная экологическая оценка ..., 1992).
Изучение мелких млекопитающих на территории Висимского заповедника имеет длительную историю (табл. 3, рис. 5), которая может составить предмет отдельного исследования. Рыжая полевка впервые упоминается в работах по инвентаризации териофауны заповедника, начавшейся с его организацией в 1946 г. В монографию, посвященную рыжей полевке (Европейская рыжая полевка, 1981), и ставшую уже классическим справочным изданием, вошли материалы «висимских» зоологических учетов (1948-1949 гг.) М.Я. Марвина. Им отмечались не только присущая рыжей полевке эвритопность, но и доминирующий характер распространения (Марвин, 1959).
Дальнейшее комплексное исследование биоты заповедника было связано с созданием и функционированием Среднеуральского горно-лесного биогеоценологического стационара (СУБСа), организатором и научным руководителем которого являлся член-кор. АН СССР Б.П. Колесников. В «Очерке природы Висимского государственного заповедника» (Турков, Колесников, 1977) дан краткий обзор фауны заповедника. Из млекопитающих наиболее массовым по численности и видовому разнообразию является отряд грызунов и, прежде всего, полевки. Отмечалась подверженность численности полевок резким колебаниям, и подчеркивался интерес к популяционным исследованиям и изучению роли этих животных в природных комплексах.
С 1974 по 1995 гг. мышевидные грызуны были объектом масштабных (более 40 учетных линий, охватывающих все основные типы местообитаний заповедника) фаунистических наблюдений К.И. Бердюгина. Цель этих работ -установление состава исходных сообществ грызунов южной тайги среднеуральского низкогорья, изучение их биотопического распределения, а также анализ изменений структуры сообществ в производных лесных местообитаниях, сформировавшихся на вырубках и гарях. В результате была оценена относительная численность мелких млекопитающих, ее межгодовая динамика, доля видов в отловах, их биотопическая приуроченность (Бердюгин, 1975,1976,1996; Бердюгин и др., 1996; Бердюгин и др., 2000). Опубликованные результаты исследований грызунов на этой территории в конце 40-х годов (Марвин, 1959) позволили оценить тенденции изменения сообществ за почти полувековой период. Показано, что в сообществе грызунов Висимского заповедника произошли существенные изменения, уменьшилась доля серых полевок, увеличилась доля лесных полевок, среди последних возросла роль рыжей полевки. Деканные изменения (изменения за несколько десятилетий) выразились в уменьшении показателей разнообразия и увеличения показателей доминирования преобладающего вида в сообществах (Бердюгин, 1996; Бердюгин и др. 1996). К.И. Бердюгиным были заложены учетные линии, спланированы и организованы работы по мониторингу за населением мелких млекопитающих на ландшафтно-экологическом профиле и площадке мечения.
С 1982 г. в рамках программы «Летопись природы» учеты мелких млекопитающих ведет Ю.Ф. Марин с целью мониторинга видового состава и численности. Постоянные учетные линии (ПУЛы) располагаются в пределах одного лесоустроительного выдела и характеризуют как коренные леса, так и нарушенные предыдущей антропогенной деятельностью местообитания (кварталы 97, 112, 9, 18 по лесоустройству 2000 г.). Опубликовано несколько фаунистических сводок (Марин, 1987, 19926, 2001), создана обширная база данных. В настоящее время Ю.Ф. Марин координирует все зоологические исследования на территории заповедника.
В течение 8 лет в условиях стационара, расположенного в пойме р. Медвежья (69 квартал по лесоустройству 1986 г., 72 квартал по лесоустройству 2000 г.) исследования фауны и популяционной экологии землероек проводила Л.П. Шарова (Шарова, Кузнецова, 1987; Шарова, 1989; Шарова и др., 1996; Большаков и др., 1996; Кузнецова и др., 1996; Бердюгин и др., 1996, 2000). Отловы велись на участках коренных елово-пихтовых и производных березовых лесов.
Камеральная обработка материала
Определение уровней загрязнения в депонирующих средах осуществлялось в лабораторных условиях и заключалось в пробоподготовке и измерении содержания тяжелых металлов.
