МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. Ломоносова
Биологический факультет

На правах, рукописи

КАПКОВ Валентин Иванович

ВОДОРОСЛИ КАК БИОМАРКЕРЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
МОРСКИХ ПРИБРЕЖНЫХ ЭКОСИСТЕМ

03.00.18 - Гидробиология

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Москва
2003

Работа выполнена на кафедре гидробиологии Биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Официальные оппоненты:
доктор биологических наук. Ю.Г. Симаков
доктор биологических наук Ю. П. Козлов
доктор биологических наук А. Н. Камнев

Ведущая организация:
Институт глобального климата и экологии РАН

Защита состоится 29 мая 2003 г. в 15.30 на заседании Диссертационного Совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, Биологический факультет, ауд. 389

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Отзыв в двух экземплярах просим направлять по адресу: 119899, Москва, Биологический факультет, Ученый Совет Д 501.001.55

Автореферат разослан 15 апреля 2003 г.

Ученый секретарь Совета Кандидат биологических наук Н.В. Карташева

Введение

Актуальность темы. Концепция использования биомаркеров в качестве индикаторов и предиктов токсического действия тяжелых металлов на водные организмы занимает центральное место при оценке экологических последствий антропогенного загрязнения водных экосистем. Она необходима при выборе из множества откликов гидробионтов наиболее информативных и пригодных для целей биологического мониторинга.

Оценка отклика биомаркеров на действие токсиканта позволяет пользоваться информацией, которая в принципе не может быть получена лишь при анализе уровня загрязняющего вещества в среде или в организме. Реакции биомаркеров служат доказательством того, что гидро-бионты подвержены влиянию токсиканта на уровне, который превышает способность организма к детоксикации и который индуцирует повреждение клеточных мишеней. Результаты ответных реакций биомарксров являются важным аргументом при установлении связи между действием токсиканта и экологическими эффектами на уровне популяции или сообщества.

Биомаркеры дают информацию о действии как любого загрязнителя, так и токсического метаболита, образующегося в результате его трансформации в природной среде. Прямые и непрямые взаимодействия токсикантов в среде и организме, их синергетическое или антагонистическое действие интегрируются в ответных реакциях биомаркеров. Биомаркеры, таким образом, отражают кумулятивный эффект загрязняющих веществ, вследствие чего их использование особенно перспективно при исследовании прибрежных морских экосистем, которые подвержены антропогенному прессу. При этом особо опасными оказываются загрязнения тяжелыми металлами - поллютантами со множественными путями их поступления в гидросферу. Опасность связана с тем, что, циркулируя длительное время, они в итоге аккумулируются в гидробионтах преимущественно в начальных звеньях трофических цепей.

Ответные реакции водорослей на действие антропогенных факторов оказываются наиболее быстрыми, вследствие чего структурные характеристики фитопланктона могут служить репрезентативными показателями состояния водных экосистем. На этом основано использование многих параметров состояния водорослевого сообщества для целей биологического мониторинга. Способность водорослей аккумулировать тяжелые металлы из водной среды в концентрациях, существенно превышающих их уровень в воде, позволяет использовать их в качестве мониторов при количественной оценке загрязнения водных экосистем опасными токсикантами. Вместе с тем водоросли различных таксономических рангов служат индикаторами для качественной характеристики экосистемы: наличие или отсутствие некоторых из них свидетельствует об уровне сапробности и токсобности водоема. Водоросли могут служить биологическими маркерами долговременных токсичных эффектов и их регистрируемые отклики позволяют активно вмешиваться в ситуации до наступления необратимых процессов в водных экосистемах.

В последнее время предпринимаются попытки усовершенствовать методы изучения водорослей как биомаркеров загрязнения водных экосистем в плане их унификации. Биологическая значимость таких исследований несомненна:

а) водоросли — мониторы позволяют получать интегральную картину загрязнения водных экосистем, что особенно важно при осуществлении краткосрочных прогнозов при дискретном загрязнении водоема;'

б)водоросли характеризуются высокой способностью к биоаккумуляции тяжелых металлов, что позволяет увеличить точность химических анализов, используя их в качестве мониторов;

в)аккумуляция водорослями тяжелых металлов указывает на наличие их биодоступных форм в среде, которые могут оказать или оказывают токсическое действие на водные организмы;

г)пробы водорослей могут длительное время оставаться пригодными для определения металлов при интеркалибрации техники определения и методов анализа;

д)использование водорослей в качестве мониторов открывает новую перспективу в разработке практических задач удаления загрязняющих веществ из сточных вод посредством применения накопительных культур.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - изучение информативных откликов водорослей как биомаркеров для составления краткосрочного прогноза состояния сообщества водорослей при осуществлении биологического мониторинга загрязнения прибрежных морских экосистем тяжелыми металлами. Основные задачи состояли в следующем:

1) Исследовать взаимодействие тяжелых металлов с компонентами биологических сред и оценить изменение биоцидных свойств металлов в результате комплексообразования с органическими и неорганическими лигандами. 2) Определить интервалы токсичности тяжелых металлов для массовых видов морских водорослей с целью их использования в качестве предиктов загрязнения при определении агрессивности среды. 3) Изучить реакции отклика водорослей на действие сублетальных концентраций тяжелых металлов с целью обоснования длительности лабораторных экспериментов. 4) Исследовать комбинированное действие тяжелых металлов на популяции водорослей в лаборатории и в опытах «in situ» на сообщество в целом. 5) Исследовать динамику накопления водорослями тяжелых металлов с целью обнаружения связи между величиной биоаккумуляции металла и его токсичностью. 6) Выявить видовую специфичность накопления тяжелых металлов водорослями для последующего использования их в качестве биоиндикаторов загрязнения морских вод.

Научная новизна. Впервые изучены процессы комплексообразования тяжелых металлов с компонентами среды, приводящие к усилению или ослаблению токсичности металла. Полученные данные позволяют предсказывать степень токсичности вновь образованных соединений для целей кратковременного экологического прогноза.

Установленные интервалы токсичности наиболее опасных металлов для массовых видов морских водорослей позволяют использовать долевое соотношение чувствительных и устойчивых форм в качестве предиктов состояния сообщества при оценке агрессивности природной среды. Обнаруженные синергетические и антагонистические эффекты взаимодействия тяжелых металлов на структурные и функциональные характеристики водорослей в лаборатории и в опытах «in situ» служат обоснованием уровней ПДК тяжелых металлов для гидробионтов.

На основе реакций водорослей на действие сублетальных концентраций тяжелых металлов выделены наиболее информативные отклики для использования их в системе биомониторинга загрязнения водных экосистем.

Впервые установленная видовая специфичность биоаккумуляции металлов красными водорослями позволяет приоритетно рекомендовать их в качестве биологических индикаторов загрязнения природных вод тяжелыми металлами. Показан сложный механизм биоаккумуляции металлов, включающий процессы накопления и выделения металлсодержащих метаболитов клетками как один из возможных путей их детоксикации. Обнаруженные свойства водорослей избирательно накапливать металлы позволяют использовать их в качестве биотической компоненты биофильтров при загрязнении водных экосистем.

Впервые предложена общая концепция использования морских водорослей в качестве биомаркеров загрязнения прибрежных морских экосистем тяжелыми металлами.

Практическое значение работы. Полученные результаты могут быть использованы при анализе структуры водорослевого сообщества при оценке антропогенного воздействия для составления краткосрочного прогноза состояния прибрежных морских экосистем. Разработанные подходы и использованные методы могут найти применение при обосновании скорректированных уровней ПДК тяжелых металлов для гидробионтов. Выявленные виды красных водорослей, избирательно аккумулирующих металлы, могут быть рекомендованы в качестве биоиндикаторных организмов и биофильтров при локальном загрязнении морской среды. Основные результаты работы использованы при разработке курса лекций по прикладной гидробиологии, задач Большого практикума для студентов-гидробиологов и при составлении «Руководства по гидробиологическому контролю качества природных вод» (Москва, 2000).

Апробация работы. Результаты работы доложены на Научной конференции молодых ученых МГУ (Москва, 1968); Всесоюзной научной конференции по вопросам водной токсикологии (Москва, 1968); на Заседании секции гидробиологии и ихтиологии МОИП (Москва, 1969); на Симпозиуме по водной токсикологии (Ленинград, 1969); на II Съезде Всесоюзного гидробиологического общества (Кишинев, 1970); на Симпозиуме стран - членов СЭВ «Современные гидробиологические методы изучения качества воды» (ЧССР, Мельник, 1978); на Всесоюзной конференции «Оценка и классификация качества поверхностных вод для водопользования» (Харьков, 1979); на Научной конференции «Проблемы изучения и охраны природных ресурсов Белого моря» (Архангельск, 1985); на V Съезде Всесоюзного гидробиологического общества (Тольятти, 1986); на Симпозиуме стран - членов СЭВ «Комплексные методы контроля качества природной среды» (Черноголовка, 1986); на Научной конференции «Экология и биологическая продуктивность Баренцева моря» (Мурманск, 1986); на III Съезде океанологов (Ленинград, 1987); на Конференции «Эколого-физиологические исследования водорослей» (Борок, 1996); на Научной конференции «Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря» (Санкт-Петербург, 1998); на Научной конференции «Водные организмы и экосистемы» (Москва, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 43 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений. Работа содержит 60 рисунков и 67 таблиц. Список литературы включает 619 работ, из которых 150 на русском языке.