CC BY
6УДК 574.23 + 574.24
DOI: 10.24412/2308-7188-2023-1-61-68
Лебединский Иван Александрович
кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии и географии
ФГБОУ ВО «Пермский государственный гуманитарно-педагогический
университет», Пермь, Россия 614990, г. Пермь, ул. Пушкина, 24, e-mail: [email protected]
Еремеева Надежда Владимировна
старший преподаватель кафедры биологии и географии
ФГБОУ ВО «Пермский государственный гуманитарно-педагогический
университет», Пермь, Россия 614990, г. Пермь, ул. Пушкина, 24, e-mail: [email protected]
Каримова Валерия Закиевна
учитель биологии
МАОУ «Лицей № 4», Пермь, Россия 614095, г. Пермь, ул. Танкистов, 56, e-mail: [email protected]
НЕОДНОЗНАЧНОЕ ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ НИКЕЛЯ В КОРМЕ НА РАЗВИТИЕ СВЕРЧКА ДОМОВОГО
Lebedinsky Ivan Alexandrovich
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Biology
and Geography
Perm State Humanitarian Pedagogical University, Perm, Russia 24 Pushkina str., Perm, 614990, e-mail: [email protected]
Yeremeyeva Nadezhda Vladimirovna
Senior Lecturer at the Department of Biology and Geography
Perm State Humanitarian Pedagogical University, Perm, Russia 24 Pushkina str., Perm, 614990, e-mail: [email protected]
Karimova Valeria Zakievna
biology teacher
MAOU "Lyceum No. 4", Perm, Russia 614095, Perm, ul. Tankistov, 56, e-mail: [email protected]
AMBIGUOUS EFFECT OF INCREASED NICKEL CONTENT IN FEED ON
HOUSE CRICKET DEVELOPMENT
© Лебединский И.А., Еремеева Н.В., Каримова В.З., 2023
Аннотация. Приведен анализ влияния повышенного содержания никеля в корме на рост и морфологические особенности сверчка домового. Несмотря на высокую токсичность никеля для представителей царства животных, была выявлена высокая устойчивость сверчков к данному металлу. Динамика некоторых морфометрических показателей свидетельствует о возможном благоприятном влиянии высокого содержания никеля на развитие сверчков. Высокая толерантность сверчков к никелю требует дальнейшего изучения и может быть связана с особенностями их кишечной микрофлоры.
Ключевые слова: сверчок домовой, никель, токсичные металлы, тяжелые металлы, флуктуирующая асимметрия.
Abstract. The paper analyzes the effect of increased nickel content in feed on growth and morphological features of house crickets. Despite the high toxicity of nickel for representatives of the animal kingdom, high tolerance of crickets to this metal was revealed. The dynamics of some morphometric indices indicates a possible positive effect of high nickel content on the development of crickets. The high tolerance of crickets to nickel requires further study and may be related to the peculiarities of their intestinal microflora.
Key words: house cricket, nickel, toxic metals, heavy metals, fluctuating asymmetry.
Никель - один из самых распространенных загрязнителей среди тяжелых металлов [18; 12]. В отличие от «классических» тяжелых металлов, таких как свинец и ртуть, никель является микроэлементом, его полное отсутствие приводит к негативным последствиям [8]. Ион никеля участвует в процессе образования цГМФ - важной сигнальной молекулы, регулирующей работу натриевых ионных каналов клетки, процессы апоптоза и гликогенолиза, тонус гладкой мускулатуры и др. [18].
Токсическое влияние никеля крайне разнообразно и затрагивает практически все системы органов. В основе токсичности никеля лежит его способность увеличивать степень метилирования ДНК, блокировать кальциевые каналы и влиять на ряд других внутриклеточных процессов за счет соединения с некоторыми ферментами, вызывающего изменение их активности. Безопасный для человека уровень поступления никеля в организм не превышает 1 мг/день, ПДК - 0,02 мг/л (для питьевой воды), 4 мг/кг (для подвижных форм в почве) [1; 7].
При этом следует отметить, что для растений, грибов, эубактерий и архей никель играет более важную роль, входя в состав ряда металлопротеидов, таких как уреаза, Ni-Fe гидрогеназа, Ni-суперокисддисмутаза и др. [11; 16]. Токсичность никеля для перечисленных организмов ниже, чем для животных. У ряда бактерий также обнаружены ферменты, обеспечивающие избирательный транспорт никеля в клетку [9; 19].
