Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1. Особенности биологии медоносной пчелы 5
1.2. Аккумуляция химических веществ в теле пчел 18
1.3. Содержание микроэлементов и химических загрязнений в продуктах пчеловодства 25
1.4. Токсичность пестицидов, аккумулируемых в гнезде пчелиной семьи 32
1.5. Радиоактивные вещества в пчелах и пчелопродуктах 44
1.6 Возможности использования пчел в системе экологического мониторинга (апимониторинг) 49
2. Материал и методы исследований 51
2.1. Экологические условия в регионе исследований 51
2.1.1. Атмосферный воздух 52
2.1.2. Водные ресурсы 57
2.1.3. Земельные ресурсы. Производственные и бытовые отходы 61
2.1.4. Радиационная обстановка 66
1.5. Биоресурсы 69
1.6. Демографическое и медицинское состояние населения 70
2. Методы исследования 71
2.1. Определение ТМ в меде и цветочной пыльце 72
2.2. Выявление нарушения водно-солевого обмена у пчел под влиянием потребления нитрата свинца 73
2.2.3. Анализ распределения ТМ в теле пчел 73
2.2.4. Определение влияния различных доз ТМ в корме на продолжительность жизни пчел 73
2.2.5. Определение аккумуляции ТМ в теле пчел осенней генерации 74
2.2.6. Определение пороговой чувствительности пчел к химическим примесям в углеводном корме 75
3. Методы исследований и их обсуждение 76
3.1. Микроэлементы меда и цветочной пыльцы 76
3.2. Влияние солей ТМ на организм пчел 83
3.2.1 .Нарушение водно-солевого обмена у пчел при
потреблении нитрата свинца 84
3.2.2. Изучение распределения ТМ в теле пчел в процессе питания 89
3.3. Пороги чувствительности пчел 92
3.4. Определение аккумуляции ТМ в теле пчел осенней генерации в зависимости от продолжительности их кормления 93
3.5. Влияние химических загрязнителей корма на
продолжительность жизни пчел и летальные эффекты ТМ 95
Заключение 106
Выводы 109
Практические предложения 110
Список работ, опубликованных по теме диссертации 111
Список литературы 113
Приложения 130
- Особенности биологии медоносной пчелы
- Экологические условия в регионе исследований
- Выявление нарушения водно-солевого обмена у пчел под влиянием потребления нитрата свинца
- Микроэлементы меда и цветочной пыльцы
Введение к работе
Пчеловодству принадлежит все возрастающее значение. Это связано, прежде всего, с расширением сферы использования продуктов пчеловодства. Наряду с этим медоносная пчела относится к наиболее надежным и во многих ситуациях наилучшим опылителем энтомофильных культур. Без пчелоопыле-ния невозможно получить высокий урожай качественных семян клевера, люцерны, эспарцета и других кормовых трав. В пчелоопылении нуждаются многие плодовые, ягодные и технические культуры, а также растения закрытого грунта.
Продукты пчеловодства находят все большее применение в медицине и парфюмерной промышленности. В фармацевтической промышленности давно применяется прополис, маточное молочко и пчелиный яд. В последнее время расширяются сферы использования и перги (консервированная медом цветочная пыльца) и цветочной пыльцы, отобранной у пчел при ее доставке в улей.
Повышение продуктивности пчеловодства и интенсификация использования пчел на опылении энтомофильных культур зависит от условий их содержания, экологической ситуации и особенно от техногенного загрязнения почвы и воздуха вблизи пасек и в местах локализации медоносной растительности. От уровня техногенного загрязнения среды зависит физиологическое состояние пчел, их жизнеспособность, летная активность и продуктивность. Поэтому актуальное значение имеет изучение устойчивости пчел к техногенному загрязнению окружающей среды.
