Использование медоносных пчел для биоиндикации уровня загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами

Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №17 УДК 574.21:504.064

Л. А. Скребнева, Ф. С. Билалов, В. З. Латыпова, А. П. Шлычков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕДОНОСНЫХ ПЧЕЛ ДЛЯ БИОИНДИКАЦИИ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Ключевые слова: апимониторинг, внутриульевые и фуражирующие пчелы, биоиндикация, тяжелые металлы, качество атмосферного воздуха.

На основе результатов мониторинга содержания (С) тяжелых металлов(Мп, Zn, Cu, Ni, Pb) в образцах пчел летней генерации двух функционально-возрастных групп (внутриульевых - v и фуражирующих - f), отобранных на пасеках на территории Республики Татарстан, предложен приведенный биоиндикационный показатель (Кс = d,f/d,v) уровня загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами, свободный от физиологических особенностей организмов, функционирования пчелиных семей и от геохимических факторов. Показано наличие статистически значимой зависимости показателя Кс от показателя суммарного содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в атмосферном воздухе на примере некоторых районов на территории Татарстана.

Key words: apimonitoring, foraging and intrahive bees, bioindication, heavy metals, quality of atmospheric air.

The test object of this research is the content of heavy metals (Mn, Zn, Cu, Ni, Pb) in summer bee (Apis mellifera L.) samples of two functional-age groups collected on the apiaries of the Tatarstan Republic. There has been proposed a standardized indexes (Кс = d,f/d,v) of air contamination by heavy metals (d,f - content of element in foraging bees; d,v - content in intrahive bees) free of bee physiological peculiarities as well as bee breed characteristics and geochemical factors.Кс indexes demonstrates the bee sample response to the level of air pollution with water-soluble heavy metals. The presence of statistically significant dependence of Кс indexes on total pollution indexes in the atmospheric air in several districts of Tatarstan has been demonstrated.

Введение

Одним из сравнительно новых направлений биоиндикационных исследований является апимонито-ринг(от латинского Арг^' - пчела)[1], проводимый с использованием пчел и продуктов пчеловодства и имеющий целый ряд преимуществ перед другими методами [2-8]. Широкий ареал распространения медоносной пчелы (Арг^шеШ/егаЬ.), а также непосредственное отношение к человеку и сельскохозяйственному производству делает пчел чрезвычайно удобными и экономичными объектами. В ряде зарубежных стран, начиная с 80-х годов, в течение длительного времени функционируют сети из контрольных ульев на обширных территориях. В США пчелы рекомендованы для повсеместного использования Агентством по охране окружающей среды с целью контроля экологической ситуации, в частности, для контроля уровня загрязнения тяжелыми металлами, относящимися к приоритетным загрязняющим веществам и входящими в программы мониторинга всех компонентов окружающей среды.

Несмотря на то, что показатели накопления тяжелых металлов в организме медоносных пчёл для целей биоиндикации используются на территории России уже порядка двадцати лет, достоверных информативных критериев для оценки уровня загрязнения компонентов окружающей среды не разработано. Это вызвано тем, что на аккумуляцию тяжелых металлов беспозвоночными животными влияет большое число факторов [9]: биотические (вид, пол, возраст, питание, орган (ткань), участие элементов в обменных процессах организма); абиотические (локальное загрязнение металлами, геохимические провинции, температура). Что касается медоносных пчел, то на содержание металлов в их организме

существенно влияет также ботаническое происхождение потребляемого корма (нектара и пыльцы) и породная (расовая) принадлежность. Кроме того, содержание тяжелых металлов в организме рабочих пчел зависит от принадлежности к определенной временной (сезонной) генерации и функционально-возрастной группе, что определяется различиями в питании и в степени контакта с атмосферным воздухом. Информация о различиях в накоплении тяжелых металлов особями различных категорий рабочих пчел представлена в литературе лишь эпизодично и крайне противоречива в силу определенных методических и технических трудностей при отборе образцов пчел (за исключением зимнего подмора). В предыдущих исследованиях авторами данной работы [10,11] была выявлена статистически значимая взаимосвязь между накоплением тяжелых металлов в образцах пчел и их принадлежностью к сезонной генерации и функционально-возрастной группе.

В продолжение этих исследований целью данной работы явились оценка содержания тяжелых металлов в образцах рабочих медоносных пчел различных функционально-возрастных групп на территориях с различной техногенной нагрузкой (на примере Республики Татарстан) и поиск биоиндикационного показателя, характеризующего уровень загрязнения атмосферного воздуха водорастворимыми формами тяжелых металлов без мешающего влияния физиологических особенностей организмов, функционирования пчелиных семей и геохимических факторов.

Экспериментальная часть

Объектом исследования стали образцы (в сред-немоколо 100 особей с каждой контрольной точки) различных функционально-возрастных групп пчел летней генерации (внутриульевые и фуражирую-

щие), отобранные из колоний медоносных пчел на семи пасеках, расположенных в различных районах Республики Татарстан (РТ) (Муслюмовском, Лаи-шевском, Арском, Азнакаевском, Елабужском, Ту-каевском, Альметьевском). Фуражирующих пчел собирали у летка во время интенсивного взятка в дневное время (с 12 до 15 часов) при помощи специализированного устройства из полиэтилена. Внутриульевых пчел стряхивали с рамки, вынутой из улья, в пластиковые пакеты. Каждый образец пчел содержит примерно 100 особей пчел, отобранных из одного улья (колонии) и объединенных после высушивания. Всего было отобрано 14 образцов.

До анализа пчел хранили в морозильной камере при Т=-18°С. Непосредственно перед анализом особи пчел, помещенные в чашки Петри, высушивались до постоянства массы(Т=105°С). Пробоподго-товку воздушно-сухих образцов пчел для анализа проводили методом кислотной минерализации по методике А. Никанорова и А. Жулидова [12] для ряда видов беспозвоночных. Количественное определение содержания тяжелых металлов (Mn, Zn, Cu, Ni, Pb) в образцах проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием прибора ААпа1у$1 400 (Perkin-Elmer, Waltham, MA, USA) с пламенной атомизацией.

Показателем содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в атмосферном воздухе районов РТ служили величины суммарного индекса загрязнения снежного покрова по данным А.Р. Валетди-нова и др. [13,14] о массе водорастворимых форм тяжелых металлов, поступающих в составе влажных выпадений из атмосферного воздуха на единицу подстилающей поверхности в единицу времени.

Результаты и обсуждение

Согласно данным J.J.Bromenshenk [15], загрязняющие вещества могут поступать в организм пчел различными путями: через аэрозоли воздуха, пищу (нектар и пыльцу) и вследствие контакта с загрязненными поверхностями (прежде всего с растениями). Из аэрозолей воздуха контаминанты могут проникать при ингаляции, а также при адсорбции на поверхности опушенного тела пчелы и последующем проникновении через хитиновый покров. Несмотря на то, что различные породы пчел (расы) представляют собой модификации в пределах одного вида Apis mellifera L. содержание элементов в их организме будет различаться. Интервал коэффициента вариации для значений содержания тяжелых металлов в беспозвоночных организмах одного вида, отобранных из однотипного местообитания, составляет 11-17% [9]. По данным С.А. Пашаян [16], количество Zn в организме пчел среднерусской породы достоверно выше, чем в организме пчел карпатской породы. Не было обнаружено статистически значимых различий в содержании Pb между этими породами, тем не менее, его содержание в среднерусских пчелах было в 1,37 раза выше, чем в карпатских [16]. В работе M. Korosec и др. [17] было показано наличие статистически значимой взаи-

мосвязи между содержанием Мп, Бе, 2п в почве, тканях растений, нектаре и меде. Ь. Ье11а и др. [18] обнаружили линейную зависимость между содержанием Cd в цветах клевера и клеверном меде (г=0,85; Я<0,01), что свидетельствует о возможности контаминации корма пчел тяжелыми металлами в системе почва - растение - нектар, пыльца. Содержание тяжелых металлов в корме пчел (меде и пыльце) зависит от вида растений, с которых они были собраны. По данным В.И. Коркиной [19], влияние этого фактора на содержание тяжелых металлов в пыльцевой обножке оказывается более значимым, чем влияние различий в местообитании (доля влияния фактора ботанического происхождения варьирует от 67 до 96 % в зависимости от элемента (Си, 2п, РЬ, Cd), в то время как доля влияния места (района) отбора образцов составляет всего 1541%. Исследованиями, проведенными в Швейцарском центре исследования меда [20], были установлены значимые отличия в содержании элементов (РЬ, N1, Си, 2п, Мп) в образцах меда, относящихся к девяти ботаническим типам. И если принадлежность пчел к одной породе при организации мониторинговой сети из ульев можно отследить, то влияние геохимии почв и ботанического происхождения корма при традиционном подходе (сравнения абсолютных содержаний в образцах из фоновых и контролируемых местообитаний) учесть невозможно.

В связи с этим, в данной работе для исключения мешающего влияния перечисленных факторов было произведено приведение абсолютного содержания ь того металла в образцах фуражирующих пчел (!} относительно характерного для внутриульевых (у). Получаемый при этом показатель (Кс,1= С1,£/С1,у), рассчитываемый как отношение содержания (С^ ) элемента в образце фуражирующих пчел к содержанию (С1,у) того же элемента в образце внутриулье-вых пчел, по своему физическому смыслу практически свободен от физиологических особенностей организмов (в том числе от расовой принадлежности), особенностей функционирования пчелиных семей (в том числе от ботанического происхождения потребляемого пчелами корма), а также от геохимических факторов. Были обнаружены статистически значимые различия (Р 0,0006 - 0,01) в абсолютном содержании тяжелых металлов в двух группах пчел: содержание тяжелых металлов в образцах фуражирующих пчел большее, нежели в образцах внутри-ульевых, что согласуется с данными, полученными для других территорий [11,21,22]. Значения показателя Кс,1 для отдельных элементов приведены в таблице 1.

Выявленная закономерность позволяет предположить, что различие в содержании тяжелых металлов в двух группах пчел, отобранных из одного и того же местообитания, при прочих равных условиях (физиологические особенности пчел и геохими-ческиехарактеристики территории) является результатом различия в степени их контакта с атмосферным воздухом в процессе функционирования. Особи летней генерации живут в пределах 35-42 дней и состоят из двух основных групп: внутриульевых и фуражирующих. Возраст внутриульевых пчел не

превышает 19 дней. Они практически не покидают улья, вылетают на короткое время, в утренние часы на расстояние не более 3-5 метров. Начиная примерно с 20-го дня своей жизни, пчелы приступают к сбору нектара и пыльцы с территории в радиусе 2-3 км от пасеки, редко более 5 км. Вследствие высокой летной и фуражировочной активности эта группа пчел активно контактирует с атмосферным воздухом.

Таблица 1 - Значения показателейКсД= СЦ/О

Элемент (Рi **>) Пункт контроля *

1 2 3 4 5 6 7

Мп (0,01) 1,4 2,6 2,5 1,9 3,2 2,5 4,3

гп (0,001) 1,1 1,7 2,2 1,7 2,4 1,9 2,8

Си (0,0006) 1,0 1,7 1,4 1,4 2,3 2,4 2,6

N1 (0,007) 1,4 2,9 4,9 1,7 3,2 3,0 3,6

РЬ (0,002) 1,3 2,8 2,8 2,6 3,2 2,9 3,7

приведено в таблице 2.

**-' Р - уровень статистической значимости различия СЦ и

а,у.

Для обоснования этого положения в данной работе использованы результаты многолетних исследований загрязненности снежного покрова тяжелыми металлами на территории РТ в первом десятилетии XXI в. [13,14]. В принципе снежный покров как естественный планшет-накопитель сухих и влажных выпадений из атмосферного воздуха характеризует степень загрязнения, как самих атмосферных осадков, так и атмосферного воздуха и последующего загрязнения наземных и водных экосистем. Поэтому количество тяжелых металлов, поступающих в процессах «мокрого вымывания снегом» и «сухого» выпадения пылевых и аэрозольных частиц, содержащихся в атмосферном воздухе, на подстилающую поверхность, является косвенным показателем совокупного загрязнения среды обитания (растений, атмосферного воздуха, почвы, почвенной влаги) водорастворимыми и взвешенными формами тяжелых металлов. Наличие количественной взаимосвязи между поступлением водорастворимых форм тяжелых металлов со снегом на единицу поверхности в единицу времени и их концентрацией в атмосферном воздухе позволяет использовать суммарный индекс загрязнения снежного покрова (СИЗсп) как меру степени загрязнения атмосферного воздуха и соотнести его с биоиндикационным показателем (Кс).

Для решения поставленной задачи в работе выбрана величина суммарного индекса загрязненности (СИЗ5) снежного покрова водорастворимыми формами пяти тяжелых металлов Си, Мп, гп, N1, РЬ, которая является показателем суммарного загрязнения атмосферного воздуха [13,14]. Суммарный приведенный биоиндикационный показатель для всех

исследованных элементов К с = ' изменяет-

ся в интервале от 6,00 до 17,00 и представляет собой безразмерную величину, характеризующую суммарную концентрацию водорастворимых форм тяжелых металлов в атмосферном воздухе. Взаимосвязь между значениямипредлагаемого биоиндикационного показателя Кс и показателя СИЗ5, отражающим суммарное загрязнение атмосферного воздуха водорастворимыми формами тяжелых металлов для исследованных населенных пунктов м.р. РТ,приведена в таблице 2 и на рис. 1.Значение показателя Кс имеет четкую тенденцию к росту при возрастании концентрации тяжелых металлов в атмосферном воздухе.

Связь между приведенным биоиндикационным показателем Кс и суммарным индексом загрязненности СИЗ5 снежного покрова водорастворимыми формами тяжелых металлов выражается уравнением регрессии:

Кс = 0,49 СИЗ5 + 7,09.

Коэффициент корреляции между Кс и СИЗ5 (г = 0,75) является значимым на уровне а = 0,05.

Таблица 2 - Значения биоиндикационного показателя

№ Пункт контроля (район РТ) СИЗ5 Кс

1. п. Муслюмово (Муслюмовский) 2,18 6,23

2. п.Тетеево (Лаишевский) 4,72 11,77

3. п. Бимери (Арский) 8,26 13,78

4. п. Актюба (Азнакаевский) 10,98 9,18

5. п. Морты (Елабужский) 13,95 14,29

6. г. Наб. Челны (Тукаевский) 14,31 12,63

7. п. Давлят (Альметьевский) 16,62 16,90

Рис. 1 - Взаимосвязь между биоиндикационным показателем

Заключение

В данной работе разработан биоиндикационный критерий для достоверной оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами на основе использования информативного показателя (Кс = Ci,f/Ci,v). Его величина зависит преимущественно от уровня загрязнения атмосферного воздуха водорастворимыми формами тяжелых металлов. Использование данной методики на практике, дополняя существующие методы мониторинга, позволит снизить влияние физиологических особенностей организмов, особенностей функционирования пчелиных семей и геохимических аномалий на интерпретацию результатов исследования, связанных с атмосферным компонентом загрязнения. Это существенно повысит объективность и надежность оценки экологической ситуации при обследовании и картировании больших территорий. Результаты исследований, включающие пространственно распределенные данные, могут стать теоретической основой для последующей разработки шкалы для разграничения территорий по степени загрязнения тяжелыми металлами с градацией значений от слабого и умеренного уровней до среднего и высокого.

Литература

1. Ф.С. Билалов, С.А. Лучкина, Л.А. Скребнева,И.В. Овчинников, Ю.С. Котов, Всесоюзнаяконференция «Экологические проблемы фармакологии и токсикологии» ( Казань, 1990), С. 15 - 16.

2. I. Höffel,Apidologie, 16, 3, P. 196 - 197 (1985).

3. K. Fakhimzadeh, M. Lodenius,Acta Universitatis Carolinae Environmentalica, 1, P. 13 - 20 (2000).

4. M. Conti,F. BotreEnvironmental Monitoring and Assessment, 69, P. 267 - 282 (2001).

5. С. Porrini, A. Sabatini,S. Girotti, S. Ghini, P. Medrzycki, F. Grillenzoni, L. Bortolotti, E. Gattavecchia, G. Cel-HApiacta, 38, P. 63 - 70 (2003).

6. Е.К. Еськов, Г.С. Ярошевич,М.Д. Еськова, Г.А. Кост-рова, Г.М. Ракипова, Пчеловодство, 2, С. 14 - 16 (2008).

7. Ф.С. Билалов,Л.А. Скребнева,В.З. Латыпова, Апимо-ниторинг в системе контроля загрязнения окружающей среды, Казан. гос. ун-т, Казань, 2010, 264 с.

8. J.J. Van der Steen de Kraker, T. Grotenhuis, Environmental Monitoring and Assessment, 184, 7, P. 4119 - 4126 (2012).

9. А. Д. ПокаржевскийГеохимическая экология наземных животных, Наука, Москва, 1985, 230 с.

10. Л.А. Скребнева, Ф.С. Билалов, М.Н. Мукминов,В.З. Латыпова, И.С. Григорьева,Учен. зап. Казан. ун-та, Сер. Естеств. науки,154, 1, С. 133 - 145(2012).

11. Л.А. Скребнева,Ф.С. Билалов, И.С. Григорьева, Вестник Казанского технологического университета, 13, С. 201 - 205 (2012).

12. А.М. Никаноров, А.В. Жулидов, Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах, Гидрометеоиздат Москва, 1991, 312 с.

13. А.Р. Валетдинов, Ф.Р.ВалетдиновД.Т. Горшкова,О.Ю. Тарасов,Р.Р. ШагидуллинД.П. ШлычковД.И. Щепов-ских, Вестник Татарстанского отделения Российской экологической академии, 1, 27, С. 69-75(2006).

14. А.Р. Валетдинов, Р.К. Валетдинов,Ф.Р. Валетди-новД.Т. Горшкова,С.В. Фридланд, А.П. Шлыч-ков.Безопасность жизнедеятельности, 10, С. 17 - 20 (2008).

15. J.J. Bromenshenk,West Wildlands, 3, С. 2 - 7 (1985).

16. С.А. Пашаян.Автореф. дис. ... док. биол. наук, Екатеринбург, 2012, 41 с.

17. Korosec M., Golob T., Boznar P. ХХХХШ International Apicultural Congress (Kyiv, Ukraine, 29 September - 04 October, 2013) Abstracts, P. 325 - 326.

18. L. Leita, G. Muhlbachova, S. Cesco, R. Barbattini, Environmental Monitoring and Assessment, 43, 1, Р.1 - 9(1996).

19. В. И. Коркина. Автореф. дис. ... канд. биол. наук, Новосибирск, 2009, 18 с.

20. S. Bogdanov, M. Haldimann, W.Luginbuhl, P. Gallmann, Journal of Apimltural Research and Bee World, 46, 4, P. 269

- 275(2007).

21. I. Höffel, P. Müller, Forums Stadte - Hygiene, 34, P. 191

- 193 (1983).

22. В. И. Лебедев, Е.А. Мурашова, Пчеловодство, 4, С. 42

- 44 (2003).

© Л. А. Скребнева - ведущий инженерИнститута экологии и природопользования КПФУ, skrebka_@mail.ru; Ф. С. Билалов - ст.н.с. того же института,faridbilalov@yandex.ru; В. З. Латыпова - профессор каф.прикладной экологии того же института, член-корр. АН PT,ecoanrt@yandex.ru; А. П. Шлычков - ст.н.с. Института проблем экологии и недропользования АН PT,anatoliy. shlychkov@yandex.ru

© L. A. Skrebneva - еngineerat the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, skrebka_@mail.ru; F. S. Bilalov - Ph.D. Senior Researcher at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, faridbilalov@yandex.ru; V. Z. Latypova - Professor, Dr.Sc. at the Institut of Ecology and Environmental Sciences KFU, Corresponding Member of Republic Tatarstan Academy of Sciences, ecoanrt@yandex.ru; A. P. Shlychkov - Ph.D. Senior Researcher at the Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, anatoliy.shlychkov@yandex.ru.