Целью данного исследования была оценка влияния высокого содержания никеля в корме на развитие и морфологические особенности сверчка домового (Acheta domesticus L, 1758).
Выбор объекта исследования объясняется неприхотливостью и высокой скоростью размножения сверчка при выращивании в условиях лаборатории и
широкой распространенностью этого насекомого в природе, особенно в антропогенно-преобразованных биоценозах. Вышесказанное делает сверчка домового перспективным организмом для биоиндикации антропогенного загрязнения окружающей среды. Также следует отметить, что в последние десятилетия сверчок домовой рассматривается как перспективная кормовая культура и ценный источник белка для пищевой промышленности [13], в этом случае изучение влияния тех или иных факторов на развитие и морфологические особенности сверчков актуально для создания оптимальных условий выращивания насекомых.
Нимфы Acheta domesticus после первой линьки размещались в прозрачных полипропиленовых контейнерах с вентиляционными отверстиями в стенках и крышке. На дно контейнеров был насыпан грунт толщиной 2 см для смягчения перепадов влажности. В контейнеры были помещены укрытия из плотного картона, бумаги и древесной коры для уменьшения агрессии между насекомыми. Два раза в неделю сверчки получали порционный корм, состоящий из высушенной гомогенизированной смеси овощей, фруктов и вареного мяса. После внесения корма смесь и почва в контейнере увлажнялись. В контрольной группе для увлажнения использовалась вода, в экспериментальных - растворы, содержащие сульфат никеля в 12,5 и 25 раз превышающий ПДК для содержания подвижной формы никеля в почве (4 мг/кг). Данные уровни превышения ПДК выбраны исходя из общепринятой практики расчета ПДК: как правило, ПДК составляет 1/10 концентрации данного вещества, вызывающей негативные эффекты у 50 % подопытных организмов. Таким образом, при 12,5-кратном превышении ПДК ожидалась заметная негативная реакция у большинства, а при 25-кратном превышении -выраженное угнетение развития всех подопытных насекомых.
После имагинальной линьки осуществлялась оценка сырой массы насекомых, также определялась выраженность асимметрии ряда органов. Оценивалась выраженность асимметрии длины голени и бедра последней пары конечностей, а также ширины бедер и длины крыльев (рис. 1).
Рис. 1. Схема выполняемых измерений Методика оценки индекса асимметрии основана на рекомендациях Министерства природных ресурсов РФ. Поскольку упомянутая методика не включает насекомых, при выборе параметров оценки асимметрии авторы руководствовались следующими критериями: данные параметры должны быть удобными для измерения, обладать низкой вариабельностью в пределах контрольной группы и демонстрировать достоверные отличия при действии исследуемых факторов [2-6].
Измерения проводились на отсканированном материале при помощи свободно распространяемой компьютерной программы ImageJ (Wayne Rasband, National Institutes of Health, USA). Коэффициенты асимметрии отдельных органов вычислялись по формуле (1.1).
1.1
Выборки, состоящие из полученных коэффициентов асимметрии, проходили проверку на нормальность распределения по критерию Эппса -Палли (в соответствии с рекомендациями ГОСТ Р ИСО 5479-2002), стандартную математическую обработку с вычислением выборочного среднего, среднеквадратического отклонения и ошибки среднего. Также была произведена фильтрация результатов по методу 3о. Достоверность отличий между выборками оценивалась при помощи ^критерия Стьюдента для несвязанных выборок.
Рассмотрим полученные результаты, начиная со средней массы насекомых (табл. 1).
Таблица 1
Средняя масса сверчков в зависимости от концентрации никеля в корме
Самцы Самки
Контроль 379,500 ± 43,5176 408,667 ± 38,1241
12,5-х ПДК Ni2+ 371,000 ± 22,0000 501,000 ± 48,2494
25-х ПДК Ni2+ 305,600 ± 9,6571 433,667 ± 66,1386
С вероятностью Р < 0,05 масса самцов, получавших корм с 25-кратным превышением ПДК никеля, меньше, чем масса контрольных насекомых и масса насекомых, получавших корм с 12,5-кратным превышением ПДК. Для самок достоверных отличий не выявлено. Таким образом, влияние существенного уровня превышения ПДК никеля на массу сверчков оказалось незначительным. Визуальные наблюдения также не выявили существенных различий во внешнем виде и поведении контрольных и экспериментальных групп насекомых.
Влияние нелетальных негативных факторов может проявляться в увеличении выраженности флуктуирующей асимметрии организма. Данная асимметрия возникает за счет накопления случайных отклонений гомеостатических процессов в развитии организма под действием совокупности негативных факторов, которые выливаются в некоторую рассогласованность роста и дифференциации клеток симметричных и парных органов.
