Ślimaki lądowe jako bioindykatory skażenia środowiska - Eko-DOk

bioindykatory, ślimaki, metale ciężkie
Michał KUJAWA, Teodora Małgorzata TRACZEWSKA*
ŚLIMAKI LĄDOWE JAKO BIOINDYKATORY SKAŻENIA
ŚRODOWISKA METALAMI CIĘŻKIMI
Emisje przemysłowe i niewłaściwa gospodarka odpadami oraz ściekami prowadzą do chronicznego
zanieczyszczenia środowiska naturalnego, wpływając niekorzystnie na rozwój organizmów żywych.
Powszechne jest wykorzystywanie mięczaków wodnych do określenia stopnia zanieczyszczenia metalami ciężkimi naturalnych ekosystemów [4]. Znane są również gatunki ślimaków lądowych odznaczające się bardzo dobrymi zdolnościami bioindykacyjnymi. Badania prowadzone przez Danutę Kowalczyk-Pecką i Katarzynę Czepiel-Mil wykazały znaczną koncentracje matali Pb, Zn, Cu, Cr, Fe, Cd
w tkankach wątrobotrzustki i nogi ślimaków z rodziny Agriolimacidae. Ze względu na skomplikowany metabolizm ślimaków szczegóły korelacji między zawartością zanieczyszczeń w ciele, a środowiskiem, w którym żyją stanowią przedmiot wnikliwych badań [5].
1. WSTĘP
Metale ciężkie są bardzo ważnym elementem skorupy ziemskiej uznawanym za
nieodnawialne bogactwa naturalne. Problem środowiskowy stwarzany przez nie jest
złożony. Występują one w coraz wyższych stężeniach w żywych organizmach (rośliny, zwierzęta, ludzie) i środowisku abiotycznym. Niektóre metale jak np.; cynk czy
miedź są w określonych ilościach niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Przekroczenie jednak określonego stężenia może wywoływać działanie toksyczne, należą do nich, m.in. kadm, ołów i rtęć [18].
Przyczyną rozproszenia i wzrostu toksycznego wpływu wielu metali na organizmy
żywe są głownie procesy antropogeniczne [10]. Emisje przemysłowe i niewłaściwa
gospodarka odpadami oraz ściekami prowadzą do chronicznego zanieczyszczenia
środowiska naturalnego, wpływając niekorzystnie na rozwój organizmów żywych.
__________
*
Politechnika Wrocławska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska,
pl. Grunwaldzki 9, 50-377 Wrocław.
310
M. KUJAWA, T. M. TRACZEWSKA
Wyjątkowo groźnym zjawiskiem jest proces kumulacji kationowych pierwiastków
śladowych z grupy metali ciężkich [11]. Stanowi to poważne zagrożenie dla całego
biotopu, a w szczególności dla organizmów żywych dlatego tak ważne jest stałe monitorowanie poziomu zanieczyszczeń i ich zmian w ekosystemie.
Nieocenioną wartość przedstawiają różne gatunki organizmów żywych wykorzystywanych w bioindykacji szkodliwych substancji. Do najczęściej obserwowanych
reakcji wynikających z występowania zanieczyszczeń zalicza się akumulacje w tkankach, chorobę, śmierć czy ucieczkę. Na tej podstawie można mniej lub bardziej precyzyjnie ocenić stan środowiska naturalnego oraz jego ewentualny wpływ na organizm ludzki. Zanieczyszczenia środowiska oddziałujące na organizmy żywe ujawniają
sie na poziomie fizjologicznym jak również biochemicznym. Do pierwszej grupy zalicza się objawy takie jak zaburzenia osmoregulacji, odkładanie w tkankach, zaburzenia
w rozrodzie, a także zaburzenia układu nerwowego i hormonalnego. Z kolei zmiany
w DNA, działanie mutagenne i kancerogenne, hamowanie syntezy białek oraz aktywności enzymów to negatywne skutki skażenia środowiska obserwowane na poziomie
biochemicznym [9].
Celem pracy jest przedstawienie przydatności wybranych gatunków ślimaków do
ustalenia stopnia zanieczyszczenia środowiska ze szczególnym uwzględnieniem skażenia gleb metalami ciężkimi.
