Главная / Наука о пчелах / Шмели как биоиндикаты

Использование шмелиных (Hymenoptera, Apidae) в качестве биоиндикаторов химического загрязнения окружающей среды

Введение

Охрану окружающей среды от загрязнений невозможно обеспечить, не имея надежных методов и приемов контроля. Однако инвентаризация химических элементов в природных объектах - задача, которую непросто решить даже точными методами и имеющимися на сегодняшний день инструментальными средствами. Большая часть загрязняющих веществ осаждается на большом расстоянии (до десятков километров) от источников загрязнения в соответствии с розой ветров, часть поступает в верхние слои атмосферы и может переноситься на многие сотни и даже тысячи километров. Решение данной проблемы усложняется из-за разнообразия климатических и почвенно-геохимических условий отдельных территорий. Традиционно степень загрязнения окружающей среды различными токсикантами устанавливалась при анализе их содержания в почве, воде, воздухе. Такие анализы сопряжены с отбором большого количества проб на исследуемой территории, значительными затратами средств, труда и времени. Однако биотический компонент экосистем остается за пределами внимания исследователей.

Перспективными для контроля степени загрязнения экосистем являются биологические методы. Надежными и чувствительными индикаторами состояния среды являются представители насекомых как одни из самых уязвимых и чувствительных к загрязнению окружающей среды наземных животных. Апимо- ниторинг повышает при комплексном применении эффективность других видов биомониторинга, а по ряду характеристик имеет предпочтительное применение.
В некоторых условиях использовать пчел для биомониторинга не возможно (недостаток кормовой базы, упадок или неразвитость пчеловодства в данной местности и др.). Шмели же, являясь представителями таежной, лесной и лесостепной зон, повсеместно распространены в Удмуртии. Способность легко поселяться и развиваться в искусственных гнездах, не агрессивность делает шмелей привлекательным биоиндикатором загрязнения окружающей среды.
Кроме того, шмели характеризуются оптимальными среди всех пчелиных фенологическими качествами: активны при более низких температурах, продолжают вылеты при небольшом дожде, не требуют ухода в зимний период, имеют более широкий спектр кормовой базы.

Цель исследования: определить вид и интенсивность воздействия на биосферу объекта по хранению и уничтожению химического оружия с помощью биоиндикатора - шмелей рода Bombus Latr. Для достижения поставленной цели нами поставлены следующие задачи:

  • экспериментально изучить возможность использования шмелей как биоиндикаторов загрязнения окружающей среды продуктами распада люизита;
  • адаптировать существующую методику искусственного разведения шмелей к условиям территории исследования;
  • разработать методические вопросы заселения и расстановки искусственных гнезд в пределах санитарно-защитной зоны завода.

1. Методика и материалы

Для проведения научно-исследовательской работы планируется организовать ряд постов в определенной последовательности по всей территории санитарно-защитной зоны завода, согласно проекту биомониторинга. Пост представляет собой группу искусственных гнезд (улейков, шмелевников), изготовленных по методу, предложенному В.С. Гребенниковым [1,2]. При этом шмелевник должен удовлетворять следующим требованиям: защищен от проникновения воды, сохранять среднюю температуру внутри гнезда, независимо от внешних погодных условий, должен иметь хорошую вентиляцию.

Строение и примерный способ установки подземного шмелевника

Рис.1. Строение и примерный способ установки подземного шмелевника (по В.С. Гребенникову [2])

Выставка гнезд на места (рис.1) и заселение их шмелями производится со второй половины апреля до середины мая, пока самки не нашли место и не организовали собственные гнезда. Утеплительный материал для гнезда должен иметь слабую теплопроводность и незначительную гигроопичность. Он должен быть приведен в рыхлое состояние, но длина волосков не должна превышать 10-30 мм, так как в длинных нитях часто запутываются и погибают. Оптимальный утеплитель - подстилка лабораторных мышей (шмели в природных условиях часто используют для своих гнезд заброшенные мышиные норы), возможно также использование войлока, пакли, сухого мха и т. д. Опилки, стружка, сухие листья не пригодны, так как приводят к быстрому изнашиванию волосяного покрова шмелей [3]. В начальной стадии развития семьи возможна искусственная подкормка сахарным сиропом или пчелиным медом, помещенным в специальные кормушки (рис. 2). В качестве дополнительного материала для постройки выводковых ячеек (камер) можно использовать пластилин.

