Без имени

ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ РАКООБРАЗНЫХ ДЛЯ БИОИНДИКАЦИИ СРЕДЫ ИХ ОБИТАНИЯ

EVALUATION OF FUNCTIONAL STATE OF CRUSTACEAN FOR  BIOINDICATION  OF WATER QUALITY

Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург

  Эффективный мониторинг водных ресурсов имеет основополагающее значение для действенного управления качеством воды и водными экосистемами, в связи с вопросом о количестве воды и требованиям к ее качеству (Данилов-Данильян, 2010). В настоящее время для такого управления водными ресурсами созданы специальные программы и Директивы по проведения биологического мониторинга поверхностных и грунтовых вод, морских вод, сточных вод и питьевой воды, на предмет наличия вредных веществ. Традиционно такой мониторинг выполняется с помощью дискретного отбора проб и их последующего физико-химического анализа в лаборатории.

  В противоположность физико-химическому мониторингу, технические средства биологического мониторинга используют организмы, которые «чувствуют» токсикант(ы). Эта чувствительность  живых организмов зависит от природы соединения, его концентрации в окружающей среде, вызывается ли (токсическая) реакция, от соотношения доза-эффект и от специфической чувствительности организма. Однако большинство организмов являются чувствительными к большему числу вредных соединений, чем классические аналитические методы, которые сфокусированы на стандартном наборе веществ, включенных в рутинный химический анализ, определяемый водными мониторинговыми программами.

  Живые организмы уже длительно используются для задач мониторинга как живые сенсоры. Международная организация по Стандартизации (ISO) одобрила Список биосенсорных организмов и тестовых реакций, в котором бентосные беспозвоночные, в частности, десятиногие раки и двустворчатые моллюски, занимают важное место.

  Показатели сублетальных воздействий токсиканта или их смеси на живые организмы могут служить инструментами для оценки экологического риска и анализа механизмов токсикологических воздействий, а быстрота ответа и ясность интерпретации ответных реакций делает привлекательным такой подход к оценке изменений водной среды.

  Речные раки давно рекомендованы в качестве индикаторных организмов при оценке качества природной среды (Schilderman  et al., 1999; Reynolds and Souty-Grosset, 2012) и индикаторов устойчивого существования водной экосистемы, в которой они обитают.

Именно поэтому, их предложено использовать в системах мониторинга качества входящей природной воды на водозаборных станциях городов (Холодкевич, 2007). В качестве индикативного показателя используют изменения сердечного ритма этих животных, как средней ЧСС, так и ее производных (Федотов и др., 2002), а также циркадного (суточного) ритма биения сердца (Bojsen et al., 1998; Кузнецова и др., 2010). Резкие изменения этих функциональных показателей указывают на ухудшение качества водной среды, в которую они помещены. Нарушение циркадного ритма ЧСС речного рака используется в алгоритме выработки сигнала тревоги об изменении качества воды на водозаборной станции (Иванов и др., 2012). В настоящее время обработка сердечного ритма осуществляется специализированным программным обеспечением, а также разработана система самодиагностики работоспособности животных-биосенсоров.

  Для определения функционального состояния животных нами предложено использовать изменение солености воды в качестве функциональной нагрузки (Кузнецова, 2013). Раки в хорошем функциональном состоянии демонстрировали быстрое повышение значений ЧСС в течение некоторого времени после изменения солености воды уже на 1%. Еще раньше было предложено и опробовано антиортостатическое подвешивание рака в толще воды над дном аквариума. В этом случае,  рака, с прикрепленным на его карапакс датчиком кардиоактивности, за опто-волоконный зонд подвешивали в воде над дном аквариумa, что вызывало быстрое развивающееся возбуждение и, следовательно, повышение у него ЧСС. Устойчивые высокие значения ЧСС в течение всего времени подвешивания служили доказательством хорошего функционального состояния испытуемого рака. Таким образом, метод функциональной нагрузки, часто используемый в физиологии и медицине для выявления ранних признаков ухудшения состояния здоровья, продемонстрировал свою эффективность в оценке состояния раков и степени воздействия на животных токсических веществ.

