CC BY
13УДК 595.324.089.1
влияние лантана
на биологические параметры ветвистоусого рачка
ceriodaphnia affinis
в хроническом эксперименте
RA. Ложкина, И.И.Томилина
ИБВВ РАН, Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт биологии внутренних вод (ФГБУ ИБВВ) им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Российская Федерация
Исследовано влияние летальных и сублетальных концентраций лантана на выживаемость, рост и репродуктивные показатели ветвистоусого рачка СепоёарИша affinis в остром и хроническом экспериментах.
Ключевые слова: редкоземельные элементы, лантан, токсичность, цериодафнии.
Введение. Интенсивное развитие новых технологий на основе использования редкоземельных элементов (РЗЭ) и все более возрастающая потребность в них привели в последнее время к заметному расширению масштабов их производства, а также расширению ассортимента содержащей их продукции и областей её применения. РЗЭ используются в различных отраслях техники: радиоэлектронике, приборостроении, машиностроении, химической промышленности, металлургии, сельском хозяйстве и др. [1].
Крупнейшими запасами РЗЭ (около 80%) в мире обладает Китай [2]. Россия является вторым по счету поставщиком РЗЭ, владея 20% мировых запасов. В последние десятилетия резко возросли добыча РЗЭ и их использование в промышленности и быту [3]. В связи с этим возросли масштабы их поступления в окружающую среду, в первую очередь в водоемы [4]. Увеличение содержания лантана и других РЗЭ в результате их использования для повышения урожайности сельскохозяйственных растений зарегистрировано в поверхностных водах Китая [3]. На площади более 1 млн га в течение 1993 года было применено в качестве удобрения более 1030 тонн РЗЭ [5]. Лантан и другие РЗЭ были обнаружены и в отходах сточных вод при добыче золота и урана, т.е. эти элементы могут попадать в водные экосистемы [6].
Несмотря на широкое использование РЗЭ, информации об их токсичности для водных организмов недостаточно [7,8,9]. В России установлены ПДК для питьевой воды для Ей (0,3 мг/л) и Бш
(0,024мг/л) [10], для пресной воды - Ьа (0,01 мг/л) [11].
Цель исследования - оценить жизнеспособность представителя пресноводного зоопланктона ветвистоусого рачка СепоёарИша affinis ЬИЦеЬо^ при действии водорастворимых форм лантана.
Материалы и методы исследования. В работе использовали лантан сернокислый 8-водный Ьа2(804)3^8Н20^Н20. Исследуемые концентрации в диапазоне 0,16 - 3,53 мкг Ьа/л получали путем последовательного разведения отстоянной водопроводной водой (рН 7.0-7.5, общая жесткость 4.0-4.5 мМэкв/л Са2+ и Mg2+) насыщенного раствора сернокислого лантана с концентрацией 446,88 мкг Ьа/л, приготовленного на дистиллированной воде. Растворимость лантана в воде - 2,33 г/100 см3 при 20оС [12]. Реальные концентрации лантана на момент постановки опыта измеряли при помощи масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой ГСР-МБ БКС-е [13].
В качестве тест-объекта использовали вет-вистоусых рачков из лабораторной культуры СепоёарИша affinis ЬПЦеЬо^. Эксперименты проводили в соответствии со стандартной методикой
[14].
Предварительно определяли летальные концентрации Ьа (диапазон от 1,79 - 30,9 мкг Ьа/л) при экспозиции 48 ч в остром опыте в 3-х кратной повторности. Для этого в каждый стаканчик с 50 мл раствора отсаживали по 10 экземпляров молоди, возраст которой составлял < 24 ч. Сред-
Ложкина Роза Андреевна (Lozhkina Roza Andreevna), старший лаборант лаборатории физиологии и токсикологии водных животных ФГБУ ИБВВ им. И.Д.Папанина РАН, 152742, пос. Борок, Ярославская обл., Российская Федерация, [email protected]
Томилина Ирина Ивановна (Tomilina Irina Ivanovna), кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии и токсикологии водных животных ФГБУ ИБВВ им. И.Д.Папанина РАН, 152742, пос. Борок, Ярославская обл., Российская Федерация, tomil@ ibiw.yaroslavl.ru
нюю летальную концентрацию LC50 устанавливали графически с использованием пробит-ана-лиза [14].
Действие сублетальных концентраций лантана исследовали в хроническом эксперименте, охватывающем весь жизненный цикл рачков. Генетически однородных рачков в первые сутки от рождения рассаживали в стеклянные стаканчики с 9 мл раствора по 1 экз. в каждый и наблюдали на протяжении 70 суток. Исследовали выживаемость, время наступления первого помета, продолжительность жизненного цикла и индивидуальную плодовитость животных. Рассчитывали максимальную и среднюю продолжительность жизни, суммарную плодовитость (общее количество молоди, полученное от одной самки в течение всей жизни), интенсивность размножения (суммарная плодовитость самки, отнесенная к ее продолжительности жизни в сутках) [15]. В ходе эксперимента животных кормили раз в два дня в момент смены воды зелеными водорослями Chlorella vulgaris в концентрации 250300 тыс. кл/мл [14].
Хронические эксперименты выполняли в двух повторностях. Поддерживали оптимальные условия среды: температуру воды - 21 ± 3оС, рН 7,5 -8,0, растворенный кислород - на уровне насыщения, световой режим при освещении лампами дневного света - 16 ч свет: 8 ч ночь. Контрольную группу тест-животных содержали в аналогичных условиях в отстоянной водопроводной воде без добавления La.
Данные представляли в виде средних значений и их ошибок (x±SE). Достоверность различий оценивали методом дисперсионного анализа (ANOVA, LSD-тест) при уровне значимости р < 0.05. Результаты обрабатывали статистически с использованием программного обеспечения
Microsoft Office Excell и STATGRAPHICS Plus 2.1.
Результаты и обсуждение. Предварительные исследования позволили установить LC50 за 48 ч экспозиции для C. affinis, которая составила 4,28 мкг La/л. В первые сутки хронического эксперимента интенсивная гибель цериодафний отмечена в растворах с концентрациями 3,53 и 0,62 мкг La/л, в то время как при 0,35, 0,21 и 0,16 мкг La/л гибели не наблюдали (рис. 1). Наиболее полным отражением степени комфортности условий существования и их адекватности биологическим потребностям организма служит продолжительность его жизни [15]. В эксперименте наблюдали широкую вариабельность сроков продолжительности жизни от 3 до 68 суток. Наименьшая вариабельность этого показателя зарегистрирована для самой низкой концентрации сернокислого лантана (табл.1). Средняя продолжительность жизни рачков в его растворах с концентрациями 3,53 и 0,62 мкг La/л была наименьшей (табл. 1). Достоверных отличий данного показателя от контрольных значений в растворах с концентрациями 0,16-0,35 мкг La/л не зарегистрировано. Средняя продолжительность жизни зависела от концентрации вещества и с её увеличением снижалась (r=-0.35, p=0.0001).
Линейные размеры половозрелых особей при действии растворов сернокислого лантана в концентрациях 3,53, 0,62 и 0,21 мкг La/л были достоверно ниже контрольных в 1-ю (рис. 2а) и 3-ю неделю эксперимента. Особенно существенные различия просматривались в самой высокой концентрации лантана, в которой размеры взрослых особей не достигали контрольных на всем протяжении эксперимента. В ходе дальнейшего эксперимента при влиянии остальных концентраций разница уменьшалась, к концу 5-й недели размеры выравнивались. Можно предположить, что
Рис.1. Влияние лантана на смертность цериодафний в условиях хронического эксперимента Примечение: по оси абсцисс - недели, по оси ординат - процент гибели.
это является следствием фенотипической адаптации организма к продолжающемуся токсическому воздействию. Линейные размеры вылупляющейся молоди отличались только в 1-ю неделю эксперимента (рис. 2б). Отмечена достоверная стимуляция размеров молоди в 1-3-ю неделю эксперимента в низких концентрациях лантана. Поскольку промеры проводили в первые сутки после рождения, можно предположить, что малые концентрации оказывали стимулирующее действие на стадии эмбрионов.
Растворы сернокислого лантана влияли и на репродуктивные показатели цериодафний. У особей, экспонированных в растворах токсиканта с концентрациями 3,53 и 0,62 мкг Ьа/л, отмечено увеличение продолжительности периода до первого вымета потомства на 2 суток по сравнению с контрольными экземплярами и особями, экспонированными в растворах с более низкими концентрациями. Максимальная суммарная плодовитость за время наблюдения зарегистрирована в растворах токсиканта с концентрацией 0,16 мкг Ьа/л, минимальная - 3,53 мкг Ьа/л (табл.1). Статистических отличий от контроля не зарегистрировано при экспонировании рачков в 0,62, 0,35 и 0,21 мкг Ьа/л. Таким образом, раствор сернокислого лантана с концентрацией 3,53 мкг Ьа/л оказывает угнетающее действие на репродуктивную функцию рачков С. а£Аш8. Максимальная интенсивность размножения обнаружена в растворах
с концентрациями 0,16 и 0,21 мкг Ьа/л, минимальная - 3,53 мкг Ьа/л (табл. 1).
При попадании в водоемы РЗЭ могут поступать в водные организмы. Выбор в качестве тест-объекта цериодафний для оценки токсических свойств этих элементов представляется оправданным, т.к. ветвистоусые рачки относятся к организмам-фильтраторам, наиболее чувствительным к действию загрязняющих веществ. В литературе имеется мало данных о влиянии РЗЭ на функционирование водных организмов. Известно, что жесткость воды может изменять способность гидробионтов усваивать РЗЭ, воздействуя на растворимость, форму и физико-химические свойства соединений элементов, и как следствие, влияет на их биодоступность [17]. В большинстве случаев карбонатная жёсткость способствует снижению токсичности РЗЭ вследствие образования нерастворимых карбонатов. Так для БарИта саппа1а 48-ч ЬС50 лантана составила 43 мкг/л при концентрации СаС03 22 мг/л по сравнению с 1180 мкг/л при содержании СаС03 160 мг/л [7]. В настоящем исследовании 48-часовая ЬС50 лантана для С. аШтз, составила 4,28 мкг Ьа/л, что может быть связано как с видовой чувствительностью тест-организма, так и жесткостью питьевой водопроводной воды на уровне 72,4 - 90,5 мг/л по данным аналитического центра ИБВВ РАН (аттестат аккредитации № РОСС Ш.0001.512040).
Таблица 1
Влияние растворов лантана на продолжительность жизни и репродуктивные показатели рачков
Ceriodaphnia affinis
Концентрация, мг/л Продолжительность жизни, сут Суммарная плодовитость, экз Интенсивность размножения, экз/сут
Контроль 40,4±1,6 17,0-62,0 196,3±8,4 20,0-295,0 4,9±0,2 1,2-7,0
0,16 42,0±1,0 31,0-48,0 228, 5±8,6 167,0-291,0 5,5±0,2 3,6-6,6
0,21 36,6±2,9 9,0-56,0 194,5±16,2 34,0-300,0 5,3±0,2 3,8-6,6
0,35 36,7±2,9 7,0-68,0 170,0±14,9 5,0-286,0 4,4±0,2* 0,7-6,8
0,62 27,3±4,9* 3,0-54,0 202,0±22,0 4,0-295,0 4,4±0,4 0,6-6,3
3,53 24,8±4,9* 3,0-60,0 107,8±16,3* 2,0-186,0 2,6±0,3* 0,4-3,4
Примечание: числитель - средние значения и их ошибки, знаменатель - минимальное и максимальное значения, * - достоверное отличие значений от контроля при р=0.05
г
со' 5
§0,9
0,8
0,7
0,6
а
I
т
!
J_I_!_I_I_1_
К 0,16 0,21 0,35 0,62 3,53 мг/л
3 0,44
г
я Щ
* 0.42
« 0,4 0,38 0,36 0,34 0.32
б
К
0,16 0,21 0,35 0,62 3,53 мг/л
Рис.2. Линейные размеры цериодафний в первую неделю эксперимента Примечание: а - взрослые, б - молодь.
Существует несколько потенциальных механизмов токсического воздействия РЗЭ на водные организмы, однако его точный механизм остается до конца неясным [7]. К основным факторам, определяющим экологическую опасность РЗЭ, относятся их концентрации в окружающей среде и биодоступность для организмов. Известно, что для ветвистоусых рачков основной путь поглощения РЗЭ - поступление через карапакс. Рачки активно поглощают кальций во время каждого цикла линьки до полного затвердения панциря, и то обстоятельство, что механизм поглощения Ьа3+ в биологических системах сходен с таковым для Са2+, может приводить к нарушению нормального течения процесса линьки. Это, скорее всего, способствует проникновению Ьа3+ во внутреннюю среду и возникновению токсических эффектов для организма [18]. Увеличение периода между линьками впоследствии может влиять на плодовитость рачков [7], приводить к увеличению возраста половой зрелости и уменьшению максимальной плодовитости [19].
Таким образом, проведенное исследование показало, что лантан в исследуемых концентрациях, в особенности 3,53 мкг Ьа/л, влияет на продолжительность жизни и репродуктивные показатели СепоёарИша аШш8.
Заключение. Сернокислый лантан в концентрациях 0,16 до 3,53 мкг Ьа/л влиял на выживаемость, продолжительность жизни, рост, развитие, плодовитость рачков СепоёарЯша аШш8 ЬИЦеЬо^ в сроки естественной продолжительности их жизни до 68 суток. ЬС50 за 48 ч составила 4,28 мкг Ьа/л. Концентрации 0,62 и 3,53 мкг Ьа/л снижали выживаемость и среднюю продолжительность жизни рачков, увеличивали срок первого вымета. Замедление роста отмечено в концентрациях 0,21-3,53 мкг Ьа/л, однако на протяжении всего периода наблюдения оно имело место только в 3,53 мкг Ьа/л. Эта же концентрация статистически достоверно снижала репродуктивную функцию рачков, в то время как концентрация 0,16 мкг Ьа/л стимулировала размножение цериодафний.
список литературы
Chemosphere. 19V. P. 1753-1760.
10. СанПиН 2.1.4.1074-Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения.Контроль качества. 20http://www.stroyoffis.ru/sanpin_ sanitar/sanpin_2_1_4_1074_01/ sanpin_2_1_4_1074_01.php
11. Рыбальский Н.Г. Экологические аспекты экспертизы изобретений: справочник эксперта и изобретателя. -М.:ВНИИПИ, 19- Ч.- С.139.
12.Таблица растворимости солей, кислот и оснований при разных температурах, http://dictionary.sensagent.com/ Solubility_table/en-en/
13. TaylorH.E. Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. Practices and Techniques. San Diego: Academic Press, 20 294 p.
14. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. Федеральный реестр (ФР). ФР.1.39.2007.032М., АКВАРОС,
20- 56 с.
15. Томилина И.И., Гремячих В.А., ГребенюкЛ. П., Клевлеева Т. Р. Влияние нано-, микрочастиц и ионов цинка на пресноводных гидробионтов разных трофических уровней // Биология внутр. вод. 20№ С.93-102.
16. Filenko O.F., Isakova E.F. Gershkovich D.M. The lifespan of the claadoceran Cerlodaphnla affinis Lilleborg in a laboratory culture // Inland water biology. 20V. P. 283-286.
17. Cooney J.D. Freshwater tests. In: Fundamentals of Aquatic Toxicology. Rand G.M. (Ed.). 19Environmental Fate and Risk Assessment, second ed. Taylor & Francis, London. P. 71-98.
18. Das T., Sharma A., Geeta T. Effects of lanthanum in cellular systems // Biol. Trace Element Res. 19V.P. 201- 228.
19. Caswell H., Hastings A. Fecundity, developmental time, and population growth rate: an analytical solution // Theoret. Population Biol. 19V.P. 71- 79.
1. Баренбойм Г.М., Авандеева О.П., Коркина Д.А. Редкоземельные элементы в водных объектах(экологические аспекты) // Вода: химия и экология. 20№ С. 42-56.
2. Brown P.H., Rathjen A.H., Graham R.D., Tribe D.E. Rare earth elements in biological systems. In: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Gschneidner
Jr., K.A., Eyring, L. (Eds.). 19Elsevier, Amsterdam. P. 423 - 452.
3. Li Z.J., Zhang Z.Y., Wang Y. Li F.L. Zhao Y.L., Chai Z.F. Uptake and elimination of lanthanum by exised roots of Triticum aestivum L.// Journal of Radioanalitical and Nuclear Chemistry. 20V. 272 (3). P. 523-5
4. Pavlov D.F., Frontasyeva M.V., Pavlov S.S., Pancratova Yu. Distribution of trace elements in freshwater ecosystem compartments of man-madeRybinsk Reservoir (Central Russia) using epithermal neutron activation analysis. Ovidius University Annals of Chemistry. 2005.N P.72-75.
5. Tribe D.E., Robards K.H., Reghenzani
references:
1. Barenboym G.M., Avandeeva O.P., Korkina D.A. Rare earth elements in water bodies (environmental aspects) // Water: chemistry and ecology, 20№ S. 42-(in Russian).
2. Brown P.H., Rathjen A.H., Graham R.D., Tribe D.E. Rare earth elements in biological systems. In: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Gschneidner
Jr., K.A., Eyring, L. (Eds.). 19Elsevier, Amsterdam. P. 423 - 452.
3. Li Z.J., Zhang Z.Y., Wang Y. Li F.L. Zhao Y.L., Chai Z.F. Uptake and elimination of lanthanum by exised roots of Triticum aestivum L.// Journal of Radioanalitical and Nuclear Chemistry. 20V. 272 (3). P. 523-5
4. Pavlov D.F., Frontasyeva M.V., Pavlov S.S., Pancratova Yu. Distribution of trace elements in freshwater ecosystem compartments of man-madeRybinsk Reservoir (Central Russia) using epithermal neutron activation analysis. Ovidius University Annals of Chemistry. 2005.N P.72-75.
5. Tribe D.E., Robards K.H., Reghenzani
J.R., Asher C.J. Rare earth In Chinese agriculture. Part B: application of lanthanum to agricultural plants. In: Proceedings of the Rare Earths in Agriculture Seminar, Australian Academy of Technological Sciences and Engineering, 19National Sciences and Technology Centre, Canberra. 25 p.
6. Noller B.N. The identification of constituents in waste waters from gold mining using ICP-MS // Int. J. Surface Mining Reclam. Environ. 19V. P. 95 - 99.
7. Barry M.J., Meehan B.J. The acute and chronic toxicity of lanthanum to Daphnia carinata // Chemosphere. 20V. P. 16691674.
8. Jin X., Chu Z., Yan F., Zen Q. Effects of lanthanum(III) and EDTA on the growth and competition of Microcystis aeruginosa and Scenedesmus quadricauda // Limnologica. 20V. P. 86-93.
9. Sun H., WangX.-R., Wang L.-S. Bioconcentration of rare earth elements lanthanum, gadolinium and yttrium
in algae Chlorella vulgaris Beljerinck: influence of chemical species.
J.R., Asher C.J. Rare earth in Chinese agriculture. Part B: application of lanthanum to agricultural plants. In: Proceedings of the Rare Earths in Agriculture Seminar, Australian Academy of Technological Sciences and Engineering, 19National Sciences and Technology Centre, Canberra. 25 p.
6. Noller B.N. The identification of constituents in waste waters from gold mining using ICP-MS // Int. J. Surface Mining Reclam. Environ. 19V. P. 95 - 99.
7. Barry M.J., Meehan B.J. The acute and chronic toxicity of lanthanum to Daphnia carinata // Chemosphere. 20V. P. 16691674.
8. Jin X., Chu Z., Yan F., Zen Q. Effects of lanthanum(III) and EDTA on the growth and competition of Microcystis aeruginosa and Scenedesmus quadricauda // Limnologica. 20V. P. 86-93.
9. Sun H., Wang X.-R., Wang L.-S. Bioconcentration of rare earth elements lanthanum, gadolinium and yttrium
in algae Chlorella vulgaris Beljerinck: influence of chemical species.
Chemosphere. 19V. P. 1753-1760.
10. SanPiN 2.1.4.1074- Drinking water. Hygienic requirements for water quality of centralized drinking water supply systems. Quality control. 2010 http://www.stroyoffis.ru/sanpin_ sanitar/sanpin_2_1_4_1074_01/ sanpin_2_1_4_1074_01.php (in Russian).
11. Rybal'skiy N.G. Environmental aspects of examination of inventions: a guide expert and inventor. - M.:VNIIPI, 19- Ch.-S.1(in Russian).
12. Table solubility of salts, acids and bases at various temperatures, http:// dictionary.sensagent.com/Solubility_ table/en-en/
13. Taylor H.E. Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry. Practices and Techniques. San Diego: Academic Press, 20 294 p.
14. Methods of determining the toxicity of water and aqueous extracts from soils, sewage sludge, waste mortality and fertility change ceriodaphnia. Federal reestr (FR). FR.1.39.2007.032M., AKVAROS, 20- 56
s. (in Russian).
15. Tomilina I.I., Gremyachikh V.A., Grebenyuk L. P., Klevleeva T. R. Influence of nano- and microparticles of zinc ions on freshwater aquatic organisms of different trophic levels // Biologiya vnutr. vod. 20№ S.93-1(in Russian).
16. Filenko O.F., Isakova E.F. Gershkovich D.M. The lifespan of the claadoceran Ceriodaphnia affinis Lilleborg in a laboratory culture // Inland water biology. 20V. P. 283-286.
17. Cooney J.D. Freshwater tests. In: Fundamentals of Aquatic Toxicology. Rand G.M. (Ed.). 19Environmental Fate and Risk Assessment, second ed. Taylor & Francis, London. P. 71-98.
18. Das T., Sharma A., Geeta T. Effects of lanthanum in cellular systems // Biol. Trace Element Res. 19V.P. 201- 228.
19. Caswell H., Hastings A. Fecundity, developmental time, and population growth rate: an analytical solution // Theoret. Population Biol. 19V.P. 71- 79
R.A. Lozhkina, I.I. Tomilina
THE EFFECT OF LANTHANUM ON BIOLOGICAL PARAMETERS OF CRUSTACEANS CERIODAPHNIA AFFINIS LILLJEBORG IN CHRONIC EXPERIMENTS
I.D. Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences, 152742, settlement Borok, Yaroslavl region, Russian Federation
The effect of lethal and sub-lethal concentrations of lanthanum on the survival, growth and reproductive parameters of cladoceran Ceriodaphnia affinis in acute and chronic experiments are presented. Keywords: rare earth elements, lanthanum, toxicity, Ceriodaphnia
Переработанный материал поступил в редакцию 18.08.2015 г.