2. ŚLIMAKI JAKO BIOINDYKATORY METALI CIĘŻKICH
Istnieje wiele doniesień naukowych potwierdzających duże zdolności ślimaków do
akumulacji metali ciężkich. Mięczaki te z powodzeniem wykorzystywane są do oceny
skali zanieczyszczenia zarówno gleb jak i wód. W badaniach toksyczności metali
w naturalnych ekosystemach wielu autorów wykorzystywało gatunki mięczaków żyjących w wodach słonych i słodkich [4].Wprawdzie za najczulsze bioindykatory powszechnie uważa się małże to jednak ślimaki w tym aspekcie niewiele im ustępują
czego dowodem są trwające od wielu lat badania. Zdolnością akumulacji metali przez
lądowe płucodyszne ślimaki interesowali się już w roku 1977 Coughtrey i Martin.
Badania, w których użyto Helix aspersa dowiodły jednoznacznie, że zwierzęta te mogą być z powodzeniem wykorzystywane jako biologiczne indykatory zanieczyszczenia środowiska metalami [8]. Zdolności ślimaków lądowych do akumulacji metali
potwierdziły również późniejsze badania [6,15,16]. Wiele gatunków lądowych Gastropoda wykazuje zdolność koncentracji w tkankach oraz muszli śladowych ilości
elementów, wynikającą ze skutecznego mechanizmu biokumulacji. Co ciekawe nawet
u gatunków bardzo blisko ze sobą spokrewnionych obserwuje się częściowe różnice
w ilości oraz składzie deponowanych zanieczyszczeń [16].
Ślimaki lądowe jako bioindykatory skażenia środowiska metalami ciężkimi
311
Gatunki, które akumulują metale powyżej stężenia środowiskowego są określane
jako makrokoncentratory, natomiast gatunki akumulujące metale w ilości równoważnej z poziomem w środowisku lub mniejszej zostały zdefiniowane jako mikrokoncentratory i dekoncentratory. Dotyczy to np. niektórych gatunków Helicidae, takich jak:
Helix pomatia, Helix aspersa, Cepaea nemoralis, Arianta arbustorum i Arionidae.
Gatunki te mogą być uznane jako makrokoncentratory dla kadmu i miedzi, zachowują
się natomiast jako mikrokoncentratory w stosunku do cynku i żelaza [13]. Jedną
z trudności często pojawiających się przy wykorzystaniu lądowych Gastropoda jako
biologicznych bioindykatorów zanieczyszczenia środowiska jest brak znaczącej korelacji pomiędzy koncentracją metali w tkankach mięczaków i koncentracją odpowiednich metali w ich pokarmie. Ten brak zależności może być związany między innymi
z selektywnością wyboru pożywienia wykazywaną przez wiele taksonów lądowych
ślimaków, gatunkowo specyficznymi właściwościami akumulacji metali, czynnikami
sezonowymi.
Badania prowadzone przez Kowalczyk-Pecką [12] na ślimakach z taksonu Arianta
arbustorum, reprezentujących dziko żyjącą, naturalną populację bezkręgowców wykazały ich duże znaczenie jako naturalnych biowskaźników zatrucia środowiska. Autorka poddała analizie zawartość sześciu metali tj.: chromu (Cr), żelaza (Fe), cynku
(Zn), miedzi(Cu), kadmu (Cd) i ołowiu (Pb) w tkankach miękkich ślimaków, muszli
a także pożywieniu. Wyniki badań wykazały, że średnia zawartość, cynku, miedzi
i żelaza w tkankach stopy, wątrobotrzustki oraz w muszli badanego taksonu Arianta
arbustorum we wszystkich próbkach z siedliska zanieczyszczonego była większa od
zawartości tych metali w próbkach z obszaru czystego [12].
