Опыт экологической оценки статуса акваторий на основе диагностики адаптивного потенциала некоторых беспозвоночных животных из суб-регионов Балтийского моря

Цель данной работы состояла в том, чтобы сделать обзор наших результатов по оценкам загрязнения некоторых проблемных акваторий суб-регионов Балтийского моря, полученных в ходе проведенных ранее полевых и лабораторных исследований на основе использования разработанной в НИЦЭБ РАН биоэлектронной системы мониторинга кардиоактивности беспозвоночных животных. Статья также посвящена опыту развития и апробации предложенного подхода к оценке биологических эффектов химического загрязнения окружающей среды на основе оценки адаптивного потенциала местных видов беспозвоночных, обитающих в разных по антропогенной нагрузке пресноводных, солоноводных и морских акваториях Балтийского моря, а также Невской губе и реке Неве. Оценка адаптивных возможностей животных выполнялась, используя метод функциональной нагрузки на двустворчатых моллюсков (Anodоnta anatina, Mytilus edulis, Mytilus trossulus и Macoma (Limecola) balthica) и высших раков (Carcinus maenas и Astacus leptodactylus), на основе измерения времени восстановления сердечного ритма после снятия нагрузки. Как показали исследования, быстрое восстановление (меньше чем 50—60 мин) соответствует высокому уровню адаптивного потенциала этих видов животных, их хорошее функциональное состояние, указывая на хороший экологический статус места исследования, в котором живут эти животные. В работе рассмотрен ряд примеров, демонстрирующих, как предложенная авторами методология оценки функционального состояния беспозвоночных может использоваться в экологической оценке состояния (здоровья) экосистем акваторий Балтийского региона.

1. Directive 2000/60/ЕС of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy // Official Journal of the European Communities. 2000. L. 327, 22. 12. 72 p.

2. HELCOM Baltic Sea[2] HELCOM Baltic Sea Action Plan, 2007. HELCOM Ministerial Meeting Krakow, Poland, 15 November 2007, 100 p.

3. HELCOM. 2010. Hazardous substances in the Baltic Sea: An integrated thematic assessment of hazardous substances in the Baltic Sea. HELCOM. Helsinki Commission, 2010.Baltic Sea Environment Proceedings 120B. P. 54—60.

4. HELCOM. 2012. Development of a set of core indicators: Interim report of the HELCOM CORESET project. PART B: Descriptions of the indicators. Baltic Sea Environment Proceedings No. 129 B.

5. Lips I., Rünk N., Kikas V., Meerits A., Lips U. High-resolution dynamics of spring bloom in the Gulf of Finland, Baltic Sea // J. Mar. Syst. 2014. V. 129. P. 135—149.

6. Berezina N. A., Gubelit Y. I., Petukhov V. A., Polyak Y. M., Sharov A. N., Kudryavtseva V. A., Lubimtsev V. A., Shigaeva T. D. An integrated approach to the assessment of the Eastern Gulf of Finland health: A case study of coastal habitats // J. Mar. Systems. 2017. V. 171. P. 159—171. DOI: 10.1016/j.jmarsys.2016.08.013

7. Lehtonen K. K., Sundelin B., Lang T., Strand J. Development of tools for integrated monitoring and assessment of hazardous substances and their biological effects in the Baltic Sea // AMBIO. 2014. V. 43, N1. P. 69—81. DOI: 10.1007/s13280-013-0478-3

8. Kramer K. J. M., Botterweg J. M. Aquatic biological early warning systems. Bioindicators and environmental management / D.W. Jeffrey, B. Madden (eds). London: Academic Press, 1991. Р. 95—126.

9. Borcherding J. Ten years of practical experience with the Dreissena-Monitor, a biological early warning system for continuous water quality monitoring // Hydrobiologia. 2006. V. 556. P. 417—426.

10. Depledge M. H., Andersen B. B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates // Comp. Biochem. Physiol. A. 1990. V. 96. P. 473—477. http://dx.doi.org/10.1016/0300-9629(90)90664-E.

11. Kees J. M., Kramer K.J.M., Jenner H. A., de Zwart D. The valve movement response of mussels: a tool in biological monitoring // Hydrobiologia. December 1989. V. 188, Issue 1. P. 433—443. https://link.springer.com/article/10.1007/BF00027811

12. Depledge M. H., Aagaard A., Gyorkos P. Assessment of trace metal toxicity using molecular, physiological and behavioral biomarkers // Mar Poll Bull. 1995. V. 31, N1-3. P. 19—27.

13. Brown R. J., Galloway T. S., Lowe D., Brown M. A., Dissanayake A., Jones M. B., Depledge M. H. Differential sensitivity of three marine invertebrates to copper assessed using multiple biomarkers // Aquat. Toxicol. 2004. V. 66. P. 267—278.

14. Kholodkevich S. V., Ivanov A. V., Kurakin A. S., Kornienko E. L., Fedotov V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations // J. Envir. Bioindicators. 2008. V. 3, N1. P. 23—34.

