Влияние токсикантов на выживаемость головастиков озёрной лягушки

 

Одним из механизмов, обеспечивающих высокую адаптированность популяций животных к загрязнению среды, является изменение вариабельности важнейших популяционных параметров, в частности соотношения выживаемость - гибель молоди в условиях загрязнения [Безель и др., 2001].

Выживаемость головастиков озёрной лягушки в контроле и в растворах солей тяжёлых металлов одинаковой концентрации (1 мг/л) представлены в таблице 1.

Во всех растворах исследованных солей металлов 100%-ная гибель не происходит. Только в растворе соли свинца отмечена 50%-ная гибель. Это свидетельствует о сравнительно низкой токсичности данных веществ для головастиков озёрной лягушки.

 

Таблица 1 - Выживаемость (абсолютное количество особей) головастиков озёрной лягушки при действии солей различных металлов

Вариант опыта	День опыта
	1	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
Контроль	30	30	30	30	30	30	29	28*	27*	26*	24*	22*	20*
Al2(SO4)3	30	30	30	30	30	28	28	27*	25*	22*	22	22	22
Co(NO3)2	30	30	30	28	28	27	27	26*	23*	21*	21	20*	20
Ni(NO3)2	30	30	30	30	30	30	30	30	26*	22*	22	20*	18*
ZnSO4	30	30	30	30	30	30	29	28	27*	26*	25*	24	23*
Pb(NO3)2	30	30	30	26	25	24	23	21	19	17	15*	13	11
FeSO4	30	30	30	30	30	29	28	27	26*	25*	24*	24	23*
Примечание * обозначены дни, в которые наблюдался метаморфоз

 

При этом гибель в контроле и некоторых опытных растворах (соли алюминия и цинка) начинается достаточно поздно - на 30-40-й дни наблюдения. В растворах солей кобальта и свинца гибель головастиков начинается на 15-й день опыта, железа - на 25-й день.

В опыте с солями никеля головастики в течение опыта не гибли, отмеченное уменьшение численности связано с их метаморфозом.

Из литературы известно, что в опытах с солями железа (FeSO4, исследованные концентрации 0,5; 5,0; 10,0 мг/л) гибель начиналась на 10-25-й день [Пескова, Жукова, 2000; Пескова, 2003в]. По мнению Песковой Т.Ю. [2001б], гибель головастиков начинается не сразу после помещения головастиков в раствор токсиканта, так как необходимо время для накопления этого токсиканта в организме животных.

В растворе с Pb(NO3)2 к концу опыта остаётся 11 особей (37%). В другой работе, проведённой с Pb(NO3)2 меньшей концентрации (0,5 мг/л) 100%-ная гибель головастиков также не наблюдалась [Пескова, 2001б]. В опыте с Al2(SO4)3 К концу эксперимента в живых осталось 22 головастика, что составляет 73,4%, 20% − завершили метаморфоз, 6,6% погибло. В опыте с Co(NO3)2 к концу опыта осталось 20 особей (66%), 24% особей завершили метаморфоз и 10% − погибло. В растворе Ni(NO3)2 40% головастиков завершили метаморфоз, а к концу эксперимента осталось 18 особей (60%), в растворе ZnSO4 14% завершили метаморфоз, 10% погибло, 23 особи осталось в живых (76%) к концу эксперимента. В другой же работе с ZnSO4 при такой концентрации, процент головастиков, завершивших метаморфоз, составил 57% [Пескова, 2001б]. Как и в нашей работе 50%-ная гибель особей не была достигнута; а в более высоких концентрациях − 3, 6 и 9 мг/л 50%-ная гибель наблюдается соответственно на 57-й, 44-й и 37-й день развития, метаморфоз заканчивают 47, 40 и 33% личинок. В растворе FeSO4 14% головастиков завершили метаморфоз, 10% погибло и 23 особи (76%) осталось к концу опыта. Из литературы известно, что в растворах сульфата железа концентраций от 0,5 до 10 мг/л метаморфоз завершают 63−66% головастиков озёрной лягушки, как и в нашей работе 50%-ная и 100%-ная гибель особей не достигается [Пескова, 2001б]. Таким образом, из исследованных нами концентраций солей тяжёлых металлов, судя по срокам наступления гибели головастиков озёрной лягушки, наиболее токсичным является Pb(NO3)2. В работе, проведённой с солями различных металлов был получен такой ряд токсичности: Cu > Pb > Fe > Cd [Пескова, 2001б]. Если рассматривать абсолютное количество действующего вещества (1 мг/л), то мы получим следующий ряд токсичности тяжёлых металлов: Pb > Co > Al > Fe > Zn > Ni. Однако, по количествам вещества, соответствующим ПДК мы получаем такой ряд Pb (100 ПДК) > Ni (50 ПДК) > Co (10 ПДК) > Al (5 ПДК) > Fe (3,3 ПДК) > Zn (1 ПДК). Ряды оказываются сходными, за исключением того, что 1 мг/л соли никеля оказывал минимальное воздействие на гибель головастиков, тогда как его относительная величина в ПДК была достаточно большой. Видимо, это свидетельствует о том, что ПДК по никелю требует уточнения. Тип кривых, описывающих гибель головастиков в растворах солей тяжёлых металлов, сходен - сначала имеется плато, в течение которого гибель особей не происходит, а затем кривая плавно поднимается вверх.