Наиболее интересные отличия были выявлены при оценке выраженности асимметрии длины голени и бедра последней пары конечностей, а также ширины бедер и длины крыльев. В табл. 2 приведены коэффициенты асимметрии, средние для всех имаго без учета их пола.
Таблица 2
Средние показатели асимметрии сверчков без учета пола
Ка. длины голеней Ка. ширины бедер Ка. длины бедер Ка. длины крыльев
Контроль 0,042 ± 0,0116 0,072 ± 0,0141 0,039 ± 0,0103 0,025 ±0,0041
12-х ПДК №2+ 0,007 ± 0,0013 0,032 ± 0,0181 0,012 ± 0,0060 0,013 ±0,0031
25-х ПДК №2+ 0,028 ± 0,0044 0,038 ± 0,0052 0,027 ± 0,0038 0,033 ±0,0060
Графически полученные результаты приведены на рис. 2.
К а. длины голени К а. ширины бедра К а. длины бедра Контроль ■ 12-х ПДК 1УР+ ■ 25-х ПДК Рис. 2. Влияние превышения ПДК никеля на асимметрию конечностей и крыльев сверчка
Интересной особенностью всех коэффициентов флуктуирующей асимметрии длины является достоверно меньшее по сравнению с контролем и второй экспериментальной выборкой (Р < 0,05) значение для выборки сверчков, получавших корм с 12,5-кратным превышением ПДК никеля. Для показателя асимметрии ширины бедра достоверно более выраженная асимметрия
наблюдается у контрольных насекомых по сравнению с обеими экспериментальными группами.
Поскольку меньшее значение выраженности флуктуирующей асимметрии считается показателем более стабильного (благополучного) развития организма, можно предположить не только то, что сверчок домовой устойчив к превышению ПДК никеля в корме до 25 раз в течение всего онтогенеза, но и то, что 12,5-кратное превышение ПДК никеля в корме является оптимальным содержанием никеля для роста и развития сверчка.
Следует отметить, что 25-кратное превышение ПДК никеля в данном эксперименте соответствует концентрации 100 мг/кг. Для крыс разовый пероральный прием 50 мг никеля вызывает отравление. Таким образом, сверчки демонстрируют существенную толерантность к никелю.
Данная особенность требует дальнейшего изучения. Однако, исходя из некоторых современных исследований, можно сделать несколько предположений, которые могли бы объяснить такую высокую устойчивость сверчков к довольно токсичному для животных металлу.
Оба предположения связаны с кишечной микрофлорой сверчков, поскольку микрофлора пищеварительной системы сверчков крайне разнообразна и, как упоминалось ранее, для бактерий никель является менее токсичным, чем для животных. В первом случае можно предположить, что токсическое действие никеля нивелируется за счет его активного поглощения бактериями кишечника, а их последующее активное развитие обеспечивает насекомое рядом полезных продуктов бактериального метаболизма. Среди кишечной микрофлоры сверчков можно выделить ряд родов, таких как Lactococcus, Akkermansia, Paludibacter и Coprococcus, представители которых способствуют лучшему усвоению компонентов пищи, выделяют полезные метаболиты (например, масляную кислоту) и регулируют видовой состав кишечной микрофлоры [10; 14; 17; 22]. Второе предположение проистекает из первого: как было показано в некоторых исследованиях, пищеварительная система сверчков не вырабатывает в-глюкозидазу и целлюлозу, при этом целлюлоза в корме представителей рода Acheta, как правило, присутствует в значительных количествах [15; 21]. Таким образом, сверчки неспособны усваивать целлюлозу, однако в их пищеварительной системе обитают бактерии, относящиеся к типу Bacteroidota, представители которого способны разлагать полисахариды, включая целлюлозу. В таком случае никель мог бы не только обеспечивать более активный рост полезной микрофлоры, но и повышать за счет развития соответствующих групп бактерий усвояемость полисахаридов корма, недоступных для пищеварения сверчков. Кроме того, для некоторых бактериальных ферментов, участвующих в метаболизме полисахаридов, выявлено активирующее влияние ионов никеля [20].