15. Baldwin I. G., Kramer K.J.M. Biological early warning systems (BEWS) / KJM Kramer (ed) // Biomonitoring of Coastal Waters and Estuaries, CRC Press, Boca Raton, 1994. P. 1—28.

16. Kholodkevich S. V., Kuznetsova T. V., Trusevich V. V., Kurakin A. S., Ivanov A. V. Peculiarities of valve movements and cardiac activity in bivalve mollusks under different stressors actions // J. Evol. Biochem. Physiol. 2009. V. 45, N 4. P. 524—526.

17. Burnett N. P., Seabra R., de Pirro M., Wethey D. S.,Woodin S. A., Helmuth B., Zippay M. A., Sarà G., Monaco1 K., Lima F. P. An improved noninvasive method for measuring heartbeat of intertidal animals // Limnol. Oceanogr.: Methods. 2013. V. 11. P. 91—100. DOI: 10.4319/lom.2013.11.91

18. Pautsina A., Kuklina I., Štys D., Císař P., Kozák P. Noninvasive crayfish cardiac activity monitoring system // Limnology and Oceanography: Methods. 2014. V. 12. P. 670—679.

19. Císař P., Saberioon M., Kozák P., Pautsina A. Fully contactless system for crayfish heartbeat monitoring: Undisturbed crayfish as bio-indicator // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 255. P. 29—34.

20. Gunatilaka A., Diehl P. Brief Review of Chemical and Biological Continuous Monitoring of Rivers in Europe and Asia // Biomonitors and Biomarkers as Indicators of Environmental Change, Volume II’ / Eds. Butterworth, Gunatilaka & Gonsebatt. New York: Plenum Press, 2000. P. 9—28.

21. Kholodkevich S. V., Kuznetsova T. V., Lehtonen K. K., Kurakin A. S. Experiences on ecological status assessment of the Gulf of Bothnia different sites based on cardiac activity biomarkers of caged mussels (Mytilus edulis) // ICES Annual Science Conference 2011, 19—23 September, Gdansk, Poland. http://www.ices.dk/products/CMdocs/CM-2011/R/R2011.pdf

22. Холодкевич С. В., Шаров А. Н., Кузнецова Т. В. Перспективы и проблемы использования биоэлектронных систем в мониторинге экологической безопасности акваторий Финского залива // Региональная экология. 2015. N 2 (37). С. 16—26.

23. Kuznetsova T. V., Kholodkevich S. V. Comparative assessment of surface water quality through evaluation of physiological state of bioindicator species: searching a new biomarkers // Proceedings — 2015 4rd Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO. IEEE conference publications ISBN 978-9-9409-4364-6, Budva, Montenegro, 2015. P. 339—344.

24. Трусевич В. В., Гайский П. В., Кузьмин К. А. Автоматизированный биомониторинг водной среды с использованием реакций двустворчатых моллюсков // Морской гидрофизический журнал. МГИ НАНУ. Севастополь. 2010. № 3. C. 75—83.

25. Rosenberg R., Blomqvist M., Nilsson H. C., Cederwall H., Dimming A. Marine quality assessment by use of benthic species-abundance distributions: a proposed new protocol within European Union Water Framework Directive // Mar. Pollut. Bull. 2004. V. 49. P. 728—739.

26. Widdows J., Donkin P. Mussels and environmental contaminants: bioaccumulation and physiological aspects // The Mussel Mytilus: Ecology, Physiology, Genetics and Culture / ed. E.M. Gosling. Elsevier Science Publishers. B.V., Amsterdam. 1992. P. 383—424.

27. Abel P. D. Effect of some pollutants on the filtration rate of Mytilus // Mar. Poll. Bull. 1976. V. 7. P. 228—231.

28. Davenport J. A study of the effect of copper applied continuously and dis continuously to specimens of Mytilus edulis (L.) exposed to steady and fluctuating salinity levels // J. Mar.Biol. 1977. Ass. UK 57, 63—74.

29. Davenport J., Redpath K. J. Copper and the mussel Mytilus edulis L. // Toxins, Drugs and Pollutants in Marine Animals / Bolis L., Zadunaiy J., Gilles R. (eds). Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 1984, P. 176—189.

30. Мельник Е. А., Рублевская О. Н., Панкова Г. А., Холодкевич С. В., Иванов А. Б., Корниенко Е. Л., Сладкова С. В., Любимцев В. А., Куракин А. С. Биоэлектронная система контроля токсикологической безопасности биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых Юго-Западными очистными сооружениями ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» в Невскую губу // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 1. С. 7—12.

31. Kholodkevich S. V., Kuznetsova T. V., Lips U., Kolesova N., Ljubimtsev V. V., Sladkova S. V. On the possibility of realization of the system for real time biomonitoring of Gulf of Finland surface water quality in parallel with FerryBox measuring system: preliminary results. Gulf of Finland 2014 Trilateral Seminar, 26-27 November 2014, Helsinki/ gof2014 internet source (http://www.gof2014.fi/en/events/gof-research-forum, р. 17—18).