Tabela 1. Porównanie depozytu metali w ciele Arianta arbustorum, w liściach Taraxacum officinale
i w ziemi pochodzących z siedliska o niskim stopniu antropopresji (μg·g -1 s.m.) [12]
Lokalizacja I
Metal
tkanki stopy
wątrobotrzustka
muszla
mniszek
gleba
Zn
140,51±5,68
1030,32±45,97
126,09±5,26
18,45±2,02
48,35±3,26
Cu
115,03±4,99
45,76±4,23
14,75±0,87
5,51±0,61
6,85±0,43
Fe
228,65±10,46
268,57±11,64
209,85±10,01
16,45±1,54
3183,08±85,97
Cr
0,25±0,01
0,82±0,03
0,60±0,04
0,25±0,02
5,85±0,45
Pb
0,006±0,001
0,356±0,023
0,056±0,005
0,002±0,001
0,63±0,04
Cd
0,351±0,023
0,611±0,040
0,017±0,001
0,031±0,002
0,109±0,011
312
M. KUJAWA, T. M. TRACZEWSKA
Tabela 2. Porównanie depozytu metali w ciele Arianta arbustorum, w liściach Taraxacum officinale
i w ziemi pochodzących z siedliska o wysokim stopniu antropopresji (w μg·g -1 s.m.) [12]
Metal
Lokalizacja II
tkanki stopy
wątrobotrzustka
muszla
mniszek
ziemia
Zn
145,23±5,99
1140,87±42,89
137,84±4,83
20,77±1,78
283,89±9,34
Cu
132,57±4,32
70,51±4,24
21,22±1,89
8,36±0,94
16,85±1,12
Fe
253,25±8,97
303,67±9,95
797,32±21,54
44,21±3,87
6325,96±87,76
Cr
1,12±0,06
1,25±0,04
1,76±0,03
0,35±0,02
7,44±0,67
Pb
0,046±0,003
0,502±0,043
0,184±0,012
0,483±0,032
1,184±0,11
Cd
0,472±0,041
0,661±0,056
0,041±0,002
0,037±0,002
0,164±0,013
Również analiza zawartości owych sześciu metali w pokarmie ślimaków (liść Taraxacum officinale) oraz w ziemi pochodzącej z siedlisk zajmowanych przez badane
gatunki potwierdziła duże zdolności indykacyjne Arianta arbustorum.
Podobne prace nad określeniem stopnia zanieczyszczenia środowiska metalami
ciężkimi przy zastosowaniu tego samego gatunku ślimaka jako bioindykatora prowadzono już wcześniej w okolicach Insbruku. Koncentracja kadmu, ołowiu, miedzi
i cynku była mierzona u osobników zebranych z różnych zakątków miasta. W porównaniu do ślimaków pobranych z siedlisk wiejskich, zwierzęta zebrane w mieście charakteryzowały się większym stężeniem kadmu, ołowiu i miedzi, co wskazuje na podwyższony poziom zanieczyszczenia metalami gleb z aglomeracji miejskiej.
Największe zaś różnice odnotowano w przypadku ołowiu [2].
Podobne badania w układzie gleba-roślina-ślimak prowadzono w Biesbach w Holandii na synantropijnym, roślinożernym ślimaku lądowym (Cepaea nemoralis)
z rodziny Helicidae. Bioakumulacje metali ciężkich obserwowano w tkankach ślimaka, liściach pokrzywy zwyczajnej (Urtica doica) oraz glebie pochodzącej z różnych
siedlisk. W wyniku tych badań zauważono pozytywną zależność między koncentracją
Zn, Cu, Cd i Pb w tkankach ślimaka i zawartością tych metali w liściu Urtica. Wartość współczynnika r2 opisującego poziom istotności wynosiła 0,19-0,46 była więc
wysoka co może wskazywać na istotność transferu metali w tym łańcuchu pokarmowym Cepaea nemoralis. Wysoką wartość r2 (0,15-0,33) odnotowano także dla zależności między stężeniem metali w ciele ślimaka oraz ich obecnością w glebie. Wyniki
te wskazują na transfer metali do ślimaka zarówno z gleby jak i z rośliny [16].
Podobne zależności po analizie transferu metali ciężkich opisano dla Helix aspersa. Gatunek ten został zaproponowany jako bioindykator metali ciężkich, ponieważ
gromadzone są one w dużym stężeniu w jego tkankach miękkich. Badania nad skutecznością Helix aspersa do określenia poziomu zanieczyszczeń gleb polutantami
prowadzone były w Wielkiej Brytanii i Walii w latach 90 [1]. Badacze analizie pod-
Ślimaki lądowe jako bioindykatory skażenia środowiska metalami ciężkimi
313
dali zawartość Pb, Cd, Cu i Zn w tkankach miękkich ślimaka, glebie oraz liściach
Taraxacum. Wyniki ich prac były zbliżone do badań holenderskich naukowców
i również potwierdziły występowanie korelacji między zawartością polutantów
w tkankach miękkich ślimaków, glebie oraz liściach rośliny.
Ten sam gatunek może być także z powodzeniem wykorzystywany do określania
stopnia zanieczyszczenia powietrza. Takie badania prowadzone były przez włoskich
uczonych w miejscowości Ancona w 2004 roku. Ślimaki do badań zebrane zostały z 5
siedlisk o różnym stopniu ekspozycji na zanieczyszczenia metalami. Wyniki wykazały
znacznie większe stężenie Cr, Cu, Fe, Pb, Mn, Ni i Zn w gruczołach ślimaków pochodzących z terenów miejskich w porównaniu do osobników zebranych z peryferyjnych
części miasta. Największe rozbieżności odnotowano dla Fe oraz Pb. Dla porównania
koncentracja Fe dla próbek pochodzących z terenów podmiejskich wynosiła
87.5 ± 8.04 zaś dla próbek zebranych z miasta 555 ± 273. W przypadku Pb natomiast
było to odpowiednio 1.62 ± 0.35 i 80.5 ± 39.5 [17].