  Исследователями из Московского Университета показано, что двигательная активность флагеллярных экзоподитов, отражающая вентиляторную активность, десятиногих раков Procambarus cubensis может служить «инструментом» оценки функционального состояния рака и его способности к рецепции внешних раздражений (Burmistrov and Shuranova, 2010). Скафогнатиты - измененные в эволюции пары вторых максилл, их ритмическая активность запускается центральным генератором ритма, располагающимся в ипсилатеральной половине подглоточного ганглия мозга рака. Скафогнатитеграмы (СГГ), представляющие суммарное электрическое поле подвижных мышц экзоподитов рака, с высокой регулярной (тонической) частотой (3-5 Гц) отражают гипервозбужденное состояние центральной нервной системы рака, в то время как регулярные низкочастотные и низкоамплитудные СГГ типичны для сноподобного (sleep-like state) состояния. Параллельно с моторной активностью наблюдали повышение вентиляции (и иррегулярности в паттерне СГГ). В фоне СГГ вариабельна. Короткое торможение в СГГ-реакции можно было вызвать внешними стимулами низкой интенсивности и неожиданными для животного. Появление нового стимула и реакция на него рака может рассматриваться как аналог ориентировочного ответа у высших животных. Некоторым недостатком СГГ метода диагностики функционального состояния может быть низкая локомоторная активность раков вообще им характерная, поэтому ранее (Shuranova et al., 1993) предлагала использовать как вегетативный индекс, определяющий функциональное состояние животного, сердечную и вентиляторную активность.

  Таким образом, в число показателей, подтверждающих хорошее функциональное состояние раков, вошли: наличие стабильно проявляющегося характерного для вида циркадного ритма ЧСС, чёткие изменения ЧСС на хэндлинг (Кузнецова и др., 2010), в тесте на подвешивание, на изменение солености среды (Кузнецова, 2013) или в ответ на предъявление натурального пищевого стимула. Необходимо также использовать вегетативный индекс, упомянутый нами выше. 

  Использование указанных показателей кардиоактивности и локомоторной активности, в совокупности с общепринятыми морфологическими характеристиками и некоторыми поведенческими реакциями, позволяет получить интегральную оценку физиологического состояния раков. Все это дает возможность сформировать референтные группы животных не только с целью повышения эффективности систем биоиндикации, но также для создания в аквакультуре микропопуляций раков, наиболее устойчивых к условиям искусственного разведения и воспроизводства.

Список литературы

Водные ресурсы и качество вод: состояние и проблемы управления / отв. ред. -Данильян, ; Рос. акад. наук, Ин-т вод. проблем. - М.: ИВП, 2010. 414с.

Reynolds J and Souty-Grosset C (2012) Management of Freshwater Biodiversity. Crayfish as

Bioindicators. Cambridge University Press. Cambridge, England.

Schilderman PA, Moonen EJ, Maas LM, Welle I, Kleinjans JC. Use of crayfish in biomonitoring

studies of environmental pollution of the river Meuse. Ecotoxicological Environment Safety.

1999. 44(3): 241-252.

Биоэлектронный мониторинг уровня токсичности природных и сточных вод в реальном времени. Экологическая химия. 2007, 16(4): 223-232.

, , Изучение сократительной активности сердца раков с помощью нового неинвазивного метода. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2000. 36(3): 219-222.

Bojsen BH, Witthofft H, Styrishave B, Andersen O. In situ studies on heart rate and locomotor

activity in the freshwater crayfish, Astacus astacus (l.) in relation to natural fluctuations in

temperature and light intensity. Freshwater Biology. 1998. 39:455-465.

, , Оценка функционального состояния раков в нормальной и токсической среде по их кардиоактивности и биохимическим показателям гемолимфы. Журн. эвол. биохим. и физиол. 2010, 46(3): 203-210.

Kuznetsova T. V. Change of salinity of medium as a functional loading in estimating physiological state of the crayfish Astacus leptodactylus. J. Evol. Biochem and Physiol. September 2013. 49(5): 498-502.

, , Самодиагностика биоэлектронных систем мониторинга окружающей среды в реальном времени. Системы контроля окружающей среды. Сборник научных трудов, НАН Украины, МГИ. Севастополь. 2012,17:26-31.

Burmistrov Y. and Shuranova Z. Beating of flagellar exopods in crayfish as an overt expression of excitation. Freshwater Crayfish. 2010.17: 187-188.

Shuranova Zh. P., Vekhov A. V., Burmistrov Iu. M. The behavioral reactions of fresh-water crayfish to sensory exposures: the autonomic components. Zh Vyssh Nerv Deiat Im I P Pavlova. 1993. Nov-Dec; 43(6): 1159-1169.