Особенности биологии медоносной пчелы
Медоносные пчелы Apis mellifera, входящие в семейство апид, выделяются в нем наивысшим уровнем социальной организации, характеризующейся большим количеством особей в семье и дифференциацией ее членов (Еськов, 1992) . В семье пчел наибольшее представительство всегда имеют рабочие пчелы. Их численность подвержена выраженной сезонной цикличности, зависящей от изменения внешней температуры и состояния кормовой базы. В зонах с холодным и умеренным климатом в летний период в семье насчитывается до 30-70 тыс. особей. Их численность к осени сокращается, а к концу зимовки их остается минимальное количество. Весной перезимовавшая пчела способна вырастить себе на смену одну молодую пчелу. Если в этот период в семье не хватает белкового корма (перги), то она использует для выращивания смены белки собственного тела. Для ранней весны характерно то, что гибель старых перезимовавших пчел отстает от воспроизводства молодых. После неблагоприятной зимовки из-за недостатка корма и пониженной температуры, далекой от оптимальной (+34-36градусов), болезней и вредителей количество рабочих особей может снижаться до нескольких сотен. Такая семья с маткой и горсткой пчел имеет небольшие шансы на выживание. Период смены перезимовавших пчел длится 1-1,5 месяца. В дальнейший период роста пче линой семьи уже вышедшая одна молодая пчела способна вырастить себе на смену 3-4 личинки. Эти молодые пчелы физиологически подготовлены выполнять большой объем внеульевых и внутригнездовых работ. Весенний период роста переходит в период накопления молодых резервных пчел, заканчивающийся роением. В конце лета в семье выводятся пчелы с большим запасом резервных питательных веществ, которые идут в зимовку ( Еськов, 1981).
Другая группа особей пчелиной семьи - трутни. Они появляются в апреле - мае и количество их зависит от состояния семьи. Это временные и немногочисленные члены. К осени большая часть трутней погибает, а оставшихся пчелы изгоняют из гнезда. Трутни могут остаться в зиму только в безматочных семьях. Развитие трутней связано с их трофическим обеспечением на личиночной стадии и внутригнездовым микроклиматом в течение всего периода развития. Трутни, развивагощиеся из яиц, откладываемых овулирующими пчелами в безматочных семьях, в 1,8 раза меньше трутней, выращиваемых в нормальных семьях. Уменьшение размеров как самих трутней, так и их гениталиев (с 17± 0,41 мг до 13,4± 0,48 мг) связано с ухудшением их трофического обеспечения и не все из них могут участвовать в размножении (Еськов и соавт., 1988).
Третья особь пчелиной семьи - плодная матка. Для медоносных пчел характерна моногинная организация семьи, т.е. наличие одной матки в течение почти всего процесса жизнедеятельности. Только во время роения и при тихой смене (замене старой матки молодой) наблюдается наличие двух и более маток. Участие двух в выполнении репродуктивной функции чаще наблюдается у пчел южных пород. Репродуктивный потенциал у различных экологических рас пчел неодинаков: у серых горных кавказских матка может откладывать 1100- 1500 яиц в сутки, у среднерусских- 1500- 2000, у итальянских -1500-2500. Плодовитость матки зависит от ее возраста, физиологического состояния и экологической ситуации. Немаловажное значение имеют численность рабочих особей и состояние семьи. По наблюдениям С.Тайбер (Taber,1980), матка откладывает 1500 яиц в сутки при численности рабочих особей 30-50 тыс. Уменьшение и увеличение их количества за пределы указанного диапазона отражается на понижении репродуктивной функции матки.
Матка медоносной пчелы живет 4-6 лет (Kajtman, 1979). Однако ее репродуктивная функция обычно снижается после 2 года жизни. С возрастом повышается гибель маток во время зимовки. По наблюдениям И. Цветкова (1962), в это время погибает около 0,2 % однолетних маток, 3 % двулетних и 10 % трехлетних. В случае гибели матки среди рабочих пчел появляются яйцекладущие особи. Их называют трутовками. Но это название не в полной мере отражает сущность явления. В соответствии с функцией этих пчел следует называть овулирующими (Еськов, 1992). В безматочной семье может находиться до 25 % овулирующих пчел. Число яиц, откладываемых овулирующей пчелой, колеблется от 19 до 32 (Перепелова, 1928). На откладку яйца пчела затрачивает от 17 до 251 секунд (Гайдак, 1969), а матка - около 10. Это связано с неупорядоченностью поведения пчелы во время яйцекладки. Половая дифференциация у пчел связано с циклической сменой гапло - и диплоидии, т.е. самки развиваются из оплодотворенных яиц, а самцы - из неоплодотворенных. У медоносных пчел распространена полиандрия, т.е. многократное спаривание неплодных маток с трутнем. При благоприятных условиях за несколько вылетов матка спаривается несколько раз (Adams et al., 1977). Полиандрия получила распространение в связи с превышением в популяциях социальных пчелиных численности самцов по отношению к самкам. В нормально развивающейся семье медоносных пчел первыми половозрелыми становятся трутни (12-14 дней), а затем матки (5-7 дней). При этом трутни появляются во многих семьях, а матки в семьях, готовящихся к роению и в безматочных, когда выводятся матки из молодых личинок.