Добавление оксидов металлов в наноформе в концентрациях 0,5 и 1,0 мл/л (таблицы 2 и 3) к солям тяжёлых металлов определяет другие показатели выживаемости головастиков озёрной лягушки. Так, при добавлении CoО к Al2(SO4)3 наблюдается улучшение выживаемости головастиков, они вообще не гибнут, а численность особей в опыте снижается за счет достижения ими метаморфоза. При добавлении NiO в наноформе к Al2(SO4)3 наблюдается, наоборот, ухудшение выживаемости головастиков, так, они начинают гибнуть на 20-й день, 50% гибель наступает на 50-й день, что не происходит в опыте без него. В конце опыта в растворе с Al2(SO4)3+CoО осталось 22 особи, т.е. 73%, как и без оксида металла; с Al2(SO4)3+NiO - 14 особей (46%). То есть на общую выживаемость головастиков добавление оксидов металлов в наноформе к солям алюминия не оказывает отрицательного воздействия.

 

Таблица 2 - Выживаемость (абсолютное количество особей) головастиков озёрной лягушки при действии солей тяжёлых металлов (концентрация 1 мг/л) с добавлением оксидов металлов в наноформе (CoО, NiO)

Вариант опыта	Оксид металла, 0,5 мг/л* и 1 мг/л**	День опыта
		1	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
Контроль	отсутствует	30	30	30	30	30	30	29	28*	27*	26*	24*	22*	20*
Al2(SO4)3	CoО**	30	30	30	30	30	30	27*	27	26*	25*	24*	23*	22*
	NiO**	30	30	30	30	26	24	22	20	18	17*	15	15	14*
Co(NO3)2	CoО**	30	30	30	30	30	30	29*	28*	25*	23*	23	22*	20*
	NiO**	30	30	30	30	28	27	24	22	20	18	16	14	12
Ni(NO3)2	CoО**	30	30	30	30	30	30	28*	28	26*	24*	22*	20*	18*
	NiO**	30	28	27	25	19	15	12	11	9	7	5	3	0
ZnSO4	CoО*	30	30	30	30	29	28	27	26	24	23*	22*	21*	20*
	NiO*	30	30	30	28	26	25	24	23	22	20	18*	17	15*
Pb(NO3)2	CoО*	30	30	30	29	28	27	25	23	21	19	17*	16*	15*
	NiO*	30	30	29	27	25	23	22	20	17	15	13	12	10
FeSO4	CoО*	30	30	30	28	27	25	23	23	22	21	20	19*	17
	NiO*	30	30	28	27	26	25	23	22	20	19	18*	17*	16*
Примечание * обозначены дни наступления метаморфоза

 

Таблица 3 - Некоторые показатели гибели головастиков в растворах солей тяжёлых металлов с добавлением оксидов металлов в наноформе