32. Turja R., Höher N., Snoeijs P., Baršienė J., Butrimavičienė L., Kuznetsova T., Kholodkevich S. V., Devier M.-H., Budzinski H., Lehtonen K. K. A multibiomarker approach to the assessment of pollution impacts in two Baltic Sea coastal areas in Sweden using caged mussels (Mytilus trossulus) // Sci. Total Environ. 2014. V. 473—474. Р. 398—409.

33. Kuznetsova T. V. Change of salinity of medium as a functional loading in estimating physiological state of the crayfish Astacus leptodactylus // J. Evol. Biochem. Physiol. 2013. V. 49, N 5. P. 498—502.

34. Udalova G. P., Kholodkevich S. V., Fedotov V. P., Kornienko E. L. Changes in heart rate and circadian cardiac rhythm as physiological biomarkers for estimation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus Esch. upon acidification of the environment // Inland Water Biology. 2012. V. 5, № 1. P. 119—127.

35. Kuznetsova T. V., Sladkova S. V., Kholodkevich S. V. Evaluation of physiological state of crayfish Astacus leptodactylus Esch. in normal and toxic environments // J. Evol. Biochem Physiol. 2010. V. 46, N 3. P. 203—210.

36. Kholodkevich S. V., Kuznetsova T. V., Lehtonen K. K., Strand J., Kurakin A. S., Kamardin N. N., Kornienko E. L. Bioelectronic system for monitoring of cardiac activity in mussels and crabs and its implementation to environmental assessment // 8th Baltic Sea Science Congress-2011, 22-26, August, 2011, St. Petersburg, Russia. Book of Abstracts. P. 359.

37. Höher N., Köhler A., Strand J., Broeg K. Effects of various pollutant mixtures on immune responses of the blue mussel (Mytilus edulis) collected at a salinity gradient in Danish coastal waters // Mar.Environ.Res. 2012. V. 75. P. 35—44. https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2011.11.003

38. Canesi L., Betti M., Ciacci C., Lorusso L. C., Pruzzo C., Gallo G. Cell signaling in the immune response of mussel hemocytes // Invertebrate Surviv. Journal. 2006. V. 3. P. 40—49.

39. Kholodkevich S., Kuznetsova T. V., Sharov A. N., Kurakin A. S., Lips U., Kolesova N., Lehtonen K. K. Applicability of bioelectronic cardiac monitoring system for the detection of biological effects of pollution in bioindicator species in the Gulf of Finland // J. Mar. Systems. 2017. V. 171. P. 151—158. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmarsys.2016.12.005.

40. Regoli F., Frenzilli G., Bocchett R., Annarumma F., Scarcelli V., Fattorini D., Nigro M. Time-course variations of oxyradical metabolism, DNA integrity and lysosomal stability in mussels, Mytilus galloprovincialis, during a field translocation experiment // Aquat. Toxicol. 2004. V. 68. P. 167—178.

41. Serafim A., Lopes B., Company R. et al. A multi-biomarker approach in cross-transplanted mussels Mytilus galloprovincialis // Ecotoxicol. 2011. V. 20. P. 1959—1974.

42. Turja R., Soirinsuo A., Budzinski H., Devier M. H., Lehtonen K. K. Biomarker responses and accumulation of hazardous substances in mussels (Mytilus trossulus) transplanted along a pollution gradient close to an oil terminal in the Gulf of Finland (Baltic Sea) // Comparative Biochemistry and Physiology C. 2013.V. 157. P. 80—92.

43. Turja R., Lehtonen K. K., Meierjohann A., Brozinski J.-M., Vahtera E., Soirinsuo A., Sokolov A., Snoeijs P., Budzinski H., Devier M.-H., Peluhet L., Pääkkönen J.-P., Viitasalo M., Kronberg L. The mussel caging approach in assessing biological effects of wastewater treatment plant discharges in the Gulf of Finland (Baltic Sea) // Mar. Pollut. Bull. 2014. V. 473—474. P. 398—409.

44. Lehtonen K. K., Leiniö S., Schneider R., Leivuori M. Biomarkers of pollution effects in the bivalves Mytilus edulis and Macoma balthica collected from the southern coast of Finland (Baltic Sea) // Marine Ecology Progress Series. 2006. V. 322. P. 155—168.

45. Putna I., Strode E., Bârda I., Puriòa I., Rimða E., Jansons M., Balode M., Strâíe S. Sediment quality of the eco-region Engure, Gulf of Riga, assessed by using ecotoxicity tests and biomarker responses // Proceedings of the Latvian Academy of Sciences. Section B. 2014. V. 68 (1/2) (688/689). P. 101—111.

46. Куракин А. С., Холодкевич С. В., Пурвиня С., Барда И., Римша Е., Кулинкович А. В. Оценка экологического состояния отдельных акваторий Рижского залива и внутренних водоемов Латвии используя метод активной биоиндикации // Журнал «Научно-технические ведомости», серия «Наука и образование». 2012. № 1 (142). С. 267—272.

47. Шаров А., Холодкевич С. Некоторые особенности использования мониторинга сердечных сокращений у пресноводных моллюсков c помощью волоконно-оптического метода для экотоксикологических исследований // Принципы экологии. 2015. V. 4, № 2. С. 23—30.