ИЗУЧЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ СОЛЕЙ КАДМИЯ И СВИНЦА НА МЕДОНОСНЫХ ПЧЕЛАХ APIS MELLIFERA L. В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

THE STUDY OF THE TOXICITY OF CADMIUM AND LEAD ON HONEYBEES APIS MELLIFERA L. UNDER LABORATORY CONDITIONS

Vyacheslav Toboev

doctor of biological science, professor of Chuvash State University

Russia, Cheboksary​

Nadezhda Polutova

Student of Chuvash State University

Russia, Cheboksary​

АННОТАЦИЯ

Модифицированным пробит-методом, используя краткосрочные временные зависимости выживаемости медоносных пчел Apis mellifera L, были получены характеристики острой токсичности солей хлористого кадмия и ацетата свинца. Для описания реакции доза-эффект был использован метод собственных координат, позволяющий представить нелинейную функцию эффективности в линейном представлении относительно новых параметров. Полученный набор параметров позволяет находить калибровочные кривые, необходимые для описания хронической токсичности и моделирования эффектов воздействия на длительные периоды времени, приблизительно равные продолжительности жизни летних и зимних пчел.

ABSTRACT

The acute toxicity characteristics were obtained by modified probit analysis of the short-time dependencies of the survival of honey bees with different concentrations of cadmium chloride and lead acetate. The eigen-coordinates method, allowing to represent non-linear effect-dose relationship as a linear function of the new parameters, was used to describe the dose-effect reaction. The resulting set of parameters allows to find the calibration curves which are necessary to describe the chronic toxicity and simulate the effects for the long time approximately equal to the duration of life of bees summer and winter generations.

Ключевые слова: медоносные пчелы, соли тяжелых металлов, острая и хроническая токсичность, доза, кумуляция эффекта.

Keywords: honeybees, salts of heavy metals, acute toxicity, chronic toxicity, dose, cumulation.

Одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды являются соединения тяжелых металлов (ТМ). Ежегодно происходит увеличение поступления ТМ, в частности кадмия и свинца, в естественные биологические циклы. Это приводит к нарушению постоянства элементного состава природной среды, которое является дестабилизирующим фактором функционирования биологических систем. Исследования на пчелах, выполненные разными авторами в условиях интенсивного техногенного загрязнения, свидетельствуют о влиянии ТМ на жизнеспособность пчелиных семей [1,3,4].

В данной работе рассмотрена возможность изучения хронической токсичности кадмия и свинца на медоносных пчел по характеристикам острой токсичности, полученным при проведении краткосрочных испытаний (до 96 ч).

Материалы и методы. Для проведения испытаний пчелы были отобраны с рамок открытым расплодом благополучно развивающихся семей без признаков болезней. После непродолжительной анестезии холодом по15 пчел были помещены в каждый из 5 садков, один из которых использовался для контроля. Растворы тяжелых металлов готовили 4 различных концентраций из расчета на 1л 50% раствора сахарозы: 2.5, 7.2, 20.8, 60, 172.8 мг/л для хлорида кадмия и 10, 25, 62.5, 156.25, 390.6 мг/л для ацетата свинца. Исходные растворы первоначально готовили в дистиллированной воде, затем смешивали с раствором сахарозы. Пчел скармливали полученным раствором с помощью 50 мл шприца с отрезанным кончиком, который вставлялся в нижнюю часть садка. Смертность пчел регистрировали три раза в день в течение периода от 0 до 96 ч. Шприцы взвешивались при первоначальном воздействии, а затем через 48 и 96 часов для расчета количества потребления солей металлов. Испытания проводились в помещении с контролируемой температурой 24±1°С и относительной влажностью 60±5% при постоянной темноте. Данные смертности пчел при различных концентрациях анализировали с использованием модифицированного пробит- анализа. Полученные результаты были использованы для описания динамики токсичности и изучения влияния кумулятивных эффектов для длительных периодов 720 и 4320 ч, соответствующих приблизительно продолжительности жизни соответственно летних и зимних пчел. Для этого была рассчитана временная зависимость медианной концентрации LC₅₀ для солей свинца и кадмия, используя обобщенную функцию отклика вида [7]

                                                       (1)

Выбор этой функции позволяет реакцию доза-смертность разделить на две части: первая после применения  связана с острой фазой токсичности, в то время как вторая - с хронической кумулятивной токсичностью (в нашем случае параметры μ и γ). Для обоснования применимости выражения (1) к описанию реакции доза-эффект был использован метод собственных координат [6], позволяющий представить нелинейную функцию эффект-доза в линейном представлении относительно новых параметров

                                    (2)

Здесь параметры связаны с первоначальными параметрами нелинейным образом

                                  (3)

Новые функции получены интегрированием дифференциального уравнения для Ф(t) при условии ортогональности собственных функций

Рассчитанный набор параметров (3) позволяет находить калибровочные кривые, необходимые для описания реакции доза-смертность и изучения кумуляции эффектов.

Результаты. Краткосрочные временные зависимости выживаемости пчел летней и зимней генерации при различных концентрациях растворов хлористого кадмия и ацетата свинца отличаются по времени возникновения и фиксации наблюдаемых эффектов (рис. 1). Оценки LC₅₀ и LC₅, полученные из краткосрочных данных модифицированным пробит-методом, были экстраполированы на продолжительность жизни для взрослых пчел соответственно на 30 для летних и 180 дней для зимних пчел.