Снеговой покров. После таяния снега при температуре +22С (время таяния 24-30 часов) пробу фильтровали через фильтр «зеленая лента», фильтр высушивали до постоянной массы при температуре +105С, взвешивали на аналитических весах KERN-770 с точностью 0.00001 г и озоляли в муфельной печи при температуре +450С в течение 8 часов. Экстракцию тяжелых металлов из прокаленного остатка проводили концентрированной азотной кислотой методом микроволнового разложения. Фильтрат (аликвота 250 мл) выпаривали на песочной бане до сухого остатка, который смывали 25% азотной кислотой и доводили объем деионизированной водой до 20 мл. Валовое содержание тяжелых металлов в снеге рассчитано как сумма водорастворимых и кислоторастворимых форм.
Почвенный покров. Пробоподготовка подстилок и почв проведена согласно общепринятой методике (Аринушкина, 1962). Измерения рНВ0ДНЫЙ проведены на потенциометре рН-410 при соотношении субстрат/вода 1:25 для подстилок и 1:5 для минеральных горизонтов. Подвижные формы тяжелых металлов из образцов массой 2.000 г экстрагированы 20 мл 5% азотной кислотой встряхиванием пробы в течение 1 часа и отстаиванием в течение 24 часов. Затем растворы отфильтрованы через фильтр «красная лента».
Мелкие млекопитающие. Выбор тканей животных для анализа определялся преимущественным депонированием в них токсикантов: свинца - в скелете, кадмия - в почках и печени (Ершов, Плетнева, 1989). Печень, почки и очищенные от мышц кости задних конечностей высушивали в сушильном шкафу до абсолютно сухой массы. Образцы взвешивали на аналитических весах KERN-770 с точностью 0.00001 г и озоляли методом мокрой минерализации в концентрированной азотной кислоте с использованием микроволнового разложения. Объем кислоты составлял 5 мл, до окончательного объема (10 мл) пробы доводили деионизированной водой. Проанализировано 184 образца (86 особей), в том числе 73 - скелета, 86 -почек, 25 - печени.
Для сравнительного анализа концентраций изученных элементов в организмах особей рыжей полевки привлечены данные, полученные ранее для района Среднеуральского медеплавильного завода: 1519 образцов (877 особей), в том числе 665 - скелета, 479 - печени, 268 - почек, 479 печени, 88 семенников, 19 везикул (семенных пузырьков). Подробное описание этого материала дано ранее (Мухачева, Безель, 1995; Мухачева, 1996; Мухачева, Тарахтий, 2004).
Материал для анализа (15 особей) по фоновом участку Свердловской области (дер. Шигаево) предоставлен группой популяционной цитогенетики ИЭРиЖ УрО РАН (д.б.н. Э.А. Гилева, СБ. Ракитин).
Измерение содержания тяжелых металлов. Концентрации тяжелых металлов в образцах определены методом атомной абсорбции на спектрометре AAS 6 Vario фирмы «Analitik Jena AG» с использованием пламенного и электротермического варианта атомизации в лаборатории популяционной экотоксикологии ИЭРиЖ УрО РАН. Аналитическая лаборатория аккредитована на техническую компетентность и зарегистрирована в государственном реестре РФ (№ POCC.RU0001.515630).
Камеральная обработка зоологического материала. В лабораторных условиях по краниометрическим и одонтологическим признакам уточняли вид животного (Млекопитающие Свердловской области, 2000) и его принадлежность к репродуктивно-возрастной группе (Оленев, 1989). При затруднениях в дифференцировке перезимовавших особей и половозрелых сеголеток, отловленных в конце лета, точное определение репродуктивно-возрастного состояния зверьков сделано по черепным признакам: стертости жевательной поверхности зубов, соотношению высоты коронки и длины корня второго моляра (Оленев, 1989), морфологическим особенностям черепа.
Для морфофизиологического анализа самцов рыжей полевки при разных уровнях численности использовали метод морфофизиологических индикаторов (Шварц и др., 1968). Данный метод позволяет получить косвенную оценку физиологического состояния животных при разных условиях среды. В работе рассматривали абсолютные размеры семенников и их органометрические индексы, отношение массы органа (мг) к массе тела (г), выраженные в промилле.
Методы гистологического исследования. Для анализа микроструктуры семенников рыжей полевки использовали методы гистологического исследования, включающего в себя подготовку выбранного объекта для микроскопирования, световую микроскопию, качественный и количественный анализ изображений (Лилли, 1969; Ташке, 1980; Гистология, 2002).