Wśród niektórych gatunków lądowych bezkręgowców obserwuje się zróżnicowanie w sposobie gromadzenia oraz usuwania z organizmu metali ciężkich. Taką różnorodność strategii w akumulacji np. kadmu, ołowiu czy cynku zawartego w glebie bądź
pokarmie wykazują Julus scandinavius, Porcellio scaber i Deroceras reticulatum [3].
Nie wszystkie organy w jednakowym stopniu uczestniczą w akumulacji metali. Ślimaki lądowe gromadzą kadm, cynk i ołów wewnątrz gruczołów. W gruczole trawiennym gatunku Arion ater odnotowano największe stężenia magnezu, fosforu, kadmu
i cynku [8]. Porównując zawartość metali zakumulowanych u Helix pomatia i Helix
aspersa ustalono, że ilości miedzi, cynku i kadmu zdeponowane w wątrobotrzustce
obu gatunków były zbliżone, zaś stężenie ołowiu było dwukrotnie większe u H.
aspersa. Analiza obecności metali w stopie wykazała rozbieżności jedynie dla manganu i żelaza, którego koncentracja była większa u H. pomatia natomiast mangan
zawarty był w większej ilości u H. aspersa [15]. Podobne badania na ślimakach
z rodzaju Helix i Arion wykazały, że wątrobotrzustka w obu przypadkach akumulowała podobne ilości miedzi oraz cynku. Stężenie cynku i manganu było zaś wyższe
w stopie niż w gruczole trawiennym [15].
3. PODSUMOWANIE
Oddziaływanie zanieczyszczeń na organizmy jest wynikiem interakcji między skażeniem środowiska a organizmem, populacją lub biocenozą. W konsekwencji prowadzi to do zahamowania wzrostu i czynności fizjologicznych, zmian w DNA oraz
w obrębie tkanek i organów, a w skrajnych przypadkach także do śmiertelności [19].
Niekorzystne zmiany wywołane różnymi zanieczyszczeniami zachodzą w pierwszej kolejności na niższych poziomach troficznych. Skuteczność stosowania biomoni-
314
M. KUJAWA, T. M. TRACZEWSKA
toringu zależy więc w dużej mierze od wyboru organizmów służących do obserwacji
[19].
Przytoczone w pracy taksony ślimaków są konsumentami pierwszego rzędu w łańcuchu troficznym dzięki czemu można obserwować poziom akumulacji metali ciężkich oraz innych polutantów już we wczesnych stadiach skażenia środowiska [7].
Wyniki obserwacji badaczy cytowanych w tekście jednoznacznie wskazują na zasadność stosowania ślimaków zarówno lądowych jak również wodnych w biomonitoringu środowiska. Należy jednak zaznaczyć, że badania procesów bioakumulacji i dystrybucji metali w organizmach mięczaków nie zawsze są miarodajne. Mechanizmy te
zależą od dostępności pierwiastków i specyficznych różnic zachodzących w procesach
fizjologicznych poszczególnych gatunków. Różnice w akumulacji metali w tkankach
ślimaków zależą np. od rozmiarów ciała, wieku czy pory roku warunkującej parametry fizykochemiczne środowiska [12].
LITERATURA
[1]
BEEBY A., RICHMOND L., Evaluating Helix aspersa as a sentinel for mapping metal pollution,
Ecological Indicators, 2002, Vol.1, 261–270.
[2] BERGER B., DALLINGER R., Terrestrial snails as quantitative indicators of environmental metal
pollution, Environmental Monitoring and Assesment, 1993, Vol. 25, 65–84.
[3] CORTET J., GOMOT-DE VAUFLERY A., POINSOT- BALAGUER N., GOMOT L., TEXIER
CH., CLUZEAU D., The use of invertebrate soil fauna in monitoring pollutant effects, Eur J. Soil
Biol., 1999, Vol. 35, No. 3, 115–134.
[4] CRAVO A., BEBIANNO M. J., FOSTER P., Partitioning of trace metals between soft tissues and
shells of Patella aspera, Environment International, 2004, Vol. 30, 87–98.