Вариант опыта	Оксид металла, 0,5 мг/л* и 1 мг/л**	День начала гибели	День наступления 50% гибели	День наступления 100% гибели
1	2	3	4	5
Контроль	отсутствует	30	-	-
Al2(SO4)3	отсутствует	25	-	-
	CoО**	−	−	−
	NiO**	20	50	−
Co(NO3)2	отсутствует	15	-	-
	CoО**	−	−	−
	NiO**	20	48	−
Ni(NO3)2	отсутствует	40
	CoО**	−	−	−
	NiO**	5	25	60
ZnSO4	отсутствует	30	-	-
	CoО*	20	−	−
	NiO*	15	60	−
Продолжение таблицы 3
1	2	3	4	5
Pb(NO3)2	отсутствует	12	50	-
	CoО*	15	60	−
	NiO*	10	45	−
FeSO4	отсутствует	25	-	-
	CoО*	15	−	−
	NiO*	10	60	−
Примечание - соответствующий день не был достигнут в опыте

 

Добавление CoО к Co(NO3)2 приводит к улучшению выживаемости головастиков, в опыте с оксидом металла в наноформе они только метаморфизируют, без него же гибель начинается уже на 15-й день. При добавлении NiO к Co(NO3)2 на 5 дней позже начинается гибель (на 20-й день), но затем выживаемость резко снижается и 50% гибель наступает на 48-й день, что вообще не было достигнуто в опыте без него. В конце опыта в растворе с Co(NO3)2+CoО осталось 20 особей (66%); как и в опыте без оксида металла; с Co(NO3)2+ NiO - 12 особей (40%).

Добавление CoО к Ni(NO3)2 не привело к изменениям, в опыте с ним, как и без него головастики не гибнут, а только метаморфизируют. Добавление же NiO к Ni(NO3)2 привело к ухудшению выживаемости головастиков. В конце опыта в растворе с Ni(NO3)2+CoО осталось 18 особей (59%), как и без него.

Так, при добавлении CoО к ZnSO4 ухудшается выживаемость головастиков, начало их гибели отодвинуто на 10 дней. В опыте с раствором ZnSO4+CoО 50%-ная и 100%-ная гибель головастиков, как в растворе без оксида металла, не наступает. При добавлении NiO к ZnSO4 ухудшается выживаемость головастиков и они начинают гибнуть уже на 15−й день опыта, а 50%-ная гибель наступает на 60−й день, что не происходит в растворе без него. В конце опыта в растворе с ZnSO4+CoО осталось 20 особей (66%); с ZnSO4+NiO - 15 особей (50%), в растворе без металлов в наноформе - 23особи (76%).

При добавлении CoО к Pb(NO3)2 гибель головастиков, как и без него наступает на 15-й день эксперимента, а с NiO уже на 10-й день. В растворе с CoО 50%-ная гибель не наступает, а с NiO она наступает на 60-й день, тогда как без металлов в наноформе она наступает на 50-й день. К концу опыта в растворе с CoО остаётся 15 особей (50%), с NiO - 10 особей (33%), без нанометаллов - 11 особей (36%). То есть, выживаемость головастиков при добавлении различных металлов в наноформе не меняется.

При добавлении оксидов металлов CoО и NiO к FeSO4 происходит ухудшение выживаемости головастиков. Так, в опыте с CoО гибель головастиков начинается на 15-й день, а с NiO на 10-й день, тогда как в опыте без них гибель не наступает вообще. В растворе с FeSO4+NiO 50%-ная гибель наступает на 60-й день опыта, с CoО она не наступает. К концу опыта в растворе с CoО остаётся 17 особей (56%), с NiO - 16 особей (53%), а в растворе без них - 26 особей (86%).

Таким образом, в большинстве случаев добавление оксидов нанометаллов не меняло показатели выживаемости головастиков, а в некоторых случаях ухудшало её. Оксид CoО улучшал выживаемость головастиков в солях таких металлов как Al2(SO4)3 и Co(NO3)2, приводил к ухудшению выживаемости в растворах ZnSO4 и FeSO4, и не менял в вариантах опыта с Pb(NO3)2 и Ni(NO3)2. NiO в наноформе в большинстве случаев приводил к ухудшению выживаемости головастиков, лишь в растворе с Pb(NO3)2 отодвигались на 10 дней сроки 50%-ной гибели.

В другой серии экспериментов мы изучили влияние различных концентраций нефти на головастиков озёрной лягушки. Их выживаемость в контроле и в растворах нефти представлены в таблицах 4 и 5.

В растворах нефти всех исследованных концентраций гибель головастиков начинается на 5-й день опыта, тогда как в контроле гибель не была отмечена. Уменьшение числа особей связано с их метаморфозом. 50%-ная гибель головастиков в опыте с нефтью концентрации 0,05 и 0,1 мл/л наступает в одни сроки - на 15-й и 13-й дни соответственно. Только в концентрации 0,2 мг/л этот показатель достигнут значительно раньше - на 25-й день. 100%-ная гибель наступает только в растворе нефти концентрации 0,05 мл/л на 50-й день.

 

Таблица 4 - Выживаемость головастиков озёрной лягушки при действии нефти различных концентраций с добавлением оксидов металлов в наноформе (FeO, CoО, NiO)

Вариант опыта	Оксид металла, 1мл/л	День опыта
		1	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
Контроль	отсутствует	30	30	30	30	30	30	30	28*	25*	22*	20*	17*	15*
Нефть 0,05 мл/л	отсутствует	30	29	27	14	12	10	8	7	7	6	0
	FeO	30	25	18	8	0
	CoО	30	30	30	30	25	20	19	19	19	19	15*	13*	12*
	NiO	30	30	29	13	8	5	3	3	2	0
Нефть 0,1 мл/л	отсутствует	30	25	19	10	8	7	7	6	5	4	4	4	4
	FeO	30	30	23	24	14	13	12	12	9	8	6	5*	2*
	CoО	30	28	26	23	19	15	12	11	10	9	9	9	8
	NiO	30	30	28	12	0
Нефть 0,2 мл/л	отсутствует	30	26	24	20	17	15	14	12	10	10	9	9*	8*
	FeO	30	24	20	18	10	4	2	0
	CoО	30	29	26	25	20	16	15	12	11	11	8*	6*	4*
	NiO	30	22	14	6	0
Примечание * обозначены дни наступления у особей метаморфоза

 

Таблица 5 - Некоторые показатели гибели головастиков в растворах нефти с добавлением оксидов металлов в наноформе и в контроле

Вариант опыта	Концентрация вещества, мл/л	Оксид металла, 1 мл/л	День начала гибели	День наступления 50% гибели	День наступления 100% гибели
Контроль	0	отсутствует	−	−	−
Нефть	0,05	отсутствует	5	15	50
		FeO	5	8	20
		CoО	20	50	−
		NiO	10	13	45
	0,1	отсутствует	5	13	−
		FeO	10	20	−
		CoО	5	25	−
		NiO	10	13	20
	0,2	отсутствует	5	25	-
		FeO	5	18	35
		CoО	5	30	-
		NiO	5	9	20
Примечание - соответствующий день не был достигнут в опыте

 

В работе, ранее проведённой с нефтью концентраций 0,005−0,05 мл/л, 50%-ная гибель головастиков озёрной лягушки наблюдалась на 25-31 день раньше по сравнению с контролем [Пескова, 2001б]. В другой работе [Кармазин, 2010] в концентрациях 0,05; 0,1 и 0,25 мг/л выжило 30%, 6,7 %, 13,3% головастиков, соответственно.

Растворенные фракции нефти токсичны для рыб уже в очень низких (0,0002−0,01 мг/л) концентрациях. Это выражается в снижении выживаемости икры и личинок, замедлении роста личинок, уменьшении жизнеспособности, в нарушениях поведения. При концентрациях нефти 0,01 и 0,05 мг/л отмечены различия с контролем практически по всем показателям [Черкашин, 2005].

Мы считаем, что различные показатели выживаемости головастиков озёрной лягушки в растворах нефти связаны с различиями в составе нефти (в соотношении тяжелых, средних и легких фракций, которые оказывают разное влияние на гидробионтов).

Добавление оксидов нанометаллов в концентрации 1,0 мл/л к растворам нефти определяет другие показатели выживаемости головастиков озёрной лягушки.

Так, при добавлении оксида железа в наноформе к нефти концентрации 0,05 мл/л гибель головастиков начинается на 5-й день, т.е. также как и без него. 50%-ная гибель в присутствии FeO наступает на 7 дней раньше, 100%−ная уже на 30 дней раньше, чем в его отсутствие. Добавление оксида кобальта в наноформе к нефти этой же концентрации улучшает выживаемость головастиков, так их гибель начинается только на 20-й день, 50%-ная гибель на 50-й день, а 100%-ная гибель вообще не наступает. К концу опыта в растворе с нефтью (концентрация 0,05 мл/л) + CoО осталось 12 особей (40%). Добавление оксида NiO к нефти той же концентрации отодвинуло сроки наступления гибели на 5 дней позже, чем без него, т.е. на 10-й день, 50%-ная тоже наступает на 5 дней позже - на 13-й день, но 100%-ная гибель наступает на пять дней раньше.

Добавление оксида FeO к нефти концентрации 0,1 мл/л улучшает выживаемость головастиков, так гибель головастиков начинается на 5 дней позже (на 10-й день), а 50%-ная гибель на семь дней позже (на 20-й день), чем в растворе без него. К концу опыта в растворе нефти с FeO осталось 2 особи (6,6%).

Добавление оксидов металлов в наноформе к нефти концентрации 0,2 мг/л показывает результаты, сходные с полученными в более низкой концентрации нефти. Так, при добавлении FeO и NiO зафиксирована 100%-ная смертность головастиков, а в растворе нефти с добавлением СоО к концу опыта остается в живых 4 особи (13,3%).

Работ по влиянию оксидов металлов в наноформе в доступной нам литературе очень мало. Поэтому мы приводим данные по всем живым объектам, на которые воздействовали эти соединения. В частности в литературе есть сведения о воздействии FeO. При внутрибрюшном введении крысам 5 мл раствора нанопорошка Fe3O4 были обнаружены обратимые изменения биохимических параметров плазмы крови, изменения активности ферментов, которые нормализуются к 12−м суткам эксперимента [Некоторые биохимические…, 2008]. В другом опыте ингаляционное воздействие наночастиц оксида железа размерами 22 и 280 нм на крыс линии Sprague Dawley в дозах 0,8 и 20 мг/кг вызывало индукцию активных форм кислорода в клетках, гиперемию, гиперплазию и фиброз тканей легких. Также было выявлено нарушение системы свертывания крови. Предпосевная обработка семян нанопорошками железа в концентрации 0,001 % положительно влияло на энергию прорастания, однако увеличение концентрации до 0,01 % приводило к подавлению прорастания. Была рассчитана оптимальная доза предпосевной обработки (2−6 мг на 1 га), дающей от 5 до 30 % повышения урожайности и улучшения товарного вида растительной продукции [Токсичность наноматериалов, 2010].

Таким образом, добавление металлов в наноформе к нефти разных концентраций оказывало неоднозначное влияние на выживаемость головастиков озёрной лягушки. Так, добавление оксида железа к нефти концентраций 0,05 и 0,2 мг/л ухудшило выживаемость головастиков и привело к более ранней 100%-ной гибели головастиков, а к концентрации 0,1 мл/л, не изменило этих показателей, в растворе нефти погибло 86%, при добавлении оксида железа - 82,5%.

Оксид никеля в наноформе в нефти всех концентраций также ухудшил выживаемость головастиков, 100%-ная гибель в растворе с нефтью 0,05 мл/л достигнута на 5 дней раньше, чем без него; в варианте опыта с нефтью концентрации 0,1 и 0,2 мл/л 100%-ная гибель наступает на 20-й день опыта, тогда как в растворах одной нефти этого не происходит.

А.А. Шиян [2011] были получены следующие данные по выживаемости головастиков озёрной лягушки в растворах сточных вод сахарных заводов при добавлении при добавлении оксидов металлов в наноформе. Так, добавление нанопорошков трех исследованных оксидов металлов к 10% и 25% растворам сточных вод снижало смертность головастиков во всех случаях по сравнению с раствором стоков без нанопорошков. Особенно сильно (на 30-35%) снижение происходило при действии оксида кобальта.

Добавление оксида кобальта ко всем исследованным концентрациям нефти привело к улучшению выживаемости головастиков во всех исследованных концентрациях нефти. Мы считаем, что это связано с максимальной величиной удельной поверхности наночастиц оксида кобальта - 100 м2/г. В литературе имеются сведения о том, что именно величина удельной поверхности вещества в наноформе является характеристикой, оказывающей основное влияние на биологические объекты [Новый взгляд].

В следующей серии экспериментов мы изучили влияние пестицидов различного действия на выживаемость головастиков озёрной лягушки. Результаты приведены в таблицах 6 и 7.

 

Таблица 6 - Выживаемость головастиков озёрной лягушки при действии пестицидов различных концентраций

Вариант опыта	Концентрация пестицида, мг/л	День наблюдения
		1	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
Контроль	0	30	30	29	27	27	27	27	25	25	25	25
Фозалон	0,01	30	28	26	19	12	6	0
	0,1	30	20	16	4	0
	1,0	30	15	8	0
Цинеб	0,1	30	29	26	22	18	17	16	12	8	6	2
	0,5	30	28	25	18	16	14	8	4	0
	1,0	30	28	26	16	12	6	0
Лондакс	0,25	30	30	25	22	19	15	13	12	10	10	8
	0,5	30	28	19	15	14	13	11	10	5	4	2

 

Таблица 7 - Некоторые показатели гибели головастиков в растворах пестицидов

Вариант опыта	Концентрация пестицида, мг/л	День начала гибели	День наступления 50% гибели	День наступления 100% гибели
Контроль	0	8	−	−
Фозалон	0,01	3	18	28
	0,1	1	9	20
	1,0	1	4	12
Цинеб	0,1	4	29	-
	0,5	3	21	36
	1,0	3	17	28
Лондакс	0,25	5	24	-
	0,5	4	16	-
Примечание - соответствующий день не был достигнут в опыте

 

Из таблиц 6 и 7 видно, что фозалон оказывает наиболее быстрое токсическое воздействие на головастиков озёрной лягушки по сравнению с другими пестицидами. 100%-ная гибель головастиков отмечена даже в растворах с концентрацией ниже ПДК этого инсектицида - 0,01 и 0,1 мг/л. Гибель головастиков начинается с 1-го дня опыта, в течение всего опыта головастики гибли равномерно. В зависимости от концентрации фозалона изменялась только скорость гибели головастиков.

Цинеб оказался менее токсичным пестицидом, чем фозалон. В наименьшей концентрации (0,1 мг/л) к концу опыта выжило 2 особи (6,6%). В концентрациях равной 1 или 2 ПДК (0,5 и 1,0 мг/л) гибнут 100% особей. Однако гибель головастиков происходит позже, чем в растворах фозалона.

Наименее токсичными были растворы гербицида лондакса. Хотя в растворах 50%-ная гибель наступала примерно в те же сроки, что и в растворах цинеба, однако 100%-ная гибель достигнута не была. К концу опыта в живых осталось 8 и 2 особи (26,6 и 6,6 % соответственно).

Особенностью влияние пестицидов различной природы по сравнению с другими исследованными токсикантами (нефть, соли тяжелых металлов) мы считаем тот факт, что гибель в растворах пестицидов начинается с первого дня опыта, тогда как гибель головастиков в растворах других исследованных веществ начиналась не ранее 5-го дня (нефть) и 10-го дня (соли тяжёлых металлов). При этом гибель происходит в более сжатые сроки. Возможно, это связано с тем, что пестициды быстрее проникают в организм водных животных и кумулируются в тканях и органах.

Ранее было установлено, что еще более быстрая (за 5-6 дней) 100%-ная гибель головастиков озёрной лягушки происходит под действием пиретроидных пестицидов каратэ и дециса [Пескова, 2001].

На рис.1 приведены для примера некоторые кривые гибели головастиков озёрной лягушки в различных типах токсикантах.

Рисунок 1 - Кривые гибели головастиков озёрной лягушки в различных типах токсикантов

 

Из рисунка 1 видно, что гибель головастиков в растворах солей тяжёлых металлов начинается значительно позже, чем в растворах различных пестицидов и нефти. Ранее мы отмечали, что кривые гибели головастиков озёрной лягушки в растворах различных неорганических загрязнителей сходны между собой. Кривые гибели головастиков в нефти имеет «плато», то есть отмечены дни, в которые головастики не гибнут, тогда как гибель головастиков в растворах пестицидов происходит постоянно.

Таким образом, судя по рисунку 1, можно сказать, что кривые гибели головастиков озёрной лягушки зависят от природы токсиканта (загрязнитель органического или неорганического происхождения).