Рисунок 1. Зависимость выживаемости пчел от времени воздействия. Численные значения указаны в процентах от выживших пчел (N=60), подвергшихся воздействию растворов хлорида кадмия (a, b-пчелы летней и зимней генераций соответственно) и ацетата свинца (c, d- пчелы летней и зимней генераций) различных концентраций

В опытах на летних пчелах подвергшихся воздействию раствора хлорида кадмия были получены следующие значения величины LC₅₀: 38.3 ±2,2 мг/л при наблюдении в течение двух суток, 17.7 ± 2,1 мг/л - через четверо суток, 5.1 ± 1.7 мг/л - через десять суток. Для средних значений рассчитывались 95% доверительные интервалы. Экстраполяция этих данных на 30 дней жизни взрослых пчел приводит к значению медианной концентрации 1.2±0.2 мг/л. Для минимально смертельной дозы LC₅ аналогичные данные соответственно равны , 2.34±0.27 мг/л, 1.13±0.18 мг/л, 0.41±0.11 мг/л, 0.22±0.06 мг/л (прогнозное значение через 30 дней). Эти результаты позволяют сделать вывод о медленном прогрессировании смертности летних пчел при скармливании их раствором хлорида кадмия.

В случае веществ с замедленным проявлением биоэффектов, как правило, указывают время возникновения и фиксации наблюдаемых эффектов или приводят зависимости изменения медианных токсодоз от сроков наблюдения [2]. В проведенных опытах временная зависимость (рис. 2) медианной концентрации LC₅₀ кадмия имеет вид:

где t - время в часах.

Рисунок 2. Временная зависимость медианной концентрации LC₅₀ для хлорида кадмия

Для сравнения полученных оценок с результатами исследований других авторов, были получены уравнения регрессии для пробитов, анализ которых позволяет получить среднесмертельную дозу, рассчитанную на одну пчелу LD₅₀=0.339 мкг/пчела. Это значение сопоставимо с ранее опубликованными результатами [5].

Для пчел осенней генерации изучение реакции доза-смертность показало значительное различие в первые 48 часов воздействия по сравнению с реакцией летних пчел, а в последующие часы эти различия незначительны. В частности, показатели медианных концентраций для серии опытов следующие: 44.3 ±2.7 мг/л через 48 ч, 18.4 ± 1.9 мг/л - 96 ч, 5.7 ± 1.5 мг/л - 240 ч . Экстраполяция этих данных на 720 ч дает значение 1.5±0.3 мг/л, 2160 ч –  0.21±0.08 мг/л, а на 4320 ч – 0.05±0.02 мг/л. При этом рассчитанное значение среднесмертельной дозы на одну пчелу составляет LD₅₀=0.436 мкг/пчела.

Свинец не создает острую угрозу для пчел, но имеет опасность кумуляции. В опытах по воздействию раствора ацетата свинца на пчел были получены следующие значения величины LC₅₀: 187.3 ±10,1 мг/л при наблюдении в течение двух суток, 115.4. ± 6.6 мг/л - через четверо суток, 67.1 ± 4.9 мг/л— через десять суток. Прогнозное значение этой величины на среднюю продолжительность жизни летних пчел (30 дней) составляет 51.2±3.1 мг/л. Для минимально смертельной дозы LC₅ получены соответственно следующие результаты: 33.2±1.9 мг/л, 25.7±1.6 мг/л, 22.4±0.8 мг/л, 20.6±0.7 мг/л (прогнозное значение). При этом среднесмертельная доза, рассчитанную на одну пчелу составляет LD₅₀=2.6 мкг/пчела, исходя из предполагаемого потребления 0.08 мг/пчела/день.

Временная зависимость

позволяет анализировать токсикокинетику ацетата свинца и изучать влияние кумулятивных эффектов для периодов времени, соответствующих продолжительности жизни пчел.

В опытах с ацетатом свинца проявилась более быстрая токсикокинетика для летних пчел, связанная с изменением LC₅₀ с 48 ч до 720 ч в 3 раза, для зимних – в 2.4 раза.

По итогам исследований хронической токсичности можно делать выводы о долгосрочном эффекте действия испытуемых веществ на медоносные пчелы. Предложенная зависимость (1) хорошо описывает опытные данные острой и хронической токсичности солей тяжелых металлов, при этом параметры μ и γ претерпевают статистически значимые изменения и являются характеристиками кумуляции эффектов воздействия солей тяжелых металлов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Кабинета Министров Чувашской Республики в рамках научного проекта № 17-44-210743.

Список литературы:

1. Еськов Е.К., Ярошевич Г.С., Еськова М.Д., Кострова Г.А., Ракипова Г.М. Аккуму- ляция тяжелых металлов в теле пчел // Пчеловодство. – 2008. – № 2. – С. 14–16.
2. Куценко С.А. Основы токсикологии. СПб., 2002. С.83-89.
3. Осинцева, Л. А. В. И. Накопление тяжелых металлов в продуктах пчеловодства / Л. А. Осинцева, К. Я. Мотовилов, В. И. Коркина // Сельскохозяйственная биология, 2010.  № 2.  С. 88-90.
4. Скребнева, Л. А. Особенности аккумуляции тяжелых металлов в медоносных пчелах различных временных генераций / Л. А. Скребнева, Ф. С. Билалов, М. Н. Мукминов и др. // Ученые записки казанского университета, 2012. том 154. С. 133—145.
5. Cronn, R. C. Determination of cadmium toxicity and the relationship between dose and metallothionein levels in the honey bee, Apis mellifera, University of Montana. 1991. P.133
6. Nigmatullin R.R. Eigen coordinate: new method of analytical functions identification in experimental measurement// Appl. Mag. Res.1998. V.14. P.601-633.
7. Nigmatullin R.R., Toboev V.A., Lino P., Maione G. Reduced fractal model for quantitative analysis of averaged micromotions in mesoscale: Characterization of blow-like signals// Chaos, Solitons & Fractals. 2015. V.76. P.166–181.