У медоносных пчел обнаружено развитие трутней из-за оплодотворенных яиц. Получается так называемые диплоидные трутни, имеющие вместо гаплоидного диплоидный набор хромосом. Пчелы, обычно, уничтожают таких трутней на разных стадиях постэмбрионального развития (Woyke, 1980).
Функциональная дифференциация (полиэтизм) членов семьи в ходе эволюции социальной консолидации у пчел сопряжена с развитием морфофизио-логических дифференцировок (полиморфизм) (Еськов,1995). С ним связано углубление функциональной специализации у самок: маток и рабочих пчел. Они детерминированы наследственной видовой программой, которая реализуется в фенотипе посредством дифференциации трофического обеспечения. В течение первых двух суток личинки и маток и рабочих пчел обильно снабжаются секретом желез внутренней секреции - маточным молочком. Начиная с 3-х суток рабочие пчелы ограничиваются в корме, получая его через некоторые интервалы. Матки же в течение всего периода личиночного кормления обильно снабжаются кормом. По массе тела пчелы в 2-3 раза легче маток. Однако одни части тела крупнее у маток, другие у пчел. Например, у среднерусских пчел, развивавшихся при оптимальной температуре и нормальном трофическом обеспечении длина хоботка в 1, 51 раза больше, чем у маток, а длина 3-го тергита (длина, ширина) и длина переднего крыла меньше в 1,13; 1,38 и 1,07 раза соответственно. Кроме того, у маток полностью редуцирован пыльцесобирательный аппарат. В то же время у рабочей пчелы имеется 4 пары восковых желез, расположенных на последних стернитах брюшка. В связи с репродуктивной специализации у маток сильно развиты яичники. Число яйцевых трубочек (оварио) в одном яичнике матки, развившейся при оптимальных условиях, составляет 207±6,4.
Экологические условия в регионе исследований
Из изложенного выше следует, что тело пчел может накапливать значительное количество тяжелых металлов, пестицидов и радионуклидов. Пчелы способны передавать большие концентрации токсикантов другим пчелам, оставаясь при этом живыми. Пчелы-приемщицы же, потребляя зараженный корм, погибают. Однако если по основной массе пестицидов выявлены токсические дозы для пчел (ЛД50, ЛК50 и др.), то по тяжелым металлам такие дозы не определены. Продукты пчеловодства в отношении накопления в них химикатов-загрязнителей ведут себя по-разному и исследованы довольно большим кругом ученых как зарубежных, так и отечественных. Поступление загрязняющих веществ в продукты пчеловодства происходит через воздух, воду и нектар. Особенно интенсивно аккумулируют токсиканты и радиацию прополис и цветочная пыльца. В этом все авторы (Bornus, 1973; Altmann, 1985; Pourtalier, 1973; Canteneur, 1975; Covey I., 1989; Данилов H., Макаров С, 1989; Билалов Ф., 1990) единодушны. Что касается меда, то очень много противоречивых мнений. Одни исследователи отмечают значительное загрязнение меда тяжелыми металлами и радионуклидами (Gonnet М., 1975; Hoffel I., 1985; Гробов О., 1989; Данилов Н., Макаров С, 1989; Accorti М., 1990; Торогсак Т., 1992; Русакова Т. и др., 1994; Алексеницер М. и Кубайчук В., 1996; Логвинец В. и Воронецкий Н., 1997; Какпаков В. и др., 1999; Акимов И. ,Наумкин В. 2001), другие напротив отмечают незначительное их накопление и указывают на нецелесообразность использования его в качестве биоиндикатора (Цветкова Ц., 1981; Piatkova Т., 1985; Яровая Н.. Наумкин В., 1989; Федоров В., Малышев С. 1992; Seczesna Т., 1994; Кадиров Р.А.,1999). Ряд работ посвящен значительному дифференцированному загрязнению меда в зависимости от видового состава. Есть сообщения о накоплении радиации в старых сотах, свежеотстроенные же содержат незначительное количество. В странах СНГ загрязнение меда тяжелыми металлами (Cu, Pb, Zn, Cd) регламентируется нормами Сан ПиН 42-123-4089-86, а остаточные количества пестицидов оговорены в ГОСТ 19792 - 87 "Мед пчелиный". В целом же по вопросу апимониторинга литературные сведения помимо противоречивости содержат много нерешенных вопросов. В частности, не полностью изучен механизм накопления металлов в организме пчел, не определены пороги чувствительности пчел к различным токсическим химическим веществам, а также безопасные уровни и летальные дозы тяжелых металлов и других техногенных химических загрязнителей для жизнедеятельности пчел (за исключением пестицидов). Апимониторинг на обширных территориях практически не проводился. Нет ни одного регламентирующего документа, по которому можно было бы предъявить взыскание ущерба с предприятий-загрязнителей за массовую гибель пчелиных семей. Поэтому вопрос экологического мониторинга с помощью пчел, несмотря на большой объем опубликованных работ, остается открытым и требует проработки.