В результате исследования была выявлена высокая толерантность сверчков к повышенной концентрации сульфата никеля в корме в течение всего онтогенеза насекомых. Концентрация, равная 100 мг Ni2+ на 1 кг корма, не вызвала существенного уменьшения массы самок, концентрация 50 мг/кг не
оказала влияния как на самцов, так и на самок и сопровождалась снижением 4 выбранных коэффициентов асимметрии по сравнению с контролем, что косвенно может свидетельствовать о благоприятном влиянии данной концентрации никеля на развитие сверчков. Выявленная устойчивость сверчков к никелю требует дальнейшего изучения и может быть связана с особенностями кишечной микрофлоры этих насекомых.
Список литературы
1. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве : гигиенические нормативы / Федерал. центр гигиены и эпидемиол. Роспотребнадзора. - М., 2006. - 15 с.
2. Захаров В.М. Асимметрия животных (популяционно-феногенетический подход). - М., 1987. - 216 с.
3. Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Дмитриев С.Г. Здоровье среды: практика оценки / Центр эколог. политики России. - М., 2000. - 318 с.
4. Здоровье среды: методика оценки / В.М. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов и др.; Центр эколог. политики России. - М., 2000. - 68 с.
5. Кизель В.А. Физические причины диссимметрии живых систем. - М. : Наука, 1985. - 119 с.
6. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур) / МПР РФ; Введ. 16.10.03. № 460-Р. - М., 2003. - 24 с.
7. Санитарные правила и нормы СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» // Постановление Роспотребнадзора от 28.01.2021 № 2.
8. Barceloux D.G. Nickel // Journal of Toxicology Clinical Toxicology. - 1999. - № 37(2). - Р. 239-258.
9. Boer J.L., Mulrooney S.B., Hausinger R.P. Nickel-dependent metalloenzymes // Archives of Biochemistry and Biophysics. - 2014. - № 544. - Р. 142-152.
10. Cani P.D., Vos W. M. de. W.M. Next-generation beneficial microbes: The case of Akkermansia muciniphila // Frontiers in Microbiology. - 2017. - № 8. - Р. 1765.
11. Chivers P.T., Sauer R.T. Regulation of high affinity nickel uptake in bacteria. Ni2+-Dependent interaction of NikR with wild-type and mutant operator sites // The Journal of biological chemistry. - 2000. - № 275(26). - Р. 19735-19741.
12. Das K., Reddy R., Bagoji I. Primary concept of nickel toxicity - An overview // Journal of basic and clinical physiology and pharmacology. - 2018.
13. Dominykas A., Luksa J., Strazdaite-Zieliene Z. The Bacterial Microbiota of Edible Insects Acheta domesticus and Gryllus assimilis Revealed by High Content Analysis // Foods. - 2022. - № 11(8). - Р. 1073-1090.
14. Kort R., Schlösser J., Vazquez A.R. Model Selection Reveals the Butyrate-Producing Gut Bacterium Coprococcus eutactus as Predictor forLanguage Development in 3-Year-Old Rural Ugandan Children // Frontiers in Microbiology. -2021. - № 12. - Р. 1406.
15. Miech P., Berggren A., Lindberg J.E. Growth and survival of reared Cambodian field crickets (Teleogryllus testaceus) fed weeds, agricultural and food industry by-products // Journal of Insects as Food and Feed. - 2016. - № 2(4). - P. 285-292.
16. Pishchik V., Mirskaya G., Chizhevskaya E. Nickel stress-tolerance in plant-bacterial associations // PeerJ. - 2021. - № 9.
17. Qiu Y.L., Kuang X.Z., Shi X.S. Paludibacter jiangxiensis sp. nov., a strictly anaerobic, propionate-producingbacterium isolated from rice paddy field // Archives of Microbiology. - 2014. - № 196. - P. 149-155.
18. Raj narayan Roy. Nickel essentiality, toxicity and the mechanism of toxicity in animal // Pollution research paper. - 2021. - № 1. - P. 226-235.
19. Santanu M. Study of Genetic Determinants of Nickel and Cadmium Resistance in Bacteria-A Review // International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences. - 2016. - № 5(11). - P. 459-471.
20. Saxena S., Bahadur J., Varma A. Effect of cobalt and nickel on growth and carboxymethyl cellulase activity of Cellulomonas spp // Biometals. - 1992. - № 5. -P. 209-212.
21. Teo L.H., Woodring J. Digestive enzymes in the house cricket Acheta domesticus with special reference to amylase // Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Physiology. - 1985. - № 82. - P. 871-877.
22. Zhang T., Li Q., Cheng L. Akkermansia muciniphila is a promising probiotic // Microbial Biotechnology. - 2019. - № 12. - P. 1109-1125.