Подготовка к гистологическому анализу заключалась в приготовлении гистологических препаратов семенников, для этого отпрепарированные органы фиксировали, затем готовили парафиновые блоки и срезы. Фиксация осуществлялась в полевых условиях; в качестве фиксирующего вещества использовался формалин (40%-ный раствор формальдегида). Применялось следующее разведение: 1 часть формалина и 9 частей недистиллированной воды (Роскин, 1951). Для приготовления срезов семенники заключали в парафиновые блоки. Фиксированные объекты предварительно подвергали промывке, обезвоживанию (проводили по спиртам восходящей концентрации), пропитыванию промежуточной средой (ксилолом), пропитыванию парафином.
Накопление тяжелых металлов в организме мелких млекопитающих
Высокое содержание тяжелых металлов в почве и подстилке в районе горы Большой Сутук Сутукского участка создает предпосылки для их повышенного поступления в организм животных, обитающих на этой территории. Среди широкого спектра тяжелых металлов, загрязняющих природную среду (Yeavy metals ..., 1995; A comparison of heavy metal ..., 1996)., мы остановились на свинце и кадмии - наиболее технофильных элементах, негативное действие которых на организм млекопитающих широко известно. Сравнительные данные о концентрациях этих элементов в органах-депо особей рыжей полевки из относительно «чистых» (фоновых) участков, удаленных на значительные расстояния от локальных источников техногенного загрязнения, представлены в таблице 12.
Хорошо известно, что концентрации свинца и кадмия в депонирующих органах сильно зависят от возраста животных, а также их пола и физиологического состояния. В большинстве работ информация по уровням накопления тяжелых металлов для рыжей полевки приведена только для неполовозрелых сеголеток. Поэтому для сравнения собственные данные (табл. 12,13) также приведены для зверьков этой функционально-возрастной группы. В большинстве цитируемых работ анализируемая выборка составляет 10-15 экземпляров. Собственные данные основаны на результатах более многочисленных индивидуальных анализов: на Сутукском участке (пробная площадь БС-3) в зависимости от анализируемого органа выборка включала 25-43 экз., в окрестностях СУМЗа - от 15-30 (для импактной зоны) до 85-190 (для фонового участка).
На основании представленных материалов можно заключить, что значения, зарегистрированные у зверьков на фоновых территориях Среднего Урала (в том числе, в районе горы Малый Сутук Сутукского участка), сравнимы со значениями фоновых участков Восточной Европы (Беловежская пуща), прилегающих к территориям с интенсивным развитием промышленности, но выше, чем в Северной Европе.
Концентрации токсикантов в депонирующих органах рыжей полевки с площади БС-3 Сутукского участка в 1.5-3.9 раза превышают значения регионального фона и приближаются к уровням, зарегистрированным другими авторами для индустриальных районов Европы (табл. 12). В целом, величины накопления свинца и кадмия на площади БС-3 можно охарактеризовать как средние (буферные) значения, которые обычно отмечаются у зверьков, населяющих территории на удалении 5-15 км от мощных источников загрязнения.
Известно, что неполовозрелые животные составляют наиболее устойчивую часть популяции, их основная «функция» - с наименьшими потерями пережить неблагоприятные периоды (в том числе, зимовку). Интенсивность метаболизма у зверьков этой группы ниже по сравнению с размножающимися животными двух других функционально-возрастных групп (Оленев, 1989). Кроме того, в зимний период происходят существенные изменения как в кормовом спектре, так и в длительности непосредственного контакта животных с поллютантом (за счет незначительного времени пребывания полевок на поверхности снежного покрова). Поэтому логично предположить, что в течение зимовки, с одной стороны, темпы накопления токсикантов снижаются, с другой - из населения элиминируются «пораженные» особи с повышенным содержанием токсикантов в организме. Косвенно об этом свидетельствует тот факт, что концентрации в октябре у зверьков, «уходящих» в зиму, близки к обнаруженным у успешно перезимовавших особей в апреле-мае.
Весной начинается интенсивный рост зверьков, они в короткие сроки достигают размеров взрослых животных и практически все приступают к размножению. Уровень метаболизма у таких особей существенно возрастает, соответственно, увеличивается потребление корма и поступление с ним токсикантов. Все это отражается на концентрациях кадмия в почках: от весны к осени они возрастают в среднем в 3.5 раза (с 12.7 до 44.0 мкг/г сухого веса). У отдельных, наиболее старых особей (в возрасте 520-580 дней) уровни накопления кадмия достигают очень высоких значений (64.1-69.5 мкг/г), которые превышают средние величины у перезимовавших рыжих полевок из импактной зоны возле СУМЗа (рис. 10).