Вопрос техногенного загрязнения на физиологическое состояние медоносной пчелы также мало изучен. Поэтому целью настоящей работы было определение влияния техногенных загрязнителей на физиологическое состояние пчел и качество продуктов пчеловодства (меда и цветочной пыльцы). Для этого предстояло решить следующие задачи: 1. Определить влияние загрязнения мест обитания пчёл и их кормовых участков на содержание ТМ в меде и цветочной пыльце. 2. Изучить влияние ТМ в углеводном корме на состояние и жизнеспособность пчел. 3. Установить закономерности аккумуляции ТМ в разных отделах тела пчел. 4. Определить летальные дозы солей ТМ в углеводном корме, потребляемом пчелами. 5. Изучить способность пчел выявлять наличие ТМ в углеводном корме и определить чувствительность к ним. 6. Определить предельные дозы загрязнения среды, представляющие опасность для пчел. 7. Уточнить возможность использования пчел в системе мониторинга загрязнения среды ТМ.
Выявление нарушения водно-солевого обмена у пчел под влиянием потребления нитрата свинца
Пчелам скармливался нитрат свинца в 15 различных концентрациях - от 75 до 658 мг/кг живой массы (или 75-658 х 10"4 мг/пчелу). Было использовано в опыте 15 опытных и 1 контрольный садок. Из контрольного садка было взято 100 пчел. У них были отпрепарированы голова, грудь, брюшко и задняя кишка. Их масса определялась на аналитических весах, затем высушивали при 102С до постоянной массы (4 суток) и снова определяли массу. Опытных пчел отбирали по 30 штук. Их также отпрепарировали на части тела. Затем у них определяли содержание воды как и у контрольных пчел. Содержание в теле пчел связанной воды определяли из выражения масса сырая - масса сухая IQQ масса сырая
Подопытные пчелы потребляли с 60%-ным сахарным сиропом нитрат свинца. Было использовано по 9 садков на каждый вид загрязнения в 9 концентрациях. После завершения опыта (30 дней) пчелы были расчленены (голова, грудь, брюшко). Затем их высушивали при 102 С в течение 4-х дней до постоянной массы. Последующее определение ТМ проводилось атомно-абсорбционным методом.
Опыт проводился в течение 3 лет. Было использовано 238 садков по 250-450 пчел в каждом. В садок вставлялась 1 пробирка с химическим загрязнителем корма (60%-ный раствор сахарозы на дистиллированной воде).
Учитывались следующие показатели: ежесуточная гибель пчел, расход раствора сахарозы (общий и суточный), потребление загрязнителя корма в мг на 1 кг живой массы и одну пчелу и продолжительность жизни пчел. Из 40 опытных садков ежегодно брали 3 контрольных, в которых пчелам давали чистый раствор сахара на дистиллированной воде.
По окончании опыта погибших и живых пчел высушивали при 102-104С. На этом завершалась первичная подготовка материала к анализу. Чтобы исключить увлажнение высушенных пчел, их хранили в запаянных целлофановых пакетах (к атомно-абсорбционным анализам собирали пчел, использованных в течение летнего сезона).
Расчет содержания ТМ проводили по формуле: V- J 100--7 Л/ R МАП Зч л= = , где V - объем разведения раствора золы (100 см ); т т х - массовая концентрация определяемого элемента в пробе (мг/кг); J - концентрация металла в растворе золы (мкг/см3); m - масса сухих пчел. Для измерения нитратов в теле пчел использовался количественный ио-нометрический метод (приложение 12).
В опыте было использовано 4 химических вещества, содержащих в себе ТМ: цинк сернокислый, медь сернокислая, нитрат свинца, хлористый кадмий, которые скармливали в растворе сахарозы пчелам осенней генерации. Каждое химическое соединение давали пчелам, находившимся одновременно в 3 садках. Такое же количество их служило в качестве контроля. В каждом садке содержалось по 300-400 пчел. Раствор сахарозы 60%-ной концентрации приготавливали на дистиллированной воде.