Шмель на искусственной кормушке

Рис.2. Шмель на искусственной кормушке (по В.С. Гребенникову)

Среди всех видов шмелей, обитающих на территории республики, нами выбрано три - B. lucorum, B. lapidarius, B. agrorum. Эти виды легко приживаются и развиваются в искусственных гнездах, характеризуются высокой лабильностью Необходимо установить 5-10 ульев со шмелями на каждом посту, с учетом медоносных ресурсов местности.

2. Особенности биомониторинга с использованием шмелей

В качестве индикатора загрязнения среды шмели (род Bombus Latr.) обладают следующими особенностями.

  1. Четкая приуроченность к определенному участку местности. Шмели работают равномерно в радиусе 1-2 км от гнезда. Поэтому ткани шмелей и их продукты являются усредненной пробой, характеризующей уровень загрязнения вокруг гнезда. При мониторинге экосистем, занимающих площадь в несколько км2 отбор любых других объектов для получения объективной и качественной информации приводит к значительным материальным затратам. Использование шмелей для мониторинга окружающей среды сокращает количество необходимых проб, время на взятие проб и затраты труда в несколько раз.
  2. Простота добычи и учета. Благодаря образу жизни шмелей, отбор проб не представляет каких-либо трудностей для исследователя (которые имеют место при работе с другими биологическими объектами, трудно локализуемыми на отдельно взятой территории). В частности, возможен отбор достаточного количества особей на разных стадиях развития, а также продуктов их жизнедеятельности. При этом популяциям шмелей не наносится какого-либо существенного вреда.
  3. Индикаторная пластичность. Поскольку шмели обладают различной чувствительностью к определенным загрязнителям, они могут быть использованы и как аккумулятивные, и как реакционные индикаторы. Так, шмели очень чувствительны к мышьяку и некоторым другим элементам, а значит, могут быть использованы как реакционный индикатор при определении влияния токсиканта на биосистемы (в частности, биологическое влияние загрязняющих веществ можно установить по некоторым физиологическим показателям шмелей - количеству расплода, проявляющимся аномалиям развития особей, ме- допродуктивности и т.д.). С другой стороны, шмели способны накапливать некоторые элементы в своих тканях, либо концентрировать их в продуктах своей жизнедеятельности - аккумулятивные индикаторы.
  4. Возможность дрессировки (кормление сиропами с приданием запаха растительного объекта) на посещение ими определенных видов медоносных растений.

Ввиду вышеперечисленных характеристик, шмели, по сравнению с другими биологическими объектами, с большей уверенностью могут применяться для биомониторинга окружающей среды.

3. Наблюдение за жизнедеятельностью шмелей

3.1. Этологические наблюдения

Техногенная нагрузка, обусловленная соединениями мышьяка, неизбежно отразится на состоянии всех компонентов биосистемы. Токсическое действие мышьяка при его аварийном попадании в окружающую среду приведет к поражению растений, нарушению их физиологического состояния, снижению нектаропродуктивности и/или изменению химического состава нектара. Ухудшение качества кормовой базы можно оценить по изменению летной активности фуражирующих шмелей.

Летная активность выражается в количестве вылетов в минуту. Подсчитывается количество вылетевших шмелей за 5 мин. Контроль необходимо проводить в солнечную, безветренную погоду (скорость ветра не более 5-7 м/с). Измерения нужно проводить 3 раза в день (в 10, 14 и 18 часов) в период наибольшей летной активности.

У шмелей неспецифическим ответом на стресс является изменение двигательной активности и генерации звуков. Регистрацию звуковых сигналов можно производить непосредственно с помощью магнитофона с выносным микрофоном, помещенным внутри улья. Двигательную активность можно достаточно точно оценить, регистрируя изменение показателей микроклимата в улье (температуры, влажности) с использованием компьютерной системы мониторинга или переносных приборов.

3.2. Наблюдения за процессами индивидуального развития шмелей

Особи на ранних стадиях развития не способны к выведению отравляющих веществ из организма, а потому - наиболее чувствительны к их действию. Мышьяк обладает выраженным токсическим и мутагенным эффектами, и попадание его незначительных количеств в окружающую среду будет неблагоприятно сказываться на жизнеспособности развивающихся шмелей и на формирование органов в онтогенезе.

3.2.1. Изучение количества расплода в семьях и процента гибели особей на предимагинальных стадиях

Оценку количества расплода проводят визуально, подсчитывая число ячеек с расплодом. Степень элиминации определяется по числу погибших личинок в ячейках. Оптимальное время осмотра семей - в солнечную, безветренную, теплую погоду 2 раза в год (в мае и августе).

3.2.2. Изучение морфогенеза особей

Исследование морфогенеза шмелей проводят путем измерения хитиновых частей тела особей. Необходимо учитывать следующие экстерьерные признаки: длину хоботка, длину и ширину 3-го тергита, лапок, передних и задних крыльев. Указанные признаки наиболее полно и адекватно характеризуют внешние параметры шмелей. Пробы насекомых (30 шт.) рекомендуется отбирать 3 раза в год (в мае, июле и сентябре) и фиксировать в спирте. Препарирование и измерение отдельных частей тела нужно проводить по общепринятой методике [4] с использованием бинокуляра или компьютерных технологий. При этом оценивается процент особей с крупными морфологическими отклонениями (изменение линейных размеров, выраженная асимметрия парных органов).

3.3. Определение содержания мышьяка в тканях шмелей и продуктах их жизнедеятельности

Химический анализ тканей шмелей и их продуктов на предмет содержания мышьяка составляет главную часть мониторинга завода по переработке химического оружия. Отбор проб рекомендуется проводить с апреля по октябрь 1 раз в месяц. Из ульев необходимо отобрать не менее 30 взрослых шмелей (20 - 25 г), часть расплода (5-10 личинок), часть меда (5-7 ячеек), воск (свежеотстроенную вощину).

Подготовка биопроб к анализу заключается в их высушивании, озолении и растворении. Для одного химического анализа рекомендуется брать не менее 1 г образца пыльцы, 5 г шмелей и 10 г воска и меда. После высушивания до постоянной массы (при 102° С в течение 6 - 8 часов) навески озоляют в муфельной печи в течение 8 - 12 часов и растворяют в соляной кислоте.
Анализ производят общепринятыми методиками [5,6,7], в зависимости от оснащения лаборатории.

Заключение

Таким образом, проведенные исследования показали, что шмели могут быть хорошими индикаторами состояния окружающей среды. В предстоящем сезоне планируется внедрить методику искусственного разведения шмелей в практику. Это позволит наблюдать за биологией (этологией, физиологией) и экологией шмелей, а также производить отбор проб, в удобное для исследователя время, в то время как наблюдение за «дикими» шмелями осложняется поисками гнезд; довольно сложно вести наблюдения и отбор проб не нарушая жизнедеятельности семьи.

Литература

  1. Гребенников В.С. Разведение и использование шмелей на красном клевере (методические рекомендации). - Новосибирск, 1981.
  2. Гребенников В.С. Шмели - опылители клевера. - М.: Россельхозиздат, 1984.
  3. Вовейков Г.С. Разведение шмелей в целях опыления красного клевера. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1954.
  4. Методы проведения научно-исследовательских работ в пчеловодстве. - Рыбное: ГУ НИИП, 2002. - С. 64-68.
  5. Мышьяк. Определение по образованию мышьяково-молибденовой сини//Методы исследования качества воды водоемов. - М.: Медицина, 1990. - С. 127-130.
  6. Мышьяк. Определение с хлоридом ртути//Методы исследования качества воды водоемов. - М.: Медицина, 1990. - С. 130-132.
  7. Определение мышьяка и селена атомизацией в пламени//Методы исследования качества воды водоемов. - М.: Медицина, 1990. - С. 252.

Г.В. Ломаев, В.В. Борисов * Ижевский государственный технический университет, Удмуртский государственный университет*