Динамика накопления свинца в скелете рыжих полевок в целом сходна с тенденциями, описанными для кадмия. Максимальные концентрации зарегистрированы у перезимовавших особей (36.8±2.5 мкг/г), минимальные - у неполовозрелых прибылых зверьков (26.0+2.4 мкг/г). На протяжении жизненного цикла наблюдается постепенное почти двукратное увеличение концентрации (рис. 9Б). В группе неполовозрелых сеголеток в течение летне осеннего периода интенсивного накопления свинца не отмечается (25.8-26.6 мкг/г), за время зимовки содержание элемента в скелете возрастает примерно на 20%, а к осени увеличивается еще на 40 %, достигая концентрации 46.0 мкг/г у наиболее старых зверьков (в возрасте 16 месяцев и старше). Некоторое снижение концентрации свинца у перезимовавших особей в летний период, вероятно, обусловлено малой выборкой животных этой группы, представленной в анализе.
Динамика репродуктивно-возрастной структуры популяции
Одним из демографических параметров, описывающих популяцию, является ее возрастная структура. Оптимальная возрастная структура обеспечивает высокую приспособляемость популяций к изменяющимся условиям среды, ее изучение позволяет предвидеть дальнейший ход динамики численности (Шварц, 1962).
Нас интересовала возрастная структура, интегрированная с репродуктивной структурой - соотношение неполовозрелых (прибылых) и половозрелых, как правило, размножающихся (прибылых и перезимовавших) особей в популяции рыжей полевки. Именно репродуктивно-возрастная структура отражает онтогенетическую гетерогенность животных (Оленев, 1989; 2004), составляющих популяцию, обусловливает преемственность популяционных процессов, является важнейшим диагностическим признаком качества среды обитания. При анализе динамики репродуктивно-возрастной структуры популяции структурными единицами считали группы перезимовавших особей, половозрелых и неполовозрелых сеголеток. Каждая из групп ответственна за определенный временной интервал существования популяции и имеет морфофизиологические особенности (Оленев, 1964; Тарахтий, Давыдова, 2004; 2007). Часть сеголеток созревает, вступает в размножение и обеспечивает прирост популяции в год своего рождения -половозрелые сеголетки; другая часть сеголеток остается неполовозрелой до следующего сезона размножения.
Сезонная динамика репродуктивно-возрастной структуры популяции мелких млекопитающих независимо от фазы популяционного цикла заключается в смене поколения старых перезимовавших животных на поколение сеголеток, в свою очередь неоднородное в онтогенетическом отношении (табл. 17). Эта смена является постепенной, закономерной и происходит в течение репродуктивного периода популяции.
В период репродуктивного покоя, популяция, как правило, однородна по репродуктивно-возрастному составу и состоит из зимующих животных.
Зимующие особи имеют морфофизиологические особенности, отличающие их и от сеголеток прошлого сезона размножения, уходящих в зиму неполовозрелыми, и от животных, которые станут в перспективе перезимовавшими (Оленев и др., 1979; Сафронов, 1983).
Переход зимующих животных в перезимовавшие приходится на время их созревания и вступления в размножение, совпадающее с окончанием зимы. В случае зимнего подснежного размножения можно также говорить о перезимовке, т.е. окончании репродуктивной паузы, но не совпадающей с фенологическим окончанием зимы (Давыдова, 2006; Давыдова, Тарахтий, 2006). Цепочка превращений неполовозрелых сеголеток в зимующих, а затем перезимовавших животных непрерывна в том смысле, что это одни и те же животные, только рассматриваемые в разные интервалы времени.
В 2001, 2002, 2003 годы, соответствующие разным фазам популяционного цикла, учеты мелких млекопитающих проводились ежемесячно с мая по октябрь. Более частое проведение отловов позволило для фаз «роста» и «пика» получить детальную картину изменений в структуре популяции, определить точные сроки начала размножения перезимовавших особей и половозрелых сеголеток, их элиминации. В 2002 г., фазе «депрессии», относительная численность рыжей полевки не превышала одной особи на 100 ловушко-суток. Несмотря на увеличение частоты отловов, полученные данные за этот год не позволили провести анализ структуры популяции. Представление о динамике репродуктивно-возрастной структуры в фазе «депрессии» получено в результате объединения данных за несколько лет (табл. 18).
