MOŻLIWOŚĆ ROZRÓŻNIENIA MAŁŻY I ŚLIMAKÓW SŁODKOWODNYCH NA PODSTAWIE KONCENTRACJI METALI CIĘŻKICH W TKANKACH MIĘKKICH I MUSZLACH
Dr Stanisław Piotrowski
e-mail: stanislaw.piotrowski@vp.pl
WSTĘP
Toksyczne oddziaływanie metali ciężkich na organizmy zwierzęce uzależnione jest od rodzaju i formy występowania metalu, jego stężenia, drogi wnikania ze środowiska oraz gatunku, wieku i płci danego organizmu. W przypadku organizmów wodnych działanie to zależy ponadto od pH wody, jej zasolenia i twardości. Podwyższona koncentracja metali ciężkich może być przyczyną zaburzeń metabolicznych i funkcjonalnych prowadzących do zmian chorobowych (Brown et al., 1996; Mountouris et al., 2002). Jest to o tyle ważne, że produkty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego stanowią istotne ogniwo w łańcuchu pokarmowym człowieka (Piotrowski, 2009; Stroelli & Marcotrigiano, 2001). Efekt bioakumulacji umożliwia ponadto migrację metali ciężkich w łańcuchu troficznym. Tym samym istnieje możliwość przenoszenia tych elementów w obszary nieraz znacznie oddalone od źródeł zanieczyszczeń, a ich uwolnienie po destrukcji komórek organizmów żywych może stać się przyczyną wtórnego zanieczyszczenia środowiska (McGeer et al., 2007; El-Sikaily et al., 2004). Ponadto metale ciężkie nie ulegają biologicznemu rozkładowi i nie są eliminowane z tych ekosystemów (Linde et al., 1996).
Mięczaki wodne kontaktują się ze środowiskiem głównie poprzez skrzela, płaszcz, nogę i przewód pokarmowy. U małży metale dostają się głównie przez skrzela, a u ślimaków za pośrednictwem przewodu pokarmowego. Najczęściej metale ciężkie pobierane są wraz z pokarmem lub bezpośrednio z roztworu wodnego. Proporcje te zależą od danego konkretnego gatunku. Wielu autorów twierdzi, że zwierzęta żerujące na osadach lub filtrujące wodę absorbują więcej metali niż gatunki roślinożerne (Parleman & Meili, 1993).
Zróżnicowanie zawartości Cu, Zn, Cd, Fe, Mn u różnych gatunków mięczaków pochodzących z tego samego biotopu związane jest prawdopodobnie ze specyfiką gatunku, a także sposobu odżywiania się (Brooks & Rumsby, 1965; Parsons et al., 1973). Wielu autorów twierdzi, że zwierzęta żerujące na osadach lub filtrujące wodę absorbują więcej metali niż gatunki roślinożerne (Parleman & Meili, 1993). Podwyższone stężenia cynku obecne we wszystkich tkankach Unio elongatulus, Anodonta cygnea i Viviparus viviparus odzwierciedlają ważność tego metalu , który jest niezbędny, ale zarazem nie jest bardzo toksyczny w układach biologicznych (Muhineza et al.,1998). Cynk w rzeczywistości wykazuje funkcje katalityczne w licznych metaloenzymach oraz pełni rolę strukturalną w budowie różnych białek (Vallee & Falcuk, 1993). Stwierdzony poziom koncentracji Cu w tkankach Viviparus viviparus około 10 razy wyższy od koncentracji stwierdzonych u Anodonta cygnea i Unio elongatulus był najprawdopodobniej efektem obecności hemocianiny, charakterystycznej dla niektórych mięczaków i wykorzystywanej w miejsce hemoglobiny do transportu tlenu (Muhineza, 1998). W ekosystemach wodnych, zwłaszcza środowisk przejściowych jakimi są ujścia rzek, obserwujemy, iż generalnie spadek zasolenia wód wyzwala wzrost akumulowania kadmu w mięczakach. Skrzela, które pozostają w bezpośrednim kontakcie z zanieczyszczoną wodą, są tymi organami, które głównie kumulują kadm (Cassini et. al., 1986). W szeregu pracach przytacza się istotną pozytywną korelację pomiędzy koncentracjami metali ciężkich w tkankach miękkich mięczaków a ich poziomem w środowisku (m.in.: Manly & George, 1977; Phillips, 1979; Salanki & Van-Balogh, 1989; Salazar, l997; Salazar & Salazar, 1997; Van-Balogh et al., 1988; Wiesner et al., 2001; Gundacker, 1999, 2000).
Celem badań było oznaczenie koncentracji metali ciężkich w tkankach miękkich (całe ciało) i muszlach dla możliwie największej grupy mięczaków słodkowodnych badanego obszaru. Ilość analizowanych próbek uzależniona była od nakładów finansowych. Badaniami objęto 17 gatunków, z czego dla 14 gatunków oznaczono koncentracje metali w tkankach miękkich, a dla 16 gatunków oznaczono stężenia tych elementów chemicznych w muszlach (Tab. 1). W przypadku tkanek miękkich dla 11 gatunków wykonano co najmniej analizę 3 próbek. W pozostałych przypadkach analizowano po 1 próbce (3 gatunki). Z kolei w przypadku muszli dla 11 gatunków wykonano analizy metali dla co najmniej 2 próbek, zaś dla 5 gatunków analizowano tylko po jednej próbce. Łącznie dysponowano wynikami analiz metali w 110 próbkach tkanek miękkich i w 119 próbkach muszli. W pracy przyjęto oznaczać koncentracje metali w tak zwanych próbkach nie sortowanych, czyli takich, które obejmują stosunkowo dużo okazów o różnych rozmiarach. To udało się tylko dla dwóch gatunków: Dreissena polymorpha i Sphaerium solidum, dla których analizowane próbki liczyły po 100 okazów. Dla pozostałych gatunków dysponowano próbkami obejmującymi od 1 do 31 okazów. Na podstawie zgromadzonych danych określono statystyczne prawidłowości koncentracji metali w tkankach i muszlach badanych gatunków. Następnie określono zależności pomiędzy koncentracjami metali w tkankach i muszlach. We wnioskach końcowych przedstawiono kierunki dalszych badań.
OBSZAR BADAŃ
Rozdział obszar badań został dokładnie omówiony w pracach Piotrowski (2009, 2010a, b, c).
MATERIAŁ I METODY
Materiał do badań pochodził z lat 1999-2000 z rejonu estuarium Odry i pięciu wybranych jezior Pomorza Zachodniego. Oznaczenia składu gatunkowego mięczaków dokonano na podstawie cech konchiologicznych uwzględniając wytyczne zawarte w pracach Piechocki (1979, 1998), Piechocki & Dyduch-Falniowska (1993), jak również porównując zebrane okazy ze standardowym zbiorem mięczaków słodkowodnych Polski otrzymanym od Prof. Piechockiego.
Koncentracje Cu, Zn, Pb, Co, Cd zostały określone techniką ICP-AES, natomiast Hg oznaczono przy pomocy generatora wodorków (metoda zimnych par) CV-AAS. Możliwości graniczne oznaczeń poszczególnych metali wynosiły: Cu – 0,005 ppm, Pb – 0,02 ppm, Zn – 0,002 ppm, Cd i Co – 0,003 ppm i Hg – 0,005 ppm.
Opracowanie wyników analiz dokonano za pomocą programów Microsoft Excel oraz Statistica (wersja 5). Algorytm postępowania przy analizie skupień obejmował następujące etapy:
Zdefiniowanie macierzy danych – jako macierz danych przyjęto wartości średnie z uwzględnieniem gatunków dla których wykonano analizy tylko jednej próbki.
Wybór miary podobieństwa – Jako taksonomiczną miarę podobieństwa wybrano odległość euklidesową:
gdzie: xij to wartość j-tej cechy dla i-tego obiektu, xkj – wartość j-tej cechy dla k-tego obiektu, dik – odległość pomiędzy i-tym i k-tym obiektem (i, k=1,2,…,m; j=1,2,…,p).
Przeprowadzenie standaryzacji danych. Standaryzacja polega na zamianie wartości wybranych zmiennych przez ich tzw. wartości standaryzowane obliczane jako:
Wartość standaryzowana = (wartość zmiennej – wartość średnia)/odchylenia standardowe.
Obliczenie elementów macierzy odległości taksonomicznych między gatunkami mięczaków (dla danych standaryzowanych).
Aglomeracja skupień została dokonana w oparciu o metodę najmniejszej wariancji (tzw. metoda Warda) aż do uzyskania dendrogramu.
Analiza i weryfikacja dendrogramu. Do ostatecznej weryfikacji przynależności poszczególnych gatunków na dendrogramie wykorzystano metodę zaproponowaną przez Hellwiga (1968), według której dwa podzbiory zbioru będziemy uważać za istotnie różne, jeżeli najkrótsza obliczona odległość między parą punktów należących do dwóch podzbiorów jest większa niż wartość krytyczna (Wk). Wartość tą oszacowano w następujący sposób:
– znaleźć wartość minimalną dla każdego wiersza w macierzy odległości,
– dla nowo powstałej zmiennej obliczyć średnią arytmetyczną i odchylenie standardowe,
– obliczyć wartość krytyczną ze wzoru Wk = x + 2σ (Pluta, 1977). tak obliczoną wartość traktować należy jako wyznacznik wydzielenia ilości skupień.
Oprócz analizy wielozmiennej istotna jest także analiza struktury każdego z wydzielonych skupień. Pozwala ona uzyskać informacje, jakie cechy (w tym przypadku rodzaj metalu ciężkiego) zadecydowały o utworzeniu poszczególnych skupień. Badanie to przeprowadzono w oparciu o metodę średnich arytmetycznych.
WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA
Metale w tkankach miękkich. Średnie koncentracje metali ciężkich w tkankach miękkich badanych mięczaków (łącznie z gatunkami dla których wykonano oznaczenia metali tylko w jednej próbce, ppm w suchej masie) zawierają się:
Cu – od 7,3 (Planorbarius corneus) do 111,2 (Viviparus contectus),
Zn – od 60,4 (Planorbarius corneus) do 659,9 (Lymnaea peregra),
Pb – od 1,2 (Viviparus viviparus) do 13,0 (Sphaerium solidum),
Co – od <0,003 (Lymnaea peregra) do 2,3 (Sphaerium solidum),
Cd – od 0,1 (Planorbarius corneus) do 0,9 (Lymnaea peregra),
Hg – od 0,1 (Planorbarius corneus) do 5,2 (Lymnaea peregra). (Ryc. 1).
Na podstawie wykonanej aglomeracji skupień wyodrębniono 5 skupień (w nawiasie metale, które decydują o przynależności do danego skupienia):
1-elementowe – Lymnaea peregra (Cu, Zn, Pb, Cd oraz Hg) oraz Pseudoanodonta complanata (Zn i Co)
trzy skupienia 4-elementowe –
(1) Viviparus contectus, V. Viviparus, Sphaerium solidum, Sphaerium rivicola (Cu, Pb, Co i Cd),
(2) Unio tumidus, U. pictorum, Anodonta cygnea, Anodonta anatina (Zn),
(3) Planorbarius corneus, Lymnaea auricularia, L. stagnalis i Dreissena polymorpha (Co i Cd).
Z powyższego zestawienia widać, iż na podstawie koncentracji metali w tkankach miękkich tylko częściowo dochodzi do oddzielenia ślimaków i małży. Dotyczy to dwóch skupień 1-elementowych oraz jednego skupienia 4-elementowego. W pozostałych skupieniach grupują się zarówno przedstawiciele małży, jak i ślimaków.
Metale w muszlach. Średnie koncentracje w muszlach wynoszą odpowiednio:
Cu – od 0,4 (Sphaerium rivicola) do 13,3 (Viviparus contectus),
Zn – od 3,6 (Planorbarius corneus) do 69,4 (Theodoxus fluviatilis),
Pb – od 0,1 (Lymnaea auricularia) do 3,6 (Theodoxus fluviatilis),
Co – od <0,01 (Lymnaea auricularia) do 0,7 (Viviparus viviparus),
Cd – od 0,01 (Planorbarius corneus) do 0,6 (Theodoxus fluviatilis),
Hg – od 0,01 (Anodonta cygnea) do 0,1 (Viviparus contectus). (Ryc. 2).
Bazując na analizie skupień uzyskano 6. skupień:
Trzy skupienia 1-elementowe: (1) Theodoxus fluviatilis (Zn, Pb, Co, Cd i Hg), (2) Viviparus contectus (wszystkie sześć metali), (3) Planorbarius corneus (Hg),
2-elementowe – Lithoglyphus naticoides i Lymnaea stagnalis (Pb, Co i Cd),
3-elementowe – Unio crassus, Lymnaea auricularia i Viviparus viviparus (Zn, Co, Hg),
8-elementowe – Sphaerium rivicola, S. solidum, Unio tumidus, U. pictorum, Anodonta cygnea, A. anatina, Pseudoanodonta complanata i Dreissena polymorpha (Cu, Pb).
W efekcie tej analizy dokonano wyraźnego rozróżnienia badanych gatunków na ślimaki i małże. Jedynym wyjątkiem jest Unio crassus, który znalazł razem ze ślimakami w skupieniu 3-elementowym. Może to wynikać z faktu, iż dla tego gatunku dysponowano jedynie analizą jednej próbki.
Relacje pomiędzy koncentracjami metali w tkankach miękkich i muszlach. Dla 9 gatunków zestawiono diagramy korelacyjne (ilość próbek dla poszczególnych gatunków wynosiła co najmniej trzy), zaś dla 4 gatunków analizowano tylko po jednej próbce. W zestawionych diagramach w 23 przypadkach (43%), na 54 możliwe, uzyskano istotność linii trendu – w 18 na poziomie istotności na poziomie 0.05 i w na poziomie 0.10. W 21 przypadkach stwierdzono wielomianowe linie trendu, zaś w 2 potęgowe. Szereg z przedstawionych diagramów i naniesionych linii trendu może budzić kontrowersje, ale na tym etapie nie zdecydowano się na odrzucenie wartości skrajnych i przy większości przypadków stosunkowo małej liczby próbek uzyskane wyniki traktuje się jako robocze stanowiące punkt wyjścia do dalszych studiów.
Zaobserwowane wyniki maksymalne współczynników koncentracji metali w tkankach miękkich w odniesieniu do ich koncentracji w muszlach są dość wysokie i wynoszą od 101 do 45299:
Zn – 101 – Unio tumidus,
Hg – 237 – Sphaerium solidum,
Co – 881 – Lymnaea auricularia,
Cd – 1138 – Dreissena polymorpha,
Pb – 7890 – Dreissena polymorpha,
Cu – 45299 – Sphaerium rivicola.
Na podstawie analizy skupień wyodrębniono 4 skupienia:
Dwa skupienia 1-elementowe – Sphaerium rivicola (Cu, Zn, Pb, Cd) i S. solidum (Hg),
2-elementowe – Lymnaea auricularia i Dreissena polymorpha (Pb, Co),
9-elementowe – Unio tumidus, U. pictorum, Anodonta cygnea, A. anatina, Pseudoanodonta complanata, Lymnaea stagnalis, Viviparus contectus, V. viviparus, Planorbarius corneus (Zn).
W tym przypadku dzięki analizie skupień jedynie dwa gatunki małży z rodzaju Sphaeridae tworzą wyodrębnione skupienia 1-elementowe. W pozostałych dwóch mamy ślimaków i małży.
Podziękowania
Badania finansowane były przez KBN – grant Nr 6 PO4F 049 17, WFOŚiGW w Szczecinie – grant Nr 186/02/OP-PO/D oraz w ramach badań własnych Uniwersytetu Szczecińskiego – Nr 504-231001-707.
Literatura
Brooks R.R. & Rumsby M.G., 1965: The biogeochemistry of trace elemental uptake by some New Zeland bivalves. Limnol. Oceanogr., 10: 521-528.
Brown, P.L., Jeffree. R.A., Markich, S.J, 1996: Kinetics of Ca-45, Co-60, Pb-210, Mn- 54 and Cd-109 in the tissue of the freshwater bivalve Velesunio angasi. The Science of the Total Environment, 188: 139-166.
Burrows G. & Whitton B.A., 1993: Heavy metals in water, sediments and invertebrates from a metal contaminated river free of organic pollution. Hydrobiologia, 106: 263-273.
Cassini A., Tallandini L., Favero N. & Albergoni V., 1986: Cadmium bioaccumulation studies in the fresh water molluscs Anodonta cygnea and Unio elongatulus. Comp. Biochem. Physiol., 84C: 35-41.
El-Sikaily A., Khaled A. & El-Nemr A., 2004: Heavy Metals Monitoring using Bivalves from Mediterranean Sea and Red Sea. Environmental Monitoring and Assessment, 98, 1-3: 41-58.
Gundacker C., 1999: Tissue-specific heavy metal (Cd, Pb, Cu, Zn) deposition in a natural population of the zebra mussel Dreissena polymorpha PALLAS. Chemosphere, 38: 3339-3356.
Gundacker C., 2000: Comparison ef heavy metal bioaccumulation in freshwater molluscs of urban river habitats in Vienna. Environ. Pollut., 110 (1): 61-71.
Hellwig Z., 1968; Zastosowanie metody taksonomicznej do typologicznego podziału krajów ze wzgledu na poziom ich rozwoju oraz zasoby i strukturę wykwalifikowanych kadr, Przegląd Statystyczny, z.4.
Laskowski R. & Maryański M. 1993: Heavy metals in epigeic fauna: trophic level and physiological hypothesis. Bull. Environ. Contain. Toxicol., 50: 232-240.
Linde A.R., Arribas P., Sanchez-Galan S. & Garcia-Vazquez F., 1996: Eel (Anguilla anguilla) and brown trout (Salmo trutta) target species to assess the biological impact of trace metal pollution in freshwater ecosystems. Arch. Environ. Contam. Toxicol., 31: 297-302.
Manly R., George W.O., 1977: The occurence of some heavy metals in populations of the freshwater mussel Anodonta anatina (L.) from the river Thames. Environ. Pollut., 14: 139-154.
McGeer J.C., Brix K.V., Skeaff J.M., DeFores D.K., Brigham S.L., Adams W.J. & Green A., 2007: Inverse relationship between bioconcentration factor and exposure concentration for metals: Implication for hazard assessment of metals in the aquatic environment, Environmental Toxicology and Chemistry, 22, 5: 1017-1037.
Muhineza F., Andreani G., Ferraresi M., Gelati A., Isani G. & Carpene E., 1998: Concentrazione di metalli pesanti (Zn,Cu,Cd) ed effetti dell’esposizione al cadmio in esemplari di Anodonta cygnea, Unio elongatulus, Viviparus viviparus. Laguna: 44-49.
Mountouris A., Voutsas E. & Tassios D., 2002: Bioconcentration of heavy metals in aquatic environments: the importance of bioavailability. Marine Pollution Bulletin, 44, 10: 1136-1141.
Muntau & Baudo, 1992: Sources of cadmium, its distribution and turnover in the freshwater environment. IARC Scientific Publications, 118: pp. 133
Parleman H. & Meili M. 1993: Mercury in macroinvertebrates from Swedish forest lakes: influence of lake type, habitat, life cycle and food quality. Can. J. Fish. Aquat. Sci; 5O: 521-534.
Parsons T. R., Bawden C. A. & Heath W. A. 1973: Preliminary survey of mercury and
other metals contained in animals from the Fraser River mudflats. J. Fish. Res. Board Can., 30: 1014-1016.
Phillips D. J. H. 1979: The role of oyster Saccostrea glomerata as an indicator of trace
metals in Hong Kong. Mar. Biol., 53: 353-360.
Piechocki A., 1979: Fauna słodkowodna Polski. The fres-water fauna of Poland, z. 7. Mięczaki (Mollusca), Ślimaki (Gastropoda). PWN Warszawa.
Piechocki A., 1998: Mięczaki słodkowodne Polski. The fres-water Molluscs of Poland. Uniwersytet Łódzki, maszynopis.