Через 6-12 дней живые пчелы каждых 3 садков были умерщвлены углекислым газом, высушены в сушильном шкафу при 102-104С и запаены герметично в целлофановые пакеты для последующего анализа на содержание ТМ на атомно-абсорбционном спектрофотометре.
Учитывался тот факт, что сахарный сироп в медовом зобике пчелы может находиться до 3-х суток (Еськов, 1993), поэтому за 3 дня до умерщвления, кормление химикатами прекращали. Погибших пчел в садках в ходе опыта учитывали. Всего садков использовано 13 садков с пчелами. Приготовление чистых металлов из химических соединений проводилось по методике В.А. Мейке (1956) (Приложение 2). Приготавливали стандарты растворов ТМ с концентрацией 1 мг/1 мл. Такой раствор было удобно вносить в пробирки и рассчитывать потребленную концентрацию вещества пчелами в каждом садке.
Микроэлементы меда и цветочной пыльцы
После бериллиевой аварии на ПО УМЗ в 1992г. отмечалось содержание бериллия в пробах меда, его содержание достигало 0,005 мг/кг. Публикаций по содержанию бериллия нам не встречалось, поэтому проанализировать (сравнить) этот факт не представляется возможным.
В 1992 году пробы меда и пыльцы были проанализированы на содержание радионуклидов.
Анализы были выполнены в Гидрометцентре Казахстана и ВК Облсан-эпидемстанции на наличие радия-266, тория-232, цезия-137. оказалось, что радиоактивность меда была на уровне фона прибора, а пыльцы не превысила 1,9 12,6x10" Кюри/кг, то есть от общей радиоактивности все пробы меда и цветочной пыльцы удовлетворяли требованиям ВДУ-91 (временно допустимые уровни).
Таким образом, мед слабо аккумулирует в себе ТМ и радиацию, что можно объяснить следующими причинами. Во-первых, нектаровыделение происходит в течение небольшого промежутка времени. Поэтому оно наименее подвержено пылевому загрязнению атмосферного воздуха. Во-вторых, снижение концентрации ТМ происходит в процессе секреции нектара растениями. В-третьих, еще большее снижение концентрации происходит в процессе переработки нектара в мед и адсорбирования их в организме пчелы. Поэтому мед из техногенных зон содержит обычно небольшое количество ТМ и слабо отличается от медов из экологически чистых районов.
В отличие от меда цветочная пыльца более сильно аккумулирует в себе ТМ и радиацию из-за большей площади соприкосновения с атмосферным воздухом в процессе пролонгированного цветения, но несмотря на это во многих случаях отвечает требованиям ТУ 9882-019-2428156-97 и ВДУ -91. Это наблюдается даже в районах интенсивного техногенного загрязнения.
В последние годы все чаще пытаются использовать пчел для контроля загрязнения окружающей среды, так как пчела исключительно хорошо приспособлена для роли биомониторинга. Пчелы обитают во всех широтах и имеют постоянный контакт с окружающей средой площадью 12 км . Как отмечалось выше, предпринимаются попытки картировать территории с помощью пчел. Однако глубинные механизмы накопления токсикантов в организме пчел слабо изучены.
Нами предпринята попытка проследить, как организм пчел реагирует на токсическое влияние солей тяжелых металлов. Для этого прослежены наруше ния водно-солевого обмена в частях тела пчел при потреблении нитрата свинца и изучено распределение ТМ в их теле.
Нитрат свинца давался пчелам в растворе сахарозы в 15 концентрациях от 75 до 658 мг/кг живой массы пчел (75-658 х 10"4 мг/пчелу). Результаты отражены в таблице 9.
В результате выявлено нарушение водно-солевого обмена. Наибольшие изменения зафиксированы в брюшке пчел и, особенно, в задней кишке.
Из таблицы видно, что процент связанной воды в опытных пчелах по сравнению с контролем (брюшко в среднем = 73,4 %, задняя кишка = 79,7 %) увеличился через 3 дня в брюшке на 5,5 и задней кишке на 4 %, а через 10 дней - на 6 и 8,5 % соответственно.
Нарушение водно-солевого обмена привело к тому, что масса задней кишки по отношению к контролю увеличилась в 3-3,4 раза и, как следствие, масса брюшка возросла в 1,6-1,7 раза. В головном и грудном отделах накопление свинца было незначительным. Масса отделов тела пчел через 3 и 10 дней потребления нитрата свинца изменилась не существенно, что наглядно отражено в следующих диаграммах (рис 18).