Сезонная динамика репродуктивно-возрастной структуры рыжей полевки в фазе «депрессии» (объединенные данные 1996,1999,2002 гг.). Сезон Абсолютная численность CI. glareolus Отработано ловушко-суток Репродуктивно-возрастная структура популяции
В фазе «роста» частые отловы позволили «уловить» время, когда популяция однородна по составу и состоит только из половозрелых сеголеток (табл. 19). Таблица 19. Сезонная динамика относительной численности и репродуктивно-возрастной структуры рыжей полевки в фазе «роста» (2003 г.).
Дата Относит, численностьмелкихмлекопит.(экз./100л.-с.) Относит, численность CI. glareolus(экзЛОО л.-с) Репродуктивно-возрастная структура популяции (%) начала отлова Перезимовавшие особи Половозрелые сеголетки Неполовозрелые сеголетки 20.05 20.0621.07 06.09 10.10 3.5 5.520.5 35.5 19.0 3.54.58.010.011.0 42.922.2 57.177.8100.0 20.027.3 80.072.7
Динамика репродуктивно-возрастной структуры в фазе «пика» (2001 г.) выглядела следующим образом: в мае популяция рыжей полевки полностью однородна, - представлена перезимовавшими зверьками (табл. 20). Через месяц доля перезимовавших особей составляла 86.4% популяции. Уже в июле основную часть популяции составляли прибылые неполовозрелые зверьки (75.6%). Осенние отловы в октябре целиком представлены неполовозрелыми сеголетками. За весь полевой период отловов ловушками - плашками и живоловками половозрелые сеголетки не зарегистрированы.
Сезонная динамика относительной численности и репродуктивно-возрастной структуры рыжей полевки в фазе «пика» (2001 г.). Относит, Относит, Репродуктивно-возрастная структура Дата численностьмелкихмлекопит.(экз./100л.-с.) численностьCI. glareolus(экзЛООл.-с.) популяции (%) начала отлова Перезимовав шие особи Половозрелые сеголетки Неполовозрелые сеголетки Особенностью репродуктивно-возрастной структуры изучаемой популяции рыжей полевки является отсутствие половозрелых сеголеток в фазе «пика» популяционного цикла; весь прирост популяции обеспечивается перезимовавшими особями (табл. 21) (Давыдова, 20026; 2004а; Давыдова, Кшнясев, 2004а, 20046; Кшнясев, Давыдова, 2005).
Хорошо известно и показано на разных видах, что в год высокой численности популяций мелких млекопитающих происходит торможение созревания сеголеток (Шилов, 1977, 1997). Например, у полевок-экономок фаза пика численности характеризовалась пониженной степенью участия сеголеток в размножении, а фаза спада - сдвигом возрастного состава в сторону старших животных (Кряжимский и др., 1985). Отсутствие летнего размножения в фазе пика отмечено и для гренландского лемминга (Gilg, 2002; Gilg et al., 2003), но наблюдаемый четырехлетний цикл лемминга указанные авторы интерпретируют исключительно как результат влияния (запаздывающего отклика) специализированного хищника - горностая.
Эффект подавления созревания прибылых при высокой плотности у лесных полевок отмечен рядом авторов (Kalela, 1957; Saitoh, 1981; Wiger, 1979; Bondrup-Nielsen, Ims, 1986; Bujalska, 1990 и др.). При изучении динамики численности и интенсивности размножения рыжей полевки в Среднем Зауралье (Яскин, Лобанова, 1979) также отмечено замедленное созревание /остановка созревания молодых рыжих полевок в год пика численности. В 1977 г. при численности рыжей полевки 35 зверьков на 100 л.-с. размножались исключительно перезимовавшие животные. По мнению авторов, обедненный возрастной состав свидетельствует о реакции сеголеток на экстремальные условия существования, к которым относится и высокая плотность популяции.
Результаты лог-линейного анализа свидетельствуют о зависимости репродуктивно-возрастной структуры популяции рыжей полевки от фазы цикла (значимое взаимодействие фазахструктура: рыжая полевка -рО.0001). Парные сравнения фаз по структуре населения:
