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] Metal Lokalizacja I 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 r 2 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 r 2 (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 Kowalczyk- Peck 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].