[5] DALLINGER R., BERGER B., TRIEBSKORN-KÖHLER R., KÖHLER H., Soil biology and
ecology, Barker G. (ed.) Biology of Terrestrial Mollusc CABI Publishing, Cambridge 2001, 489–
524.
[6] DALLINGER R., WIESER W., Patterns of accumulation, distribution and liberation of Zn Cu, Cd
and Pb in different organs of the land snail Helix pomatia L., Comparative Biochemistry and Physilogy, 1984, Vol. 79C, 117–124.
[7] GEENEN S., JORDAENS K., BACKELJAU T., Molecular systematics of the Carinarion complex
(Mollusca: Gastropoda: Pulmonata): a taxonomic riddle caused by a mixed breeding system, Biological Journal of the Linnean Society, 2006, Vol. 89, 589–604.
[8] GOMOT DE VAUFLEURY A., PIHAN F., Growing snails used as sentinels to evaluate terrestrial
environment contamination by trace elements, Chemosphere, 2000, Vol. 40, 275–284.
[9] GWOREK B., TABAK K., PIERŚCIENIAK M., MACIASZEK D., WILK M., Wybrane gatunki
zwierząt jako wskaźniki zmian w środowisku. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 2008,
Vol. 37.
[10] JARUP L., Hazards of heavy metal contamination, British Medical Bulletin, 2003, Vol. 68,
167-182.
[11] KABATA-PENDIAS A., PENDIAS H., Biogeochemia pierwiastków śladowych, PWN Warszawa
1999, 398.
Ślimaki lądowe jako bioindykatory skażenia środowiska metalami ciężkimi
315
[12] KOWALCZYK-PECKA D., Wpływ rodzaju chylatu miedzi na poziom akumulacji metalu w tkankach miękkich i muszlach Cepea Nemoralis (Gastropoda:Pulmonata), Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 2009, Vol. 41.
[13] LASKOWSKI R., HOPKIN S.P., Accumulation of Zn, Cu, Pb and Cd in the garden snail (Helix
aspersa):Implications for predators, Environmental Pollution, 1996, Vol. 91, 289–297.
[14] McDONNEL R.J., RUGMAN-JONES P., BACKELJAU T., BREUGELMANS K., JORDAENS
K., STOTHAMER R., PAINE T., GORMALLY M., Molecular identification of the exotic slug
Arion subfuscus sensu stricto (Gastropoda: Pulmonata) in California, with comments on the source
location of introduced populations, Biological Invasions, 2011, Vol. 13, 61–66.
[15] MENTA C., PARISI V., Metal concentrations in Helix pomatia, Helix aspersa and Arion rufus:
a comparative study, Environmental Pollution, 2001, Vol. 115, 205–208.
[16] NOTTEN M.J.M., OOSTHOEK A.J.P., ROZEMA J., AERTS R., Heavy metal concentrations in
a soil – plant snail food chain along a terrestrial soil pollution gradient, Environmental Pollution,
2005, Vol. 138, 178–190.
[17] REGOLI F., GORBI S., FATTORINI D., TEDESCO S., NOTTI A., MACHELLA N.,
BOCCHETTI R., BENEDETTI M., PIVA F., Use of the Land Snail Helix aspersa as Sentinel Organism for Monitoring Ecotoxicologic Effects of Urban Pollution: An Integrated Approach, Environmental Health Perspectives, 2006, Vol. 114, No. 1.
[18] SEŃCZUK W., Toksykologia: podręcznik dla studentów, lekarzy i farmaceutów, Wyd. Lekarskie
PZWL, Warszawa 2002.
[19] TRACZEWSKA T., Biologiczne metody oceny skażenia środowiska. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2011.
LAND SNAILS AS BIOINDICATORS OF ENVIRONMENTAL CONTAMINATION
BY HEAVY METALS
Industrial emissions and unsuitable waste and effluents, and lead to chronic sewage pollution of the
environment, impairing the development of living organisms. It is common to use water molluscs to
determine the degree of heavy metal pollution of natural ecosystems [4]. They are also known species of
land snails characterized by very good abilities bioindykation. Study conducted by Danuta KowalczykPeck and Katarzyna Czepiel-Mil showed significant concentrations of Pb, Zn, Cu, Cr, Fe, Cd in the tissues of hepatopancreas and leg Agriolimacidae snails of the family. Due to the complex metabolism of
snails details of correlation between the content of pollutants in the body, and the environment in which
they live are the subject of extensive research [5].