Piechocki A., Dyduch-Falniowska A., 1993: Mięczaki. Małże. Molluscs. Bivalvia. PWN Warszawa.
Piotrowski S., 2009: Stopień akumulacji metali w tkankach miękkich mięczaków ujścia Odry i wybranych jezior Pomorza Zachodniego, Gospodarka Wodna, Nr 1: 34-38.
Piotrowski S., 2010a: Viviparus viviparus (L.) jako organizm wskaźnikowy odzwierciedlający poziomy metali ciężkich w wodzie i osadach dennych, Gospodarka Wodna, Nr 4: 163-170.
Piotrowski S., 2010b: Relacje pomiędzy koncentracjami metali ciężkich ciężkich tkankach mięczaków słodkowodnych a stężeniami tych metali w wodzie i osadach dennych w obszarze estuarium Odry i wybranych jezior Pomorza Zachodniego, Gospodarka Wodna, Nr 11: 454-468.
Piotrowski S., 2010c: Przydatność Anodonta anatina (L.) jako organizmu wskaźnikowego odzwierciedlającego poziomy metali ciężkich (Cu, Zn, Pb, Co, Cd, Hg) w wodzie i osadach dennych. Use of Anodonta anatina as Indicatory Organizm Reflecting Level of Heavy Metals (Cu, Zn, Pb, Co, Cd, Hg) In Water and Bottom Sediments, Inżynieria i Ochrona Środowiska, t. 13, nr 4: 259-277.
Pluta G., 1977: Wielowymiarowa analiza porównawcza w badaniach ekonomicznych,
PWE, Warszawa.
Salanki J. & Van-Balogh K., 1989: Physiological background for using freshwater mussels in monitoring copper and lead pollution. Hydrobiologia, 188/189: 445-454.
Salazar M.H. & Salazar S.M., 1997: Using caged bivalves to characterize exposure and effects associated with pulp and paper mill effluents. Water Science and Technology, 35 (2-3): 213-220.
Salazar M.H., 1997: Critical evaluation of bivalve molluscs as a biomonitoring tool for the mining industry in Canada. [in] Stewart & Malley: Technical Evaluation of Molluscs as a biomonitoring Tool for the Canadian Mining Industry. CANMET-Aquatic Effects Technology Evaluation (AETE) Program , Project 2.3.1., Part II: 164-248.
Storelli M.M. & Marcotrigiano G.O., 2001: Heavy Metals (Hg, Pb, Cd And Cr) in Edible Snails. Ital. J. Food Sci., 4(13): 399-404.
Vallee B.L. & Falcuk K.E., 1993: The biochemical basis of the zinc physiology. Physiol. Rev., 73: 79-118.
Van-Balogh K., 1988: Comparison of mussels and crustacean plankton to monitor heavy metal pollution. Water Air Soil Pollut., 281-292.
Wiesner L., Gunther B. & Fenske C., 2001: Temporal and spatial variability in the heavy metal content of Dreissena polymorpha (Pallas) (Mollusca: Bivalvia) from the Kleines Haff (northeastern Germany). Hydrobiologia, 443(1-3): 137-145.
Tabele
Tabela 1. Ilość analizowanych próbek tkanek miękkich i muszli badanych mięczaków oraz obszar ich pochodzenia: n – liczba analizowanych próbek; obszar pochodzenia próbek: estuarium Odry: M – Międzyodrze, JD –Jezioro Dąbie, D – Dociąża, R – Roztoka Odrzańska, Z – Zalew Szczeciński, jeziora Pomorza Zachodniego: JO –Jezioro Ostrów, JK – Jezioro Kiełbicze, JW – Jezioro Wełtyńskie, JB – Jezioro Binowo; JM - Jezioro Miedwie
Rysunki
Ryc. 1. Koncentracje metali (ppm s.m.) w tkankach miękkich mięczaków. Oznaczenia mięczaków jak w tabeli 1.
Ryc. 2. Koncentracje metali (ppm s.m.) w muszlach badanych mięczaków. Oznaczenia mięczaków jak w tabeli 1.
TABELE I RYSUNKI ZOSTANA WKROTCE ZAMIESZCZONE NA STRONIE